Как выбрать оптимальный метод поиска неисправности

Построение оптимальных алгоритмов поиска неисправностей.

В зависимости от используемых критериев оптимизации и наличии априорной информации (информация, которой мы располагаем до эксперимента), возможны различные методы построения алгоритма поиска неисправности:

Метод половинного разбиения.

Он применяется в случае отсутствия априорных сведений о вероятном отказе элементов и трудоемкости проверок или когда эти параметры одинаковы для всех элементов и проверок. Этот метод применим в основном для поиска неисправности в объектах с последовательно соединенными элементами.

Суть его состоит в делении объекта на две части, содержащие примерное одинаковое число элементов, и проверке выходного сигнала первой части объекта. Если эта проверка имеет положительный исход, то первая часть элементов исправна.

Этот принцип может быть использован также для обработки алгоритма разветвленной системы. Этот алгоритм не оптимален для решения задачи контроля исправности.

В более сложных схемах следует выбирать проверки по мере убывания информации об исправности системы. Первой должна быть выбрана проверка, охватывающая максимальное число элементов, т.е. содержащая большее число нулей. Далее выбирается проверка, охватывающая количество элементов, не охватывающая предыдущих.

Метод время-вероятность.

Он позволяет учитывать вероятности отказа элементов и трудоемкости проверок, как совокупности, так и по отдельности. Первым проверяется наиболее ненадежный элемент.

Этот метод обеспечивает минимум затрат на отыскание наиболее вероятных причин отказа объекта. Однако, при этом затраты времени могут быть велики.

При учете трудности, проверки выполняются в последовательности t₁ > t₂ > t₃

При совокупном учете двух факторов порядок выполнения выполняется проверки в последовательности k₁ 2 3 где k_i=t_i/P_i

Этот метод успешно применяется для объектов, в которых физические элементы соединены произвольно, т.е. возможна независимая проверка каждого элемента (при блочном контроле объекта).

Основной недостаток: информация, получаемая при предыдущих проверках, не учитывается в последующих и сложной взаимосвязи между элементами объекта.

Инженерный метод.

Он близок к методу время-вероятность, но дополнительно использует матрицу состояний.

Этот метод построения алгоритма основан на вычислении некоторых функций предпочтения.

Функция предпочтения выбирается в зависимости от решаемой задачи диагностики и исходных данных. Последовательность контрольных параметров выбирается по максимальным значениям функции предпочтения.

В зависимости от наличия определенной информации возможны различные виды функции предпочтительной проверок.

При отсутствии априорной информации функция предпочтения определяется числом элементов охваченной проверок.

W(П₁)=L где L-число нулей в этом столбце проверки, определяется размером множества М_л элементов охваченных проверки..

Первую выполняют проверку, у которой функция предпочтения W₁ имеет максимальное значение. В результате этой проверки матрица состояния делится на две части:

1. соответствует положительным результатам проверки и содержит объекты в состоянии S_i , соответствуют «1» в ходе диагностической проверки.
2. соответствует отрицательным результатам проверки и содержит объекты в состоянии S_i , соответствуют «0» в ходе диагностической проверки.

Каждая полученная информационное состояние рассматривается далее как новый объект.

В зависимости от решаемой задачи анализируются отдельные части матрицы

При наличие сведений о вероятности отказов элементов

13.4 Критерии оптимальности процесса поиска неисправностей

Алгоритмы проверок объектов диагностирования, обеспечиваю­щие отыскание неисправного элемента, могут быть составлены са­мым различным образом, и, естественно, они будут характеризо­ваться различной эффективностью. Задача заключается, в том, что­бы из имеющегося множества алгоритмов выбрать наилучший по то­му или иному критерию.

Так как от времени поиска неисправностей в большой степе­ни зависит время восстановления готовности вооружения к приме­нению и это время случайно, то естественным критерием выбора алгоритма проверок (критерия оптимальности) является среднее время поиска неисправности . Оптимальным считается такой алгоритм проверок, который обеспечивает минимальное среднее время поиска неисправности. Данный критерий оптимальности в основном применяется при составлении оптимальных алгоритмов поиска неисправностей в вооружении, находящемся в режиме готов­ности к применению.

В тех случаях, когда момент начала применения объекта известен, а неисправность обнаружена в момент использование алгоритма проверок по минимуму среднего времени поиска неисправности может оказаться невоз­можным из-за того, что

.

В такой ситуации в качестве критерия оптимальности целе­сообразно выбрать вероятность обнаружения неисправности за за­данное время. В этом случае оптимальным будет являться алго­ритм поиска неисправности, обеспечивающий максимальное значе­ние вероятности обнаружения неисправности за заданное время.

Кроме этих критериев иногда для выбора оптимального алго­ритма проверок используют среднее число проверок, потребное для отыскания неисправности, стоимость реализации диагностиче­ского процесса, максимальное время поиска неисправности, сред­нюю скорость получения информации и др.

В некоторых частных случаях оптимизация алгоритмов поиска неисправности по отдельным из этих критериев обеспечивает по­лучение алгоритмов с минимальным средним временем поиска неис­правности. Известен[17] так называемый принцип максимальной средней скорости получения информации (принцип МСПИ), обеспечивающий в ряде случаев минимальное сред­нее время поиска неисправности. Рассмотрим сущность принципа МСПИ и правила его применения для построения оптимального алго­ритма проверок.

Под средней скоростью получения информации на том или ином этапе испытаний понимают отношение

где — средняя скорость получения информации наj–м этапе испытания;

Алгоритм поиска дефектов

Алгоритмы поиска дефектов могут быть трех видов: последовательные, параллельные и комбинированные.

При последовательном поиске каждая проверка выделяет в пространстве поиска один дефект. Удовлетворить это условие можно для ОД, представленного в виде последовательной схемы соединения структурных единиц (СЕ), когда известно, что на вход подастся штатный сигнал, а по выходному сигналу можно определить наличие в ОД дефекта двумя путями: от начала к концу и от конца к началу. Иллюстрация данного алгоритма поиска дефекта на примере ОД, состоящего из четырех СЕ приведена на рис. 6.8,а.

В первом случае необходимо выполнить проверку в точкеA поскольку она позволит исключить из рассмотрения сразу один эле­мент СЕ 1. Если сигнал в допустимых пределах, то следующую проверку следует выполнить в точкеB, которая позволит определить состояние СЕ2. Если результат проверки отрицательный, то дефект в данном элементе. Если положительный, то необходимо выполнить проверку в точке C. Если результат проверки положительный, то дефект — в СЕ4, в противном случае — дефект в СЕЗ. Алгоритм поиска представлен на рис. 6.8,б.

Во втором случае (от конца к началу), если результат проверки в точке С положительный, то следующую проверку необходим выполнить в точке В. При положительном результате дефект СЕЗ, при отрицательном выполняется проверка . По результатам этой проверки отыскивается дефект либо в СЕ1, либо в СЕ2.

При параллельном поиске ОД разбивается каждой проверкой на равные или почти равные части, если соответственно в ОД четное или нечетное число ОД.

Рис. 13.10. Алгоритм поиска дефектов

Так, для ОД из четырех СЕ (рис. 13.11,а) при реализации параллель­но поиска первая проверка , выполняется в точке В. Если результат отрицательный, то следующая проверка выполняется в точкеA, в результате чего определяется место нахождения дефекта (СЕ1 или СЕ2). В противном случае назначается проверкая₃ в точке С, позволяющая определить

Рис. 13.11. Алгоритм поиска дефектов

дефект в СЕЗ или СЕ4. Алгоритм приведен на рис. 13.12.

Число проверок N, необходимых для нахождения всех дефектов рез число СЕ, можем определить по формуле

—целая часть.

При n = 4 требуется две проверки, при n = 8 — три проверки. При комбинированном поиске имеет место сочетание последовательного и параллельного алгоритмов. По алгоритму поиска дефекта в виде дерева можно определить

суммарную длину ветвей достижения искомого дефекта

где — длина i-й ветви, р — число ветвей от начала поиска до искомого дефекта. Например, для графа, представленного на рис. 13.12, б,

Если в качестве рассматривать время , то, воспользовавшись формулой дляL_i, можно определить время, затрачиваемое на поиск i-го дефекта.

Алгоритмы поиска дефектов могут быть построены на основе анализа структуры объекта или использования показателей, характеризующих надежность СЕ.

МЕТОДЫ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Метод (гр. methodos) — способ, прием, образ действий. Способ теоретического или практического исследования или осуществления. Основой эффективной деятельности по поиску неисправностей в сложных технических объектах должны являться достаточно глубокие знания об объекте, в котором осуществляется поиск дефектов и неисправностей, а также логический подход к самому процессу поиска. Такой подход к поиску неисправностей еще называют системным. Логика (гр. logike) — наука о законах и формах мышления. Ход рассуждений, умозаключений. Наука о формальных принципах рассуждения. Системный подход к поиску неисправностей в системах автоматизации позволяет существенно сократить время простоя систем и затраты на проведение технического обслуживания и ремонта [6]. Формально процедуру поиска неисправностей можно разбить на шесть этапов.

Первый этап — выявление признаков неисправности. Перед тем как принять решение о необходимости ремонта системы, следует проверить правильность функционирования. Для выполнения этого этапа необходимо детально знать объект, его рабочие характеристики, возможности, устройство, назначение, правильное функционирование.

Второй этап — углубленный анализ признака неисправности. На этом этапе более или менее явный признак следует подвергнуть более детальному анализу. Большинство технических систем автоматизации имеют органы регулировки, встроенные или внешние средства диагностики как дополнительные или основные средства проверки правильности функционирования. Необходимо проверить, влияют ли дополнительные воздействия на наблюдаемый признак неисправности и не могут ли предоставить дополнительную информацию, которая поможет точнее определить этот признак.

Третий этап — составление перечня возможных неисправных функций системы. Это этап оценивания, основанный на использовании сведений, полученных на двух предыдущих этапах, а также знаний о правильном функционировании обслуживаемой системы и ее функциональных узлах. Функция (лат. functio — исполнение) — обязанность, круг деятельности, назначение, роль.

Четвертый этап — локализация неисправной функции. На этом этапе осуществляется выбор одной из включенных в перечень неисправных функций для дальнейшего анализа. При выборе для проверки первой потенциально неисправной функции следует принимать во внимание уровень понимания функционирования проверяемого объекта, сложность выполнения необходимых проверок и возможность исключения из рассмотрения одного или нескольких других предположений в результате проверки. Большинство реальных технических объектов может быть подвергнуто разбиению на отдельные функциональные узлы (части, каждая из которых выполняет определенную функцию). Этот этап включает в себя грамотное использование и понимание показаний контрольно-измерительных средств.

Пятый этап — локализация неисправности на уровне элементов. Заключается в выработке правильных предположений и грамотного применения процедур анализа различной информации, которые позволяют определить отдельный неисправный элемент или их совокупность.

Шестой этап состоит из подтверждения правильности определения неисправности. Прежде чем заменять подозрительный элемент следует проанализировать всю совокупность показаний и измерений, чтобы убедиться, что выявленный элемент действительно является причиной признаков неисправности и отклонений от нормального режима функционирования. Также необходимо выявить на этом этапе, был ли вызван отказ элемента какой-либо другой неисправностью или сам элемент является единственной причиной нерабочего состояния системы. Локализовав неисправный элемент и убедившись в правильности определения причины неисправности, можно приступить к его замене. Этот этап включает в себя также анализ отказов. На этом этапе также осуществляется ремонт с повторной проверкой системы на восстановление нормального функционирования, что в свою очередь не относится к процессу поиска неисправностей. Необходимо также отметить особенность процедуры поиска неисправностей, которая состоит в возможности возврата к предыдущим этапам. Причиной такого возврата может служить ошибка в определении вероятной причины неисправности или некорректное выполнение проверок и т.д.

Признак неисправности — внешнее или внутреннее проявление неполадки или неисправности системы автоматизации. Задача выявления признака неисправности заключается в распознавании этого проявления при его появлении, а также в осознании наличия нежелательных изменений в работе системы. Так как признак неисправности — свидетельство того, что в работе системы произошли нежелательные изменения, необходимо иметь показатели его нормального (номинального или штатного) функционирования, служащие в качестве эталона. Сравнивая показатели текущего и нормального функционирования, можно обнаружить признак неисправности и принять решение о том, что он собой представляет. Вместе взятые признаки нормальной и ненормальной работы точнее определяют собственно признак неисправности, чем рассмотренные отдельно. Знание внешних проявлений нормальной штатной работы системы позволяет заметить нежелательные изменения с помощью как встроенных так и внешних средств диагностики. Вместе с тем необходимо собрать как можно больше предварительной информации, прежде чем приступить к необходимым проверкам.

Отказ системы полный или частичный — это наиболее распространенный, но вместе с тем и простейший вид признака неисправности. Отказ системы — это предельный случай нештатного функционирования. Когда система функционирует, но ее работа не соответствует техническим требованиям — имеет место ухудшение функционирования. Причем степень ухудшения функционирования может быть самой различной — от почти штатной работы до почти полного отказа. Вместе с тем подобные недостатки следует устранять как можно быстрее как и полный отказ системы, так как отдельные отказы могут быть причиной других более сложных и как следствие более трудоемких в устранении отказов.

Углубленный анализ — это процесс более подробного описания определения признака неисправности. Многие сходные признаки неисправности могут быть вызваны многочисленными и самое главное разнообразными повреждениями. Для успешного поиска неисправности необходимо принять правильное решение о том, какое повреждение или повреждения скорее всего вызывает наблюдаемый признак неисправности. Для этого как правило необходима дополнительная информация. Первоначальный признак неисправности, как правило не содержит достаточной информации для принятия решения о том, какова возможная причина (или причины) этого симптома, поскольку одни и те же признаки неисправности могут быть вызваны самыми различными повреждениями (причинами). Чтобы дальше исследовать обнаруженный признак неисправности, необходимо произвести дополнительные воздействия, оказывающие влияние на этот признак. Часто для этого используются органы регулировки, которые входят в состав системы. По самой своей сути органы регулировки вносят некоторые изменения в режим функционирования системы. Органы отображения информации (измерительные приборы, устройства индикации) позволяют визуально наблюдать изменения, происходящие в системе при использовании органов регулировки. Еще один способ поиска повреждения состоит в искусственном усугублении признака неисправности. Процесс углубленного анализа признака неисправности нельзя считать завершенным до тех пор, пока не будут всесторонне оценены наблюдаемые его проявления. Принимаемое решение должно быть технически обосновано. Удачное разбиение системы на функциональные узлы крайне важно для эффективного осуществления этого этапа поиска неисправностей. Функциональная схема системы представляет собой символическое представление входящих в нее функциональных узлов и соединяющих их связей. Вид представления и расположение узлов и связей зависит от сложности устройства. Каждый узел выполняет определенную функцию и подчиняется правилу преобразования вход-выход. В функциональной схеме не показано, каким образом реализован каждый функциональный узел. Функциональные схемы отражают связи между функциональными узлами системы. Они дают общее представление о функциях, которые система должна выполнять, чтобы соответствовать своему назначению.

Функциональная схема наряду с зарегистрированной информацией о признаке неисправности и знанием принципов работы системы составляют основу для технически обоснованного выбора потенциально неисправного функционального узла.

На следующем (четвертом) этапе осуществляется локализация неисправного функционального узла. На этом этапе применяются контрольно-измерительные средства. Также необходимо знание штатных рабочих характеристик и расположение контрольных точек. На этом этапе производится контроль входных и выходных сигналов функциональных узлов. Как правило, на общих функциональных схемах показаны виды сигналов информации на входах и выходах каждого функционального узла. Также на этом этапе полезным видом технической документации являются схемы различных соединений. Еще одним фактором, который следует принимать во внимание, является накопленный опыт поиска неисправностей за время эксплуатации системы и регитрируемые сведения о повторных отказах. При выборе контрольной точки следует опираться на прошлый опыт выявления похожих признаков неисправности и ремонта подобных устройств, а также принимать во внимание вероятность возникновения повторных отказов в системе. Однако выбор должен базироваться главным образом на логических умозаключениях, основанных на информации, полученной на предыдущих этапах, без излишнего доверия к прошлому опыту поиска неисправностей в подобных системах. С другой стороны, предыстория несомненно должна оказывать некоторое влияние на выбор первой контрольной точки. Если имеются два возможных источника неисправности, причем вероятность отказа в одном из них выше, то при выборе первой контрольной точки, прежде всего следует принять во внимание информацию о повторных отказах.

Факторы, которые следует принимать во внимание при выборе первой контрольной точки:

• — функциональный узел, представляющий максимум информации для одновременного исключения из рассмотрения отдельных потенциально неисправных узлов, перечень которых был составлен на основании информации, полученной на первых трех этапах, если, конечно, этот узел сам исправен;
• — доступность контрольных точек;
• — накопленный опыт и сведения о повторных отказах.

После обнаружения неисправного функционального узла, необходимо убедиться, что он действительно является источником выявленного признака неисправности и согласуется с информацией, полученной в процессе углубленного анализа этого признака.

Чтобы выявить неисправный функциональный узел, от сбора информации о признаке неисправности переходят к ее фактическому местонахождению. Чтобы подтвердить правильность определения неисправного функционального узла, следуют в обратном направлении. В этом случае знание принципов работы системы крайне важно. Новая информация, получаемая в очередной контрольной точке позволяет сужать область поиска неисправностей, до тех пор, пока не будет обнаружен неисправный функциональный узел. На пятом этапе локализации неисправности в узле системы выполняются всесторонние проверки, целью которых является локализация конкретного элемента, содержащего неисправность. Для этого следует выделить внутри узла группу элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию. Этот этап также базируется на общем принципе построения умозаключений, состоящем в непрерывном сужении области поиска местонахождения неисправности путем принятия логических решений и выполнения рациональных проверок. После завершения этапа 4 известно, что все воздействия на вход неисправного функционального узла правильны, а один или несколько выходных сигналов неверны или вообще отсутствуют. Для получения информации, которая может указать возможное местонахождение неисправности в функциональном узле, следует проанализировать неверные выходные сигналы, обнаруженные на этапе 4. Большую помощь при поиске неисправности может оказать метод заключения в скобки, позволяющий сузить область поиска до неисправного элемента. После проверки части схемы, произвольно заключенной в скобки, выполняется их последовательное перемещение, а затем осуществляется очередная проверка, чтобы определить, не находится ли неисправность в новой области, заключенной между скобками. Этот процесс продолжается до тех пор, пока между скобками не окажется неисправный элемент.

Наиболее важным в этом методе является определение места в схеме, куда должны быть помещены скобки при сужении области поиска неисправности. Это решение зависит от результатов анализа схемы и предыдущих проверок, типа схемных цепей, по которым проходит сигнал, а также от доступности контрольных точек. Всякие перемещения скобок должны иметь своей целью решение задачи локализации неисправности при минимальном числе проверок.

Сигналы в системах проходят по сигнальным цепям трех типов:

• — последовательным;
• — разветвленным;
• — переключаемым.

Последовательная цепь включает в себя группу составляющих элементов, расположенных таким образом, что выход одного элемента соединен со входом другого. В результате сигнал проходит напрямую через группу элементов без возвратов в обратном направлении и без разветвлений.

Рис.4.1.Расходящаяся сигнальная цепь

Разветвленная цепь может быть двух видов: — расходящаяся (рис.4.1); — сходящаяся (рис.4.2).

Рис.4.2.Сходящаяся сигнальная цепь

Переключаемая цепь (рис.4.3) содержит в своем составе элемент, с помощью которого для каждой конкретной ситуации образуется своя конфигурация сигнальной цепи.

Рис.4.3.Переключаемая сигнальная цепь

Процедура заключения в скобки начинается с расположения открывающей скобки у входа (входов) с штатным сигналом и закрывающей скобки у выхода (выходов) с нештатным сигналом функционального узла. После того как определен перечень возможных неисправных групп элементов, скобка перемещается к входу или выходу одной из групп, а затем выполняется проверка соответствующих контрольных точек. Скобки перемещаются попеременно до тех пор, пока между ними не окажется лишь одна группа элементов. Группа элементов заключается в скобки в том случае, если открывающая скобка указывает на наличие правильного сигнала на входе группы элементов, а закрывающая скобка указывает на присутствие неверного сигнала или его отсутствие на выходе. После обнаружения неисправной группы элементов определяется тип сигнальной цепи, проходящей через эту группу элементов. Эта информация чрезвычайно важна при выборе следующего места для скобок и выполнения проверки. Для последовательных цепей применяют метод деления пополам (рис.4.4).

Рис.4.4.Метод деления пополам

При выполнении процедуры заключения в скобки разветвляющихся цепей следует локализовать неисправность до одной сигнальной цепи. Необходимо проверять разветвленные цепи до тех пор, пока неисправность не будет локализована в одной из сигнальных цепей. Затем в последовательной цепи может быть применен метод деления пополам. Для локализации неисправных элементов в переключаемой цепи вначале необходимо проверить сигнал на выходе разветвленной цепи после переключающего элемента. Если переключающий элемент является многоконтактным устройством, то каждый контакт может быть соединен со своей цепью. В этом случае необходима установка переключателя во все положения и проверка сигнала на выходе разветвленной цепи, соединенной с каждым из контактов. Если признаки неисправности и собранная инормация указывают на вполне определенную цепь, то далее не проверяют каждое положение переключателя. После выполнения этой проверки и локализации неисправности в одной или нескольких разветвленных цепях, следует проверить последовательные цепи и выявить неисправность методом деления пополам.

На последнем 6 этапе — этапе анализа отказа компонентов, для выявления местонахождения неисправного компонента понадобится проверить определенные ветви неисправной схемы. После выполнения этого этапа будет получена вся необходимая информация для замены или ремонта неисправных компонентов, что позволяет восстановить нормальное функционирование устройства.

Вместе с тем важно выяснить и причину неисправности. Также, вполне возможно, что в системе остались другие не выявленные неисправности, и если их не устранить, то система вновь выйдет из строя. На этом этапе применяются принципиальные схемы узлов и блоков систем. После того как неисправный элемент системы локализован, необходимо измерить параметры состояния в различных ветвях системы, чтобы выявить неисправные компоненты. Измеренные значения должны быть оценены путем сравнения со штатными заранее известными значениями контролируемых параметров. Эти значения параметров приводятся в соответствующих таблицах на принципиальных схемах или отдельных листах технической документации. Например, в таблицах напряжений и сопротивлений приводятся рабочие значения и сопротивлений относительно общего провода (или другой точки электрической схемы Независимо от типа признака неисправности причина отказа в конце концов будет локализована в одном или нескольких компонентах устройства. Отказ компонента можно классифицировать по степени ухудшения его работы. Различают полный отказ, нештатное функционирование компонентов и перемежающийся (попеременно прекращается, то снова начинается). Последняя неисправность легко себя обнаруживает, однако местонахождение конкретного неисправного компонента определить трудно. Во время проверки схемы, содержащей компонент с подобным типом неисправности, он может функционировать нормально, а через некоторое время неисправность снова даст о себе знать.

Локализация неисправных компонентов: для локализации неисправных компонентов или ветвей чаще всего необходимо проанализировать выходной сигнал [2]. Отклонения параметров выходного сигнала по напряжению, длительности и форме могут быть признаками обрывов или коротких замыканий в компонентах, а также выхода их номиналов за пределы допусков. На этом этапе обнаружения неисправностей решается две задачи: сокращения до минимума количества необходимых проверок и определение, в случае обнаружения неисправного элемента, является ли он единственной причиной неисправной системы. Затем приступают к визуальному контролю доступных компонентов и элементов связи и соединений. Внешний осмотр довольно часто позволяет обнаружить неисправность, а также ознакомиться с расположением элементов системы.

Проверка питающих напряжений: часто много времени тратится на поиски несуществующих повреждений и отказов в одних частях системы, в то время как неисправность находится в других частях, чаще всего в источниках питания. Поэтому первой электрической проверкой чаще всего бывает контроль уровней напряжения от всех источников питания под номинальной рабочей нагрузкой. При проверке аналогового оборудования нужно начинать проверку питающих напряжений без подачи входных сигналов. Такой режим проверки называется статическим режимом. Дискретное (цифровое оборудование) проверяют на правильность при начальных условиях без изменения состояний на входах.

Метод «от конца к началу»: при этом методе первоначально динамические измерения проводят на выходной части системы, а затем постепенно перемещаются по схеме в сторону входа, пока не будет обнаружен нормальный сигнал (правильный код).

Метод имитации промежуточных сигналов: метод заключается в подаче на схему после неисправного каскада или узла с помощью специального дополнительного устройства, как правило, не входящего в систему — имитатора (генератора) сигналов, имитирующего отсутствующие сигналы с неисправного узла. Если нормальная работа схемы системы при этом восстанавливается, делают вывод о неисправности узла, блока или компонента, сигнал которого имитируется.

Метод размыкания цепи обратной связи: отыскать неисправность в системах с обратными связями очень трудно. Поэтому производят размыкание цепи обратной связи. В точку, где разомкнута обратная связь, нужно подать соответствующее постоянное напряжение или необходимый сигнал. Затем по всей схеме проверяются уровни параметров и их форма. Параметры сигнала, подаваемого в точку разрыва, можно изменять для проверки изменения реакции всей системы.

Метод замены блоков, элементов и компонентов: метод основан на элементарной замене отдельных подозреваемых блоков, элементов и компонентов системы на аналогичные. Если при такой замене восстанавливается штатная работоспособность системы, делают заключение о неисправности замененного блока, элемента или компонента. Применение этого метода требует разработки специальных типовых элементов замены (ТЭЗ), что приводит к усложнению, удорожанию аппаратуры и снижению ее надежности, в первую очередь за счет большого числа разъемных соединений.

Метод исключения: основан на временном исключении неисправного узла (компонента) из системы посредством отсоединения при утечках и электрическом пробое или перемыкании (соединении входа с выходом) при возможном обрыве (разрушении связей) в неисправном узле или компоненте.

Все методы можно условно разделить на активные и пассивные.

МЕТОДЫ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ. Л. Фолкенберри

Предлагаю вашему вниманию культовый текст, без прочтения которого тему поиска неисправностей нельзя считать раскрытой.

Текст взять из книги: Справочное пособие по ремонту и электронных систем. Л.М. Фолкенберри

5.1. ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Поиск неисправностей можно определить как логическую технику обнаружения и устранения причины нарушения работоспособности электронных систем, хотя специалисты по устранению конфликтных ситуаций требуются во всех областях, начиная от механической части автомобиля и кончая международной политикой. Процесс обнаружения неисправности является, в первую очередь, процессом логического мыш-ления. Многие ступени логического мышления опытные специалисты проходят подсознательно, и именно в этом и проявляется их искусство. Мы обращаем особое внимание на то, что процесс поиска неисправностей является в основном мыслительным, а измерения, которые дают толчок логической дедукции, занимают лишь небольшую часть времени.

Поиск неисправностей представляет собой важную задачу. Экономика и образ жизни в развитых странах зависят от поддержания в рабочем состоянии электронных систем управления в промышленности, систем связи и вычислительной техники. Приблизительно треть бюджета Отдела оборонной электроники ассигнована на обслуживание аппаратуры, что характеризует важность отыскания неисправностей и их устранения для современного общества.

На рис. 5.1 показана типичная зависимость частоты отказов электронной аппаратуры от времени.

1. Выход из строя в течение первых 20 недель работы

2.Нормальная . долговечность от 5 до 25 лет

В начальный период частота отказов очень велика по сравнению со средним периодом работы. По этой причине многие компании используют испытания на принудительный отказ, т. е. работу компонентов или оборудования в целом при повышенных температурах для ускорения появления ранних отказов. Тогда ранние дефекты устраняются до того, как оборудование выйдет с завода-изготовителя, интенсивность его отказов у потребителя будет соответствовать нижней части кривой рис. 5.1. Ранние отказы аппаратуры в период приработки обычно обусловлены компонентами, находящимися на границах допусков. По окончании периода приработки оборудования наступает период нормальной его работы, который длится примерно 5—25 лет, в зависимости от надежности, заложенной в конструкции и реализованной в аппаратуре. Отказы в период нормальной работы, часто связаны с «уходом» характеристик в результате старения компонентов, излишней нагрузкой аппаратуры в результате неправильного использования, а также нарушением работоспособности отдельных компонентов. Как и в человеческом жизненном цикле, конец срока службы аппаратуры характеризуется заметным увеличением числа отказов. Кажется все, что может испортиться, не упустит возможности сделать; в этот период более экономичной оказывается замена оборудова чем поддержание его работоспособности. Следует отметить, что для специалиста по устранению неисправностей (настройщика) работа находаится на протяжении всего жизненного цикла аппаратуры, так как интенсивность отказов сложной аппаратуры почти никогда не равна нулю для любого отрезка времени.

По мере усложнения систем требования к квалификации настройщика становятся более строгими. В совершенстве овладеть навыком отыскания неисправностей может только специалист, отлично знающий обслуживаемую систему и имеющий значительный опыт работы. Сущеют, однако, некоторые принципы, которые могут помочь начинающему специалисту определить подход к решению этой задачи. Целью данной главы является рассмотрение этих принципов.

5.2 ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ

Первой и самой важной заповедью для настройщика должно быть сохранение спокойствия. Бурные эмоции и тревога только мешают процессу логического мышления, необходимому для успешного поиска неиправности. Только в спокойном состоянии можно эффективно об наружнть повреждение. Так что сохраняйте спокойствие!

Чем больше у нас информации о системе, тем увереннее мы можем отыскивать в ней неисправность. Многие системы, такие как большие универсальные ЭВМ и анализаторы спектра, настолько сложны, что для компетентного обнаружения многих видов повреждений требуется специальная подготовка. Но для выявления дефектов в большей части аппатаратуры достаточно хорошего общего знания электронных схем и методики поиска неисправностей. Прежде чем приступить к отысканию повреждения в любой аппаратуре, потратьте какое-то время на ее изучение. Даже когда времени в обрез, настройщик должен выяснить функцию каждой основной подсистемы отказавшей аппаратуры.

Наилучшим источником информации для быстрого и достаточно подробного ознакомления с оборудованием является инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию. Прежде чем предпринимать попытки ремонта аппаратуры, необходимо изучить ее настолько тщательно, насколько позволяет время. Инструкция обычно содержит технические условия на оборудование, его описание и принцип действия, схемы, компоновку деталей и руководство по отысканию неисправностей. Это руководство включает перечень причин и признаков часто встречающихся повреждений. Хорошим источником информации является также изготовитель аппаратуры. Телефонный звонок на завод- изготовитель может сберечь многие часы поисков решения неясной задачи. Перед звонком необходимо составить краткое и четкое описание признаков повреждения и подготовить результаты всех проведенных измерений. Если у вас нет инструкции по эксплуатации, постарайтесь приобрести ее.

Хороший настройщик использует все возможные средства, включая имеющиеся в наличии диагностические программы для вычислительной техники. Иногда сама отказавшая аппаратура помогает выявить в ней дефект подобно тому, как больной рассказывает врачу, что у него болит.

Правильно выбирайте контрольно-измерительную аппаратуру. Анализатор спектра полезен при отыскании неисправностей в системах связи, однако его бесполезно применять для проверки цифровой аппаратуры. Простой авометр( тестер) незаменим при поиске обрывов цепи. При отыскании некоторых видов неисправностей в цифровой аппаратуре может понадобиться логический анализатор. В общем, для решения конкретных задач пользуйтесь соответствующей необходимой аппаратурой. Продуманность использования контрольно-измерительной аппаратуры может сберечь много времени.

И здесь наилучшим источником информации, изложенной в сжатой форме, является поставляемая вместе с аппаратурой инструкция по эксплуатации. Настройщик должен подробно изучить ее и знать возможности этой аппаратуры и порядок работы с ней. К примеру, следует знать, что сигнал 50 МГц на экране анализатора спектра является маркером, а не ложным сигналом в неисправном оборудовании.

Короче, хороший специалист должен знать контрольно-измерительную аппаратуру, уметь выбрать ее применительно к конкретному случаю, знать оборудование, требующее ремонта, и, конечно, сохранять спокойствие,

5.3 МЕТОДИКА ОТЫСКАНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Существуют хорошо опробованные методы и этапы поиска неисправностей. Рассмотрим их применительно к выявлению дефектов.

5.3.1. ВНЕШНИЙ ОСМОТР

Первым шагом на пути поиска неисправности является тщательный внешний осмотр аппаратуры. Проверьте, нет ли сгоревших предохранителей, разрушенных или утративших первоначальный цвет компонентов, обрывов проводов, поврежденных проводников печатных схем, дефектов паяных соединений, трансформаторов с запахом гари, следом коррозии, перегретых деталей и вытекших электролитических кондент саторов. Другими словами, обратите внимание на любое отклонение от нормы. Тщательный внешний осмотр так часто позволяет обнаружить неисправность, что есть смысл пожертвовать на него время, Если даже тезультате такого осмотра вы и не обнаружите неисправность, то, по крайней мере, познакомитесь с расположением всех элементов аппаратуры.

5.3.2. ПИТАЮЩИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Часто много времени тратится впустую на поиски несуществующих повреждений, когда все дело в неисправном источнике питания. Поэто- первой электрической проверкой должен быть контроль правильности уровней напряжения от всех источников питания при работе под нормальной нагрузкой. Если выход источника питания приходится отсоединить, к нему нужно подключить эквивалентную нагрузку и только после этого проверять.

При проверке аналогового оборудования или аналоговой части цифрового оборудования начинать нужно со статического режима. Если аппаратура неправильно функционирует в статическом режиме, она не будет правильно обрабатывать сигналы. Цифровое оборудование часто можно проверить в исходном состоянии на правильность начальных условий.

5.3.3 МЕТОДИКА «ОТ КОНЦА К НАЧАЛУ»

Методика «от конца к началу» означает, что сначала динамические измерения проводят на выходной части аппаратуры, а затем постепенно перемещаются по схеме в сторону входа, пока не будет обнаружен нормальный сигнал (рис. 5.2) (или для цифрового оборудования правильный код);

следующий к выходу каскад скорее всего неисправен. Чтобы любой метод отыскания неисправностей был эффективным, настройщик должен знать, какими должны быть нормальные сигналы на выходе каждого каскада.

5.3.4 ПОДАЧА СИГНАЛА

Если неисправный каскад оказывает влияние на выход предыдущего каскада или отсутствует нормальный входной сигнал, настройщик для имитации сигнала должен использовать генератор сигналов, Параметры имитирующего сигнала должны быть как можно ближе к параметрам нормального сигнала. Часто бывает необходимо, чтобы выходной сигнал имел определенную постоянную составляющую. Большинство генераторов сигналов имеет ограниченные возможности

Рис. 5.3. Схема введения сигнала

установки уровня постоянной составляющей на выходе. Поэтому при необходимости следует использовать делитель напряжения и разделительную емкость (рис. 5.3).

5.3.5 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ «ДЕЛЕНИЕ» СХЕМЫ

Метод используется для проверки сложных (многокаскадных) устройств и заключается в проверке сигналов сначала на выходе каскада, расположенного в середине схемы, затем в середине половины, в которой имеется неисправность, и так далее, пока не будет обнаружен поврежденный каскад. Предположим, например, что в пятом каскаде 8-каскадной схемы произошел сбой. Чтобы определить, что неисправен именно пятый каскад, проделаем следующую процедуру: после проверки источников питания проверим сигнал на выходе четвертого каскада (на полпути прохождения сигнала по схеме). Если на выходе четвертого каскада обнаружен правильный сигнал (как это должно быть в нашем примере), следует проверить сигнал на выходе шестого каскада, т. е. на полпути между четвертым и последним каскадами. В нашем примере сигнал на выходе шестого каскада будет неверным. Значит, теперь нужно проверить сигнал на полпути между последними двумя проверенными каскадами — на выходе пятого каскада. В данном случае он будет неправильным, следовательно, неисправным оказывается пятый каскад. Этот метод удобнее всего применять для аппаратуры с независимыми последовательными каскадами, такой как радиоприемники и передатчики.

5.3.6 РАЗМЫКАНИЕ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Отыскать неисправности в системах и подсистемах с цепями обратной связи очень трудно, если не размыкать эти цепи. В точку, где разомкнута петля обратной связи, нужно подать соответствующее постоянное напряжение или необходимый сигнал. Затем для отыскания неисправности по всей схеме нужно проверить уровни напряжения форму сигналов. Напряжение или сигнал, подаваемые в точку разрыва петли обратной связи, можно изменять для проверки изменения

Рис. 5.4. Размыкание контура, пример системы ФАПЧ

реакдии всей схемы. Обычно петлю размыкают в точке, к которой удобно подвести сигнал небольшой мощности. На рис. 5.4 показано применение этого метода для петли фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Источники питания и выходной сигнал образцового генератора должны быть проверены перед размыканием петли. При этом f0 будет нестабильна или «неправильна» по значению, если же она будет отсутствовать совсем, мы будем знать, что генератор, управляемый напряжением (ГУН), неисправен.

5.3.7 ЛОГИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ

Сложные системы обычно строятся на основе логических подсистем. Система в целом может быть слишком сложна для непосредственного отыскания неисправности, но каждую подсистему обычно можно проверить независимо, применяя один из вышеуказанных методов.

5.3.8. СРАВНЕНИЕ С ИЗВЕСТНЫМИ ПРАВИЛЬНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ

Чтобы опознать неправильный выходной сигнал, мы обычно сравниваем его с выходным сигналом нормально функционирующей схемы. Мы должны или достаточно хорошо знать схему, чтобы определить, каким должен быть выходной сигнал, или сравнить его с формой сигнала (комбинацией бит, последовательностью состояний, картой памяти или временной диаграммой для цифрового оборудования) в инструкции по эксплуатации и обслуживанию. Если под рукой нет документации, в которой были бы приведены правильные выходные сигналы, а у настройщика недостаточно опыта работы с аппаратурой для определения правильности полученных результатов, их нужно сравнить с аналогичными сигналами такой же нормально работающей аппаратуры. Этот метод лучше всего подходит для цифровых устройств и аппаратуры с использованием микропроцессоров..

5.3.9 ЗАМЕНА КОМПОНЕНТОВ СХЕМ

Установка в систему заведомо годных печатных плат с целью устранения повреждения называется заменой плат. Этот же метод применяется и для отдельных элементов. Для быстрого ремонта на рабочем месте такая практика приемлема и используется многими крупными компаниями, но как метод поиска неисправности она очень дорого обходится. Множество годных компонентов и печатных плат было испорчено при установке их в систему при включенном питании или в систему, неустраненная неисправность которой вызвала отказ заменяемой детали и соответственно вновь установленной детали. Когда аппаратуру нужно быстро ввести в действие, замена печатной платы или модуля в случае отказа оказывается оправданной. Это эффективный способ свести к минимуму время простоя. Негодные компоненты печатной платы или модуля можно спокойно отыскать позже. Перед осуществлением замены настройщик должен быть абсолютно уверен в повреждении именно данного модуля или платы, замену обычно следует проводить при отключенном питании. Существует оборудование, в котором при замене не повреждается ни одна деталь, даже при включенном питании, но перед началом работы в этом следует убедиться. В отличие от других методов ремонта замена плат обладает тем серьезным отрицательным свойством, что она быстро становится привычкой, которая делает работу такого специалиста менее эффективной, чем у тех, кто использует методы, требующие более обдуманного отношения,

5.4 НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ СОВЕТЫ

Щуп контрольно-измерительной аппаратуры заземляйте как можно ближе к точке, в которой вы наблюдаете сигнал. Тогда вы можете быть уверены, что видете реальную картину. На рис. 5.5, а показана осциллограмма синхроимпульса, полученная с помощью осциллографа, заземленного на корпус мини-ЭВМ, а на рис. 5.5, б — та же самая осциллограмма при щупе, заземленном на печатную плату около выхода генератора синхроимпульсов. Синхроимпульс четкий в обоих случаях, но на рис, 5.5, а форма сигнала вводит в заблуждение.

Рис.5.5. Влияние места заземления щупа осциллографа на форму наблюдаемого синхроимпульса:

а- заземление на корпус мини-ЭВМ

б — заземление на общую печатную плату вблизи генерато­ра синхроимпульсов

Будьте осторожны при работе с интегральными схемами типа металл— оксид — полупроводник (МОП). Не касайтесь руками выводов схемы, поскольку статический заряд вашего тела может пробить тонкие изолированные затворы МОП-структуры. Пользуйтесь сцрциальными инструментами или при их отсутствии перед заменой МОП-приборов в отключенном оборудовании заземляйте рабочую поверхность или корпус аппаратуры и кисти рук с помощью проводов, заземленных через высокое сопротивление (обычно 1 МОм). При регламентных проверках аппаратуры в этом нет необходимости, такое заземление нужно применять только при замене МОП-приборов в отключенном оборудовании.

В крайнем случае, непосредственно перед прикосновением к МОП-прибору следует дотронуться до хорошего заземления. Защищенные МОП-приборы менее подвержены пробою, но и с ними надо вращаться осторожно. Если уровень статического заряда на теле человека достаточно высок, будет поврежден даже защищенный прибор.

Во многих видах аппаратуры исключительно важное значение имеет порядок включения источников питания, в особенности это относится к аппаратуре с использованием КМОП ИС. При нарушении порядка включения источников питания эти устройства могут сами выходить из строя и приводить к повреждению других компонентов аппаратуры. Если аппаратура на КМОП ИС работает со сбоями, не забудьте проверить порядок включения источников питания.

При работе с цифровой аппаратурой, если возможно, пройдите от одного состояния к другому вручную, шаг за шагом. Пошаговый режим оказывается исключительно полезным, поскольку состояние различных точек (высокий или низкий потенциал) можно сравнить с желаемым при помощи универсального электроизмерительного прибора или осциллографа. При отсутствии такого режима состояния изменялись бы слишком быстро, чтобы их можно было наблюдать без логического анализатора.

Как в аналоговой, так и в цифровой аппаратуре в результате плохого заземления может возникнуть шум. Проверьте активное и полное сопротивление заземления; оба должны быть очень низкими. Иногда электромагнитные заграждающие фильтры для подавления несущей вносят в цепь заземления индуктивность, достаточную для возникновения шума. На рис. 5.6 показана осцилограмма сигнала при отсутствии заземления между двумя подсистемами. И последнее замечание: грязные или окисленные контакты печатной платы могут доставить много неприятностей. Необходима регулярная очистка контактов. Испытанный и действенный метод очистки контактов печатных плат карандашной резинкой используйте только в са­мом крайнем случае.

Рис. 5.6. Изображение на экране осциллографа в отсутствии заземления:

а — схема соединений;

б — изображение на экране осциллографа (на­ложение полезного сигнала на наведенное напряжение 60 Гц);

в — изо­бражение на экране осциллографа при большом усилении сигнала

В настоящее время на контакты печатных плат наносят очень тонкое гальваническое покрытие; его можно легко удалить резинкой и после такой очистки контакты быстро покроются коррозией. По возможности всегда пользуйтесь одним из растворителей для очистки контактов.

5.5. НОВЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ
И ПЕРСПЕКТИВЫ

Микропроцессоры и недорогие цифро-аналоговые и аналого-цифроаналоговые птеобразователи позволяют при проектировании аппаратуры предусматривать возможность самоконтроля и диагностики, что дает возможность в случае неправильной работы определить местоположение обычно случающихся неисправностей и вывести их на экран дисплея или печатающее устройство. Быстро развивается автоматическая испытательная аппаратура, которая позволяет проверять сложные подсистемы и системы, а также диагностировать в них неисправности. Некоторые виды автоматического испытательного оборудования рассчитаны на то, чтобы подсказать настройщику, где именно в неисправно работающей аппаратуре нужно произвести измерения; эта методика получила название направленного зондирования. Уже сейчас в некоторых типах ЭВМ многие виды повреждений можно диагностировать посредствам диалога по телефону между ЭВМ, нуждающейся в ремонте, ЭВМ в обсуживающем центре. (это наворно модемное соединение) ЭВМ обслуживающего центра дистанционно обследует неправильно работающую ЭВМ и определяет, какую плату нужно заметить. Предполагается выпуск аппаратуры с возрастающими возможностями самодиагностики. Продолжается работа в области математического моделирования неисправностей с тем, чтобы вероятность отказов определенного типа можно было прогнозировать и обнаруживать с помощью машины. Сложность автоматического испытательного оборудования возрастает. Контрольно-измерительные приборы берут на себя все больше функций, ранее выполнявшихся операторами и даже указывают, где осуществлять следующую проверку. Все это, однако, не означает, что отпадает необходимость в квалифицированных специалистах по отысканию неисправностей. Скореее, наоборот для нахождения причин неисправностей, с которыми не справились машины, потребуются еще более квалифицированные специалисты, задача поиска неисправностей станет неизмеримо сложнее.

Что такое хороший настройщик? Это человек, хорошо знающий контрольно-измерительную аппаратуру и систему, с которой ему предстоит работать. Определяя повреждение, он начинает с осмотра отказавшей аппаратуры, проверяет источники питания и работу в статическом режиме, затем применяет один из вышеописанных методов поиска неисправностей. При этом он неизменно сохраняет спокойствие. Для него характерна еще одна черта: он не прекратит работу, пока его поиск не увенчается успехом.