Система контроля и диагностики электронных устройств
А.А. Дружаев, В.Г. Ханбеков
В статье рассматриваются предпосылки к созданию систем контроля и диагностики электронных устройств (СКД ЭУ), области и возможности их применения. Описывается существующая СКД ЭУ Крона-511.
The premises of developing a system for electronic device supervision and diagnosis, the areas and potentialities of its application are considered. The existing Krona-511 system is described.
впервые статья была опубликована в журнале "Промышленные контроллеры и АСУ" #12/2000)
Проблемы в АСУ ТП
С появлением автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем безопасности и аварийной защиты, многоканальных систем авторегулирования (например, системы возбуждения генератора, систем регулирования турбины, других сложных исполнительных механизмов) встала задача мониторинга и проверки их работы. Обычный подход (с мультиметром в одной руке и осциллографом — в другой) здесь недостаточно эффективен так как:
- самая простая система управления имеет десятки (а иногда и сотни) сигналов, определяющих ее состояние;
- переходные процессы слишком скоротечны, чтобы их можно было заметить и отследить на экране осциллографа (не говоря уже о том, чтобы точно замерить их параметры);
- требуется не только измерять мгновенные значения сигналов, но и иметь "картину" событий предшествующих определенному (аварийному) моменту и следующих за ним;
- необходимо не только фиксировать сигналы, но и "привязывать" их к единым временным отсчетам;
- возможные аварийные состояния достаточно редки во времени.
Поэтому возникла необходимость создания особого класса систем, позволяющих эффективно решать вопросы контроля и диагностики работы данных устройств.
Основные требования к СКД ЭУ
СКД ЭУ, призванные решать вышеперечисленные проблемы, должны обладать следующими характеристиками и возможностями:
- отсутствие влияния СКД на объект контроля (как в момент подключения, так и в рабочем режиме);
- непрерывность работы СКД (от нескольких часов до нескольких суток);
- дискретность записи входных сигналов до нескольких микросекунд;
- возможность начала и окончания записи по комбинации состояний входных сигналов;
- возможность контроля уровней, форм и параметров входных сигналов;
- фиксация времени "аварии";
- возможность непрерывной записи входных сигналов в течении времени от нескольких секунд до нескольких часов;
- хранение информации о предаварийном и поставарийном состоянии входных сигналов;
- возможность накопления нескольких аварийных ситуаций в запоминающем устройстве;
- возможность просмотра и анализа записанных сигналов в виде временных графиков.
СКД, отвечающие данным требованиям, позволяют не просто наблюдать и проверять работу ЭУ, они автоматизируют процесс поиска "сбойных", редко появляющихся ситуаций. При этом производится регистрация событий предаварийной ситуации, что крайне важно для диагностики причин аварии.
Изучение временных графиков записанных сигналов позволяет оценить параметры работы ЭУ, их "разброс", тем самым прогнозировать вероятность аварий, отказов. Кроме того, делая регулярные записи, можно наблюдать и фиксировать дрейф параметров с течением времени.
Многоканальная запись с привязкой к единому моменту времени позволяет обнаруживать "разбег" сигналов во времени.
При использовании СКД ЭУ появляется реальная возможность "заглянуть внутрь" электронных систем. Как показывает практика, даже квалифицированный персонал, обслуживающий ЭУ, не имеет точного представления о его реальной работе. Случается, что только с помощью СКД выявляется наличие кратковременных или редких "всплесков", "провалов" или искажений формы сигналов.
Универсальная система контроля и диагностики электронных устройств
Научно-производственным комплексом "КРОНА" разработана СКД ЭУ Крона-511, соответствующая всем требованиям к подобным системам. В основе работы системы положен принцип преобразования сигналов в цифровую форму с постоянной частотой, контролем в реальном времени и записью на диск ЭВМ.
Основные характеристики и отличительные особенности системы:
- число каналов до 64 (в т.ч. до 20 дискретных), так как модульность построения позволяет увеличивать число каналов по желанию заказчика;
- подключение непосредственно к контрольным точкам с помощью выносных адаптеров;
- дискретность записи, на примерах:
| Число каналов | мкс |
| 8аналоговых | 70 |
| 8дискретных | 15 |
| 8аналог.+8дискр. | 150 / 30 |
| 16 аналоговых | 150 |
| 28аналог.+20дискр. | 500 / 100 |
| 64 аналоговых | 600 |
- время записи ограничивается только свободным объемом жесткого диска, на максимальной частоте записи 1Гб достаточно для записи более одного часа работы ЭУ;
- мониторинг сигналов на экране ЭВМ;
- мощные средства просмотра и анализа записей, создание и распечатка отчетов, ведение архива записей, возможность экспорта записанных данных в другие программы;
- встроенные аппаратные и программные средства самоконтроля; быстрая проверка работоспособности всех частей системы.
Подключение к ЭУ
Подключение к ЭУ производится через выносные адаптеры (напряжения, тока, температуры, дискретных сигналов, "сухие контакты") различных диапазонов, при этом расстояние до точки подключения от 2 до 10 метров. Диапазоны измеряемых сигналов: от 0.01 В до 2500 В, от 0.0005 А до 10 А, от 0 °С до 100 °С. Адаптеры обеспечивают гальваническую "развязку" входных каналов между собой, а также от выходных сигнальных цепей ЭУ и от "земли" (до 3500В), кроме того, выдерживают аварийные режимы многократной перегрузки, без нарушения их работоспособности.
Настройка, запись и контроль сигналов
Управление настройкой, записью, обработкой и просмотром сигналов производится программой, работающей в среде ОС MS Windows 95,98.
Программа позволяет быстро настроить "Крону-511" на любой ЭУ. Достаточно подготовить и ввести список входных сигналов в программу. Для сигналов, подлежащих контролю, описывается форма или задается контролируемый параметр (среднее, среднеквадратичное или средневыпрямленное значения). Форма эталона сигнала может быть задана как одна из стандартных (синусоидальной, пилообразной и т.п.), так и записанной с реального ЭУ. Для каждого из контролируемых сигналов задаются "допуски" – допустимые отклонения формы или параметра.
Кроме того, задаются параметры записи — дискретность записи входных каналов, а так же условия синхронизации контроля, начала и останова записи (для каждого из них – до 60 условий). Условием может быть: переход заданного сигнала через заданный уровень, нахождение сигнала выше или ниже заданного уровня, в заданном диапазоне (или логическом состоянии) или вне него. Возможно логическое объединение условий операциями "И" или "ИЛИ".
Система имеет два режима работы: однократный – это запись информации в линейный буфер (до его заполнения), и кольцевой – это запись в буфер с вытеснением устаревших данных более новыми (до останова или аварийного события).
Таким образом, однократная запись позволяет записать и/или проконтролировать работу ЭУ в течение заданного периода времени после запуска. Поэтому применение этого режима эффективно для отображения интервала выхода энергетического объекта на определенный уровень работы.
Поскольку пользователь имеет возможность задать время записи не только "до останова" (аварии), но и "после", кольцевой режим позволяет записать работу ЭУ как до, так и после аварийного/заданного события, что является эффективным для любых исследовательских задач.
Запись информации начинается по команде оператора или по заданным условиям. Параллельно с записью входной информации ЭВМ сравнивает сигналы с эталонами или их контрольными параметрами.
Окончание записи производится по прошествии заданного периода, либо после выполнения заданных условий "несравнения" формы/параметра сигналов или команды от оператора.
В режиме кольцевой записи предусмотрена возможность "авторестарта" записи после останова — то есть повторный запуск
без участия пользователя (количество повторных запусков задается заранее).
Пользователь может вывести на экран до двенадцати "осциллографических окошек", в которых в реальном времени будут "рисоваться" выбранные сигналы.
Просмотр записей
Результаты записи сигналов отображаются пользователю в виде графиков (рис.1.).
Рисунок 1. Просмотр многоканальной записи аварийного момента с наложением эталона сигнала
На экран может быть выведено несколько временных осей, на каждой из которых может быть помещено несколько графиков сигналов (записи сигналов могут быть из разных сеансов, что позволяет оценить дрейф параметров ЭУ с течением времени) (рис.2.). На полученные изображения сигналов могут накладываться эталоны для визуальной оценки.
Рисунок 2. Наблюдение за изменением сигнала с течением времени
На графиках отмечаются моменты синхронизации контроля, несравнения, останова. Кроме того, пользователь может самостоятельно проставить комментарии на графиках.
Программа позволяет рассчитать параметры записанных сигналов: период, частоту, среднее, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения, а также временные интервалы.
Выводимые на печать графики оформляются в виде документа. В него включается сводка, в которой указываются названия сеансов и печатающихся сигналов, дата и время начала и окончания записи, а также останова/"несравнения"; и, кроме того, – рассчитанные параметры для указанных графиков.
Встроенный "Редактор эталонов" позволяет "вырезать" часть записи сигнала (при необходимости — отредактировать) и использовать её в дальнейшем как физический эталон для контроля сигналов сложной формы!
Пользователь имеет возможность для копирования сеансов записи с диска СКД ЭУ на другие носители (дискеты, съемные диски большой емкости, сетевые диски). Это позволяет вести распределенную обработку записанных данных несколькими пользователями на разных ЭВМ.
Предоставляется возможность экспорта записанных данных в виде текстового файла. Это позволяет вести обработку данных другими программами (например, собственными АРМ-программами предприятия).
Программное обеспечение модернизировано по результатам многочисленных внедрений. В нем учтены все замечания и пожелания пользователей, полученные в ходе 3-х летней эксплуатации изделий. Постоянно ведется работа по дополнению СКД ЭУ новыми функциональными возможностями.
Заключение
Опыт использования СКД ЭУ "Крона-511" на ряде атомных станций РФ показал возможность построения на данном оборудовании многоканальных систем прогнозирования отказов систем безопасности, аварийной защиты и т.д. Причем вероятность обнаружения потенциально ненадежного канала (узла, элемента) достаточно велика ещё до выхода данных систем на критический уровень.