Средства контроля и диагностики цифровых устройств

ВВЕДЕНИЕ

 В  последнее десятилетие широкое  распространение на сетях телекоммуникаций  получают цифровые системы, к  которым относятся:

- сетевые  элементы (системы передачи SDН, цифровые автоматические телефонные станции (АТС), системы передачи данных, серверы доступа, маршрутизаторы, терминальное оборудование и др.);

- системы  поддержки функционирования сети (управления сетью, контроль трафика  и др.);

- системы  поддержки бизнес-процессов и  автоматизированные системы расчетов (биллинговые системы).

Ввод  в техническую эксплуатацию цифровых систем ставит главной задачей обеспечение  их качественного функционирования [1-5].  Для построения современных  цифровых систем используется элементная база, основанная на применении больших  интегральных схем  (БИС), сверхбольших интегральных схем  (СБИС) и микропроцессорных  комплектов (МПК), которая позволяет  существенно повысить эффективность  систем – увеличить производительность и надежность, расширить функциональные возможности систем, уменьшить массу, габариты и потребляемую мощность. В то же время   переход к  широкому использованию  БИС, СБИС и  МПК в современных телекоммуникационных системах создал вместе с бесспорными  преимуществами и ряд серьезных  проблем в их эксплуатационном обслуживании, связанных в первую очередь с  процессами контроля и диагностики. Это связано с тем, что сложность  и количество находящихся в эксплуатации цифровых систем растет быстрее, чем  число квалифицированного обслуживающего персонала. Так как любая цифровая система имеет конечную надежность, то при возникновении в ней  отказов, возникает необходимость  быстрого обнаружения, поиска и  устранения неисправностей и восстановления заданных показателей надежности. Особенное значение имеет то обстоятельство, что традиционные методы технической диагностики требуют или наличия высококвалифицированного обслуживающего персонала или сложного диагностического обеспечения. Необходимо отметить, что с повышением общей надежности цифровых систем уменьшается количество отказов и вмешательство оператора для поиска и устранения неисправностей. С другой стороны, наряду с повышением надежности цифровых систем наблюдается тенденция к определенной потере обслуживающим персоналом навыков устранения неисправностей. Возникает известный парадокс, чем надежнее цифровая система, тем медленнее и менее точно отыскиваются неисправности, т.к. обслуживающий персонал с трудом накапливает опыт поиска и локализации неисправностей в цифровых системах повышенной сложности [1,5]. В целом до 70-80% времени восстановления отказавших систем составляет время технической диагностики, состоящее из времени поиска и локализации отказавших элементов. Однако как показывает эксплуатационная практика, сегодня инженеры не всегда готовы решать на требуемом уровне задачи технической эксплуатации цифровых систем.  Поэтому возрастание сложности цифровых систем и важность обеспечения их качественного функционирования требует организации ее технической эксплуатации на научных основах. В этой связи инженеры, связанные с технической эксплуатацией цифровых систем, должны не только знать, как работают системы, но также знать, как они не работают, как проявляется состояние неработоспособности [1,22].

Решающим  фактором, обеспечивающим высокую готовность цифровых систем, является наличие  средств диагностики, позволяющих  оперативно проводить поиск и  локализацию неисправностей. Для  этого необходимо, чтобы инженеры имели хорошую подготовку по предупреждению и распознаванию возникновения  неработоспособных состояний и  неисправностей, т.е. были знакомы с  целями, задачами, принципами, методами и средствами технической диагностики. Умели грамотно их выбирать, применять и эффективно использовать в эксплуатационных условиях. Настоящее учебное пособие по курсу "Техническая диагностика цифровых систем" призвано привлечь должное внимание к проблемам и задачам  технической диагностики при подготовке бакалавров и магистров по направлению телекоммуникаций. 

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ  ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ  И УСТРОЙСТВ

1.1.          Жизненный цикл цифровой системы

     Цифровые  устройства и системы, как и другие технические системы, создаются  для удовлетворения конкретных потребностей людей и общества. Объективно цифровой системе присущи иерархичность  структуры, связь с внешней средой, взаимосвязь элементов, из которых  состоят подсистемы, наличие управляющих  и исполнительных органов и т.п.

     При этом все изменения цифровой системы, начиная с момента ее создания (возникновения необходимости ее создания) и кончая полной утилизацией, образуют  жизненный цикл (ЖЦ), характеризуемый  рядом процессов и включающий различные стадии и этапы [22,26]. В  таблице 1.1 приведен типовой жизненный  цикл цифровой системы.

Жизненный цикл цифровой системы – это совокупность исследования, разработки, изготовления, обращения, эксплуатации и утилизации системы от начала исследования возможностей ее создания до окончания использования  по назначению.

Составляющими жизненного цикла являются:

- стадия  исследования и проектирования  цифровых систем, на которой осуществляются  исследования и отработка замысла,  формирование уровня качества, соответствующего  достижениям научно-технического  прогресса, разработка проектной и рабочей документации, изготовление и испытание опытного образца, разработка рабочей конструкторской документации;

- стадия  изготовления цифровых систем, включающая: технологическую подготовку производства; становление производства; подготовку  изделий к транспортировке и  хранению;

- стадия  обращения изделий, на которой   организуется    максимальное      сохранение качества готовой  продукции в период транспортировки  и хранения;

         - стадия   эксплуатации, на которой  реализуется,  поддерживается и  восстанавливается качество системы,  оно  включает: целевое использование,  в соответствии с назначением;  техническое   обслуживание;   ремонт и восстановление после  отказа.

     На  рис. 1.1 приведено типовое распределение  стадий и этапов жизненного цикла, цифровой системы. Мы будем рассматривать  задачи, возникающие на стадии жизненного цикла, связанном эксплуатацией  цифровых систем. Итак, эксплуатация системы  — стадия жизненного цикла, на которой  реализуется (функциональное использование), поддер­живается (техническое обслуживание) и восстанавливается (техническое обслуживание и ремонт) её качество.

Часть эксплуатации, включающая транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт, называют технической эксплуатацией.

                                                                                                                                                                             Таблица 1.1

Стадии  жизненного цикла цифровой системы 

 Поисковые  исследования 

Научно исследовательские работы (НИР) 

Опытно-конструкторские  разработки (ОКР) 

Промышленное  производство 

Эксплуатация

1. Постановка  научной проблемы

2. Анализ  публикаций по исследуемой проблеме

3. Теоретические  исследования и разработка научных  концепций (исследовательский   задел) 

1. Разработка  технического задания на НИР

2. Формализация  технической идеи

3. Исследование  рынка

4. Технико- экономическое  обоснование 

1. Разработка  технического   задания на ОКР

2.             Разработка эскизного проекта

3. Изготовление  макетов

4. Разработка  технического проекта

5. Создание  рабочего  проекта

6. Изготовление  опытных  образцов, их испытание

7. Корректировка   конструкторский документации (КД) по результатом

изготовления  и испытания опытных образцов

8. Техническая  подготовка,  производства 

1. Изготовление  и испытание  установочной  серии

2. Корректировка  конструкторский документации  (КД) по результатам

изготовления  и испытания установочной   серии

3.  Серийное  производство 

1. Приработка 

2. Нормальная эксплуатация 

3. Старение

4. Ремонт  или  утилизация

                                                                                                                                                                                      1.2.Основные задачи теории технической  эксплуатации цифровых систем

Классификация основных задач технической эксплуатации цифровых систем приведена на рис. 1.2 [1,5]. Теория технической эксплуатации систем рассматривает математические модели деградационных процессов в работе систем, старения и износа узлов, методы расчета и оценки надежного функционирования систем, теорию диагностирования и прогнозирования отказов и неисправностей в системах, теорию оптимальных профилактических мероприятий, теорию восстановления и методы увеличения технического ресурса систем и т. д. В связи с тем, что эти процессы в основном стохастические, с целью разработки их математической модели применяют аналитические методы теории случайных процессов и теории массового обслуживания. В настоящее время для этих же целей успешно применяются статистическая теория принятия решений и статистическая теория распознавания образов. 

Использование новых направлений математической теории случайных процессов в  разработке моделей процессов технической  эксплуатации систем позволяет значительно  расширить наши познания и успешно  управлять процессами для повышения  эффективности функционирования и  улучшения работоспособности достаточно сложных цифровых систем.

Поэтому на первом этапе исследования осуществляется решение следующих задач: оптимальное  управление эксплуатационными процессами, разработка оптимальных моделей  эксплуатации цифровых систем, составление  оптимальных планов организации  техобслуживания, выбор оптимальных  профилактических процедур, разработка методов эффективной технической  диагностики и прогнозирование  технического состояния систем.

Как  указано в [1,5], основная задача теории эксплуатации состоит в научном  прогнозировании состояний сложных  систем или технических устройств  и выработке с помощью специальных  моделей и математических методов  анализа и синтеза этих моделей  рекомендаций по организации их эксплуатации. Следует отметить, что при решении  основной задачи эксплуатации используется вероятностно-статистический подход к  прогнозированию и управлению состояниями  сложных систем и моделированию  эксплуатационных процессов. Поэтому  теория эксплуатации цифровых систем в данный период быстро формируется  и усиленно развивается.

Техническая эксплуатация цифровых систем сводится к оптимизации деятельности человеко-машинных систем и процедур управляющих воздействий  человека на функционирование систем. Поэтому режимы эксплуатации цифровых систем (рис. 1.2) можно различать в  зависимости от отношений человеко-машинной системы: предэксплуатационные режимы систем, эксплуатационные режимы систем, режимы технического обслуживания и режимы ремонта систем. Режимы различаются определенными этапами и фазами, типом процедур управляющих воздействий техперсонала на функционирование систем.

Режимы  эксплуатации зависят в основном от качества элементной базы систем, степени  использования микропроцессорной  техники в составе аппаратуры, комплекса контрольно-измерительной  аппаратуры, степени обучения техперсонала, а также других обстоятельств, связанных  с обеспечением запасными элементами систем. Кроме того, режимы эксплуатации обусловлены основными требованиями, предъявляемыми  цифровым системам:    верностью передачи информации, временем задержки в доставке информации, надежностью  доставки информации.

Эксплуатация  систем — это процесс их использования  по назначению при поддержании систем в технически исправном состоянии, который состоит из цепочки различных  последовательных и планомерных  мероприятий: техобслуживания, профилактики, контроля, ремонта и т. д.

Техобслуживание систем (рис. 1.2) характеризуют три  основных этапа: профилактическое обслуживание, контроль и оценка технического состояния, организация техобслуживания. Определить степень влияния отдельных этапов техобслуживания на надежность систем весьма затруднительно, но известно, что  они оказывают существенное влияние  на качество и надежность функционирования систем.

Контроль  и оценка технического состояния  систем производится контролем за качеством функционирования узлов систем, методами технической диагностики отказов и неисправностей, а также реализацией алгоритмов прогнозирования отказов в системах.

1.3.Общие  принципы построения системы  технической эксплуатации

Общая задача системы технической эксплуатации (СТЭ) состоит в обеспечении бесперебойного функционирования цифровых систем, поэтому  основным направлением развития СТЭ  является автоматизация важнейших  технологических процессов эксплуатации [8]. Функциональной задачей технической эксплуатации является выработка управляющих воздействий, компенсирующих влияние внешней и внутренней сред с целью поддержания заданного технического состояния цифровых систем. Эта общая функция делится на две: общую эксплуатацию — управление состоянием внешней среды и техническую эксплуатацию — управление состоянием внутренней среды. При этом управление состоянием внутренней среды заключается в управлении ее техническим состоянием.  

Рис. 1.3. Структурная схема автоматизированной системы технической эксплуатации: ПНРМ — подсистема пусконаладочных  и ремонтных работ; СТХ — подсистема снабжения, транспортирования и  хранения; СОИСТЭ — подсистема сбора  и обработки информации СТЭ; ТТД  — подсистема тестового технического диагностирования; ЭОСТЭ — подсистема эргономического обеспечения СТЭ; УСТЭ — подсистема управления СТЭ.

АСТЭ  состоит из двух подсистем: подсистемы технической эксплуатации при подготовке и использовании цифровых систем (ТЭПИ) и подсистемы технической  эксплуатации при использовании  цифровых систем по назначению (ТЭИН). Каждая из этих подсистем содержит ряд элементов, основные из которых показаны на рис. 1.3. Более подробно функции подсистем приведены в табл. 1.2.

Таблица   1.2 

Подсистема   Основные функции  ПНРМ 

Организация пусконаладочных работ вновь  вводимых цифровых систем, а также  текущего,  среднего и  

капитального ремонтов 

СТХ 

Размещение  и пополнение ЗИП, баз снабжения  и заводов изготовителей ЗИП, транспортирование и хранение ЗИП 

СОИСТЭ 

Планирование   использования  цифровых систем   и   ведение   эксплуатационной документации, сбор и обработка эксплуатационных данных, разработка рекомендаций по совершенствованию  СТЭ 

ТТД 

Определение технического состояния, обнаружение  дефекта с заданной глубиной, взаимодействие с подсистемой функционального  технического диагностирования (ФТД) 

ЭОСТЭ 

Выполнение  части функций ТТД, требующих  участия человека, обеспечение двухсторонней  связи в системе «человек —  машина», участие в проведении текущего ремонта, выполняемого без прекращения  функционирования 

УСТЭ 

Определение очередности выполнения задач ТТД, ЭОСТЭ для конкретных условий, управление процессом восстановления, обработка  результатов выполнения задач ТТД  и ЭОСТЭ, организация взаимодействия с другими элементами цифровых систем 
 

Наличие СТЭ позволяет значительно уменьшить  время обнаружения неисправностей в цифровых системах и на основе контрольной информации о состоянии  систем предупреждать появление  простоев в ее работе. С этой целью  организуются центры технической эксплуатации цифровых систем, которые осуществляют функции, указанные на рис. 1.4. 

В современных  цифровых системах распространен статистический метод обслуживания, который заключается  в том, что ремонтно-восстановительные  работы начинаются после того, как  качество функционирования достигло критического значения. Если при контроле за состоянием элементов систем появляются признаки снижения качества функционирования, то они отключаются от сети для восстановления работоспособности. 

Контроль  функционирования цифровых систем осуществляется по совокупности параметров, характеризующих  их работоспособность.  

Контроль  функционирования цифровых систем осуществляется по следующим характеристикам; верности передачи сообщений; времени передачи сообщений; вероятности своевременной  доставки сообщений; среднему времени  доставки сообщений и др. Общая  схема функционального контроля показана на рис.1.5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1.4. Основные функции центра технической  эксплуатации 
 

Рис.1.5. Алгоритм системы функциональной диагностики  цифровой системы 
 

2. ОСНОВЫ  КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ  ЦИФРОВЫХ  СИСТЕМ 

2.1. Основные  понятия и определения 

         Одним из наиболее эффективных  способов улучшения эксплуатационно-технических  характеристик цифровых систем, занявших доминирующее положение в современных телекоммуникационных системах является использование при их эксплуатации методов и средств контроля и технической диагностики. 

Техническая диагностика представляет собой  область знаний, позволяющая с заданной достоверностью разделять неисправное и исправное состояния систем и цель ее состоит в локализации неисправностей и в восстановлении исправного состояния системы. С точки зрения системного подхода средства контроля и технической диагностики целесообразно рассматривать как составную часть подсистемы технического обслуживания и ремонта, т.е системы технической эксплуатации[11,13,37]. 

Рассмотрим  основные понятия и определения, применяемые для описания и характеристики методов контроля и диагностики [11,13,37].  

Техническое обслуживание - это комплекс работ (операций) для поддержания системы в  исправном или работоспособном  состоянии. 

Ремонт - комплекс операций по восстановлению работоспособности и восстановлению ресурсов системы или ее составных  частей. 

Ремонтопригодность - свойство системы, заключающееся в  приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения ее отказов и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. 

В зависимости  от сложности и объема работ, характера  неисправностей предусматриваются  два вида ремонта цифровых систем: 

- неплановый  текущий ремонт системы; 

- неплановый  средний ремонт системы. 

Текущий ремонт - ремонт, выполняемый для  обеспечения или восстановления работоспособности системы и  состоящий в замене или восстановлении ее отдельных частей. 

Средний ремонт - ремонт, выполняемый для  восстановления исправности и частичного восстановления ресурса с заменой  или восстановлением составных  частей ограниченной номенклатуры и  контролем технического состояния  составных частей, выполняемом в  объеме, установленном нормативно-технической  документацией. 

Одним из важных понятий в технической  диагностике является 

техническое состояние объекта. 

Техническое состояние - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент признаками, установленными нормативно-технической  документацией. 

Контроль  технического состояния - определение  вида технического состояния. 

Вид технического состояния - совокупность технических  состояний, удовлетворяющих (или неудовлетворяющих) требованиям, определяющим исправность, работоспособность или правильность функционирования объекта.  

         Различают следующие виды состояния  объекта: 

- исправное  или неисправное состояние, 

- работоспособное  или неработоспособное состояния, 

- полное  или частичное функционирование. 

Исправное - техническое состояние, при котором  объект соответствует всем установленным  требованиям. 

Неисправное - техническое состояние, при котором  объект не соответствует хотя бы одному из установленных требований нормативных  характеристик. 

Работоспособное - техническое состояние, при котором  объект способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в установленных пределах. 

Неработоспособное - техническое состояние, при котором  значение хотя бы одного заданного  параметра, характеризующего способность  объекта выполнять заданные функции, несоответствует установленным требованиям. 

Правильное  функционирование - техническое состояние, при котором объект выполняет  все те регламентированные функции, которые требуются в текущий  момент времени,  сохраняя значения заданных параметров их выполнения в  установленных пределах. 

Неправильное  функционирование - техническое состояние, при котором объект не выполняет  части регламентированных функций, требуемых в текущий момент времени  или не сохраняет значения заданных параметров их выполнения в установленных  пределах. 

Из определений  технических состояний объекта  следует, что в состоянии исправности  объект всегда работоспособен, в состоянии  работоспособности правильно функционирует  во всех режимах, а в состоянии  неправильное функционирование-неработоспособен и неисправен. Правильно функционирующий объект может быть неработоспособным, а значит, неисправным. Работоспособный объект может быть также неисправным. 

Рассмотрим  некоторые определения, связанные  с понятием контролепригодности и техническим диагностированием. 

Контролепригодность - свойство объекта, характеризующее его приспособленность к проведению контроля заданными средствами. 

Показатель  контролепригодности - количественная характеристика контролепригодности. 

Уровень контролепригодности - относительная характеристика контролепригодности, основанная на сравнении совокупности показателей контролепригодности оцениваемого объекта с соответствующей совокупностью базовых показателей. 

Техническое диагностирование - процесс определения  технического состояния объекта  с определенной точностью. 

Поиск дефекта - диагностирование, целью которого является определение места и, при  необходимости, причины и вида дефекта. 

Тест  диагностирования - одно или несколько  тестовых воздействий и последовательность их выполнения, обеспечивающие диагностирование. 

Проверяющий тест - тест диагностирования для проверки исправности или работоспособности  объекта.