CC BY
64
УДК 681.58
Увайсов1 С.У., Коковин2 В.А., Дягилев? В.И.
Московский институт электроники и математики, НИУ ВШЭ, Москва, Россия
Международный университет природы, общества и человека "Дубна", г. Протвино, Россия
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИХ РАБОТЫ
Диагностирование технического состояния радиоэлектронных устройств (РЭУ) любого назначения, в том числе и силовых преобразователей (СП), является неотъемлемой частью процесса их разработки, производства, испытаний и эксплуатации. Целью диагностирования является получение информации для выработки необходимых воздействий на проверяемое радиоэлектронное устройство или условия его производства и эксплуатации для поддержания надежности на требуемом уровне и обеспечения максимального эффекта от использования его по назначению.
При разработке и изготовлении конкретного РЭУ ему придается ряд свойств, которые в совокупности определяют качество радиоэлектронного устройства. Каждому из этих свойств предъявляются определенные требования, вытекающие из условий целевого применения РЭУ. Несоответствие хотя бы одного из таких свойств установленным требованиям свидетельствует о наличии дефекта.
Таким образом, прежде чем допустить изготовленное радиоэлектронное устройство к использованию по назначению необходимо проверить, тем или иным способом его соответствие установленным требованиям по всей совокупности рассматриваемых свойств.
Такая проверка осуществляется путем сопоставления измеренных значений тех или иных показателей свойств РЭУ с их заданными, расчетными значениями. В дальнейшем, при эксплуатации РЭУ необходимо осуществлять их диагностирование с тем, чтобы своевременно выявлять дефект, в случае его возникновения, и принять необходимые меры к его устранению или, по крайней мере, уменьшению его вредных последствий.
По мере возрастания сложности радиоэлектронных устройств, функции диагностирования значительно усложняются. Контроль работоспособности РЭУ через проверку соответствия основных выходных характеристик заданным часто бывает недостаточно. Это связано с тем, что возможны неисправности компонентов из-за дефектов в виде выхода значений внутренних (например, электрических) параметров за допустимые границы или нарушение временной последовательности событий управляющих воздействий системы управления. Подобного рода дефекты в начальный момент эксплуатации РЭУ могут не сказаться на его основных выходных характеристиках вследствие их взаимной компенсации, однако температурные и электрические режимы работы элементов радиоэлектронных устройств будут нарушены, вследствие чего возрастет их интенсивность отказов.
Существует достаточно много способов диагностирования РЭА. К их числу можно отнести метод диагностирования параметрических отказов элементов РЭУ СУ [1], метод диагностирования катастрофических отказов элементов РЭУ СУ [1], метод диагностирования РЭУ до уровня ФУ [2], метод распознавания термограмм [3], метод определения температур активных зон элементов, недоступных непосредственному тепловому измерению [1].
В данной статье рассмотрены вопросы диагностирования современных высокочастотных силовых преобразователей в процессе эксплуатации, структура которых условно разделена на отдельные составляющие: силовую часть, систему управления (с системой защиты) и интерфейс взаимодействия с внешними устройствами. Предполагается, что в процессе эксплуатации изменение контролируемых параметров не носит катастрофического характера. В случае резкого изменения рабочих параметров отдельного компонента (например, короткое замыкание в силовой части СП) срабатывает система защиты и формируется сигнал (событие) для передачи сообщения оператору. Проблемы диагностирования будем рассматривать на примере генератора ультразвуковой технологической установки. Блок - схема преобразователя представлена на рисунке.
Рис. 1. Блок-схема силового преобразователя с потоковой системой управления. СФ-сетевой фильтр, В-выпрямитель, ГВЧ - генератор высокой частоты, Тр- выходной трансформатор, ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь (нагрузка), СЗ - система защиты, СУ - система управления, ИВ -
интерфейс взаимодействия.
Методы диагностирования компонентов силовой части СП
В силовую часть СП входят сетевой фильтр, выпрямитель, генератор высокой частоты и выходной трансформатор. Как и в любой РЭУ, все элементы силовой части СП можно подразделить на активные и пассивные. В процессе эксплуатации необходимо диагностировать активные компоненты силовой части (модули IGBT-транзисторов, мощные диоды и т.д.). Схема замещения СП (силовой части) представлена в статье [4].
1
Основными параметрами, необходимыми для диагностирования являются:
Температура силовых транзисторных модулей;
Температура высокочастотных конденсаторов резонансного контура;
Температура внутри корпуса СП;
Сигналы (в виде импульсов) срабатывания защиты отдельных узлов, которые будем называть событиями .
Современные силовые элементы имеют, как правило, встроенные датчики температуры. Датчики, в виде NTC (Negative Temperature Соебб1с1еп^-термистора с отрицательным ТКС монтируются на керамическую пластину - основание, совместно с силовым чипом. Практически весь объем выделяющегося в силовом кристалле тепла выделяется на радиаторе и далее рассеивается в окружающую среду [5]. Возникающие тепловые потоки изменяют сопротивление NTC-термистора достаточно медленно, поэтому этот температурный параметр можно отнести к статическому параметру.
Важным показателем бесперебойной работы СП является температура, распределенная внутри корпуса. Значение этого параметра влияет на работоспособность всех составляющих СП, поэтому диагностирование ее и своевременное принятие мер, в случае выхода параметра за допустимые пределы, дает возможность повысить надежность работы. При диагностировании СП на испытательных стендах измеряется температурный профиль внутри корпуса методом распознавания термограмм и сравнивается с допустимым профилем [3]. Но в условиях эксплуатации СП это сделать сложно. Для измерения температуры внутри корпуса используют распределенные температурные датчики, размещенные около ответственных узлов. Для измерения сигнала от датчиков температуры (если сигнал аналоговый) используются стандартные АЦП.
Диагностирование температурных параметров можно выполнять тремя способами:
измерять абсолютное значение температуры и передавать через интерфейс взаимодействия ИВ (см. рисунок) оператору;
сравнивать с верхним и нижним предельными значениями температуры и формировать события для
СУ;
сравнивать с предельными и промежуточными значениями температуры, для того чтобы получить информацию о приближении к критическому значению параметра и формировать события для СУ.
Первый способ позволяет отслеживать «историю» изменения температурного параметра, но требует достаточно большого объема передаваемой информации. Второй способ более экономичен, но менее информативен. Последний способ является самым оптимальным, поскольку дает возможность контролировать приближение к критическому значению температуры и не требует большого объема данных. В рассматриваемом СП диагностирование температуры осуществляется через передачу сообщений, формируемых на основе событий с несколькими уровнями сравнения. Далее будет рассмотрен механизм формирования сообщений.
Задача системы защиты СП - предотвратить выход из строя активных элементов при критических ситуациях. Для диагностирования таких случаев устройства СЗ формируют сигналы (события), при каждом срабатывании защиты, и передают их в СУ.
Методы диагностирования системы управления СП, реализованной на ПЛИС
Выбор архитектуры системы управления современных силовых преобразователей определяется заданными характеристиками работы преобразователя, числом и качеством регулировок параметров СП, уровнем сервиса (удаленное управление, работа в составе распределенной системы управления и т.д.) . Можно выделить два основных подхода при выборе архитектуры системы управления СП. Это традиционная архитектура с использованием вычислителя (например, микроконтроллера), построенного на базе модели вычислений control flow (потока команд) и реализация архитектуры управления на основе модели вычислений data flow (потока данных). При создании СУ на основе модели data flow алгоритм управления реализуется аппаратно на основе технологии программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Это дает возможность параллельно обрабатывать различные процессы (что актуально при большой частоте преобразования напряжения в СП), при этом обработка выполняется синхронно. Другим преимуществом использования ПЛИС является возможность реконфигурировать аппаратную реализацию алгоритма неограниченное число раз (а для современных ПЛИС даже «налету»). Кроме того, разработку можно выполнять на языках описания аппаратуры (Verilog, VHDL), что повышает производительность разработки и дает возможность выполнять функциональную и временную симуляцию проекта.
Диагностика систем управления СП, цифровая часть которых реализована на базе ПЛИС, имеет свои особенности. В таких системах основной состав логических элементов сосредоточен в ПЛИС и недоступен для таких стандартных приборов, как логические анализаторы. Наличие в каждой ПЛИС встроенного специализированного порта ТАР (Test Access Port) позволяет эффективно проводить тестирование и отладку модуля путем формирования тестовых воздействий и считывания реакции по интерфейсу JTAG [6]. Производители ПЛИС нового поколения оснастили кристаллы разнообразными программно-аппаратными механизмами для диагностирования. Это, например, Time Quest Timing Analyzer, Signal Tap II Logic Analyzer [7] (фирма Альтера) и другие. Однако, во время штатной работы модуля СУ, исключающей использование тестовых векторов, применять эти механизмы практически невозможно.
В то же время, современные ПЛИС имеют большой внутренний ресурс, что позволяет с минимальными дополнительными затратами организовать внутри ПЛИС средства контроля за обработкой потоков данных. Контроль осуществляется путем сканирования состояний выделенных блоков ПЛИС, проводимого параллельно с основной работой модуля (задача управления СП) , и не требует тестирующих воздействий. Для управления процессом сканирования и передачи данных внешнему компьютеру в аппаратуру встраивается специальный диагностический порт, которым можно оснастить любую систему, реализованную на ПЛИС. Название метода диагностирования, в основе которого используется диагностический порт - диагностическое сканирование выделенных объектов (ДСВО). Метод реализован в виде IP-ядра, что позволяет использовать его в любой ПЛИС, обладающей достаточными ресурсами. Данный метод показал высокую эффективность при мониторинге и диагностике аппаратуры управления мощными силовыми преобразователями электрофизических установок [8].
Суть этого метода заключается в считывании состояния выделенных объектов, находящихся в локальной области модуля системы управления СП (в нашем случае в ПЛИС фирмы Altera) и запоминание этих состояний в буферной памяти. Диагностическое сканирование может быть циклическим, например, каждый цикл относительно некоторого выбранного события, периодическим, с заданным периодом, либо по изменению состояния выделенного объекта. Метод ДСВО не предполагает формиро-
2
вания тестирующих векторов или воздействий, а лишь фиксирует состояние того или иного объекта в заданный момент времени.
Под объектом в системе управления СП будем понимать любой ресурс ПЛИС, доступный для сканирования и выделенный в качестве объекта сканирования. К таким объектам, как правило, относятся запоминающие элементы: триггеры, ячейки памяти и т.д. Это могут быть, например, значения тем-
пературных параметров, события, меняющие режим работы или состояние СП, результаты сравнения сигналов обратной связи с заданными значениями, события от СЗ и т.д.
Выделенные объекты могут быть статическими, состояние которых либо не изменяется (регистр идентификационного номера СП), либо изменяется редко, например, только при смене режима работы СП (регистры задания режима) или какой-нибудь медленно меняющийся температурный параметр. Выделенные объекты могут быть динамическими, состояние которых изменяется часто, например, несколько раз за выбранный цикл диагностирования. К таким объектам относятся управляющие события СП [4], регистры статусных сигналов, события от СЗ и другие.
Для реализации метода ДСВО определен следующий состав блоков в ПЛИС:
Встроенный диспетчер последовательного порта (ДПП). Диспетчер принимает команды от внешнего компьютера и передаёт результаты их выполнения. ДПП содержит адаптированный UART с возможностями полнодуплексного асинхронного обмена с внешним компьютером и память FIFO ёмкостью 512х16 бит.
Встроенные логические блоки (ВЛБ). Для каждого выделенного объекта или группы объектов создается ВЛБ, который формирует запросы к ДПП на опрос. Каждому ВЛБ присваивается уникальный адрес и уровень приоритета. ВЛБ для статических объектов отличаются от ВЛБ для динамических.
Мультиплексированная шина данных. Все ВЛБ доступны для опроса диспетчером последовательного порта через внутреннюю синхронную мультиплексированную шину данных.
Для задания работы диспетчера диагностического порта определены команды и их формат. ДПП может сканировать объекты циклически, с заданным периодом, либо опрашивать их состояние по запросам встроенных логических блоков соответствующих объектов. Для обмена командами и данными между диспетчером последовательного порта и внешним компьютером разработан протокол обмена. Протокол определяет тип обмена (дуплекс, полу-дуплекс), число байт синхронизации, число байт данных и т.д. Каждому событию ставится в соответствие определенный код, по которому можно идентифицировать диагностируемый параметр. Для обмена с внешним компьютером формируются сообщения, которые содержат код события (или параметра), метку времени и данные.
Для работы с ДПП через диагностический порт разработан графический интерфейс на базе программного продукта LabVIEW, который позволяет визуализировать результат сканирования выделенных объектов аппаратуры СУ. Интерфейс программы состоит из нескольких страниц (закладок), которые отображают как оперативную информацию (результаты сканирования), так и служебную (коммуникационные настройки, размер приемного буфера и т.д.). Программа позволяет:
Задать тип сканирования (периодический, циклический, по изменению состояния выделенного объекта);
Выделить объекты сканирования;
Определить вид работы с данными (запись в файл, преобразование формата и т.д.);
Задать коммуникационные параметры (номер порта, скорость обмена и т.д.).
Используя диагностический порт в составе ПЛИС и интерфейс взаимодействия ИВ можно диагностировать в реальном времени не только объекты СУ, но и состояние активных элементов силовой части СП и события от СЗ. При большом количестве событий, ДПП (имеющий ограниченную память FIFO) может не успеть передать оператору информацию, и она будет потеряна. В этом случае целесообразно использовать регистратор событий [8], Регистратор реализуется на базе встроенной в ПЛИС памяти и позволяет записывать коды событий, метку времени и данные. Запустить регистратор можно от любого события.
Удаленное диагностирование и мониторинг работы СП
Имея в составе интерфейса взаимодействия СП сетевые порты можно анализировать работу компонентов СП удаленно с помощью сетевых, коммуникационных средств. Основная цель выполнения удаленного диагностирования - это уменьшение временных потерь (при вынужденных простоях) в процессе эксплуатации СП. Удаленный доступ к диагностируемым параметрам СП позволяет организовать автоматизированный мониторинг работы неограниченного числа СП в реальном времени.
Используя эффективные методы диагностирования отдельных компонентов силовых преобразователей можно существенно снизить сроки и трудоемкость отыскания неисправностей РЭУ при эксплуатации, сократить временные простои и предотвратить катастрофические отказы. На основании результатов диагностирования текущего состояния осуществляется прогнозирование технического состояния РЭУ, и, таким образом определяются моменты времени следующих проверок.
ЛИТЕРАТУРА
1. С.У. Увайсов. Методы диагностирования радиоэлектронных устройств систем управления на протяжении их жизненного цикла.// Автореферат докторской диссертации. М.:- 2000.- 49 с.
2. С.У. Увайсов. Методология диагностического моделирования радиоэлектронных средств.// «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий». Тез. Докладов/ Материалы Международной конференции и Российской научной школы. - г. Сочи, 1998. - с. 42 - 44.
3. С.У. Увайсов, А. В. Долматов, Д. А. Лобурец, И. А. Милованов. Неразрушающий метод контроля печатных узлов радиоэлектронных средств на основе анализа термограмм. «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий». Тез. докладов. Материалы Международной Конференции и Российской научной школы. Ковров, 1999.с. 82 - 84.
4. Дягилев В.И., Сухов К.А. Транзисторные высокочастотные генераторы для ультразвуковой обработки // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции. Сочи, 2012, с.368-375.
5. Бербенец А. Использование встроенного NTC-резистора для измерения температуры IGBT-модулей// Силовая электроника.-2010.- №2.- , с. 28-30.
6. Altera Corporation. "IEEE 1149.1 (JTAG) Boundary-Scan Testing in Altera Devices", Application Note 39. 2005.
7. Altera Corporation. "Use SignalTapII Embedded Logic Analyzer SOPC Builder Systems", Application Note 323. 2007.
3
Коковин В.А., Комаров В.В. системы. Управление, контроль,
Мониторинг и диагностика общей таймерной системы // Приборы и диагностика.- 2005.- №9.- с.46-50.
4
