某型控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)故障診斷及分析

程 豐，侯生彪，陳向前，李玉雪

?

某型控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)故障診斷及分析

程 豐，侯生彪，陳向前，李玉雪

（國(guó)營(yíng)洛陽(yáng)丹城無(wú)線電廠，河南 洛陽(yáng) 471000）

對(duì)控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的特點(diǎn)，結(jié)合模塊化的測(cè)試程序，按照操作流程抽取電路子網(wǎng)絡(luò)，采用按功能分段反向推理的方法進(jìn)行電路子網(wǎng)絡(luò)的故障模式分析。考慮到抽取出來(lái)的電路子網(wǎng)絡(luò)是較簡(jiǎn)單的繼電器組合電路板，故可使用設(shè)置少數(shù)采樣點(diǎn)來(lái)表征電路信息，這樣就可以分析電路信息來(lái)進(jìn)行故障的檢測(cè)和診斷。通過(guò)實(shí)例試驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的實(shí)用性和有效性，為類似復(fù)雜電子系統(tǒng)的故障診斷尤其是繼電器電路故障診斷提供了新的方向。

測(cè)試系統(tǒng) 故障分析 繼電器

0 引言

控制艙是導(dǎo)彈的核心單元，其質(zhì)量直接影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成。為確保導(dǎo)彈發(fā)揮效力，需定期對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行維護(hù)修理，并對(duì)導(dǎo)彈各組成部分在應(yīng)力環(huán)境下進(jìn)行必要的性能檢測(cè)，控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)是控制艙修理和檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到工廠的導(dǎo)彈修理周期。但因控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)多處使用繼電器控制電路，工作過(guò)程中軟件頻繁控制硬件（包含繼電器）動(dòng)作，人工操作與自動(dòng)操作同時(shí)存在并要求多個(gè)單元電路的配合工作，綜合測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試等反復(fù)進(jìn)行，這就導(dǎo)致控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)操作環(huán)境復(fù)雜多樣，容易引發(fā)繼電器故障。

為提高控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的可維修性、安全性和可靠性，減少綜合測(cè)試系統(tǒng)故障維修時(shí)間，在測(cè)試系統(tǒng)的故障排除中使用故障分析及診斷技術(shù)。采用故障診斷的相關(guān)方法對(duì)綜合測(cè)試系統(tǒng)的故障進(jìn)行故障定位、故障檢測(cè)與故障隔離，提出故障處理方法，排除故障有效，從而提高導(dǎo)彈測(cè)試及設(shè)備維修保障水平，增強(qiáng)設(shè)備保障維修和導(dǎo)彈維修能力有重要意義。本文以現(xiàn)有的某型導(dǎo)彈控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)電路原理圖為基礎(chǔ)，從中抽取相關(guān)電路子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障分析診斷方法的研究，以電路采樣點(diǎn)狀態(tài)組合為測(cè)試依據(jù)對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析、診斷和維修。最后通過(guò)對(duì)控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)中導(dǎo)彈電源變換器測(cè)試故障及電源輸出回路進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證該方法的有效性和實(shí)用性。

1 總體思想

某型導(dǎo)彈控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)雖然組成比較復(fù)雜，主要有直流電源系統(tǒng)、交流電源系統(tǒng)、信號(hào)處理采集系統(tǒng)、微波信號(hào)及脈沖信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)、工控機(jī)系統(tǒng)等幾部分組成。各部分系統(tǒng)中有較多的功能一致的電路單元，系統(tǒng)程序采用模塊化的測(cè)試方法，有工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程，每步測(cè)試流程程序所使用的電路是電路系統(tǒng)的一小部分。同時(shí)，控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的故障現(xiàn)象是與測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程密切相關(guān)的，其常見(jiàn)的故障現(xiàn)象為電源加不上電、采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)輸出等異常。對(duì)現(xiàn)有的控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自2014年10月以來(lái)，設(shè)備履歷本上記錄故障7次，故障現(xiàn)象涉及的方面較多，均為復(fù)合型故障，其中涉及到繼電器故障的次數(shù)為5次，每次修理時(shí)間均在2天以上，由于現(xiàn)場(chǎng)僅有1臺(tái)控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)，故障期間控制艙無(wú)法測(cè)試，影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，在對(duì)控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行故障分析診斷的過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試流程和測(cè)試項(xiàng)目來(lái)選取相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)電路原理圖，對(duì)其中關(guān)鍵電子元器件進(jìn)行性能分析，結(jié)合部分電路外在故障表現(xiàn)方式進(jìn)行故障分析，最后選取合適的采樣點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，能快速及時(shí)準(zhǔn)確的完成故障定位、故障診斷及排除。上述方法實(shí)施過(guò)程如下：

1）根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的程序流程和故障現(xiàn)象結(jié)合控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)電路原理圖抽取相關(guān)的部分電路子網(wǎng)絡(luò)，并初步確定該部分電路子網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)；

2）研究控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)該部分電路子網(wǎng)絡(luò)原理圖及其中的關(guān)鍵電子元器件；

3）對(duì)抽取的相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行故障分析，列舉可能出現(xiàn)的故障模式；

4）根據(jù)前面的分析結(jié)果，選擇合適位置用來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)采集，將采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)組合排列，分析故障原因并最終確定故障排除方法。

2 故障診斷方法

2.1 故障模型分類

故障診斷是發(fā)現(xiàn)故障、定位故障的過(guò)程，也是依據(jù)檢測(cè)策略對(duì)被診斷系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、判斷。診斷是建立在自動(dòng)檢測(cè)和測(cè)試結(jié)果分析判斷的基礎(chǔ)上，是檢測(cè)和測(cè)試的更高階段，其主要目的修復(fù)故障，預(yù)防故障，進(jìn)而是提高測(cè)試系統(tǒng)的使用率和可靠性，最終降低測(cè)試系統(tǒng)維修保障成本，優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)。

元件/零件、電路/分組件或系統(tǒng)/部件的物理故障是不同的，故障種類也有好多種類，以邏輯門短路故障為例，存在輸入端短路、輸入端與輸出端短路等故障現(xiàn)象。因此，要研究故障現(xiàn)象對(duì)電路或測(cè)試系統(tǒng)的影響大小、分析并確認(rèn)故障位置，就需要先對(duì)故障進(jìn)行分類，在分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建每類故障典型的故障模型[1]。基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障類型的總結(jié)分析，總結(jié)出幾種常見(jiàn)的故障模型：

1）固定型故障：電路或系統(tǒng)中某一個(gè)信號(hào)不可控（系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中該信號(hào)永遠(yuǎn)固定在某一個(gè)值）。這是導(dǎo)彈設(shè)備修理過(guò)程中最常見(jiàn)故障。

2）橋接故障：元器件輸入端之間的短路，輸入端與輸出之間的短路。這是導(dǎo)彈設(shè)備修理過(guò)程中常見(jiàn)故障。

3）開路故障：元件輸出端懸空，其邏輯值依具體電路而定。這也是導(dǎo)彈設(shè)備修理過(guò)程中常見(jiàn)的故障。

4）時(shí)滯故障：指電路時(shí)延引起競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)性故障。

以上這些故障模型主要體現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的硬故障，還未涉及到測(cè)試系統(tǒng)的軟故障。完成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)故障診斷分析的前提是熟悉該測(cè)試系統(tǒng)有可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，故障現(xiàn)象存在特殊性是由于每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)自身具備特點(diǎn)不同導(dǎo)致的。某型導(dǎo)彈控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)使用雙路繼電器控制多處電路工作，人工操作與自動(dòng)操作同時(shí)存在并要求多個(gè)單元電路的配合工作，因此在分析控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的故障原因時(shí)可以用分段反推法進(jìn)行故障分析。比如在某個(gè)測(cè)試項(xiàng)目中要求輸出某個(gè)測(cè)試電壓，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行故障分析就可假設(shè)未輸出該測(cè)試電壓，然后就可以分析是由測(cè)試電壓產(chǎn)生電路、控制電路、采集電路還是其它輔助電路引起的故障，針對(duì)每個(gè)電路部分分段進(jìn)行反推，以此逐步展開故障診斷分析[2]。在完成相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)電路故障分析診斷后，能清晰明確測(cè)試系統(tǒng)在涉及到該子網(wǎng)絡(luò)電路的故障成因以及維修方法，為后續(xù)的故障檢測(cè)與識(shí)別做好準(zhǔn)備。

2.2 故障檢測(cè)與識(shí)別

故障檢測(cè)是指及時(shí)發(fā)現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)在工作過(guò)程中存在的異常現(xiàn)象，故障識(shí)別是對(duì)已發(fā)生故障的類型和影響程度作出初步估計(jì)[3]。對(duì)于控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的電路子網(wǎng)絡(luò)而言，由于測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確模型無(wú)法準(zhǔn)確用數(shù)學(xué)模型描述，因此不使用基于模型的故障診斷方法[4]。考慮到基于測(cè)試數(shù)據(jù)故障檢測(cè)方法對(duì)特定對(duì)象進(jìn)行故障檢測(cè)的有效性，可將之用于控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)電路子網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)。基于測(cè)試數(shù)據(jù)故障檢測(cè)的主要思想：利用信號(hào)處理技術(shù)建立表征各類故障特征的矢量庫(kù)，再通過(guò)采樣被測(cè)系統(tǒng)不同工作狀態(tài)時(shí)的信號(hào)，并將檢測(cè)信號(hào)與故障特征庫(kù)中的矢量進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析確認(rèn)故障類型，最終達(dá)到故障檢測(cè)與識(shí)別的目的[5]。

控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)需要選定子網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行故障分析，再根據(jù)故障分類組合排列測(cè)試系統(tǒng)故障現(xiàn)象，這樣就基本建立了故障特征庫(kù)。此時(shí)只需要檢測(cè)子網(wǎng)絡(luò)電路關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將之與故障特征庫(kù)中故障現(xiàn)象進(jìn)行比較分析，從而準(zhǔn)確定位系統(tǒng)故障，最終提出故障排除方法。

3 實(shí)例分析

對(duì)控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)中的電源變換器測(cè)試故障進(jìn)行實(shí)例分析以說(shuō)明故障診斷方法的有效性和實(shí)用性。首先根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)資料和常見(jiàn)故障現(xiàn)象，抽取電源變換器測(cè)試電壓輸出的電路子網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。電路子網(wǎng)絡(luò)的故障狀態(tài)是繼電器的3腳無(wú)正常輸出。電路子網(wǎng)絡(luò)的工作原理為：測(cè)試程序控制三相交流電源輸出至產(chǎn)品的電源變換器輸入端，經(jīng)電源變換器轉(zhuǎn)換后輸出直流電壓，經(jīng)分壓電阻R35、R36接地，板卡采集電阻R36上的電壓信號(hào)。同時(shí)測(cè)試程序控制緩沖器SN74LS07N輸出低電平，5 V電壓通過(guò)排阻形成電流驅(qū)動(dòng)光耦工作，光耦起隔離開關(guān)作用，光耦輸出至反相器ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器JRW-3M吸合，直流電壓的輸出與電阻接地均由繼電器控制。

在圖1中，主要電路可以分為三部分，產(chǎn)品信號(hào)傳輸電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路，因此，我們可以確認(rèn)關(guān)鍵的電子元器件有兩個(gè)，分別是光耦P521和繼電器RJW-3M，下面對(duì)他們的一些特性進(jìn)行介紹。

圖1 電源變換器輸出電路原理圖

P521是在該電路中起到開關(guān)的作用，是常用的光耦，由于它以光為介質(zhì)傳輸電信號(hào)，在電路中也起隔離作用，隔離效果良好。光耦一般由光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大三部分組成。輸入到光耦的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使發(fā)光二極管發(fā)光，該光被光探測(cè)器接收后從而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后輸出至電路[6]。P521光耦的主要特點(diǎn)有兩個(gè)：一是輸入輸出簡(jiǎn)電容小，耐壓高（2.5 kV左右），共模抑制比高；二是電氣隔離效果好，是由于輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻，而絕緣電阻一般在109~13歐姆左右。

繼電器RJW-3M是一種常用的軍標(biāo)電磁繼電器，該繼電器在國(guó)內(nèi)僅有一個(gè)廠家生產(chǎn)，多用于航空航天產(chǎn)品上及其設(shè)備上。該繼電器的失效現(xiàn)象主要表現(xiàn)為觸點(diǎn)不通、觸點(diǎn)粘結(jié)導(dǎo)致的繼電器不吸合或者觸點(diǎn)接觸電阻大導(dǎo)致吸合電壓大等故障。其中觸點(diǎn)不通或接觸電阻大是該型號(hào)繼電器最常見(jiàn)故障，主要原因是繼電器觸點(diǎn)表面存在異物或者膜層被污染，繼電器觸點(diǎn)行程不足、繼電器動(dòng)作后觸點(diǎn)仍然不接觸或接觸壓力小也是繼電器失效的重要原因。繼電器觸點(diǎn)粘結(jié)是指切換過(guò)程中動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)不能正常斷開或者延遲一段時(shí)間斷開的失效模式，靜熔焊和動(dòng)熔焊是導(dǎo)致觸點(diǎn)粘結(jié)的主要原因，產(chǎn)生的主要條件如下：靜熔焊一般在非常大的載流條件下發(fā)生，動(dòng)熔焊主要是由于觸點(diǎn)兩端間電弧的高溫使得觸點(diǎn)表面熔化、氣化、噴濺，形成富銀區(qū)，當(dāng)電弧熄滅后觸點(diǎn)冷卻凝固產(chǎn)生粘結(jié)[7]。

在確定關(guān)鍵器件之后，就可以對(duì)電路的故障模式進(jìn)行分析。從電路工作原理看，電路以繼電器為分界分為兩部分，一部分是繼電器工作電路；另一部分是繼電器控制驅(qū)動(dòng)電路。因此，電路是否正常工作表現(xiàn)在2個(gè)狀態(tài)：繼電器是否正常工作與顯示器上電源變換器輸出是否正常。

從表1中可以清楚的看到在接通與斷開電源（主要是指給電源變換器供電的三相電源）后可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，與每個(gè)故障現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的故障原因和檢修方法，根據(jù)故障條件的不同進(jìn)行電路硬件實(shí)現(xiàn)及故障復(fù)現(xiàn)，從而完成該子網(wǎng)絡(luò)電路的故障診斷分析。

表1 電路故障分析

4 結(jié)論

根據(jù)某型導(dǎo)彈控制艙綜合測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目抽取子網(wǎng)絡(luò)電路，按照文中提出的方法，確認(rèn)關(guān)鍵器件的性能，采集關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的故障條件，逐個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)施，可建立完全的故障現(xiàn)象分析表，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的故障診斷分析。從文中實(shí)例分析可以看出，如何確認(rèn)關(guān)鍵器件，怎樣選擇關(guān)鍵點(diǎn)等問(wèn)題很重要，能影響到故障診斷的結(jié)果，根據(jù)電路原理圖進(jìn)行電路仿真分析，在測(cè)試設(shè)備仿真分析的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行半實(shí)物仿真，最終提高產(chǎn)品的修理質(zhì)量。

[1] 邢秀琴, 姚竹亭. 輸入輸出電路板故障診斷[D]. 太原, 中北大學(xué), 2006.

[2] 楊士元．?dāng)?shù)字系統(tǒng)故障診斷與可靠性設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1989: 1-148.

[3] 張磊, 李偉剛, 陳紅濤. 導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)中電液伺服系統(tǒng)故障診斷方法研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2011(8): 154-156.

[4] 關(guān)龍, 劉志剛, 何士玉, 楊紅梅. 離散二進(jìn)制粒子群算法在基于模型配電網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013(9): 89-93.

[5] 蔡光斌, 胡昌華, 王鑫. 導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備故障模式分析與診斷技術(shù)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2007(2): 55-57.

[6] 郭征新, 瞿華, 周東方. 雙極器件和光電器件輻射效應(yīng)飛行驗(yàn)證分析[J]. 空間電子技術(shù), 2017(6): 33-37.

[7] 江長(zhǎng)流. 繼電器可靠性提升探討[J]. 電工材料, 2017(3): 23-28.

Fault Diagnosis and Analysis of Integrated Test System for A Certain Control Cabin

Cheng Feng, Hou Shengbiao, Chen Xiangqian, Li Yuxue

( Luoyang Dancheng Wireless Power Station, Luoyang 471000, Henan, China)

TP277

A

1003-4862（2018）10-0029-04

2018-06-11

程豐（1982-），男，工程師。研究方向：環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。E-mail: 963239620@qq.com