В статье ставится задача рассмотреть проблему надежности приемо — передающих модулей РЛС и разработать устройство для контроля параметров РЛС. Данное устройство должно позволить увеличить наработку на отказ блоков РЛС.
Задача. Разработать информационный индикатор (ИИ) — устройство для контроля параметров сервисного оборудования бортовой радиолокационной станции «ЖУК» (БРЛС).
Надежность РЛС является важнейшим параметром, определяющим возможность полноценного выполнения полетного задания, поэтому целесообразно ранжировать её подсистемы по этому параметру. Одной из самых низконадежных подсистем является передатчик, приемник и синтезатор.
По техническим условиям на БРЛС ресурс станции равен 6000 часов. А наработка на отказ без использования ИИ равна 120 часов. [1]
Существует проблема выхода из строя блоков БРЛС из-за их перегрева, перегрева охлаждающей их жидкости и недостаточного расхода охлаждающей жидкости ОЖ. Всё это уменьшает надежность БРЛС и её ресурс. Поэтому целью разработки и использования ИИ является увеличение надежности БРЛС.
Разработка данного ИИ необходима и по той причине, что устройств, выполняющих аналогичные функции, очень мало, они узко специализированы и их возможности ограничены конкретными БРЛС. Помимо БРЛС «ЖУК», сервисное оборудование существует и для БРЛС «Копье», которое не имеет в своем составе подобных индикаторов, а для измерения расхода жидкости используется стеклянный ротаметр.
Наряду с большим многообразием областей применения измерительной аппаратуры и измерительных задач становится необходимым получение, формирование и организация потоков измерительной информации для обеспечения нормального функционирования сложных комплексов и систем. Все это обусловливает потребность в создании многофункциональных и многоканальных измерительных устройств, содержащих в своем составе элементы, обеспечивающие не только выполнение измерительных преобразований, но также обработку полученной измерительной информации и развитые средства ее наглядного и компактного (без потерь информации) представления. Такие устройства принято называть измерительными информационными системами (ИИС). Одной из такой ИИС является контрольно-измерительная система БРЛС (далее по тексту КИС), в состав которой входит ИИ.
ИИ обеспечивает защиту БРЛС и информирует о состоянии оборудования для проведения проверки и контроля БРЛС.
ИИ позволяет отслеживать значения важнейших параметров системы, таких как расход охлаждающей жидкости СЖО, разность давления на входе и выходе фильтра СЖО, разность давления на входе и выходе РЛС, температуру охлаждающей жидкости, наличие исправности электрощита ЭЩ КИС, сигналов «АВАРИЯ» и «+27 В ИСПР СЖО», а также выдачи сигнала «+27 В ИСПР СЖО» в блок питания БРЛС.
Входные параметры приведены в таблице 1.
Таблица 1
Входные параметры ИИ
|
№ № |
Входной параметр |
Примечание |
|
1 |
Сигналы «27 В», «200 В 400 Гц», «220 В 50 Гц» |
Наличие исправности ЭЩ |
|
2 |
Сигналы «27 В ИСПР СЖО», «АВАРИЯ» |
Разовые сигналы исправности, формируемые в ГЩ СЖО |
|
3 |
Сигналы «ГИДР СОПР ФИЛЬТР», «ГИДР СОПР РЛС», «Температура ОЖ», «Расход ОЖ» |
Значения сигналов после преобразования выводятся на индикаторы |
Лицевая панель ИИ представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Лицевая панель ИИ
На данной панели расположены все необходимые устройства для контроля параметров БРЛС. В верхней части лицевой панели находятся 3 светодиода, которые говорят о наличии сигналов «27 ИСПР СЖО», «200 В 400 Гц», «220 В 50 Гц». В нижней части располагается светодиод, оповещающий о сигнале «+27 В». Наличие этих 4-х сигналов говорит о правильной подачи питания на данное устройство. В правой части панели располагается светодиод, который говорит о наличии сигнала «27 В ИСПР СЖО». Одновременное свечение этих индикаторов говорит об исправности по обеспечению электропитанием КИС РЛС и исправной работе СЖО.
В левой части панели находится светодиод «АВАРИЯ», который загорается при возникающих неисправностях в системе, а именно при отсутствии одного из вышеуказанных сигналов, при повышенных показаниях температуры охлаждающей жидкости ОЖ, при отклонении значений гидросопротивлений на фильтре СЖО и на РЛС от нормальных. При загорании данного светодиода следует немедленно прекратить работу ИИСКП РЛС и принять необходимые меры по устранению неисправностей в системе.
В центре данного устройства расположен ИИ, который позволяет наблюдать изменения четырех параметров: гидросопротивления на фильтре СЖО и на БРЛС, температуры ОЖ и расход данной ОЖ. Чтобы увидеть одно из значений данных параметров на индикаторе, необходимо нажать на соответствующую кнопку, находящуюся ниже ИИ. Для того, чтобы узнать значение какого именно параметра высвечивается на индикаторе, чуть выше кнопок располагаются светодиоды с названиями измеряемых параметров. При нажатии любой из кнопок, загорается соответствующей ей светодиод с названием параметра, а его значение показывает ИИ. Если нужно посмотреть значение другого параметра, то сначала необходимо отжать ранее нажатую кнопку и затем нажать другую необходимую кнопку.
Входные сигналы от датчиков расхода ОЖ, давления и температуры — это аналоговые сигналы U=(0,5–5) В, а разовые сигналы исправности «+27 В ИСПР СЖО», «АВАРИЯ», исправность «200 В 400 Гц», «220 В 50 Гц» и «27 В» приходят равными U=27 В.
Необходимость формирования сигнала «ГИДР СОПР ФИЛЬТР» вынудило привлечь операционный усилитель для вычитания сигнала от датчика давления до фильтра сигнала от датчика после фильтра.
Необходимость формирования сигнала «ГИДР СОПР РЛС» вынудило привлечь операционный усилитель для вычитания сигнала от датчика давления до входа ОЖ в РЛС и сигнала от датчика давления с выхода из РЛС.
С помощью переключателей кнопочных, к микроконтроллеру подключается необходимый для измерения и индикации сигнал, измеряется и выводится на индикатор. При этом рядом с переключателями кнопочными должно зажигаться табло с надписью измеряемого сигнала.
Для обеспечения необходимыми источниками питания элементов схемы ИИ, использованы стабилизаторы.
Первые два сигнала приходят со входа и выхода фильтра СЖО. Данные сигналы имеют постоянное напряжение (0–5) В. Далее происходит их преобразование с помощью делителей и наибольший по напряжению сигнал поступает на второй операционный усилитель ОУ (А2), а наименьший сигнал на первый ОУ (А1), которые представлены на рисунке 2.
Один из недостатков разностного усилителя заключается в том, что его входные сопротивления имеют малую и неравную друг другу величину. Ограничиваясь одним ОУ, мы не сможем преодолеть этот недостаток.
Рис. 2. Измерительный усилитель с двумя операционными усилителями
Решение проблемы состоит в использовании измерительного усилителя с двумя ОУ (рисунок 2). Данный измерительный усилитель решает проблему выравнивания коэффициентов усиления инвертора напряжения и неинвертирующего усилителя. Однако здесь она решается не за счет ослабления неинвертируемого сигнала, а путем усиления инвертируемого сигнала в К раз, так что K(R2/R1)=(R2/R1)+1. Требуемый коэффициент усиления K=(R2/R1)+1 создается дополнительным неинвертирующим усилителем, выполненным на операционном усилителе A1. Результирующее операционное уравнение имеет вид
Uвых = (R2/R1+1)(U2 — U1) (1)
Полные входные сопротивления обоих входов имеют бесконечно большую величину.
После указанных преобразований сигнал с выхода измерительного усилителя проходит через делитель напряжения и поступает на вход переключателя.
Аналогично происходят преобразования двух сигналов, приходящих со входа и выхода изделия БРЛС. Отличие состоит только в делителях напряжения, так как приходят разные по величине сигналы.
Следующий сигнал «РАСХОД ОЖ» приходит из гидрощита ГЩ СЖО. В отличие от предыдущих преобразований, здесь постоянный по напряжению сигнал, проходя через делители напряжения, сразу поступает на вход переключателя. Также и происходит преобразование сигнала «ТЕМПЕРАТУРА ОЖ», только в данном случае используем другой делитель напряжения, так как величина последнего сигнала в несколько раз меньше.
В ГЩ также формируются сигналы «АВАРИЯ» и «+27 В ИСПР СЖО». Первый говорит о возникающих неполадках в СЖО и СК РЛС. Второй наоборот говорит о их исправности. За наличием данных сигналов можно наблюдать с помощью светодиодов VD1 и VD2, которые выведены на лицевую панель ИИ. [2]
Сигналы, поступающие на входы кнопочных переключателей SB1-SB4, при включении одного из них, поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера МК ATMEGA семейства AVR и также подается сигнал на светодиод, позволяющий определить, какой параметр измеряется с помощью ИИ.
Используемый в ИИ микроконтроллер МК ATMEGA семейства AVR необходимо запрограммировать для просмотра параметров на индикаторе.
Программирование выполняется на языке программирования С++. Программа проверяется с помощью компилятора WinAVR, который специально предназначен для работы с языком С++.
Сигналы с выходов микроконтроллера МК поступают на входы светодиодного индикатора.
В электрощите ЭЩ формируются сигналы «ИСПР 220 В 400 Гц», «27 В» и «ИСПР 220 В 50 Гц». Все три сигнала говорят об исправной подаче напряжения от ЭЩ на устройство ИИ. Наличие данных сигналов можно наблюдать с помощью светодиодов VD3, VD8, VD9 на лицевой панели устройства ИИ.
Питание микроконтроллера МК и ЖК индикатора обеспечивают два стабилизатора, включенные друг за другом в схеме.
Далее необходимо вычислить наработку на отказ блоков БРЛС с использованием ИИ и сравнить с наработкой на отказ, указанной в технических условиях на БРЛС.
Средняя наработка на отказ — это отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа отказов его в течение этой наработки.
, (2)
где t — суммарная наработка восстанавливаемого объекта;
М [n(t)] — математическое ожидание числа отказов объекта за суммарную наработку t.
Ресурс — это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. [3]
Зная суммарную наработку объекта t=6000 ч и среднюю наработку на отказ T0=120 ч, можем рассчитать математическое ожидание числа отказов:
.
В ходе работ с БРЛС «ЖУК» было отмечено, что своевременное выключение станции, не приводящее к перегреву блоков, уменьшает количество отказов БРЛС примерно в 2 раза.
Использование ИИ позволяет предотвратить возникновение перегрева приемо — передающего модуля РЛС, тем самым, увеличивая наработку на отказ БРЛС.
Используя формулу (2) можно посчитать наработку на отказ с использованием ИИ. Примем количество отказов M [n(t)] равное 25.
ч.
Из данного расчета можно построить график надежности БРЛС с использованием ИИ и без него. Данный график представлен на рисунке 3.
Рис. 3. График надежности БРЛС: 1 — График надежности БРЛС без использования ИИ; 2 — График надежности БРЛС с использованием ИИ
Данный график показывает увеличение наработки на отказ БРЛС с использованием ИИ в 2 раза. Это соответствует выше приведенным расчетам.
Вывод. В заключении можно сказать, что разработанный ИИ позволяет предотвращать появление аварийных ситуаций как для КИС БРЛС «ЖУК», так и для самих БРЛС «ЖУК», что уменьшает количество их отказов и позволяет увеличить наработку на отказ БРЛС примерно в 2 раза. Это главный фактор, который делает данный прибор полезным в эксплуатации.
Литература:
1. БРЛС «ЖУК». Технические условия. М., 2013.
2. Стендовый комплект БРЛС «ЖУК». Руководство по эксплуатации. Р., 2010;
3. Руководящий документ РД 26.260.004–91. Методические указания. М., 1991.
