CC BY
2УДК 681.518.5
© В. В. Воронин, 2021
ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Воронин В. В. - д-р техн. наук, проф. кафедры «Автоматика и системотехника», e-mail: [email protected] (ТОГУ)
Для обобщенной системы технического обслуживания анализируются возможные соотношения объемных характеристик встроенных и внешних подсистем относительно типовых и автономных технических объектов. Предлагается формализация процесса управления такой обобщенной системой технического обслуживания автономных объектов в рамках двух элементной конечно-автоматной модели.
Ключевые слова: надежность, технический объект, система технического обслуживания, встроенные технические средства, система управления, автономный объект, конечно-автоматная модель.
Введение
Теоретическая диагностика традиционно включает ряд практически не взаимосвязанных направлений (диагностика аналоговых и дискретных объектов, статистическая и функциональная диагностика и др.). В связи с этим актуальна проблема выявления базовых положений, которые способствовали бы интеграции известных диагностических направлений в единую теорию.
Из бесконечного множества свойств технического объекта его комплексное свойство «надежность» является одним из важнейших. Комплексность, в первую очередь, характеризуется тем, что оно имеет существенное значение для каждого этапа жизненного цикла. Уровень надежности должен рассчитываться на этапе проектирования, обеспечиваться на этапе производства и поддерживаться при эксплуатации. Такой надёжностный цикл реализуется в системе обеспечения надежности, которая включает три подсистемы: систему проектирования надежности, производственно-технологическую систему и систему технического обслуживания (СТО).
Процесс управления надежностью технического объекта (ТО), используемого по назначению, может быть реализован в СТО с различной структурой. Обобщающим вариантом структуры СТО является четырехконтурная систе-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021 № 3 (62)
13Г
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 3 (62)
ма управления, представленная на рис. 1 [1].
Рис. 1. Обобщенная структура система технического обслуживания
В общем случае СТО включает четыре подсистемы. Подсистема С4 имеет возможность оценивать влияние эксплуатационной среды V, эксплуатационную нагрузку объекта Е и функциональные входные воздействия X. При выходе V, Е, X за допустимые пределы С4 генерирует защитное управляющее воздействие и4, нейтрализующее действие последних. Такие системы существуют, в основном, как часть объекта и их называют системами защиты.
Подсистема С3 на основе анализа информации о входах X и выходах У объекта оценивает текущее техническое состояние (ТС) и при выходе его за допустимые границы формирует управляющее воздействие и3 (активизирует резервные возможности) и\или передает информацию о факте отклонения ТС от нормы в подсистемы С1 или С2. Такие системы называют системами контроля и они, как правило, частично встраиваются в объект.
Подсистема С2 оказывает активное воздействие Т на объект через функциональные или другие входные каналы, воспринимает его реакцию Ят на это воздействие в заданных контрольных точках и на основе анализа Т и Ят оценивает ТС в форме диагноза В. Ее называют системой тестового диагностирования и она, в большинстве случаев, существует отдельно от объекта.
Подсистема С1 на основе В и цели управления ОС формирует управляющее техническое воздействие и1 восстановительного характера. Она почти всегда является внешней по отношению к объекту, и её принято называть подсистемой технического обслуживания и ремонта.
Обзор проблемы и постановка задачи
Приведенная на рис. 1 структура СТО свойственна для таких энергетических или информационных объектов, в рамках которых реализуется определенный функциональный процесс типа «вход-выход» (поточные объекты).
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ЖЛШК ТОГУ 2(Ш. № 3 (62)
Объекты противоположного типа (мосты, здания и т.п.) имеют существенные особенности в обобщенной структуре СТО.
Таким образом, техническая реализация систем С1-С4 возможна в форме встроенных в объект и в форме внешних по отношению к объекту технических средств. Существующая практика свидетельствует о том, что в большинстве случаев применяется комплексный вариант [2] - часть средств встраивается в объект, а вторая часть используется независимо от него.
Здесь возникает проблема определения значений объемных показателей вышеуказанных двух частей СТО (внешней и встроенной), а также распределение этих значений по подсистемам С^С4.
Проблема соотношения внешней и встроенной инфраструктуры характерна для каждого достаточно сложного технического объекта и условий его эксплуатации. Особую актуальность данная проблема имеет по отношению к автономным или частично автономным объектам, и она достаточно широко обсуждается в научно-техническом сообществе. В подтверждении этому факту приведем краткий обзор для характерных предметных областей.
В работе [3] рассмотрены основы создания нового поколения технологий и систем управления жизненным циклом изделий ракетно-космической и авиационной техники на базе авторской методологии проактивного управления. Идейная основа такого управления - осуществлять упреждающее многовариантное управление техническим состоянием объекта на основе информации, поступающей от встраиваемых интеллектуальных информационных сенсоров и приборов.
Статья [4] иллюстрирует результаты разработки нового подхода к управлению процессами технического обслуживания и ремонта изделий аэрокосмической промышленности. В таком подходе каждой функциональной части объекта ставится в соответствие агент, который представляет собой автономную программу способную реагировать на события, принимать решения и взаимодействовать с другими агентами или надсистемой, не требуя внешних инструкций, а реализуя внутренний встроенный цикл управления техническим состоянием.
Авторы публикации [5] обосновывают потребность в создании многофункционального необитаемого подводного объекта, обладающего кинематической и кибернетической избыточностью, и предлагают синтезировать управление этим объектом с учётом надежности и безопасности.
Для решения ряда сложных комплексных задач, связанных с необходимостью поддерживать, например, постоянное взаимное расположение подводных аппаратов в пространстве, в работе [6] рекомендуется использовать метод «управления группой» - управление несколькими аппаратами как единым объектом управления. При этом система управления таким объектом существенно усложняется, и она строится на принципах децентрализованного управления.
В статье [7] рассмотрен новый способ контроля подземных газопроводов для предотвращения возможных на них аварий, вследствие утечки газа.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 3 (62)
Предлагается использовать автономную газоанализирующую станцию.
В работе [8] обобщены достижения известных систем технического обслуживания, проанализирован возможный вариант мониторинга жизненного цикла технологических мехатронных систем, основанный на предложенном алгоритме автономного управления техническим состоянием.
Анализируемая проблема возможной структуры СТО актуальна и для других классов технических объектов.
Основными задачами данной работы являются, во-первых, анализ возможных соотношений объемных характеристик подсистем СТО для типовых и автономных объектов; во-вторых, формализация процесса управления обобщенной системой технического обслуживания автономных объектов в рамках конечно-автоматной модели.
Объемные характеристики подсистем СТО
Для формального анализа соотношения объемных характеристик различных подсистем СТО желательно использовать некоторую математическую конструкцию. В простейшем варианте можно предложить функцию Ж,, зависящую от отношения условных объемов встроенных и внешних средств в подсистеме Си следующего вида
ш. — ^ои
^ — /(уы + 1),
где Уог - условный объем встроенных средств, Уа - условный объем внешних средств. При этом Уы + Ус1 =1. Очевидно, значения этой функции принадлежит отрезку с границами 0 и 1. Ясно, что для большинства типовых классов технических объектов подсистемы С1 имеют значения Ж1 в окрестности 0, подсистемы С4 имеют значение Ж4 в окрестности 1, а подсистемы С2 и С3 располагаются в середине отрезка.
Для особых классов объектов (к ним относятся автономные объекты или объекты со сложными условиями эксплуатации) картина меняется.
В качестве примера рассмотрим ситуацию, в которой Ж4 меньше единицы для типовых объектов. Пусть режим эксплуатации объекта включает в себя периодически подрежимы хранения, тогда для такого случая имеют смысл внешние по отношению к объекту системы защиты, нейтрализующие негативное влияние среды. Это уменьшает значение Ж4.
Пример симметричной ситуации для С1 типового объекта заключается в том, что Ж1 имеет значение больше нуля. Пусть объект является восстанавливаемым объектом, тогда его внутренняя структура может включать элементы, повышающие уровень ремонтопригодности, которые логично отнести к встроенной части подсистемы С1. Для С2 типичной встроенной частью являются средства, обеспечивающие организацию контрольных точек.
В рассмотренном соотношении внутренних и внешних средств автономные объекты имеют существенные отличительные особенности в части автоматизации функций подсистем С1-С4.
В подсистемах С2, С3 и С4 автоматизация всех необходимых функций
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ШЛНЖ ТОГУ. ЖГ № 3 (62)
принципиально не вызывает затруднений, т.е. существует реальная возможность обеспечить технически и технологически значения элементов (Ж2, Ж3, Ж4} близкими к единице.
В отношении подсистемы С1 задача сложнее, но и она в настоящее время достаточно успешно решается использованием, в первую очередь, различных видов избыточности (резервирование ресурсоограничивающих блоков) и специальных компенсационных устройств [9].
Таким образом, для автономных технических объектов, в которых значения элементов множества Ж2, Ж3, Ж4} обеспечены достаточно близкими к единице, возникает проблема формализации взаимоотношений между подсистемами С;-С4. Другими словами, необходимо организовать формальное эффективное управление встроенной системой технического обслуживания (обеспечить автоматическое взаимодействие всех подсистем СТО). Возможный вариант такого управления предлагается в следующем разделе.
Множество (Ж], Ж2, Ж3, Ж4} фактически характеризует распределение нагрузки по обеспечению надежности между системой проектирования надежности и производственно-технологической системой, с одной стороны, и СТО, с другой. Здесь уместно сформулировать следующий нетривиальный вопрос. На основании чего принимаются решения по такому распределению? Далее формируется перечень основных показателей технического задания, позволяющий принимать решение о разделении надежности объекта на два вида - «врожденная надежность» и «внешняя дополнительная надежность».
Очевидно, основа будущей надежности объекта закладывается в системе его проектирования. Техническое задание, в общем случае, включает следующий перечень требований: предполагаемая длительность эксплуатационного цикла; требования к уровню технической готовности и доступности; условия эксплуатации, влияющие на изменение ТС; планируемые режимы эксплуатации; соотношение обобщенных затрат на функциональное обеспечение и обеспечение надежности.
Отправной точкой для разработки будущего объекта и его СТО является длительность эксплуатационного цикла. Он определяет основные надежностные требования и к проектируемому объекту, и к структуре и параметрам его СТО. Причем эти требования должны быть взаимозависимыми. Такая взаимозависимость имеет следующий смысл: чем надежнее будущий объект, тем более простая СТО ему требуется.
Формализация процесса управления СТО
Системы технического обслуживания автономных объектов практически полностью встраиваются в эти объекты. Очевидно, что управление взаимодействием подсистем С1-С4 СТО должно быть реализовано автоматически. Реализация автоматических управляющих систем чаще всего базируется на теории конечных автоматов.
Конечный автомат - это абстрактная модель, содержащая конечное число определенных внутренних состояний, и она, в основном, используется для
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 3 (62)
представления и управления потоком выполнения определенных команд.
Среди разновидностей конечно-автоматных моделей для практических реализаций чаще других выбирается двух элементная модель, включающая управляющий и операционный автоматы.
В соответствие с двух элементной моделью предлагается, во-первых, бортовую СТО рассматривать как комплексный операционный автомат; во-вторых, каждую из подсистем С1-С4 считать отдельной частью данного операционного автомата, реализующей соответственно свой технологический алгоритм обслуживания; в-третьих, взаимодействие автоматов С1-С4 организовать в рамках граф-схемы управляющего автомата для вышеуказанного операционного автомата.
Таким образом, автоматная модель используется в двух вариантах, а именно: внешний и универсальный - в целом СТО считается операционным автоматом и для неё нужен управляющий автомат; и внутренний специализированный для каждой из подсистем СГС4, специализация которых определяется особенностями конкретного автономного объекта.
Графическая иллюстрация предлагаемого в данной работе конечно-автоматного подхода для управления системой технического обслуживания автономных объектов приведена на рис. 2.
г сто
ТС(г)
С4 С, С2 С1
ТС(г+1)
Рис. 2. Автоматная модель бортовой СТО
Управляющий автомат (на рис. 2 СУ) обеспечивает взаимодействие подсистем С1-С4 посредством вектора у , при этом компоненты вектора у генерируются с учетом вектора состояния х , который состоит из четырех независимых зон V - по одной на каждую подсистему С1-С4. Система функционирует в дискретном времени, такт которого определяется следующим образом.
Положительный результат опроса состояния подсистемы С4 (сработала подсистема контроля или защиты) запускает цикл обработки нештатной ситуации. Результат выполнения цикла - переход технического состояния объекта из ТС(0 в ТС^+1). Средняя длительность цикла ограничивает параметры тактовых импульсов. Длительность цикла должна превышать длительности синхроимпульсов не менее чем в 4 раза.
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЕСТНИК ТОГУ ЖГ № 3 (62)
Далее приведен алгоритм обработки нештатной ситуации. Алгоритм включает возможность обращения к надсистеме (запрос данных V0) при возникновении тупиковой ситуации. Смысловое содержание понятия «надси-стема» определяется для каждого типа технического объекта и для конкретных условий его эксплуатации. В частном случае это может быть регламентированный запрос к оператору SCADA системы.
Шаг 1. Передать управление в подсистему С4.
Шаг 2. Анализ вектора состояния V4 подсистемы С4. Если конъюнкция элементов V4 равна True, то на Шаг 2, иначе на Шаг 3 (Нештатная ситуация).
Шаг 3. Передать управление в подсистему С3. Если конъюнкция элементов V3 равна True, то на Шаг 4, иначе на Шаг 5.
Шаг 4. Запрос данных V0 из надсистемы. Если V0 равно True, то расширить область контроля работоспособности и на Шаг 3, иначе на Шаг 10.
Шаг 5. Передать управление в подсистему С2. Если конъюнкция элементов V2 равна True, то на Шаг 6, иначе на Шаг 7.
Шаг 6. Запрос данных V0 из надсистемы. Если V0 равно True, то расширить множество возможных дефектов и на Шаг 5, иначе на Шаг 10.
Шаг 7. Передать управление в подсистему С1. Если для всех нулевых элементов V2 существуют резервные элементы замены, то на Шаг 9, иначе на Шаг 8.
Шаг 8. Запрос данных V0 из надсистемы. Если V0 равно True, то на Шаг 9, иначе блокировать синхроимпульсы и на Шаг 10.
Шаг 9. Включить резервные элементы замены и на Шаг 10.
Шаг 10. Нештатная ситуация обработана. Переход на Шаг 1.
По предложенному алгоритму, в соответствие с технологией синтеза управляющих автоматов, построена граф-схема, разметка которой определила шесть внутренних состояний автомата Мили. Затем, в рамках технологии канонического метода структурного синтеза автоматов с памятью, синтезированы минимальная таблица переходов-выходов модели Мили и логическая схема системы управления СТО.
Заключение
Предложенная технология управления обобщенной СТО построена в соответствие с принципом низходящего проектирования, а именно: внешний уровень использует универсальную технологию, а - внутренний - специализированные автоматы. Эту систему можно распространить на автоматизированный и ручной варианты построения системы. В подсистеме С2 рекомендуется использовать алгоритмы поиска дефектов из [10].
Библиографические ссылки
1. Воронин В. В. Теоретические проблемы диагностических экспертных систем. Владивосток : Дальнаука, 2005. 164 с.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2021. № 3 (62)
2. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных объектов. М. : Наука, 2006. 410 с.
3. Концепция и технологии проактивного управления жизненным циклом изделий / Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. и др. // Известия вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 2. С. 187-190.
4. Подход к разработке прототипа интеллектуальной системы поддержки процессов технического обслуживания и ремонта при эксплуатации изделий аэрокосмической промышленности / Лахин О. И., Симонова Е. В., Скобелев П. О. и др. // Информационно-управляющие системы. 2015. № 4. С. 10-16.
5. Исследование путей создания гиперизбыточных необитаемых подводных аппаратов / Плавинский М. Н., Проценюк А. С., Смирнова Е. Ю. и др. // Материалы XII мультиконференции по проблемам управления. Таганрог : Изд-во Южного федер. унта, 2019. Т. 2. С. 161-163.
6. Семенов Д. О., Мохов И. А., Лускин Б. А. Особенности формирования облика морских роботизированных комплексов на основе группы автономных необитаемых подводных аппаратов // Судостроение. 2019. № 4. С. 22-24.
7. Шалыгин А. В., Ахмеров Э. В., Карякина Е. Д. Автономные газоанализирую-щие станции как средства защиты на распределительных газопроводах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № S5-2. С. 449-455.
8. Техническое обслуживание технологических машин на базе цифровизации / Тугенгольд А. К., Волошин Р. Н., Юсупов А. Р., Круглова Т. Н. // Вестник Донского государственного технического университета. 2019. Т. 19, № 1. С. 74-80.
9. Воронин В. В. Деградационное представление объекта диагностирования в концептуальной модели // Информатика и системы управления. 2019. № 2. С. 77-86.
10. Шалобанов С. С., Шалобанов С. В. Диагностирование систем автоматического управления с использованием пробных отклонений параметров модели и бинарных диагностических признаков // Вестник ТОГУ. Хабаровск, 2017. № 4. С. 17-22.
Title: Maintenance System Control Technology Authors' affiliation:
Voronin V. V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation.
Abstract: Possible ratios of the volumetric characteristics of built-in and external subsystems with respect to typical and autonomous objects are analyzed for a generalized maintenance system. A formalization of the control process for such a generalized system of autonomous objects maintenance is proposed within the framework of a two-element finite-automaton model.
Key words: reliability, technical object, maintenance system, built-in technical means, control system, autonomous object, finite automaton model.
