Методы обнаружения скрытых дефектов в навигационных системах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 656.1:681.51

Т. В. Клевцова

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ В НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Аннотация. Дан анализ существующих навигационных систем, в частности их структурных компонентов, параметров, степени наблюдаемости и работоспособности. В качестве методов обнаружения сбоя в различных автоматических системах предложены варианты применения контактных и бесконтактных датчиков сбоя, что явилось результатом анализа на совместимость упомянутых датчиков с компонентами навигационной системы. Проведен синтез, основывающийся на стыковке предложенного лага и предложенных контактных и бесконтактных датчиков сбоя, в результате чего была определена возможность повышения надежности и поиска скрытых дефектов в навигационных системах.

Ключевые слова: навигационная система, методы обнаружения сбоев, автоматические системы, контактные и бесконтактные датчики, системный анализ.

Abstract. The analysis of existing navigating systems, in particular their structural components, parametres is given, to observability and working capacity degree. It is considered, as object of the control and increase of its reliability, such structural component of navigating system, as a log - a measuring instrument of speed. As methods of detection of failure in various automatic systems such variants as application of contact and contactless gauges of failure that grew out of the analysis on compatibility of the mentioned gauges with components of navigating system are offered. The synthesis which is based on joining of the offered log and offered contact and contactless gauges of failure therefore possibility of increase of reliability and search of latent defects in navigating systems has been defined is spent.

Keywords: navigating system, methods of detection of failures, automatic systems, contact and contactless gauges, the system analysis.

Введение

В состав современных навигационных систем (НС), в том числе и автономных (например, подводные объекты, воздушный, водный и наземный транспорт), входит ряд подсистем (рис. 1), среди которых инерциальные навигационные системы, измерители скорости (лаги), приемники сигналов спутниковых НС (СНС), гирокомпасы, а также ЭВМ, осуществляющие комплексную обработку информации.

Подобные НС обычно называют интегрированными НС или навигационными комплексами [1].

Учитывая, что перечисленная аппаратура работает в условиях помех (как искусственных, так и естественных), влияющих как на показания датчиков информации, так и на промежуточные тракты, в которых участвуют и преобразователи информации, и устройства цифровой обработки, и каналы связи, нужно полагать, что важной характеристикой эффективности НС становится ее надежность.

1 Постановка задачи

Существующие (как отечественные, так и зарубежные) методы повышения надежности связаны, как правило, с аппаратурной и информационной

избыточностью. Учитывая, что аппаратура работает в области повышенных частот (до гигагерц), не исключается рассмотрение и других методов повышения надежности НС: пересмотр и ужесточение требований по электромагнитной совместимости (экранировка аппаратуры, переход на помехозащищенные связи с использованием оптического стекловолокна).

ИНС 1

Гирокомпас

Рис. 1 Структура интегрированной НС

В совокупности все это - пассивные методы, т.к. они зачастую не позволяют выявить, установить, а тем более устранить источник (источники) помех, оставляя тем самым потенциальную возможность появления новых отказов аппаратуры.

Из классификации, приведенной на рис. 2, следует, что одни методы регистрации источников сбоев целесообразно использовать в системах и устройствах с аналоговой обработкой сигналов (например, амплитудночастотные методы регистрации источников сбоев), другие - в цифровой аппаратуре (например, временные методы регистрации источников сбоев) [2].

МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИСТОЧНИКОВ СБОЕВ

БЕСКОНТАКТНЫЕ

ВРЕМЕННЫЕ к АМПЛИТУДНО- ■

1 МЕ" 1 ЧАСТОТНЫЕ |

СО

5

Рис. 2 Классификация методов обнаружения и регистрации источников сбоя

Цель данной статьи заключается в предложении повысить надежность рассматриваемой аппаратуры. Принципиальная особенность данной концепции повышения надежности аппаратуры за счет исключения воздействия на нее сбоев состоит в том, что, в отличие от ранее используемых подходов, обнаруживаются и регистрируются не места сбоев, а источники сбоев. То есть предлагаются активные методы резкого повышения надежности аппаратуры навигационных систем.

Отметим, что сбои в аппаратуре, в частности в ЭВМ, приводят к нарушению условий по выполнению требований по электромагнитной совместимости из-за большого уровня излучения сбойного элемента. При этом в качестве источника сбоев могут выступить такие элементы, как соединители, различные линии связи (интерфейсные, шины питания, заземления), контактирующие устройства больших и сверхбольших интегральных схем, контактные дорожки печатных плат, включая многослойные, клейменные колодки, места паек, металлизированные отверстия и т.д.

2 Методы активного обнаружения

Методы активного обнаружения и регистрации сбоев включают в себя как бесконтактные, так и контактные методы, достаточно подробно проработанные. Они имеют значительный (до 10-15 лет) отечественный приоритет и широко известны [3].

В данном случае представляют интерес два метода: метод, основанный на приеме и регистрации электромагнитного излучения, и дифференциальный метод. Таким образом, задачей данной работы будет являться синтез, заключающийся в стыковке выбранной компоненты НС - лага (рис. 1) и предложенных контактных и бесконтактных датчиков сбоя. Лаг, или измеритель скорости, имеет следующие функциональные узлы (рис. 3).

Рис. 3 Структурная схема гидродинамического лага: П - приемное устройство; ИП - измерительный преобразователь; УС - узел скорости; К - корректор;

С - сумматор; УПР - узел пройденного расстояния; И - индикатор

Действие гидродинамического лага основывается на измерении скоростного напора встречного потока. В качестве приемного устройства лага, воспринимающего гидродинамическое давление, служит приемная трубка, опускаемая на днище судна или штевневое устройство. При движении судна уровень в трубке поднимается на некоторую высоту, которая связана с давлением следующей зависимостью:

H = v2 /2g + Р/у, (1)

где у - скорость потока жидкости, см/с; g - ускорение силы тяжести, см/с2; Р - статическое давление воды, г/см2; у - удельный вес жидкости, г/см3.

Возникающее при движении судна суммарное давление в приемном устройстве не может быть использовано непосредственно для определения скорости из-за наличия статической составляющей, т.к. это привело бы к зависимости отсчета скорости от осадки судна. Для исключения влияния осадки на показания лага в конструкции прибора предусмотрена компенсация статического давления с помощью сильфонного аппарата. Сильфонный аппарат представляет собой камеру, разделенную диафрагмой на две полости -нижнюю и верхнюю. При движении судна в обоих полостях сильфонного аппарата создается одинаковое давление. Результирующее давление, испытываемое диафрагмой, будет равно динамической составляющей суммарного давления воды, пропорциональной скоростному напору. К диафрагме прикреплен шток, связанный через рычаг со стрелкой указателя скорости. Динамическое давление, зависящее от скорости судна, приподнимая диафрагму и шток, заставляет отклоняться стрелку указателя [4].

2 Структура гидродинамического лага

Преобразуем структурную схему гидродинамического лага, включив в нее бесконтактный датчик сбоя (БДС) после сумматора, обрабатывающего цифровые сигналы (рис. 4). При помощи выбранного датчика реализуется первый метод, основанный на приеме и регистрации излучаемого сбойного сигнала.

Рис. 4 Преобразованная структурная схема гидродинамического лага

Особенность метода - его работа как на непрерывных (аналоговых), так и на дискретных (импульсных или цифровых) сигналах. Введение в состав аппаратуры БДС, имеющих рабочий диапазон частот до 3,5-3,7 ГГц, позволяет обнаружить и своевременно зарегистрировать сбои в вышеперечисленных узлах и элементах аппаратуры.

Тогда структура приведенной интегрированной навигационной системы будет выглядеть как на рис. 5, где УОИС - устройства обнаружения источников сбоев.

Для отдельных видов контроля (в рабочем режиме, автоматизированный контроль) целесообразно использовать дифференциальный метод регистрации сбоев, основанный на дифференцировании проходящего через участок сбоя сигнала. Метод реализован с помощью дифференцирующей цепи, встроенной в проверяемую аппаратуру.

Продемонстрируем это на примере структурной схемы лага (рис. 6).

Логический элемент И-НЕ в сущности представляет собой дифференцирующую компоненту и является в своем роде контактным датчиком сбоя. Представим эту электрическую цепь схематично (рис. 7).

МНС 1

ИНС N

УОИС

УОИС

ЭВМ комплексной обработки информации

К потребителям навигационной информации

Лаг

СНС

УОИС

УОИС

Рис. 5 Структура интегрированной НС

И-НЕ

Рис. 6 Преобразованная структурная схема гидродинамического лага

Рис. 7 Дифференцирующая цепь

В отличие от известных методов, регистрирующих только два отказных состояния аппаратуры (обрыв и короткое замыкание), в данном случае регистрируется и третье промежуточное состояние, характеризуемое как сбойное (рис. 8). Информационным признаком, позволяющим регистрировать такое состояние, является повышенное значение напряжения сбойного сигнала, превышающее номинальное напряжение питания интегральной микросхемы (например, 5 В) за счет появления емкостной составляющей в распределенных элементах (линиях связи), и фиксируемое, например, приемником сигналов с повышенным (до десятков мегаом) сопротивлением (например, микросхемы КМОП-структуры) [5].

Рис. 8 Сбойное состояние электрических проводников

Основными причинами, по которым могут отсутствовать импульсы на выходе лага, как правило, являются:

- отсутствие питания на лаге;

- плохой электрический контакт монтажных проводов, соединяющих импульсный выход лага со вторичным прибором учета;

- отложение осадка на поверхности электродов;

- сбой или отказ электронного блока.

Если вышеперечисленные причины носят характер отказа, то для их выявления не требуется сложной измерительной аппаратуры. Отсутствие питания можно проверить по контрольной лампочке на блоке питания лага. Отказ электронного блока сопровождается миганием светодиода на электронной плате лага. В случае обнаружения данных неисправностей предпринимаются меры согласно технической документации на лаг.

Обнаружение сбоев, их регистрация непосредственно во время эксплуатации лага является более трудной, но не менее необходимой задачей.

Основными трудностями являются:

- невозможность подсоединения такой внешней диагностической аппаратуры, как вольтметры, частотомеры и др., в процессе работы лага, т.к. все эти процедуры необходимо выполнять при отключенном питании лага;

- невозможность наблюдать кратковременный сбой и, следовательно, регистрировать его без помощи дополнительной аппаратуры;

- непостоянность сбоев, которая заключается в том, что сами сбои могут появляться в произвольные моменты времени;

- возможность использования только импульсного выхода лага для обнаружения и регистрации сбоев непосредственно в процессе его работы [5].

Участие человека в процессе диагностики сведено к запуску системы диагностирования и анализу результатов ее работы.

Сигналы с датчиков сбоев могут быть использованы для дальнейшей обработки в блоке ЭВМ комплексной обработки информации (рис. 5).

Задача, решаемая в данных методах, - расширение функциональных возможностей по обнаружению скрытых дефектов в виде сбоев элементов и

узлов за счет введения датчиков сбоев и использования новых информативных признаков сбоев с соответствующей обработкой информации (сигналов).

Поставленная задача решается тем, что:

- электромагнитные излучения от источников сбоев обнаруживают бесконтактно в диапазоне частот от единиц герц до единиц гигагерц;

- дополнительный сдвиг фронтов импульсных сигналов, проходящих через источники сбоя, осуществляется и обнаруживается во всем диапазоне частот работающей аппаратуры с изменением сдвига фронта от единиц наносекунд и выше;

- контактно источник сбоя определяется по эффекту образования микротрещин в линиях связи и малой емкостной составляющей (доли и единицы пикофарад) в них, последующим большим сопротивлением (до 107 Ом и выше) приемника сигналов на КМОП-структуре и образующегося эффекта дифференцирования сигнала;

- бесконтактно источник сбоя определяется по эффекту образования микрорезонансных контуров и электромагнитного излучения в них при прохождении электрического сигнала;

- при обнаружении одновременно нескольких источников сбоев учитывают направление прохождения сигнала и образуемую при этом его временную задержку [5];

- устройство обнаружения источников сбоев в лаге содержит контактные и бесконтактные датчики сбоев, выполненные с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц и установленные на линиях связи или в непосредственной близости (до 1-2 см) от элемента или узла электрической цепи;

- контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах;

- бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (Ь-, С-эле-менты) микрорезонансных колебательных контурах;

- при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоев в качестве источника сбоя определяется элемент или узел с более ранним по времени срабатыванием датчика.

Анализ проведенных аппаратных и программных исследований сбоев (в частности, моделирование) показал правильность и эффективность предложенных методов.

Заключение

Дальнейшие исследования, по-видимому, целесообразно проводить в направлении повышения точности распознавания сбойных сигналов при снижении их уровня, а также при наличии многократных сбоев, действующих в аппаратуре.

Список литературы

1. Дмитриев, С. П. Информационная надежность, контроль и диагностика навигационных систем / С. П. Дмитриев, Н. В. Колесов, А. В. Осипов. - СПб. : ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2004.

2. Дианов, В. Н. Контроль и диагностика сбоев современных систем автоматики / В. Н. Дианов // Тяжелое машиностроение. - 2006. - № 7. - С. 23-26.

3. Дианов, В. Н. Диагностика сбоев в электронной аппаратуре / В. Н. Дианов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2007. - № 2. - С. 16-47. - (Приборостроение).

4. Принцип устройства и работы гидродинамических лагов // http://podlodka.info/ content/view/404/207.

5. Патент ЯИ 2 296 952 С2. Способ и устройство обнаружения источников сбоев в датчиках-расходомерах / В. Н. Дианов, А. А. Черняев, К. В. Плюшкин, А. А. Саркисов, Д. В. Власов // Бюл. № 10 от 10.04.2007.

Клевцова Татьяна Викторовна

соискатель,

Московский государственный индустриальный университет

Klevtsova Tatyana Viktorovna the competitor,

the Moscow state industrial university

УДК 656.1:681.51 Клеввцова, Т. В.

Методы обнаружения скрытых дефектов в навигационных системах / Т. В. Клевцова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 1 (9). - С. 134-141.