某型控制艙綜合測試系統(tǒng)故障診斷及分析

程 豐，侯生彪，陳向前，李玉雪

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某型控制艙綜合測試系統(tǒng)故障診斷及分析

程 豐，侯生彪，陳向前，李玉雪

（國營洛陽丹城無線電廠，河南 洛陽 471000）

對控制艙綜合測試系統(tǒng)的故障模式進行分析。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的特點，結(jié)合模塊化的測試程序，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行電路子網(wǎng)絡(luò)的故障模式分析。考慮到抽取出來的電路子網(wǎng)絡(luò)是較簡單的繼電器組合電路板，故可使用設(shè)置少數(shù)采樣點來表征電路信息，這樣就可以分析電路信息來進行故障的檢測和診斷。通過實例試驗驗證了這一方法的實用性和有效性，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，需定期對導(dǎo)彈進行維護修理，并對導(dǎo)彈各組成部分在應(yīng)力環(huán)境下進行必要的性能檢測，控制艙綜合測試系統(tǒng)是控制艙修理和檢測的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到工廠的導(dǎo)彈修理周期。但因控制艙綜合測試系統(tǒng)多處使用繼電器控制電路，工作過程中軟件頻繁控制硬件（包含繼電器）動作，人工操作與自動操作同時存在并要求多個單元電路的配合工作，綜合測試和環(huán)境試驗測試等反復(fù)進行，這就導(dǎo)致控制艙綜合測試系統(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試系統(tǒng)的可維修性、安全性和可靠性，減少綜合測試系統(tǒng)故障維修時間，在測試系統(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)方法對綜合測試系統(tǒng)的故障進行故障定位、故障檢測與故障隔離，提出故障處理方法，排除故障有效，從而提高導(dǎo)彈測試及設(shè)備維修保障水平，增強設(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)進行故障分析診斷方法的研究，以電路采樣點狀態(tài)組合為測試依據(jù)對實際電路進行分析、診斷和維修。最后通過對控制艙綜合測試系統(tǒng)中導(dǎo)彈電源變換器測試故障及電源輸出回路進行實例分析，驗證該方法的有效性和實用性。

1 總體思想

某型導(dǎo)彈控制艙綜合測試系統(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)、信號處理采集系統(tǒng)、微波信號及脈沖信號測試系統(tǒng)、工控機系統(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試方法，有工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)測試流程，每步測試流程程序所使用的電路是電路系統(tǒng)的一小部分。同時，控制艙綜合測試系統(tǒng)的故障現(xiàn)象是與測試項目和測試流程密切相關(guān)的，其常見的故障現(xiàn)象為電源加不上電、采集到的測試數(shù)據(jù)無輸出等異常。對現(xiàn)有的控制艙綜合測試系統(tǒng)運行記錄進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，自2014年10月以來，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，每次修理時間均在2天以上，由于現(xiàn)場僅有1臺控制艙綜合測試系統(tǒng)，故障期間控制艙無法測試，影響生產(chǎn)進度。因此，在對控制艙綜合測試系統(tǒng)進行故障分析診斷的過程中，根據(jù)測試流程和測試項目來選取相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)電路原理圖，對其中關(guān)鍵電子元器件進行性能分析，結(jié)合部分電路外在故障表現(xiàn)方式進行故障分析，最后選取合適的采樣點采集數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，能快速及時準(zhǔn)確的完成故障定位、故障診斷及排除。上述方法實施過程如下：

1）根據(jù)測試項目的程序流程和故障現(xiàn)象結(jié)合控制艙綜合測試系統(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）對抽取的相關(guān)子網(wǎng)絡(luò)電路進行故障分析，列舉可能出現(xiàn)的故障模式；

4）根據(jù)前面的分析結(jié)果，選擇合適位置用來測試數(shù)據(jù)采集，將采集到的測試數(shù)據(jù)進行狀態(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、定位故障的過程，也是依據(jù)檢測策略對被診斷系統(tǒng)進行自動檢測，對檢測結(jié)果進行分析、判斷。診斷是建立在自動檢測和測試結(jié)果分析判斷的基礎(chǔ)上，是檢測和測試的更高階段，其主要目的修復(fù)故障，預(yù)防故障，進而是提高測試系統(tǒng)的使用率和可靠性，最終降低測試系統(tǒng)維修保障成本，優(yōu)化測試系統(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)象對電路或測試系統(tǒng)的影響大小、分析并確認故障位置，就需要先對故障進行分類，在分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建每類故障典型的故障模型[1]。基于對現(xiàn)場故障類型的總結(jié)分析，總結(jié)出幾種常見的故障模型：

1）固定型故障：電路或系統(tǒng)中某一個信號不可控（系統(tǒng)運行過程中該信號永遠固定在某一個值）。這是導(dǎo)彈設(shè)備修理過程中最常見故障。

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)備修理過程中常見故障。

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)備修理過程中常見的故障。

4）時滯故障：指電路時延引起競爭冒險性故障。

以上這些故障模型主要體現(xiàn)測試系統(tǒng)的硬故障，還未涉及到測試系統(tǒng)的軟故障。完成一個測試系統(tǒng)故障診斷分析的前提是熟悉該測試系統(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測試系統(tǒng)自身具備特點不同導(dǎo)致的。某型導(dǎo)彈控制艙綜合測試系統(tǒng)使用雙路繼電器控制多處電路工作，人工操作與自動操作同時存在并要求多個單元電路的配合工作，因此在分析控制艙綜合測試系統(tǒng)的故障原因時可以用分段反推法進行故障分析。比如在某個測試項目中要求輸出某個測試電壓，對該設(shè)備進行故障分析就可假設(shè)未輸出該測試電壓，然后就可以分析是由測試電壓產(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，針對每個電路部分分段進行反推，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)的故障檢測與識別做好準(zhǔn)備。

2.2 故障檢測與識別

故障檢測是指及時發(fā)現(xiàn)被測系統(tǒng)在工作過程中存在的異常現(xiàn)象，故障識別是對已發(fā)生故障的類型和影響程度作出初步估計[3]。對于控制艙綜合測試系統(tǒng)的電路子網(wǎng)絡(luò)而言，由于測試系統(tǒng)準(zhǔn)確模型無法準(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]?？紤]到基于測試數(shù)據(jù)故障檢測方法對特定對象進行故障檢測的有效性，可將之用于控制艙綜合測試系統(tǒng)電路子網(wǎng)絡(luò)的故障檢測?；跍y試數(shù)據(jù)故障檢測的主要思想：利用信號處理技術(shù)建立表征各類故障特征的矢量庫，再通過采樣被測系統(tǒng)不同工作狀態(tài)時的信號，并將檢測信號與故障特征庫中的矢量進行比較，進而判斷測試系統(tǒng)工作狀態(tài)，分析確認故障類型，最終達到故障檢測與識別的目的[5]。

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

3 實例分析

對控制艙綜合測試系統(tǒng)中的電源變換器測試故障進行實例分析以說明故障診斷方法的有效性和實用性。首先根據(jù)測試系統(tǒng)技術(shù)資料和常見故障現(xiàn)象，抽取電源變換器測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腳無正常輸出。電路子網(wǎng)絡(luò)的工作原理為：測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。同時測試程序控制緩沖器SN74LS07N輸出低電平，5 V電壓通過排阻形成電流驅(qū)動光耦工作，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)品信號傳輸電路、繼電器驅(qū)動電路、光耦驅(qū)動電路，因此，我們可以確認關(guān)鍵的電子元器件有兩個，分別是光耦P521和繼電器RJW-3M，下面對他們的一些特性進行介紹。

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，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、光的接收及信號放大三部分組成。輸入到光耦的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使發(fā)光二極管發(fā)光，該光被光探測器接收后從而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過信號放大后輸出至電路[6]。P521光耦的主要特點有兩個：一是輸入輸出簡電容小，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，該繼電器在國內(nèi)僅有一個廠家生產(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)為觸點不通、觸點粘結(jié)導(dǎo)致的繼電器不吸合或者觸點接觸電阻大導(dǎo)致吸合電壓大等故障。其中觸點不通或接觸電阻大是該型號繼電器最常見故障，主要原因是繼電器觸點表面存在異物或者膜層被污染，繼電器觸點行程不足、繼電器動作后觸點仍然不接觸或接觸壓力小也是繼電器失效的重要原因。繼電器觸點粘結(jié)是指切換過程中動觸點和靜觸點不能正常斷開或者延遲一段時間斷開的失效模式，靜熔焊和動熔焊是導(dǎo)致觸點粘結(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，動熔焊主要是由于觸點兩端間電弧的高溫使得觸點表面熔化、氣化、噴濺，形成富銀區(qū)，當(dāng)電弧熄滅后觸點冷卻凝固產(chǎn)生粘結(jié)[7]。

在確定關(guān)鍵器件之后，就可以對電路的故障模式進行分析。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)動電路。因此，電路是否正常工作表現(xiàn)在2個狀態(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，與每個故障現(xiàn)象相對應(yīng)的故障原因和檢修方法，根據(jù)故障條件的不同進行電路硬件實現(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)彈控制艙綜合測試系統(tǒng)的測試項目抽取子網(wǎng)絡(luò)電路，按照文中提出的方法，確認關(guān)鍵器件的性能，采集關(guān)鍵點的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立故障現(xiàn)象對應(yīng)的故障條件，逐個子網(wǎng)絡(luò)進行實施，可建立完全的故障現(xiàn)象分析表，從而實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的故障診斷分析。從文中實例分析可以看出，如何確認關(guān)鍵器件，怎樣選擇關(guān)鍵點等問題很重要，能影響到故障診斷的結(jié)果，根據(jù)電路原理圖進行電路仿真分析，在測試設(shè)備仿真分析的基礎(chǔ)上對導(dǎo)彈進行半實物仿真，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[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)彈伺服機構(gòu)中電液伺服系統(tǒng)故障診斷方法研究[J]. 機床與液壓, 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]. 電力自動化設(shè)備, 2013(9): 89-93.

[5] 蔡光斌, 胡昌華, 王鑫. 導(dǎo)彈測試設(shè)備故障模式分析與診斷技術(shù)[J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(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)飛行驗證分析[J]. 空間電子技術(shù), 2017(6): 33-37.

[7] 江長流. 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)境試驗測試技術(shù)。E-mail: 963239620@qq.com