CC BY
68
УДК 53.083.8
Дианов В.Н., Люминарская Е.С.
Система управления наружным освещением с обнаружением и регистрацией скрытых дефектов
Аннотация
Рассмотрена и предложена совокупность методов и средств для обнаружения и регистрации скрытых дефектов в системах управления наружным освещением. С этой целью используются оригинальные контактные и бесконтактные датчики сбоев, работающие по совокупности обнаруженных ранее информативных признаков. Приводится пример встраивания датчиков в аппаратуру.
Abstract
Set of methods and means for detection and registration of latent defects in control systems of external illumination is considered and offered. Is with that end in view used to use original contact and contactless gages of failures working on set found out before informative signs. The example of embedding of gages in equipment is resulted.
Ключевые слова: скрытые дефекты, сбои, контактные и бесконтактные датчики сбоев, шкаф управления наружным освещением.
Key words: latent defects, malfunctions, contact and contactless sensors malfunctions, the control cabinet exterior lighting.
Одним из ключевых вопросов развития современных сложных объектов техники является обеспечение заданного (как правило, высокого и постоянно возрастающего) уровня надежности. Современный сложный объект содержит в своем составе совокупность различных датчиков, вычислительных устройств (процессоров, ЭВМ и т.д.) и исполнительных механизмов (в первую очередь электрических) по отработке команд вычислительных устройств. Значительную часть современного оборудования (до 50% и выше) составляет контрольно-диагностическое оборудование (различные аппаратно-программные средства, в том числе и встраиваемые в рабочую аппаратуру). Диагностические технологии должны своевременно распознавать предаварийную ситуацию, не допуская опасного (для техники и человека) развития событий, что требует нового уровня интеллектуальных средств контроля и диагностики с использованием встроенных процессоров,
персональных и мини—ЭВМ, разработки большого ряда программ, алгоритмов тестового и функционального диагностирования.
В соответствии с существующими нормами [1] одним из важнейших показателей качества является надежность технической системы (объекта). С другой стороны, работа любой технической системы может характеризовать ее качеством, под которым понимается совокупность свойств, определяющих способность системы выполнять при ее создании определенные задачи [2]. В свою очередь, одной из характеристик надежности является безотказность -свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Характеризуется сбой в соответствии с ГОСТом как самоустранимый отказ, поэтому очевидно, что в понятие «безотказность» входит и понятие «сбой». Таким образом, вводя активную диагностику сбоев (посредством фиксации их источников) через регистрацию промежуточного состояния («предсбой») и различные информативные параметры выводим понятие «сбой» в самостоятельную категорию («бессбойность»). Учитывая, что понятие «качество» оперирует с такими понятиями как дефекты явные и неявные, т.е. не выявляемые по нормативно-технической документации (НТД), устанавливаем связь между сбоями и скрытыми дефектами [3].
Поэтому существующие основные свойства надежности технических систем целесообразно добавить новым свойством «бессбойность». Введение такого понятия в качество, в частности через измерения параметров сбоев бесконтактными и контактными методами, позволит управлять им, использую тонкий (малых до 10-15 мкм, размеров) пограничный слой предсбойного состояния пассивных элементов аппаратуры. В соответствии с изложенным, данную структуру можно представить в следующем виде (рис.1).
В качестве примера рассмотрим систему управления наружным освещением. Известны система контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки [4], а также способ контроля целостности силовых линий электропитания распределенной нагрузки [5]. Данное устройство и способ позволяют осуществлять контроль параметров силовых линий в процессе эксплуатации, осуществлять диагностику и своевременно проводить их замену и ремонт, повышая, тем самым, экономичность и надежность эксплуатации систем наружного освещения. Их общим недостатком является невысокие функциональные возможности, следующие из ограниченности и локальности (автономности) применения, а также невозможность определения сбоев, проявляющихся в виде скрытых дефектов, в частности в аппаратуре управления (ЭВМ, датчики, исполнительные элементы).
наружным освещением, содержащая центральный диспетчерский пункт (ЦДП), включающий автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера, сервер автоматизированной системы управления (АСУ) наружного освещения, связанный с локальной вычислительной сетью (ЛВС) и АРМ диспетчера, выходом с принтером, входом с источником бесперебойного питания (ИБП), подключенного выходом к АРМу диспетчера, соединенного через контроллер связи с головным пунктом включения посредством контроллера связи головного прибора управления, содержащего также модуль связи по силовым проводам с каскадными пунктами включения
(КПВ), кроме того в головной пункт включения входит блок силового коммутационного оборудования шкафа управления наружным освещением (СКО ШУНО), подключенный входом к выходу головного прибора управления по шине управления контакторами, а выходами к его входам -через электрический счетчик и шину параметров силового коммутационного оборудования [6].
К недостаткам данной системы следует отнести: невозможность обнаружения сбоев, проявляющиеся как в виде скрытых дефектов, так и в виде электромагнитных помех (внутренних и внешних), а также отсутствие регистрации источников сбоев, что важно при их диагностике.
Таким образом, задача, решаемая в данном докладе - расширение функциональных возможностей ШУНО за счет обнаружения сбоев элементов и узлов системы вследствие введения контактных и бесконтактных датчиков сбоев и использования новых информативных признаков сбоев с соответствующей обработкой информации (сигналов).
Предложенное решение может быть использовано в перспективных системах с повышенной надежностью эксплуатации, максимальной централизацией контроля, дистанционной локализацией неисправностей (включая сбои), совершенствованием учета энергозатрат и внедрением энергосберегающих технологий с помощью контактных и бесконтактных датчиков сбоев, установленных в системах управления наружным освещением, в частности на линиях связи или в непосредственной близости (до 1 ^2 см) от них. При этом обнаруживают в качестве источников сбоев: соединители (разъемы), линии связи, интерфейсные шины, шины управления, а также внутренние и внешние электромагнитные помехи.
В качестве информативных параметров наличия сбоев в указанных элементах используют повышенное электромагнитное излучение, а также появление дефектов дифференцирования и интегрирования сигналов.
Поставленная задача решается тем, что система управления наружным освещением повышенной надежности дополнительно содержит контактные и бесконтактные датчики сбоев, установленные соответственно на линиях связи (интерфейсных шинах) с соединителями и в непосредственной близости (до 1 ^2 см) от элемента (линии связи, интерфейсной шины) или узла (соединителя) электрической цепи, а также добавляются алгоритмы обработки сигналов с указанных датчиков [7].
Поставленная задача решается также тем, что в качестве источников сбоев обнаруживают следующие элементы и узлы электрических цепей: соединители (разъемы), линии связи, интерфейсные шины, а также электромагнитное воздействие [8].
Поставленная задача решается также тем, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах.
Поставленная задача решается также тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L,C - элементы) микрорезонансных контурах [9].
Рс2 СИоеазпавїнниіБарж^ьмосвЕїіїнивмс СбнржшэдишпрйцЕй
OPbUbKZBdEKKB
Поставленная задача решается также тем, что при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоев в качестве в качестве источника сбоев определяется элемент или узел с более ранним по времени срабатыванием датчика.
Поставленная задача решается также тем, что при одновременном срабатывании двух или более бесконтактных датчиков сбоев в качестве
источника сбоев определяется внешнее электромагнитное воздействие (помеха).
Поставленная задача решается также тем, что при одновременном срабатывании контактных и бесконтактных датчиков сбоев в качестве источника сбоев определяется внутреннее электромагнитное воздействие.
Поставленная задача решается также тем, что в качестве информативных признаков при обнаружении источников сбоев используются повышенное излучение, эффект дифференцирования и интегрирования сигналов.
Поставленная задача решается также тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц.
Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты как причины сбоев элементов и узлов на начальной стадии своего развития регистрируются контактными датчиками КМОП-структуры по
дифференциальному информативному признаку.
Поставленная задача решается также тем, что скрытые дефекты элементов и узлов на конечной стадии своего развития (перед отказом, например, обрывом линии связи) регистрируются контактными датчиками (например, микроемкостями) по интегральному информативному признаку.
Решение поставленной задачи определения скрытых дефектов в линиях связи и соединителях посредством регистрации сбоев в работе системы, их устранения и повышения, тем самым, надежности по информативным параметрам дифференцируемости электрических сигналов, а также повышенного электромагнитного излучения основано на представлении скрытых дефектов упомянутых элементов и узлов в виде микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов образование вследствие этого микрорезонансных контуров.
Решение поставленной задачи по информативному параметру интегрируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов системы в виде повышенного (в десятки и сотни раз) омического сопротивления, составляющего совместно с последующей включенной микроемкостью (например, сотые доли пикофарад)
интегрирующее звено.
На рис. 2 представлена схема системы управления наружным освещением повышенной надежности с дополнительно введенными датчиками сбоев (контактными и бесконтактными) [10].
Схема содержит центральный диспетчерский пункт 1, включающий автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера 2, сервер автоматизированной системы управления (АСУ) наружного освещения 3, осуществляющий обмен информацией с локальной вычислительной сетью (ЛВС) 4 и ее вывод на принтер 5, источник бесперебойного питания 6 и контроллер связи с головным пунктом включения 7. В свою очередь головной пункт включения 8 содержит головной прибор управления 9, включающий контроллер связи 10 и модуль связи по силовым проводам 11
для связи с каскадными пунктами включения (КПВ) 12, а также силовое коммутационное оборудование шкафа управления наружным освещением (СКО ШУНО) 13 и электрический счетчик 14.Схема также содержит контактные датчики сбоев (КДС) 15-22, т.е. по 2 на каждую линию связи. В общем случае данное количество может быть и большим, что зависит от размера дискретизации конкретной линии связи, на которой необходима фиксация скрытого дефекта.
На схеме (рис. 2) показаны и бесконтактные датчики сбоев (БДС) 2330, установленные в непосредственной близости от тестируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается исходя из их чувствительности, протяженности линий связи м, в общем случае, может быть большим.
КДС 15-22 устанавливаются (например, с помощью клипс) в начале линии связи (16,19,21) либо в ее конце (15,20,22), либо в начале (конце) в случае двунаправленных линий связи (17,18).
КДС, также как и БДС, могут иметь автономную или централизованную (с выходом на АРМ 2) индикацию (на рис 2 не показанных).
Реализация контактных датчиков сбоев 15-22 достаточно проста и заключается, например, в подключении к соответствующим точкам интегральных микросхем структуры КМОП (комплиментарной металлокисел полупроводниковой), имеющей большое (от 10 7 Ом и выше) входное сопротивление, а при наличии микрозазоров, микротрешин, шероховатостей, неровностей и т.п. в диагностируемых элементах емкостную составляющую и, следовательно, создающих условия
дифференцируемости проходящих сигналов, что и может быть зафиксировано как автономными, так и централизованными средствами.
Вместо контактных датчиков сбоев (или дополнительно к ним) в аппаратуру могут вводиться и бесконтактные датчики сбоев 23-30. Принцип действия БДС основан на регистрации дополнительного (сверх допустимого) электромагнитного излучения источника сбоев (скрытых дефектов) за счет образования микрорезонансных контуров на линиях связи или соединителях, входящих в их состав. Реализация данных датчиков также достаточно проста и, в частном случае, может быть построена на пассивных L,C - элементах, установленных на расстоянии 1^2 см от предполагаемого источника сбоев (скрытых дефектов). Число БДС на одной линии связи может быть любым и зависит от необходимости обнаруживать скрытый дефект, как во всем элементе (линии связи), так и в его фрагменте (отдельном отрезке линии связи). На рис.2 для упрощения показаны только по одному БДС на каждую линию связи или узел (соединитель). Также, как и КДС, бесконтактные датчики сбоев могут иметь автономную или централизованную систему индикации и регистрации.
Одновременное срабатывание БДС на различных линиях связи свидетельствует о наличии внешней электромагнитной помехи. Одновременное срабатывание КДС и БДС говорит о внутренней электромагнитной помехе. Идеология включения БДС, а также алгоритм их
функционирования в аппаратуре аналогичен КДС. Основное отличие - в величине фиксируемого сигнала в зависимости от расстояния до источника скрытых дефектов.
Таким образом, рассмотренный в докладе новый подход к построению шкафов управления наружным освещением позволяет вести проектирование, создание и эксплуатацию аппаратуры на принципиально новом уровне, в частности, за счет обнаружения скрытых дефектов при ее качественном анализе и исключении сбоев при решении задач ее надежности.
Литература
1. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения».
2. Машиностроение. Энциклопедия. Раздел III. Технология производства машин. Том III-7. Измерения, контроль, испытания и диагностика. М., «Машиностроение»,2001.
3. Дианов В.Н. Концепция построения бессбойной аппаратуры4У Всероссийская конференция «Винеровские чтения». Иркутск Иркутск-Байкал, 9-14 марта 2011 г., Иркутск,2011, часть фс. 83-90.
4. Патент РФ №2269788.
5. Патент РФ №2261455.
6. Зотин О. Автоматизированные системы управления наружным освещением: актуальные вопросы проектирования и эксплуатации, перспективы развития. «Современные технологии автоматизации», 2008, №1,с. 20-23. Издательство «СТА-ПРЕСС».
7. Дианов В.Н., Белоусов И.М., Люминарская Е.С., Миронов М.Н., Гевондян Т.А. Обнаружение и регистрация дефектов в современной электроэнергетике и электронике транспортных средств. «Электроника и электрооборудование транспорта», 2011, №1, с. 38-47.
8. Дианов В.Н. Современные системы транспортных средств повышенной
надежности и качества. «Электроника и электрооборудование
транспорта» 2010, №1, с. 37-41.
9. Дианов В.Н. Проблема «хороших контактов» в современной
электронике и элекроэнергетике. Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции. 1-10 октября
2010 г. Россия, Сочи, с.58-61.
10. Патент РФ на полезную модель №100289. Системы управления наружным освещением повышенной надежности. Дианов В.Н., Люминарская Е.С., Миронов М.Н., Дианова Е.В. 2010,бюл.№34.
