PODSTAWY EKSPLOATACJI SYSTEMÓW

Transkrypt

1 Tadeusz DĄBROWSKI Jacek PAŚ Wiktor OLCHOWIK Adam ROSIŃSKI Michał WIŚNIOS PODSTAWY EKSPLOATACJI SYSTEMÓW LABORATORIUM Warszawa 204

2 Opiniodawcy. Prof. dr hab. inż. Janusz Dyduch Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny 2. Dr hab. inż. Dariusz Laskowski Wojskowa Akademia Techniczna Opracowanie zbiorowe pod redakcją dr. hab. inż. Tadeusza Dąbrowskiego Autorzy: dr hab. inż. Tadeusz DĄBROWSKI dr inż. Jacek PAŚ dr inż. Wiktor OLCHOWIK dr inż. Adam ROSIŃSKI mgr inż. Michał WIŚNIOS WAT WEL ISE WAT WEL ISE WAT WEL ISE oraz WSTI WAT WEL ISE oraz PW WT WAT WEL ISE Copyright by Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej Warszawa 204 ISBN Publikacja zakwalifikowana do druku bez poprawek edytorskich Redakcji Wydawnictw WAT Projekt okładki: Barbara Chruszczyk Skład komputerowy: mgr inż. Michał Wiśnios Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna Druk: P.P.H. Remigraf Sp. z o.o., ul. Dżwigowa 6, Warszawa

3 Autorzy dziękują Panu mgr. inż. Józefowi Stęgowskiemu za zgodę na wykorzystanie w niniejszym podręczniku znaczących fragmentów opracowanych przez Niego roboczych wersji instrukcji do następujących ćwiczeń: nr 2, nr 8 i nr 9. Pamięci naszego Nauczyciela i Przyjaciela prof. dr. hab. inż. Lesława Będkowskiego podręcznik niniejszy dedykujemy Autorzy

4

5 Spis treści WSTĘP... 9 Ćwiczenie. BADANIE WYBRANYCH PROCEDUR I STRATEGII EKSPLOATACYJNYCH..... Podstawy teoretyczne i założenia Zadanie laboratoryjne Zadanie dla strategii Zadanie dla strategii Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 2. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI UKŁADU PRZECIWDESTRUKCYJNEGO Podstawy teoretyczne i założenia Zakłócenia w sieci przemysłowej Wskaźniki jakości przemiennego napięcia zasilającego Listwa zasilająca Opis stanowiska laboratoryjnego Układ do badania właściwości filtrujących listwy zasilającej Układ do pomiaru charakterystyk czasowo prądowych bezpieczników topikowych Zadanie laboratoryjne Pomiar charakterystyk filtracyjnych listwy zasilającej Pomiar charakterystyki bezpieczników topikowych Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne... 4 Ćwiczenie 3. BADANIE SYSTEMU POMIAROWO DIAGNOSTYCZNEGO W ASPEKCIE NIEPEWNOŚCI DIAGNOZY Podstawy teoretyczne i założenia Opis stanowiska laboratoryjnego Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 4. WYZNACZANIE OPTYMALIZOWANYCH PROCEDUR DIAGNOSTYCZNO OBSŁUGOWYCH Podstawy teoretyczne i założenia Opis stanowiska laboratoryjnego Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne... 58

6 Ćwiczenie 5. BADANIE WYBRANYCH STRUKTUR NIEZAWODNOŚCIOWYCH Podstawy teoretyczne i założenia Opis stanowiska laboratoryjnego Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 6. KOMPUTEROWY SYSTEM WSPOMAGAJĄCY PROCESY DIAGNOSTYCZNO OBSŁUGOWE Podstawy teoretyczne i założenia Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Korepetytor Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Instruktor Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Symulator Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Dokumentator Opis stanowiska laboratoryjnego Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 7. BADANIE NIEZAWODNOŚCI DIAGNOZ Podstawy teoretyczne i założenia Wnioskowanie diagnostyczne przy niepewnych syndromach Opis stanowiska laboratoryjnego Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 8. DIAGNOZOWANIE UKŁADU SYGNALIZACJI WŁAMANIA Podstawy teoretyczne i założenia Systemy bezpieczeństwa Diagnozowanie systemu bezpieczeństwa Opis stanowiska do badań układu sygnalizacji włamania Badania funkcjonalne układu sygnalizacji włamania Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, wyników sprawdzeń i diagnoz Metoda diagnozowania z wykorzystaniem woltomierza Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne... 0

7 Ćwiczenie 9. DIAGNOZOWANIE UKŁADU SYGNALIZACJI POŻARU Podstawy teoretyczne i założenia Opis stanowiska do badań układu sygnalizacji pożaru Charakterystyka układu laboratoryjnego Charakterystyka sygnałów w układzie laboratoryjnym Zestaw symulowanych uszkodzeń układu sygnalizacji pożaru Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego do ćwiczenia Pomiar rzeczywistych wartości parametrów impulsów wyjściowych czujek Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, wyników sprawdzeń i diagnoz Przykłady stanów eksploatacyjno-diagnostycznych Metoda diagnozowania układu sygnalizacji pożaru Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie 0. OPTYMALIZACJA STRUKTURY CZUJKI TEMPERATURY W ASPEKCIE NIEZWODNOŚCI Podstawy teoretyczne i założenia Półprzewodnikowe czujniki temperatury Niezawodność czujek temperatury Przykład rozwiązania mikroprocesorowej czujki dymu i temperatury Zadanie laboratoryjne Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Ćwiczenie. OPTYMALIZACJA NIEZAWODNOŚCIOWA STRUKTURY ELEKTRONICZNEGO SYSTEMU BEZPIECZEŃSTWA Podstawy teoretyczne i założenia Analiza niezawodnościowo-eksploatacyjna elektronicznych systemów bezpieczeństwa Opis programu,,wspomaganie Decyzji Niezawodnościowo-Eksploatacyjnych Transportowych Systemów Nadzoru (WDEK) Uwagi końcowe Zagadnienia kontrolne Objaśnienie stosowanych pojęć LITERATURA... 67

8

9 WSTĘP Truizmem jest stwierdzenie, że procesy diagnozowania są nieodłącznym atrybutem realnej aktywności człowieka. Niezależnie od tego czy jesteśmy tego w pełni świadomi czy też nie, realizujemy nieustannie elementy procesu diagnozowania bo przecież nieustannie pozyskujemy i przetwarzamy informację o otaczającym nas świecie. W konsekwencji na podstawie tej informacji podejmujemy mniej lub bardziej racjonalne decyzje i działania eksploatacyjne: użytkowe lub obsługowe. Świadomi tych faktów wyrażamy przekonanie, że inżynierowie nie mogą efektywnie wykonywać stojących przed nimi zadań bez przynajmniej podstawowej wiedzy o zasadach eksploatacji obowiązujących w systemach antropotechnicznych. Niniejszy podręcznik przybliża i upraktycznia niektóre z omawianych na wykładach zagadnień. Autorzy

10

11 ĆWICZENIE BADANIE WYBRANYCH PROCEDUR I STRATEGII EKSPLOATACYJNYCH Cel ćwiczenia: - ilustracja zagadnień związanych z zarządzaniem eksploatacją; - ilustracja zależności między diagnostyką i niezawodnością a efektem procesu eksploatacji. Przedmiot ćwiczenia: - model systemu eksploatacji o założonych właściwościach; - modele procesów eksploatacyjnych. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: - komputerowe programy wyliczające efekty zastosowanych procedur i strategii eksploatacyjnych: Podeks2.pas, Podeks22.pas... Podstawy teoretyczne i założenia Rozpatrzmy prosty model pewnego kanału transmisji danych, w którym rozróżniamy cztery moduły. Kanał ten jako obiekt eksploatacji ma szeregową strukturę niezawodnościową (Rys..). Rys... Model obiektu eksploatacji Wyobraźmy sobie dalej, że użytkownik tego obiektu jest przedsiębiorcą, podejmującym się realizacji zadań polegających na przesyłaniu pewnych grup danych (zbiorów informacji). Klient zamawiający płaci przedsiębiorcy za zrealizowanie zadania ustaloną kwotę, ale tylko wtedy, gdy zadanie zostanie w pełni wykonane w ustalonym czasie. Rzecz jasna użytkownikowi-przedsiębiorcy zależy na tym, aby zamówione zadanie zrealizować z zyskiem. Mogą występować różne sytuacje eksploatacyjne. Zarządzanie eksploatacją może polegać na wyborze takiej strategii i procedury działania, aby w określonej sytuacji maksymalizować zysk.

12 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rozpatrzmy wybrane strategie i procedury oraz porównajmy je ze względu na zyski, które może osiągnąć użytkownik. Zbadamy tu dwie strategie i trzy procedury dla każdej strategii. STRATEGIA. Strategia ta dotyczy takiej sytuacji eksploatacyjnej, w której przewiduje się użycie obiektu do zrealizowania tylko jednego zadania. Oznacza to, że przedsiębiorca kalkulując zysk nie bierze pod uwagę napływu następnych, podobnych zamówień. Przedsiębiorca powinien więc zastanowić się jaki zysk może mu przynieść zamówione zadanie przyjęte do jednorazowej realizacji i z jakim prawdopodobieństwem. Można to interpretować nieco szerzej następująco: przedsiębiorca otrzyma dochód W i poniesie koszty N jeśli wykona zadanie; przedsiębiorca nie otrzyma żadnego dochodu, ale poniesie koszty N jeśli nie wykona zadania; prawdopodobieństwo tego, że zadanie zostanie wykonane powinno być niemniejsze niż pewna wartość R min ; prawdopodobieństwo tego, że zadanie nie zostanie wykonane powinno być niewiększe niż pewna wartość -R min. Decydent użytku powinien zastanowić się: jakie zadania są opłacalne w istniejącej sytuacji eksploatacyjnej? jakie zadanie jest najbardziej opłacalne? Zauważmy, że w tym przypadku należy brać pod uwagę następujące wielkości opisujące sytuację eksploatacyjną: wymagany (tj. zamówiony) efekt E WYM i (np. ilość danych, które należy przesłać); wymagany czas realizacji zadania T WYM i ; wartość ekonomiczną efektu (opłata za wykonanie zadania); szybkość transmisji; nakłady, czyli poniesione koszty własne; prawdopodobieństwo tego, że wykonane zostanie zadanie o wymaganej objętości i w wymaganym czasie. Model eksploatacyjny obiektu Model ten opiszmy przy pomocy pewnych, prostych wyrażeń matematycznych. Występujące w nich wielkości są opatrzone dodatkowo indeksem i, ponieważ mogą przyjmować różne wartości dla różnych procedur, opisanych dalej. ) Obiekt podlega jedynie uszkodzeniom losowym (tj. nagłym). Intensywność uszkodzeń wzrasta ze wzrostem czasu realizacji zadania. Nieuszkadzalność obiektu w tym przypadku przedstawia wyrażenie T R i T Roiexp λi t dt (.) 0 gdzie: i (t) funkcja intensywności uszkodzeń, tu: wzrastająca z czasem realizacji zadania, zaczynając od wartości początkowej 0 i; 2

13 Badanie wybranych procedur i strategii eksploatacyjnych R oi prawdopodobieństwo zdatności obiektu w chwili rozpoczynania realizacji zadania (prawdopodobieństwo początkowe). 2) W przedziale czasowym [0,T] zostaje wytworzony pewien efekt E i działania obiektu. Efekt ten jest funkcją długości przedziału. Jeśli przyjmiemy, że wytwarzanie efektu zaczyna się w chwili 0 to długość przedziału [0,T] wyznacza końcowa chwila T. Zatem efekt wytworzony w przedziale [0,T] można dla uproszczenia zapisywać w postaci E i (T). Przyjmijmy, że prędkość wytwarzania efektu (tu: prędkość transmisji) jest stała i znana. Można więc założyć, że jeśli obiekt utrzymuje zdatność, to efekt E i (T) rośnie proporcjonalnie do czasu realizacji zadania. Zatem: EiT k EiT (.2) gdzie: k Ei ilość efektu wytworzona (tu: liczba przesłanych danych) w jednostce czasu. Wytworzony efekt ma pewną wartość ekonomiczną W(E i ) (zapłata za przesłane dane). Można więc dalej założyć, że wartość ekonomiczna W(E i ) jest proporcjonalna do czasu zrealizowania zadania, czyli: jeśli EiT E WYM i to Wi T kw ieit kwikeit (.3) Jeśli zamówiony efekt w wymaganym czasie nie zostanie wykonany to klient nic nie zapłaci, czyli: jeśli EiT E WYM i to Wi T 0* EiT 0 (.4) gdzie: k Wi wartość ekonomiczna jednostki efektu, ustalona dla przyjętych założeń (tutaj ma postać współczynnika proporcjonalności). 3) Wytwarzanie efektu wymaga ponoszenia pewnych nakładów. Przyjmijmy, że wartość nakładów rośnie proporcjonalnie do czasu realizacji zadania oraz, że potrzebny jest pewien nakład wstępny. Zatem: N i T N 0i k Ni T (.5) gdzie: N 0i 0 nakład wstępny (koszt własny przedsiębiorcy), związany z rozruchem obiektu; w naszym przypadku przyjmijmy, że jest to koszt diagnozowania wstępnego (tj. diagnozowania przed rozpoczęciem zadania); k Ni 0 wartość nakładu ponoszonego w jednostce czasu (tu: współczynnik proporcjonalności). 4) Przyjmijmy najprostszy model ekonomiczny użytkowania obiektu. Zysk ze zrealizowania zadania jest różnicą wartości ekonomicznej uzyskanego efektu i wartości bezwzględnej poniesionych nakładów, czyli: pamiętajmy przy tym, że N i (T) 0. Z i T W T N T (.6) i 3 i

14 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 5) Przypomnijmy, że każde zadanie polega na przesłaniu określonej liczby danych. Jeśli w trakcie realizacji zadania obiekt przejdzie w stan niezdatności, to transmisja zostanie przerwana i odbiorca nie otrzyma wszystkich danych. W takim przypadku zamawiający odmawia zapłaty, czyli wartość efektu staje się równa zeru (rozpatrujemy tu tzw. proces użytkowania bez akumulacji efektu). Zarazem nakłady poniesione do chwili uszkodzenia nie zostają zwrócone. Zysk przyjmie więc wartość ujemną, równą wartości poniesionych nakładów, czyli: t U T Z T NiT, NiT 0 (.7) gdzie: t U czas do chwili uszkodzenia obiektu. i Rozpatrzmy teraz trzy procedury eksploatacyjne, które mogą być realizowane w ramach strategii. Procedura Początkowy stan obiektu nie jest dokładnie znany. Niepewność użytkownika można wyrazić przez wstępne prawdopodobieństwo zdatności obiektu, przyjmijmy tu: R (.8) 0 W procedurze przystępujemy do realizacji zadania bez wstępnego diagnozowania mimo niepewnego stanu obiektu. Zatem nakład wstępny ma wartość zerową. Znane są wartości: k N 0 (.9) 0 E, kw, kn, λ t, R0, N0, Rmin i Pozostałe właściwości obiektu opisują wyrażenia (..7), przy czym przyjmujemy i =. Procedura 2 Początkowy stan obiektu nie jest dokładnie znany. W procedurze 2 obiekt zostaje poddany wstępnemu diagnozowaniu. Procedura diagnozowania jest idealna i wobec tego możemy przyjąć, że dla obiektu diagnozowanego i dopuszczonego do użycia: R (.0) 02 Diagnozowanie wstępne wymaga poniesienia pewnego nakładu (kosztu), więc: Znane są wartości: k N 02 0 (.) E 2, kw2, kn2, λ2 t, R02, N02, Rmin 2 Pozostałe właściwości obiektu opisują wyrażenia (..7), przy czym przyjmujemy i = 2. 4

15 Badanie wybranych procedur i strategii eksploatacyjnych Procedura 3 Obiekt wyposażony jest w elementy rezerwowe jak na Rys..2. W rozpatrywanym przykładzie rezerwowane są tylko elementy e 2, e 3, e 4. Ponadto obiekt wyposażony jest w system dozorująco-terapeutyczny (na Rys..2 nie pokazany). Układ dozorująco-terapeutyczny działa w ten sposób, że: wykrywa niezdatność dozorowanych elementów e 2, e 3, e 4 (lub zastępujących je odpowiednich elementów rezerwowych funkcja dozorowania); zastępuje elementy niezdatne rezerwowymi elementami zdatnymi (funkcja terapeutyczna); rejestruje informacje o stanie elementów dozorowanych i rezerwowych (funkcja diagnostyczna); informacje te są wykorzystywane przed następnym użyciem obiektu. Dzięki temu w procedurze 3: przed rozpoczęciem realizowania zadania wiemy, które elementy w obszarze dozorowanym są (ewentualnie) niezdatne. Zatem nawet bez diagnozowania wstępnego elementy te mogą być naprawione. Obniża to koszt diagnozowania wstępnego. nie jest znany stan elementu niedozorowanego e, który wymaga diagnozowania wstępnego. Oczywiście na podstawie informacji otrzymanej od układu dozorującoterapeutycznego oraz na podstawie diagnozy wstępnej mamy prawo przyjąć, że: R 03 (.2) W tym przypadku zakres diagnozowania może być mniejszy niż w procedurze 2 (diagnozujemy wstępnie tylko element e ), stąd koszt diagnozowania wstępnego jest mniejszy, zatem: N 03 N 02 (.3) Nakłady bieżące są większe, ponieważ pojawiają się dodatkowe koszty funkcjonowania systemu dozorująco-terapeutycznego. Wyraża się to większą prędkością przyrostu nakładów, czyli większą wartością bezwzględną współczynnika k N3 : k N3 k N2 (.4) Zmniejsza się wstępna intensywność uszkodzeń uniemożliwiających zrealizowanie zadania (przy dostatecznej liczbie elementów rezerwowanych można przyjąć, że uszkodzenie wszystkich elementów rezerwujących element e 2 oraz odpowiednio e 3 i e 4 jest praktycznie niemożliwe), zatem: Znane są wartości: k T T R 03 R (.5) 02 E 3, kw3, k N3, λ3 t, R03, N03, R min 3 Pozostałe właściwości obiektu opisują wyrażenia (..7), przy czym przyjmujemy i = 3. 5

16 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium e 23 e 33 e 43 e 22 e 32 e 42 e 2 e 3 e 4 e e 2 e 3 e 4 Rys..2. Przykład obiektu o szeregowo-przekaźnikowej strukturze niezawodnościowej; e 2..., e 3..., e 4... elementy rezerwowe STRATEGIA 2. Strategia ta dotyczy takiej sytuacji eksploatacyjnej, w której przedsiębiorca przewiduje użycie tego samego obiektu do zrealizowania wielu takich samych zadań (lub użycie wielu obiektów tego samego typu do zrealizowania takich samych zadań). Oznacza to, że przedsiębiorca kalkulując zysk bierze pod uwagę równoczesną realizację wielu takich samych zadań lub może oczekiwać, że otrzyma następne, podobne zamówienia. Może więc swoje obliczenia opierać na sumarycznym zysku z realizacji grupy zadań, licząc się z tym, że niektóre realizacje przyniosą mu zyski, niektóre straty. Przedsiębiorca otrzyma dochód W i poniesie koszty N jeśli wykona zadanie oraz nie otrzyma żadnego dochodu, ale poniesie koszty N jeśli nie wykona zadania. Może więc sumę zysków podzielić przez liczbę zadań przyjętych do realizacji i otrzymać zysk przypadający średnio na jedną realizację. Zatem przy podejmowaniu decyzji przed serią realizacji przedsiębiorca powinien kierować się wartością oczekiwaną zysku Z T z realizacji zadania. Inaczej wygląda to od strony klienta. Przyjmijmy w tej strategii, że klient płaci tylko za zrealizowanie konkretnego, pojedynczego zadania, bez względu na to czy będzie zamawiał następne. Przedsiębiorca powinien postawić sobie pytanie: jakie zadanie jest dla niego statystycznie opłacalne? ewentualnie jeszcze: jakie zadanie jest najbardziej opłacalne? W tym przypadku (podobnie jak dla strategii ) należy brać pod uwagę następujące wielkości opisujące sytuację eksploatacyjną: wymagany (zamówiony) efekt (np. ilość danych, które należy przesłać); wymagany czas realizacji zadania; wartość ekonomiczną efektu (opłata za wykonanie zadania); szybkość wytwarzania efektu (np. szybkość transmisji); nakłady, czyli poniesione koszty własne; prawdopodobieństwo tego, że wykonane zostanie zadanie o wymaganej objętości i w wymaganym czasie; oraz 6

17 Badanie wybranych procedur i strategii eksploatacyjnych wartość oczekiwaną zysku. Zauważmy, że: w przedziale [0,T], zysk Z i jako zmienna losowa może przyjąć jedną z dwu realizacji: z i T W T N T z prawdopodobieństwem R i (T) utrzymania zdatności do końca realizacji zadania; z i2 T i 0 N z prawdopodobieństwem R i (T) utraty zdatności przed końcem realizacji zadania. i i T Zatem zgodnie z zasadą wyznaczania wartości oczekiwanej, otrzymujemy: Z i T R i T z i T R i T z i 2 T R T W T N T R T 0 N T i i i i R TW T N T i i i i (.6) Oczywiście pamiętamy, że: N i (T) 0. Uwaga: W ćwiczeniu laboratoryjnym przyjmujemy, że model obiektu oraz trzy procedury eksploatacyjne - możliwe do zastosowania przy strategii 2 - są takie same jak dla strategii..2. Zadanie laboratoryjne.2.. Zadanie dla strategii a) Znaleźć dla każdej procedury taki przedział czasowy T, T min i max i, że dla każdego zadania o czasie realizacji T ZAD należącym do tego przedziału, otrzymany zysk jest niemniejszy od zera i prawdopodobieństwo realizacji zadania jest niemniejsze od R min i. Przedział ten jest przedziałem dysponowanych czasów realizacji zadań, spełniających warunki opłacalności dla strategii : dys i Przy tym długość tego przedziału: mini maxi T T, T (.7) dt dys i T T (.8) max i min i b) Wyznaczyć maksymalny zysk (największą wartość w przedziale zysków dysponowanych): c) Wyliczyć wartości efektów: Z max i = Z(T max i ) E(T min i ) = k E i T min i ; E(T max i ) = k E i T max i ; (.9) oraz wyznaczyć dysponowany przedział efektów, spełniających warunki opłacalności: 7

18 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium E E T, ET dys i min i max i (.20) długość tego przedziału wynosi: de dys i ET E T (.2) max i min i d) Wyznaczyć maksymalny efekt w przedziale efektów dysponowanych: max i max i E E T (.22) Decydent użytku powinien uwzględnić wymagania sformułowane przez zamawiającego, czyli: wymagany efekt E WYM i ; wymagany czas realizacji zadania T WYM i. Opłacalne i realizowalne jest takie zadanie E i, które spełnia warunki: E WYM i : E WYM i Edys i T WYM i TdysE WYM i gdzie: dys E WYM i (.23) T dysponowany czas, w ciągu którego można uzyskać efekt E WYM i. W obliczeniach symulacyjnych należy przyjąć wartości zmiennych podane w tabeli.. Tabela.. i i 0,000 0,000 0,00003 R 0 i 0,96 R min i 0,95 0,95 0,95 N 0 i k λ i,5,5 k E i k W i k N i 0,5 0,5 0,7 E WYM i T WYM e) Dla procedury -ej, 2-giej i 3-ej wyznaczyć (z wykresów prezentujących wyniki obliczeń symulacyjnych (program Podeks2)): długości przedziałów: dt dys-, dt dys-2, dt dys-3; długości przedziałów: de dys-, de dys-2, de dys-3 ; wartości maksymalne efektu: E max-, E max-2, E max-3 ; wartości maksymalne zysku: Z max-, Z max-2, Z max-3 ; wartości nakładów: N(T min - ), N(T min -2 ), N(T min -3 ) oraz N(T max - ), N(T max -2 ), N(T max -3 ) i na podstawie tych danych obliczyć wartości współczynników ułatwiających porównanie właściwości stosowanych procedur: 8

19 Badanie wybranych procedur i strategii eksploatacyjnych η dt dys2 T2/ ; dtdys η T3/2 dt dys3 ; dt dys2 η dt dys3 T3/ ; dtdys η de dys2 E2/ ; de dys η E3/2 de dys3 ; de dys2 η de dys3 E3/ ; dedys E max2 Ee2 / ; E max Z max2 Ze2 / ; Zmax E max3 Ee3/ 2 ; E max2 Z max3 Ze3/ 2 ; Zmax 2 η E max3 Ee3/ ; E max Z max3 Ze3/ ; Zmax Wyniki umieścić w tabelach.2.,.3. Zestawienie parametrów charakteryzujących badane procedury eksploatacyjne. Tabela.2. Proc. T min - T max - dt dys - Z min - Z max - E min - E max - de dys - N min - N max - Proc.2 T min -2 T max -2 dt dys -2 Z min -2 Z max -2 E min -2 E max -2 de dys -2 N min -2 N max -2 Proc.3 T min -3 T max -3 dt dys -3 Z min -3 Z max -3 E min -3 E max -3 de dys -3 N min -3 N max -3 Porównanie wskaźników charakteryzujących badane procedury eksploatacyjne. Tabela.3. Proc.2/Proc. Proc.3/Proc.2 Proc.3/Proc. η T2/ η T3/2 η T3/ η E2/ η E3/2 η E3/ η Ee2/ η Ee3/2 η Ee3/ η Ze2/ η Ze3/2 η Ze3/.2.2. Zadanie dla strategii 2 a) Znaleźć dla każdej procedury taki przedział czasowy [T min i,t max i ], że dla każdego zadania o czasie realizacji T ZAD należącym do tego przedziału, wartość oczekiwana zysku jest niemniejsza od zera. 9

20 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Przedział ten jest przedziałem dysponowanych czasów realizacji zadań, spełniających warunek opłacalności dla strategii 2. Dla strategii 2 funkcja Z i T dla T = T ext i posiada zazwyczaj wyraźne ekstremummaksimum, takie że T T T oraz ZT ZT ZT. min i ext i max i Przedział czasów dysponowanych: Długość przedziału czasów dysponowanych: min i ext i max i ΔT dys i = [T min i, T max i ] (.24) dt dys i T T (.25) max i min i Z ext i. b) Określić czas T ext i, któremu odpowiada największa wartość oczekiwana zysku c) Obliczyć wartości efektów: E(T min i ) = k E i T min i ; E(T ext i ) = k E i T ext i ; E(T max i ) = k E i T max i (.26) oraz określić dysponowany przedział wartości oczekiwanych efektów, spełniających warunki opłacalności: E E T, ET (.27) dys i min i max i długość tego przedziału wynosi: de dys i ET E T (.28) maxi mini Decydent użytku powinien uwzględnić wymagania sformułowane przez zamawiającego: wymagany efekt E wym i ; wymagany czas realizacji zadania T WYM i. Opłacalne i realizowalne jest takie zadanie E WYM i, które spełnia warunki: E WYM i : E E T T E WYM i dys i 20 (.29) WYM i dys WYM i W obliczeniach symulacyjnych należy przyjąć wartości zmiennych podane w tabeli.4. d) Dla procedury -ej, 2-giej i 3-ej wyznaczyć (z wykresów prezentujących wyniki obliczeń symulacyjnych (program Podeks22)): długości przedziałów: dt dys2-, dt dys2-2, dt dys2-3; wyróżnione wartości efektów: E min 2- = E(T min2- ); E ext 2- = E(T ext2- ); E max 2- = E(T max2- ); E min 2-2 = E(T min2-2 ); E ext 2-2 = E(T ext2-2 ); E max 2-2 = E(T max2-2 ); E min 2-3 = E(T min2-3 ); E ext 2-3 = E(T ext2-3 ); E max 2-3 = E(T max2-3 ); długości przedziałów: de dys2-, de dys2-2, de dys2-3 ;

21 Badanie wybranych procedur i strategii eksploatacyjnych wartości ekstremalne oczekiwanych wartości zysku: Zext2, Zext22, Zext23 i na podstawie tych danych obliczyć wartości współczynników ułatwiających porównanie właściwości stosowanych procedur: η dt dys22 T2/ ; dtdys2 η T3/2 dt dys23 ; dt dys22 η dt dys23 T3/ ; dtdys2 η de dys22 E2/ ; de dys2 η E3/2 de dys23 ; de dys22 η de dys23 E3/ ; de dys2 η Ee2/ E E ext2 2 ; ext2 η Ee3/2 E E ext23 ; ext2 2 η E ext23 Ee3/ ; Eext2 η Z ext22 Ze2/ ; Zext2 η Ze3/2 Z Z ext23 ; ext22 η Z ext23 Ze3/ ; Zext2 Wyniki umieścić w tabelach.5.,.6. i i 0, , ,00002 R 02 i 0,7 N 02 i k λ2 i,5,5 k E2 i k W2 i k N2 i 0,5 0,5 0,7 E WYM2-i i T WYM2-i i Tabela.4. Zestawienie parametrów charakteryzujących badane procedury eksploatacyjne. Tabela.5. Proc. T min 2- T max 2- dt dys 2- Zext 2 E min 2- E ext 2- E max 2- de dys 2- N min 2- N max 2- Proc.2 T min 2-2 T max 2-2 dt dys 2-2 Zext 2 2 E min 2-2 E ext 2-2 E max 2-2 de dys 2-2 N min 2-2 N max 2-2 Proc.3 T min 2-3 T max 2-3 dt dys 2-3 Zext 2 3 E min 2-3 E ext 2-3 E max 2-3 de dys 2-3 N min 2-3 N max 2-3 2

22 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Porównanie wskaźników charakteryzujących badane procedury eksploatacyjne. Tabela.6. Proc.2/Proc. Proc.3/Proc.2 Proc.3/Proc. η T2/ η T3/2 η T3/ η E2/ η E3/2 η E3/ η Ee2/ η Ee3/2 η Ee3/ η Ze2/ η Ze3/2 η Ze3/.3. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wyniki symulacji i obliczeń (tabele.2,.3,.5,.6); wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału (a szczególnie pkt..7) podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Podać wyrażenie opisujące prawdopodobieństwo nieuszkodzenia się obiektu z przyczyn losowych. 2. Wyjaśnić pojęcie efektu użytkowania obiektu. 3. Wyjaśnić na czym polega diagnozowanie obiektu. 4. Wymienić ważniejsze wskaźniki opisujące niezawodność obiektu. 5. Wyjaśnić pojęcie proces eksploatacji. 6. Jak wyznacza się wartość oczekiwaną zmiennej losowej? 7. Na czym polega badanie diagnostyczne? 8. Na czym polega wnioskowanie diagnostyczne? 9. W jakim celu stosuje się dozorowanie stanu obiektu? 0. Wyjaśnić pojęcie niezawodności ekonomicznej obiektu. 22

23 ĆWICZENIE 2 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI UKŁADU PRZECIWDESTRUKCYJNEGO Cel ćwiczenia: - zapoznanie z przeciwdestrukcyjnymi funkcjami systemu dozorująco terapeutycznego na przykładzie ochronnej listwy zasilającej. Przedmiot ćwiczenia: - listwa zasilająca Lestar. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: - układ do badania właściwości filtrujących listwy zasilającej; - układ do badania charakterystyk bezpieczników topikowych. 2.. Podstawy teoretyczne i założenia 2... Zakłócenia w sieci przemysłowej W punktach odbioru energii elektrycznej występują zakłócenia, których źródłami mogą być efekty pracy innych urządzeń lub systemów zlokalizowanych w pobliżu i zasilanych z tej samej sieci. Do najczęściej spotykanych zakłóceń zalicza się chwilowe zmiany napięcia, które dodają się lub odejmują od podstawowej fali sinusoidalnej w sieci zasilania prądem przemiennym 50Hz, lub też do nominalnego napięcia zasilania prądem stałym. Typowymi źródłami tego rodzaju zakłóceń zasilania są urządzenia tyrystorowe, spawarki, zgrzewarki, impulsowe źródła zasilania, przełączniki oraz wyłączniki. Powodują one chwilowe zakłócenia o czasie trwania wynoszącym do kilkuset µs. W sieciach energetycznych obserwuje się również często przepięcia i chwilowe zaniki napięcia. Przepięcia wywołane są najczęściej włączaniem lub wyłączaniem obciążeń dużej mocy. Powodują one zmiany wartości napięcia zasilania dochodzące do kilkudziesięciu procent. Typowe czasy trwania tych zakłóceń wynoszą od ms do s. Źródłem chwilowych zaników napięcia są awarie w liniach zasilania oraz operacje przełączeń w liniach energetycznych. Zjawiska te powodują utratę zasilania na czas nawet do s. Zakłócenia procesu zasilania stanowią czynniki inicjujące procesy uszkodzeniowe. Obecnie w kraju przyjęto dwie normy podstawowe określające wymagane poziomy wrażliwości urządzeń na chwilowe spadki napięcia, zaniki oraz wahania napięcia zasilającego. Poziomy te uzależniono od typu środowiska, w którym urządzenia są eksploatowane. W obowiązujących normach wprowadzono następujące określenia: 23

24 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium spadek napięcia rozumiany jako nagłe zmniejszenie wartości napięcia w dowolnym punkcie obwodu zasilania urządzenia elektrycznego lub elektronicznego, a następnie, po krótkim czasie (do około 5 sekund) następuje powrót napięcia do wartości znamionowej; zanik napięcia, rozumiany jako chwilowa przerwa w zasilaniu urządzenia, która najczęściej nie przekracza min; wahania napięcia określane jako stopniowe zmiany napięcia zasilającego do wartości mniejszej lub większej w porównaniu z wartością napięcia znamionowego (czas trwania zmiany może być krótko lub długotrwały). W badaniach testujących wrażliwość urządzeń na zakłócenia w sieci zasilającej określana jest na podstawie oceny zagrożeń, jakie mogą wystąpić w rzeczywistych warunkach (normy oparte na IEC ) Wskaźniki jakości przemiennego napięcia zasilającego Podstawowymi wskaźnikami jakości przemiennego napięcia zasilającego są: wartość zasilającego napięcia; wartość częstotliwości napięcia zasilającego; odkształcenie od sinusoidy zawartość harmonicznych przebiegu napięcia zasilającego. Wartość napięcia i częstotliwości W sieci przemysłowej wartość napięcia może się wahać w granicach 230V+/-0%, a jego częstotliwość 50+/- 0,5Hz. Zawartość harmonicznych przebiegu napięcia zasilającego Odkształcenie od sinusoidy można określić zawartością harmonicznych przebiegu napięcia zasilającego. W przebiegach okresowych wyróżnia się podstawową (pierwszą) harmoniczną, której częstotliwość jest równa częstotliwości napięcia zasilającego oraz harmoniczne wyższego rzędu (2, 3,...n-tą), których częstotliwości są wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Amplituda wyższych harmonicznych zależy od kształtu napięcia zasilającego. Zawartość harmonicznych w % określa poniższy wzór: h A2 A3... An A A A... A 2 3 n 00% (2.) gdzie: - h zawartość harmonicznych; - A A n amplitudy harmonicznych. Dopuszczalna zawartość harmonicznych napięcia w sieci przemysłowej wynosi 6%. Na ogół zawartość harmonicznych napięcia w tej sieci waha się w granicach 2,2 3,8%. Na rysunku 2. przedstawiono przebiegi napięcia o wybranych kształtach i odpowiadające im zawartości harmonicznych w %. 24

25 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego U Idealna sinusoida Trójkąt Prostokąt Napięcie w sieci przemysłowej h = 0% h = % h = 42% h = około 4% Rys. 2.. Przebiegi napięcia o wybranych kształtach i zawartość harmonicznych w % Listwa zasilająca Listwa zasilająca przeznaczona jest do ochrony odbiorników przed zakłóceniami występującymi w sieci zasilającej. Listwa zasilająca, jako system dozorująco terapeutyczny, składa się z trzech podsystemów (modułów) zadaniowych: osłonowego - PO; interwencyjnego PI; przeciwawaryjnego PPA. Spełnia ona następujące zadania: filtr listwy tłumi zakłócenia (-30dB) w paśmie częstotliwości 00kHz 60MHz (w paśmie 00kHz 6MHz najczęściej występują zakłócenia przemysłowe) funkcja osłonowa (PO); warystor likwiduje chwilowe impulsy o dużej wartości napięcia (w ciągu 25ns prąd płynący przez warystor może osiągnąć wartość 6,5kA) funkcja interwencyjna (PI); bezpieczniki topikowe (0A) zabezpieczają odbiorniki energii i samą listwę przed skutkami przeciążeń lub zwarć funkcja przeciwawaryjna (PPA). A. Struktura listwy zasilającej Rysunek 2.2 przedstawia schemat elektryczny listwy zasilającej. LISTWA ZASILAJĄCA "LESTAR" F L L 2 W E C C 2 R W C 3 S F 2 G G 5 L 3 Rys Schemat połączeń elektrycznych listwy zasilającej Listwa zasilająca składa się z następujących elementów: W wtyczka sieciowa; S wyłącznik; 25

26 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium E dioda sygnalizująca włączenie zasilania; F i F 2 bezpieczniki topikowe 0A; L, L 2 i L 3 uzwojenia dławików; C, C 2 i C 3 kondensatory; R W warystor; G G 5 gniazda do zasilania odbiorników. B. Działanie listwy zasilającej a) Działanie tłumiące filtra listwy zasilającej Filtr listwy zasilającej składa się z dławika i kondensatorów. Trzy uzwojenia dławika L,L 2 i L 3 nawinięte są na jednym toroidalnym ferrytowym rdzeniu. Na rysunku 2.3 przedstawiono schemat filtra listwy zasilającej i uzwojeń dławika. Filtr L L 2 Uzwojenia dławika L L 2 C C 2 C 3 U WE U WY L 3 L 3 Rys Schemat struktury elektrycznej filtra listwy zasilającej i uzwojeń dławika Transmitancję operatorową filtra przedstawia wzór: k G(s) 2 2 T s 2ζζ s (2.2) n przy czym: T n okres drgań własnych nietłumionych; ζ współczynnik tłumienia względnego (0 < ζ < ) ; k współczynnik wzmocnienia. Filtr ten jest filtrem dolnoprzepustowym, a jego częstotliwość graniczna f g jest równa około 0kHz. Do częstotliwości granicznej filtr przenosi sygnał sinusoidalny bez istotnej zmiany amplitudy i przesunięcia fazowego. Powyżej tej częstotliwości filtr tłumi sygnał sinusoidalny (maleje amplituda, a sygnał wyjściowy jest przesuwany (opóźniany) w fazie w stosunku do sygnału wejściowego). Na rysunku 2.3 przedstawiono czasową relację między sygnałem wejściowym i wyjściowym filtra dla dwóch istotnie różnych częstotliwości. Aby otrzymać charakterystykę amplitudową w funkcji częstotliwości, należy zmierzyć amplitudy, lub wartości skuteczne, napięcia wejściowego i wyjściowego, dla różnych wartości częstotliwości. W przypadku filtra listwy, pomiar kąta przesunięcia fazowego jest zbędny, gdyż przesunięcie fazowe nie ma znaczenia dla realizowanej przez filtr funkcji. n 26

27 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego f f g f f g U WE U WE t t U WY U WY Kąt przesuniecia fazowego "" t t Rys Obraz relacji czasowo-fazowych między sygnałem wejściowym i wyjściowym filtra Wzmocnienie (tłumienie) listwy jest to stosunek amplitudy napięcia wyjściowego do amplitudy napięcia wejściowego: k U U Wy We (2.3) b) Działanie tłumiące warystora listwy zasilającej Warystor jest rezystorem, którego wartość rezystancji gwałtownie maleje powyżej napięcia progowego. Do napięcia progowego (charakterystyczne napięcie warystora), kiedy prąd jest mniejszy od ma, warystor ma dużą rezystancję. Po przekroczeniu napięcia progowego warystora, przepływający prąd narasta w sposób logarytmiczny, wskutek gwałtownego zmniejszenia się jego rezystancji. Warystor może przejść ze stanu o dużej rezystancji do stanu o małej rezystancji w czasie krótszym niż 20ns. Bardzo wysokie przepięcia zmniejszają rezystancję warystora do 0, 50Ω, w zależności od wartości szczytowej piku napięciowego i średnicy warystora. Ta cecha warystora wykorzystywana jest do zabezpieczenia odbiorników przed krótkimi przepięciami występującymi np. w czasie burz. c) Zabezpieczenie odbiorników listwy zasilającej przed skutkami przeciążeń lub zwarć Aby zabezpieczyć odbiorniki zasilane poprzez listwę oraz strukturę samej listwy przed skutkami przeciążeń lub zwarć, zastosowano dwa bezpieczniki topikowe o znamionowym prądzie 0A. Kiedy przez włókno bezpiecznika płynie prąd, na rezystancji włókna odkłada się pewien spadek napięcia a w rezultacie odkłada się pewna moc (iloczyn prądu i spadku napięcia). Iloczyn mocy i czasu przepływu prądu, decyduje o wartości wydzielanej energii, pod wpływem której włókno bezpiecznika nagrzewa się. Jeśli wartość tej energii przekroczy wartość krytyczną następuje przepalenie włókna i odłączenie odbiornika od zasilania. Wraz ze wzrostem prądu płynącego przez włókno bezpiecznika, maleje czas zadziałania bezpiecznika. 27

28 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 2.2. Opis stanowiska laboratoryjnego Do badania właściwości listwy zasilającej służą dwa układy (zestawy) laboratoryjne.. Układ do badania właściwości filtrujących listwy. 2. Układ do badania charakterystyk bezpieczników topikowych. Właściwości warystora nie są badane Układ do badania właściwości filtrujących listwy zasilającej Schemat układu przedstawiono na rysunku 2.4. Układ składa się z następujących elementów i urządzeń: wyłącznik SIEĆ ; wyłącznik S 2 ; transformator T ; listwa zasilająca LESTAR ; transformator T 2 ; gniazda radiowe i złącze BNC; bezpiecznik 0,5A; miernik zniekształceń PMZ-; generator zakłóceń; oscyloskop cyfrowy; potencjometr 2 20kHz ; drukarka. przełącznik S ; MIERNIK ZNIEKSZTAŁCEŃ PMZ - Wejście Drukarka 230V 2 S S 8V 2 20kHz 2 26V 50Hz PMZ Oscyloskop T z z 2 26V - 50Hz L L 2 F C C 2 C 3 9k Oscyloskop Kanal 2 Kanał 2 8V kHz z T 2 2 z GENERATOR ZAKŁOCEN Uzwojenie pomiarowe R W L F2 3 LISTWA ZASILAJACA R obc k 0,U WY Oscyloskop Kanal Kanał Nastawy "f" [khz] 00 ZAKLOCENIA WL S 2 WYL 0,U WE Oscyloskop Wyzwalanie External Triger SIEĆ Rys Schemat układu do badania właściwości filtrujących (tłumiących) listwy zasilającej 28

29 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego Transformator T Ze względu na bezpieczeństwo studentów, na listwę zasilającą podawane jest napięcie sieci przemysłowej poprzez transformator T, o wartości skutecznej około 26V. Generator zakłóceń Generator zakłóceń wytwarza napięcie sinusoidalne o nastawianej częstotliwości (za pomocą potencjometru posiadającego skalę) 2 20kHz. Wartość skuteczna tego napięcia wynosi około 8V, co stanowi 30% wartości napięcia na wyjściu transformatora T. Aby można było zsumowąć napięcie sieci przemysłowej z napięciem zakłócającym, na wyjściu generatora zakłóceń zastosowano transformator T 2. Uzwojenia wtórne (z 2 ) transformatorów T i T 2 połączono szeregowo. Na rysunku 2.5 przedstawiono przebiegi: napięcia sieci przemysłowej; napięcia zakłócającego; napięcia sieci przemysłowej z zakłóceniami. Napięcie sieci przemysłowej - 50Hz U sp U Z Napięcie zakłócające 2 20kHz t t Napięcie sieci przemysłowej z zakłóceniami U sp+z t Rys Przebiegi napięć generowanych w układzie laboratoryjnym Przełącznik S umożliwia przyłączenie do listwy zasilającej: w położeniu napięcia zakłócającego; w położeniu 2 napięcia sieci przemysłowej z zakłóceniami. W położeniu 2 przełącznika S, do listwy zasilającej może być przyłączone tylko napięcie sieci przemysłowej jeżeli wyłącznik S 2 Zakłócenia zostanie ustawiony w pozycji Zakłócenia wyłączone. Oscyloskop cyfrowy Oscyloskop cyfrowy służy do obserwacji przebiegów oraz pomiaru: częstotliwości przebiegów; wartości napięć: międzyszczytowe (U p-p ) lub skuteczne (U rms ). 29

30 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Drukarka Za pomocą drukarki można wydrukować przebiegi z ekranu oscyloskopu. Bezpieczniki i wyłącznik Sieć Bezpiecznik 0,5A zabezpiecza stanowisko i jest umieszczony z tyłu lub z przodu stanowiska. Podświetlany wyłącznik z napisem Sieć służy do włączenia zasilania stanowiska napięciem 230V/50Hz. Automatyczny miernik zniekształceń nieliniowych PMZ - Miernik zniekształceń nieliniowych PMZ służy do pomiaru zawartości harmonicznych badanego przebiegu w %. Rysunek 2.6 przedstawia widok płyty czołowej miernika zniekształceń nieliniowych PMZ. Rys Widok płyty czołowej miernika zniekształceń nieliniowych PMZ Przygotowanie przyrządu do pomiarów. Za pomocą przewodu sieciowego przyłączyć przyrząd do sieci 230V/50Hz. 2. Kablem koncentrycznym połączyć gniazdo wejściowe przyrządu z gniazdami radiowymi (PMZ) na stanowisku, zachowując odpowiednią biegunowość. 3. Ustawić przełącznik kalibracji na zakres 300V. 4. Przełącznik pod miernikiem częstotliwości ustawić w położenie. 5. Wcisnąć przycisk (biały) zniekształcenia 00%. 6. Wcisnąć przycisk (czerwony) sieć. 7. Odczekać ok. 5 minut w celu nagrzania przyrządu. Pomiar procentowej zawartości harmonicznych. Po podaniu badanego sygnału na wejście przyrządu wcisnąć i zwolnić biały przycisk Kalibracja. Wskazówka na środkowym przyrządzie wychyli się o pewną wartość. Potencjometrem, który zespolony jest z przełącznikiem Kalibracja należy ustawić wskazówkę na pełne wychylenie do wartości skali. Jeżeli wskazówka nie osiągnie tej pozycji, to należy cofnąć potencjometr w lewe skrajne położenie i przełączyć przełącznik Kalibracja na kolejną mniejszą wartość napięcia. Ponownie wykonać próbę ustawienia wskazówki za pomocą potencjometru na wartości skali. 30

31 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego 2. Wcisnąć i zwolnić przycisk Pomiar. Po krótkim czasie wskazania miernika będą maleć. Jeżeli wskazówka ustawi się poniżej wartości następnego zakresu, należy przełączyć zakres miernika wciskając przycisk 30% pod napisem Zniekształcenia. Jeżeli nadal wskazówka ustawi się poniżej wartości następnego zakresu, należy wcisnąć przycisk kolejnego mniejszego zakresu. Czynności te należy powtarzać do chwili, gdy na danym zakresie wskazówka ustawi się powyżej wartości następnego zakresu. 3. Zanotować wartość zawartości harmonicznych. 4. Po wykonaniu pomiaru wcisnąć przycisk (biały) Zniekształcenia 00%. Niewykonanie tej czynności może spowodować uszkodzenie przyrządu. Pomiar charakterystyk listwy zasilającej A. Pomiar charakterystyki amplitudowej filtra listwy zasilającej Połączyć układ według schematu przedstawionego na rysunku 2.4. Dodatkowo do gniazda sieciowego stanowiska przyłączyć wejście listwy, a do jednego z gniazd listwy przyłączyć wtyczkę sieciową przewodu wychodzącego ze stanowiska.. Ustawić przełącznik S w pozycji do listwy zostanie przyłączony generator zakłóceń. 2. Wyłącznik S 2 Zakłócenia ustawić w pozycji Włączone. 3. Pokrętło potencjometru Nastawy f ustawić na wartość 2kHz. 4. Włączyć zasilanie stanowiska wyłącznikiem Sieć. 5. Włączyć zasilanie listwy ustawiając przełącznik listwy w położenie. 6. Włączyć zasilanie PMZ - wyłącznikiem Sieć. Przygotowanie oscyloskopu cyfrowego do pomiarów Do sterowania pracą oscyloskopu służą pokrętła i przyciski umieszczone na obudowie, które w tekście są opisane pismem pogrubionym. Przyciski programowalne są umieszczone pod ekranem oscyloskopu i są one opisane w tekście pismem pochyłym pogrubionym.. Przyłączyć drukarkę do oscyloskopu. 2. Włączyć zasilanie oscyloskopu przyciskiem Line. 3. Nacisnąć przycisk Print/Utility, a następnie Hardcopy Menu. 4. Przyciskiem Format wybrać HP print. 5. Przyciskiem Destination wybrać Paraller. 6. Nacisnąć przycisk Printer Menu. 7. Przyciskiem Faktors można wybrać rodzaj drukowania charakterystyk: Off - drukowanie charakterystyk bez wypisywania nastaw oscyloskopu; On - drukowanie charakterystyk z wypisaniem nastaw oscyloskopu. 8. Przyciskiem Gray Scale wybrać zakres Off - oscylogram czarno-biały. 9. Pokrętłem HORIZONTAL ustawić trójkąt na wartość 0 sekund. 0. Pokrętłami Volts/div ustawić wzmocnienia obu kanałów na wartości V.. Pokrętłem Position -szego kanału ustawić kanał na wartość +2V, a pokrętłem Position 2-go kanału ustawić 2 kanał na wartość -2V. 2. Pokrętłem Time/div ustawić podstawę czasu na wartości 200 μs. 3. Ustawić sposób wyzwalania oscyloskopu: nacisnąć przycisk Source i Ext ; nacisnąć przycisk Mode i Auto ; 3

32 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium nacisnąć przycisk Slope/Coupling i ustawić Slope i Coupling - dowolnie, a Rejekt w pozycji HF i Nojse Rej w pozycji Off. 4. Pokrętłem Level ustawić poziom wyzwalania na wartość około 0V. 5. Nacisnąć na przycisk Voltage, a następnie Source i Vrms oraz Source 2 i Vrms. Oscyloskop będzie mierzył wartości skuteczne przebiegów pierwszego i drugiego kanału. 6. Nacisnąć na przycisk Time, a następnie Source i Freg. Oscyloskop będzie mierzył częstotliwość przebiegu kanału. Realizacja pomiarów Po wykonaniu powyższych czynności należy zapisać w tabeli 2.2 wartości napięć pierwszego i drugiego kanału, pamiętając o tym, że do oscyloskopu podawane są sygnały o wartości 0, wartości rzeczywistej. Pomiaru wartości napięcia wejściowego i wyjściowego filtra listwy należy dokonać dla wartości częstotliwości opisanych na skali potencjometru Nastawy f. Jeżeli stanowisko nie jest wyposażone w przyrząd PMZ-, to wartości napięcia wyjściowego U WY należy także zapisać w tabeli 2.3B w drugim wierszu oznaczonym U skz. Wraz ze wzrostem częstotliwości maleje amplituda napięcia wyjściowego listwy, dlatego też należy zmieniać wzmocnienie 2 kanału i podstawę czasu. Dla wybranej częstotliwości np. 40kHz (przy takich samych nastawach wzmocnienia obu kanałów V/dz) można wydrukować przebiegi napięć. W tym celu należy nacisnąć przycisk Print/Utility i Print Screen (czekać do zakończenia drukowania). Na podstawie uzyskanych wyników narysować w skali logarytmicznej charakterystykę amplitudową filtra listwy zasilającej A = g(f). Na rysunku 2.7 przestawiono amplitudową charakterystykę filtra listwy zasilającej. A [db] 0 lg k 0 k f [khz] ,2-0,4-0,6-0,8 -,0 -,2 -,4 0,6 0,5 0,4 0,25 0,6 0, 0,06 0,04 Rys Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa filtra listwy zasilającej A = g(f) B. Pomiar zawartości harmonicznych w napięciu wyjściowym listwy zasilającej Pomiar zawartości harmonicznych w niezakłóconym napięciu sieci przemysłowej za pomocą miernika PMZ- Aby pomierzyć zawartość harmonicznych niezakłóconego napięcia sieci przemysłowej należy: 32

33 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego. Ustawić przełącznik S w pozycji 2 do listwy zostaje przyłączony generator zakłóceń i napięcie sieci przemysłowej 2. Wyłącznik S 2 Zakłócenia ustawić w pozycji Wyłączone. 3. Wyłączyć kanał oscyloskopu naciskając dwukrotnie na przycisk kanału. 4. Pokrętłem Position 2-go kanału ustawić 2 kanał na wartość 0V, 5. Pokrętłem Time/div ustawić podstawę czasu na wartości 5 ms. 6. Przyrządem PMZ pomierzyć zawartość harmonicznych w % niezakłóconego napięcia sieci przemysłowej. 7. Wynik pomiaru zapisać w tabeli 2.3A. 8. Przełączyć zakres Zniekształcenia w pozycję 00%. 9. Uzyskany przebieg zapisać w pamięci oscyloskopu. W tym celu należy kolejno nacisnąć przyciski Trace, Mem, Clear Mem, Save to Mem. Pomiar zawartości harmonicznych w zakłóconym napięciu sieci przemysłowej za pomocą miernika PMZ- Aby pomierzyć zawartości harmonicznych zakłóconego napięcia sieci przemysłowej należy:. Wyłącznik S 2 Zakłócenia ustawić w pozycji Włączone. 2. Pokrętło potencjometru Nastawy f ustawić na wartość 2kHz. 3. Przy włączonych Zakłóceniach nie należy kalibrować przyrządu PMZ-. 4. Przyrządem PMZ pomierzyć zawartość harmonicznych w % zakłóconego napięcia sieci przemysłowej. W czasie pomiarów, dla zakresu 2 i 0kHz, winien być włączony zakres Zniekształcenia 00%. 5. W czasie pomiarów, dla zakresu 20 20kHz, winien być włączony zakres Zniekształcenia 30% lub 0%. Dla częstotliwości 2 i 20 khz można wydrukować przebiegi napięcia na wyjściu listwy. Przed wydrukowaniem przebiegu napięcia zakłóconego na wyjściu listwy, dla częstotliwości 2kHz, należy uwolnić z pamięci niezakłócony przebieg, naciskając na przyciski Trace, Mem i Mem On. Po wydrukowaniu przebiegu należy zamknąć pamięć naciskając na przycisk Mem Off. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.3. Na podstawie uzyskanych wyników narysować charakterystykę zawartości harmonicznych w zakłóconym przebiegu napięcia sieci przemysłowej, w funkcji częstotliwości napięcia zakłócającego h = g(f). Oś częstotliwości narysować w skali logarytmicznej. Przykładowy oscylogram przebiegu zakłóconego napięcia wyjściowego listwy, na tle przebiegu niezakłóconego, dla f zakł = 2kHz, przedstawia rysunek 2.8. Napięcie sieci przemysłowej bez zakłóceń Rys Oscylogram przebiegu zakłóconego napięcia na wyjściu listwy, na tle przebiegu niezakłóconego, dla częstotliwości napięcia zakłócającego f zak = 2kHz 33

34 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rysunek 2.9 przestawia zawartość harmonicznych, na wyjściu listwy, w funkcji częstotliwości napięcia zakłócającego h = g(f). h [%] f [khz] Rys Zawartość harmonicznych, na wyjściu listwy, w funkcji częstotliwości napięcia zakłócającego h = g(f) Oszacowanie zawartości harmonicznych w napięciu wyjściowym listwy za pomocą oscyloskopu Jeżeli nie jest możliwe użycie miernika zniekształceń nieliniowych PMZ-, to oszacowania zawartości harmonicznych można dokonać za pomocą oscyloskopu. Przy założeniu, że sinusoida napięcia sieciowego jest idealna, a na nią jest nałożone także sinusoidalne napięcie zakłócające, to wzór na zawartość harmonicznych przyjmuje postać, jak poniżej: U skz h = 00% U sk(s+z) (2.4) gdzie: U skz - wartość skuteczna napięcia zakłócającego; U sk(s+z) - wartość skuteczna zakłóconego napięcia sieci przemysłowej. Ponieważ zawartość harmonicznych napięcia sieci przemysłowej waha się w granicach 2,2 3,8%, to przyjęto średnią zawartość harmonicznych h = 3%. Wówczas wzór empiryczny na zawartość harmonicznych zakłóconego napięcia sieci przemysłowej przybierze postać: U skz h = [%] U sk(s+z) (2.5) Aby oszacować zawartość harmonicznych, dla ustawionej częstotliwości napięcia zakłócającego należy, za pomocą oscyloskopu, pomierzyć U skz oraz U sk(s+z). Sposób pomiaru U skz został opisany w pkt. 2.2.A. Aby dokonać pomiarów U sk(s+z) należy:. Ustawić przełącznik S w pozycji 2 (26V, 50Hz) do listwy zostaje przyłączone napięcie sieci. 2. Wyłącznik S 2 Zakłócenia ustawić w pozycji Włączone. 3. Wyłączyć kanał oscyloskopu. 34

35 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego 4. Ustawić podstawę czasu na wartość 5ms. Dla wybranych częstotliwości z zakresu (2 20)kHz zmierzyć wartości skuteczne zakłóconego napięcia sieci i zapisać je w tabeli 2.3B w trzecim wierszu oznaczonym U sk(s+z). Wartości te podstawić do wzoru (2.5) i obliczyć zawartość harmonicznych. Przykładowe wyniki obu metod pomiaru zawartości harmonicznych (tj. przyrządem PMZ oraz oscyloskopem) zawiera tabela 2.. Tabela 2.. Częstotliwość napięcia zakłócającego Pomiar PMZ- Pomiar oscyloskopem f[khz] h[%] h[%] 2 33,0 32, 25 4,7 4,6 50 7,4 7,3 00 4,7 4,8 Na podstawie przytoczonych wartości widać, że wyniki pomiarów zawartości harmonicznych wykonane przy użyciu oscyloskopu niewiele odbiegają od wyników pomiarów wykonanych przyrządem PMZ-. Należy przy tym także pamiętać, że dokładność pomiaru przyrządem PMZ- wynosi +/- 5% Układ do pomiaru charakterystyk czasowo prądowych bezpieczników topikowych W firmowej listwie zasilającej Lestar znajdują się dwa bezpieczniki topikowe o prądzie znamionowym 0A. Wykonanie pomiaru czasu zadziałania bezpiecznika przy np. 20-krotnie większym prądzie od prądu znamionowego wymaga stanowiska umożliwiającego uzyskanie prądu o wartości ponad 200A. W przypadku eksperymentów dydaktycznych można przyjąć, że charakterystyki bezpieczników topikowych o różnych wartościach prądów znamionowych są podobne. Dlatego w omawianym układzie pomiarowym stosowane są bezpieczniki o znamionowym prądzie 0,5A. Opis układu Rysunki 2.0 i 2. przedstawiają schemat struktury elektrycznej i widok płyty czołowej układu do badania bezpieczników topikowych. Układ ten składa się z: zasilacza prądu stałego 30V/20A; rezystorów obciążenia R R 6 ; wyłączników S S 6 (do włączania obciążenia); badanego bezpiecznika F; diody sygnalizującej zdatność bezpiecznika (umieszczona pod bezpiecznikiem); wyłącznika S 0 (do włączania napięcia na rezystory obciążenia); oscyloskopu cyfrowego. 35

36 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium + 30V S 0 F 500mA Badany bezpiecznik 3k Sygnalizacja zdatności bezpiecznika S,5A S 2 2A S 3 2A S 4 2A S 5 2A S 6 2A 9k Oscyloskop R 20 R 2 5 R 3 5 R 4 5 R 5 5 R 6 5 k Rys Schemat elektryczny układu do badania bezpieczników Wartość prądu płynącego przez bezpiecznik zależy od tego, które wyłączniki są włączone. Wartość ta jest sumą wartości prądów płynących przez włączone rezystory obciążenia. + 30V WTA - 500mA Oscyloskop,5A 2A 2A 2A 2A 2A S S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 0 0 Rys. 2.. Widok płyty czołowej układu do badania bezpieczników Przygotowanie układu do pomiarów. Ustawić wszystkie wyłączniki S 0 S 6 w pozycji 0 (wyłączone). 2. Do gniazda założyć badany bezpiecznik. 3. Na zasilaczu 30V/20A ustawić napięcie na wartość 30V. 4. Włączyć zasilanie zasilacza wyłącznikiem Sieć. 5. W celu sprawdzenia zdatności bezpiecznika należy włączyć tylko wyłącznik S 0. Jeżeli bezpiecznik nie jest przepalony, to zaświeci dioda. 36

37 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego Przygotowanie oscyloskopu cyfrowego do pomiarów. Włączyć zasilanie oscyloskopu przyciskiem Line. 2. Pokrętłem Volts/div ustawić wzmocnienia kanału na wartości V (do oscyloskopu podawane jest napięcie z zasilacza poprzez dzielnik napięcia :0). 3. Pokrętłem Position -szego kanału ustawić kanał na wartość -V 4. Pokrętłem Time/div ustawić podstawę czasu na wartości 50 ms. 5. Pokrętłem HORIZONTAL ustawić trójkąt w odległości 2 działki od lewego brzegu ekranu. 6. Pokrętłem Level ustawić poziom wyzwalania na wartość około V. 7. Ustawić sposób wyzwalania oscyloskopu: nacisnąć przycisk Source i, następnie Mode i Single oraz Slope/Coupling i ustawić Slope. Uwaga! Dla każdej wartości ustawionego prądu, należy zmieniać podstawę czasu i ustawiać trójkąt w odległości 2 działek od lewego brzegu ekranu pokrętłem HORIZONTAL. Wartości podstawy czasu podano w tabeli 2.4. Pomiar czasu zadziałania bezpiecznika topikowego Pomiar czasu zadziałania bezpiecznika topikowego jest wykonywany oscyloskopem cyfrowym za pomocą kursorów. Po włączeniu wyłącznika S 0 w chwili t (przy włączonych uprzednio wybranych wyłącznikach S S 6 ), przez bezpiecznik i rezystory obciążenia płynie prąd. W chwili t 2 działa bezpiecznik i odłącza napięcie od rezystorów obciążenia. Na rysunku 2.2 przedstawiono przebiegi napięć na bezpieczniku i za bezpiecznikiem na rezystorach obciążenia, dla dwóch wartości rezystancji obciążenia (5 i 3Ω). W stanie zimnym rezystancja bezpiecznika jest stosunkowo mała i wynosi kilkadziesiąt mω. Kiedy przez bezpiecznik płynie prąd, zwłaszcza większy od prądu znamionowego, bezpiecznik w czasie t t 2 nagrzewa się a w chwili t 2 następuje przepalenie bezpiecznika. Wraz ze wzrostem temperatury włókna bezpiecznika, rośnie jego rezystancja. Dla badanego bezpiecznika WTA-500mA jego rezystancja osiąga wartość rzędu,3 Ω. Na rozgrzanym bezpieczniku odkłada się spadek napięcia tym większy, im mniejsza jest rezystancja obciążenia, co widać na dolnych rysunkach. Na oscyloskopie zostanie zarejestrowany tylko przebieg drugi. W celu wykonania pomiarów czasu zadziałania bezpieczników należy:. Wyłącznikami (S S 6 ) ustawić wymaganą wartość prądu obciążenia. 2. Ustawić odpowiednią podstawę czasu - wg tabeli Przed każdym pomiarem nacisnąć na przycisk oscyloskopu Run. 4. Włączyć wyłącznik S 0 zadziała bezpiecznik, a na ekranie oscyloskopu pojawi się przebieg napięcia na obciążeniu; 5. Wyłączyć wyłącznik S 0 ; 6. Uzyskany przebieg zapisać w pamięci oscyloskopu. W tym celu należy kolejno nacisnąć przyciski Trace, Mem, Clear Mem, Save to Mem. 37

38 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium R obc =5 R obc =3 U F U F Napięcie na bezpieczniku Napięcie na bezpieczniku t t Spadek napięcia na rozgrzanym bezpieczniku Spadek napięcia na rozgrzanym bezpieczniku U obc U obc Napięcie na rezystorach obciążenia Napięcie na rezystorach obciążenia Czas zadziałania bezpiecznika t Czas zadziałania bezpiecznika t t t 2 t t 2 Rys Przebiegi napięć na bezpieczniku i rezystorach obciążenia Zapisanie przebiegu w pamięci jest niezbędne, gdyż przy jakimkolwiek poruszeniu pokręteł oscyloskopu, przebieg zanika i należałoby ponowić pomiar, zużywając dodatkowy bezpiecznik. W przypadku zaniku przebiegu na ekranie, należy otworzyć pamięć oscyloskopu naciskając na przyciski Trace, Mem i Mem On. Pomierzyć kursorami czas zadziałania bezpiecznika. W tym celu należy: nacisnąć na przycisk Cursors i t ; pokrętłem kursorów ustawić kursor t na początku przebiegu napięcia; nacisnąć na przycisk t 2 ; pokrętłem kursorów ustawić kursor t 2 na końcu przebiegu napięcia; odczytać wartość Δt = t 2 t - czas zadziałania bezpiecznika. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.4. Na podstawie uzyskanych wyników narysować charakterystykę czasowo prądową bezpiecznika t = f(i obc ). Rysunek 2.3 przestawia charakterystykę czasowo prądową bezpiecznika topikowego WTA 500mA. t [ms] Asymptota 20 0 I N 0 0,5, I obc [A] Rys Charakterystyka czasowo prądowa bezpiecznika topikowego 38

39 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego 2.3. Zadanie laboratoryjne Pomiar charakterystyk filtracyjnych listwy zasilającej Pomiar charakterystyki amplitudowej filtra listwy zasilającej Wykonanie pomiarów polega na wykonaniu czynności opisanych w pkt ppkt. A. W czasie wykonywania pomiarów można wydrukować oscylogram przebiegu napięcia wejściowego i wyjściowego listwy, dla jednej wybranej częstotliwości z zakresu 20 20kHz. Wyniki pomiarów należy wpisać do tabeli 2.2. Tabela 2.2 f khz lg f - U WE (Vrms) U WY (Vrms) V V k=u WY /U WE - lg k - A = 20lg k db Na podstawie uzyskanych wyników narysować w skali logarytmicznej charakterystykę amplitudową filtra listwy zasilającej A = h(f). Pomiar zawartości harmonicznych zakłóconego napięcia sieci przemysłowej, na wyjściu listwy zasilającej, w funkcji częstotliwości napięcia zakłócającego W celu wykonania pomiarów należy wykonać czynności opisane w pkt ppkt.b. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.3. W czasie wykonywania pomiarów można wydrukować:. Oscylogram przebiegu zakłóconego napięcia na wyjściu listwy, na tle przebiegu niezakłóconego napięcia, dla częstotliwości napięcia zakłócającego f zakł = 2kHz. 2. Oscylogram przebiegu zakłóconego napięcia na wyjściu listwy, dla częstotliwości napięcia zakłócającego f zakł = 20kHz. Tabela 2.3A Zawartość harmonicznych niezakłóconego napięcia sieci przemysłowej h =... % Zawartość harmonicznych zakłóconego napięcia sieci przemysłowej f khz h % W przypadku pomiaru wartości skutecznych napięcia zakłócającego i sieciowego za pomocą oscyloskopu, wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.3B. Na podstawie uzyskanych wyników należy narysować charakterystykę zawartości harmonicznych zakłóconego napięcia sieci przemysłowej, w funkcji częstotliwości napięcia zakłócającego h = g(f). Oś częstotliwości narysować w skali logarytmicznej. 39

40 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Tabela 2.3B f khz U skz U sk(s+z) V V h = U skz U sk(s+z) % gdzie: U skz - wartość skuteczna napięcia zakłócającego; U sk(s+z) - wartość skuteczna zakłóconego napięcia sieci przemysłowej Pomiar charakterystyki bezpieczników topikowych Wykonanie pomiarów wymaga zrealizowania czynności opisanych w pkt Wyniki pomiarów należy wpisać do tabeli 2.4. Tabela 2.4 Włączone wyłączniki j.m. S obciążenia S 2 S 2 i S 3 S 2 S 4 S 2 S 5 S 2 S 6 Prąd obciążenia A, Podstawa czasu ms Czas zadziałania bezpiecznika ms Na podstawie uzyskanych wyników narysować charakterystykę czasowo prądową bezpiecznika t = f(i obc ) Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: typ i schemat elektryczny badanej listwy zasilającej; podstawowe dane listwy zasilającej; wyniki pomiarów; wykresy charakterystyk listwy zasilającej; typ badanych bezpieczników oraz wartość prądu znamionowego tych bezpieczników; wyniki pomiarów; wykres charakterystyki bezpiecznika; opisane oscylogramy wnioski. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią podrozdziałów.4 oraz 5.6 podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT

41 Badanie właściwości układu przeciwdestrukcyjnego 2.5. Zagadnienia kontrolne. Omówić jakie zakłócenia mogą występować w sieci przemysłowej i podać źródła tych zakłóceń. 2. Omówić wskaźniki jakości napięcia przemiennego. 3. Omówić przeznaczenie przykładowej listwy zasilającej. 4. Narysować schemat filtra listwy zasilającej i omówić jego działanie. 5. Podać podstawowe cechy warystora. 6. Wyjaśnić zadanie bezpieczników topikowych w odbiornikach elektrycznych. 7. Narysować i omówić charakterystyką czasowo prądową bezpiecznika topikowego. 8. Omówić strukturę systemu bezpiecznościowego. 9. Wymienić i objaśnić fazy procesu destrukcyjnego. 0. Wymienić i objaśnić składniki systemu przeciwdestrukcyjnego (systemu bezpieczeństwa).. Scharakteryzować trój-warstwowy model użytkowej fazy procesu eksploatacji. 2. Jakie są główne przyczyny (źródła) procesu destrukcyjnego? 3. Jakie są ważniejsze fazy procesu destrukcyjnego? 4. Jakie fazy (etapy) może mieć proces przeciwdestrukcyjny? 5. Z jakich modułów powinien składać się system dozorująco-terapeutyczny? 6. Jaka jest funkcja układu osłonowego? 7. Jaka jest funkcja układu interwencyjnego? 8. Jaka jest funkcja układu przeciwawaryjnego (ratunkowego)? 4

42

43 ĆWICZENIE 3 BADANIE SYSTEMU POMIAROWO-DIAGNOSTYCZNEGO W ASPEKCIE NIEPEWNOŚCI DIAGNOZY Cel ćwiczenia: - wyznaczenie zależności prawdopodobieństwa zdatności obiektu od wartości sygnału diagnostycznego i niepewności pomiaru; - dyskusja pojęć: sprawdzenie, wynik sprawdzenia, objaw, syndrom, warunkowe i bezwarunkowe prawdopodobieństwo stanu niezdatności, warunki badania, koszt sprawdzenia, niepewność pomiaru. Przedmiot ćwiczenia: - obiekt diagnozowania: generator sygnałowy Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: - komputerowy program do pomiaru sygnałów diagnostycznych; - komputerowy zestaw pomiarowy z kartą PCL Podstawy teoretyczne i założenia Diagnozowanie jest złożonym, kilkuetapowym procesem przetwarzania pierwotnej informacji o wielkościach opisujących obiekt na informację o stanie obiektu czyli na diagnozę. Na każdym etapie mogą występować czynniki powodujące niejednoznaczność tego przetwarzania. W efekcie końcowym powoduje to, że diagnoza jest obarczona niepewnością lub inaczej mówiąc charakteryzuje się obniżoną wiarygodnością. Szczególnie istotny wpływ na wiarygodność diagnozy mają początkowe etapy procesu diagnostycznego: badanie diagnostyczne i wnioskowanie pomiarowe (Rys.3.). Rys.3.. Początkowe, zasadnicze etapy procesu diagnozowania 43

44 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Badanie diagnostyczne realizowane jest najczęściej jako pomiar przyrządowy i obarczone jest niepewnością pomiaru. Rzeczywista wartość sygnału diagnostycznego może więc być inna niż wartość zmierzona. Jeśli badanie diagnostyczne zawiera obserwacje organoleptyczne to wynik takiego badania jest na ogół jeszcze mniej wiarygodny. Wnioskowanie pomiarowe, w najprostszym przypadku, polega na porównaniu wyników badania diagnostycznego (czyli zmierzonych wartości sygnału diagnostycznego) z odpowiednimi przedziałami wartości dopuszczalnych dla wyróżnionych stanów obiektu. Przedziały te często nie są jednoznacznie określone są przedziałami o wartościach brzegowych rozmytych (Rys.3.2). Stwierdzenie, że zmierzona wartość sygnału (czyli wynik badania) zawiera się w określonym przedziale wartości jest stwierdzeniem istnienia określonego objawu stanu. Tym samym niepewność zaliczenia wyniku pomiaru do określonego przedziału przekłada się na niepewność stwierdzenia określonego objawu (czyli symptomu) stanu. Rys.3.2. Ilustracja niepewności pomiaru w aspekcie niepewności symptomu Z wymienionego powodu cały proces wnioskowania diagnostycznego jest realizowany w warunkach informacji niepewnej co wpływa na zmniejszenie wiarygodności diagnozy. Teoretyczna analiza wiarygodności diagnozy nawet w aspekcie nałożenia się dwóch czynników niepewności jest stosunkowo skomplikowana. Można natomiast przeprowadzić analizę wpływu każdego z czynników osobno. W celu przeprowadzenia obserwacji wpływu niepewności pomiaru na wiarygodność diagnozy przyjmijmy następujące założenia upraszczające:. Badanie diagnostyczne polega na pomiarze tylko jednej wielkości fizycznej. 2. Relacja sygnał wynik pomiaru jest obciążona niepewnością wyniku pomiaru. 3. Przedział dopuszczalnych wartości badanego sygnału jest ściśle określony. 4. Wszystkie relacje pomiędzy wynikiem pomiaru a diagnozą eksploatacyjną są jednoznaczne (zdeterminowane i w pełni wiarygodne). W takim przypadku schemat sekwencji etapów procesu diagnostycznego można przedstawić jak na Rys

45 Badanie systemu pomiarowo-diagnostycznego w aspekcie niepewności diagnozy Rys.3.3. Schemat uproszczonego łańcucha działań w procesie diagnozowania Powyższy przypadek można zilustrować również tak jak na Rys.3.4. Rys.3.4. Ilustracja wpływu niepewności pomiaru na wiarygodność symptomu stanu gdzie: x, x 2 granice przedziału dopuszczalnych wartości x dla określonego stanu obiektu; x wartość rzeczywista; x 0 wartość zmierzona (wynik pomiaru); f(x x 0 ) rozkład wartości rzeczywistej pod warunkiem otrzymania wartości x 0 oraz P 2 x x x x f x x dx x 45 x (3.) Z dotychczasowych rozważań wynikają następujące wnioski:. Na ogół przyjmuje się, że przedział dopuszczalnych wartości jest przedziałem odpowiadającym stanowi zdatności obiektu. 2. Jeżeli wartość rzeczywista wielkości mierzonej (czyli wielkości symptomowej) mieści się w przedziale dopuszczalnych wartości, to oznacza to, że obiekt jest zdatny. 3. Dla przyjętych założeń upraszczających prawdopodobieństwo zdatności obiektu jest takie jak prawdopodobieństwo tego, że wartość rzeczywista wielkości mierzonej zawiera się w przedziale wartości dopuszczalnych.

46 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Najczęściej wolno przyjąć, że niepewność wyniku pomiaru jest dobrze ilustrowana przez normalny (gaussowski) rozkład prawdopodobieństwa zdarzenia polegającego na tym, iż wartość rzeczywista wielkości mierzonej zawiera się w przedziale: 3σ x 0 3σ gdzie: - odchylenie standardowe rozkładu normalnego; niepewność standardowa wyniku pomiaru. Przypomnijmy tu, że gęstość prawdopodobieństwa wystąpienia rzeczywistej wartości sygnału badanego wyraża się wzorem: (xx o ) 2 2σ 2 p(x, x o,σ) e (3.2) 2πσ zaś prawdopodobieństwo, że wartość rzeczywista znajduje się w przedziale (x x 2 ) czyli, że obiekt jest np. w stanie zdatności, wynosi: x 2 P(x,x,σ) p(x,x,σ)dx (3.3) o Zauważmy, że prawdopodobieństwo stanu zdatności zależy nie tylko od niepewności wyniku pomiaru ale także od odległości zmierzonej wartości sygnału od granic przedziału wartości dopuszczalnych Opis stanowiska laboratoryjnego Omawiany model procesu diagnostycznego został odwzorowany w stanowisku laboratoryjnym (Rys.3.5). x o Połączenia: Rys Schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego Wyjście generatora jest połączone z wejściem analogowym karty pomiarowej. Karta PCL-88 jest integralną częścią komputera. Drukarka, monitor, klawiatura i mysz są na stałe połączone z komputerem. Opis działania układu: Sygnał z generatora z modulacją częstotliwości jest podawany na wejście karty pomiarowej PCL 88, która dokonuje konwersji analogowo-cyfrowej sygnału. 46

47 Badanie systemu pomiarowo-diagnostycznego w aspekcie niepewności diagnozy Specjalistyczny program pomiarowo-sterujący realizuje rejestrację przebiegów w pamięci komputera a następnie wylicza częstotliwość generowanego sygnału. Dla serii pomiarów program oblicza estymowaną wartość średnią i niepewność pomiaru sygnału diagnostycznego oraz prawdopodobieństwo hipotezy, że rzeczywista wartość mierzonej wielkości mieści się w zadanym przedziale wartości. W ćwiczeniu przyjmujemy, że generator stanowi obiekt diagnozowania a częstotliwość sygnału na jego wyjściu jest wielkością opisującą jego stan (czyli jest sygnałem diagnostycznym). Instrukcja użytkowania programu: Uruchomienie programu następuje poprzez wywołanie go z menu Nortona (klawisz F2) i wybranie opcji DIAG. Na ekranie pojawia się menu programu, w którym występują opcje: ZBIORY, INFORMACJE, POMIARY, WYDRUK. Wybór opcji następuje poprzez ustawienie znacznika myszy na danym napisie i jednokrotne kliknięcie lub przejście za pomocą klawisza F0 do linijki menu, ustawienie podświetlenia na odpowiednim napisie za pomocą kursorów i naciśnięcie klawisza Enter, lub wciśnięcie klawisza litery podświetlonej w wybranym napisie. W efekcie wybrania opcji następuje przejście do podmenu. Opcje podmenu a) Zbiory: ZAPIS, ODCZYT, ZAPISASK, WYJŚCIE. Po uaktywnieniu opcji ZAPIS pojawia się na ekranie okno dialogowe umożliwiające wybranie ścieżki dostępu i nadanie nazwy pliku, w którym zostaną zapisane na dysku zmierzone dane. Uaktywnienie opcji ZAPISASK umożliwia zapis na dysku dane w formacie tekstowym ASCII. Opcja ODCZYT umożliwia natomiast wybranie jednego z wcześniej zapisanych plików danych. W oknie dialogowym przedstawiona jest lista istniejących plików. Wybranie opcji WYJŚCIE powoduje zakończenie pracy programu. b) INFORMACJE - po uaktywnieniu pojawi się tekst niniejszej instrukcji. c) WYDRUK - wywołuje wydruk wcześniej przygotowanego ekranu. d) POMIARY: WIELKOŚCI NIEZALEŻNE. Wybranie podopcji powoduje przejście do procedury pomiarowej. Po uruchomieniu podopcji pomiarowej program działa w trybie graficznym i dalsze sterowanie odbywa się tylko z klawiatury za pomocą klawiszy sterujących. Opis klawiszy sterujących procedur pomiarowych F0 Wykonanie pojedynczego pomiaru. Pojawia się charakterystyczne mignięcie ekranu, co oznacza, że wykonany został pojedynczy pomiar sygnału na wyjściu generatora i układu wykonawczego oraz odpowiednie obliczenia badanych wielkości. Następnie program przechodzi w stan oczekiwania na polecenia operatora. F9 F8 Przejście do trybu pracy ciągłej. Efekt bardzo podobny do pracy oscyloskopu. Pomiary powtarzane są aż do chwili naciśnięcia dowolnego klawisza. Mignięcia ekranu sygnalizują wykonanie kolejnych pomiarów i obliczeń. Włączenie / wyłączenie rejestracji pomiarów. Naciśnięcie klawisza powoduje zmianę stanu rejestracji pomiarów do pamięci komputera. Stan jest sygnalizowany napisem w górnej części ekranu. Rejestracja powinna być włączona podczas wykonywania serii pomiarów służących do estymacji wartości średniej i niepewności. Natomiast powinna być wyłączona w pozostałych przypadkach. 47

48 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rejestracja jest automatycznie wyłączana w przypadku gdy parametry sygnałów nie spełniają zadanych wartości progowych. Przy włączonej rejestracji pomiarów jako wartość pomierzoną do obliczenia prawdopodobieństwa przyjmuje się estymowaną wartość średnią, natomiast przy wyłączonej rejestracji pomiarów przyjmuje się zmierzone wartości z ostatniego pomiaru. Shift+F Kasowanie zarejestrowanych pomiarów. Powoduje skasowanie wszystkich zarejestrowanych wartości służących do estymacji parametrów wielkości mierzonych. Esc Wyjście do głównego menu. Dotyczy podopcji i powoduje zakończenie wykonywanych operacji i zamknięcie okna wraz z przejściem do okna głównego menu. Ctrl+PrtScr Przygotowanie obrazu ekranu do wydruku. Następuje zmiana obrazu na czarno-biały, przetworzenie i zapamiętanie obrazu oraz powrót do kolorowego obrazu. Wykonanie tej operacji jest koniecznie by następnie można było dokonać wydruku zapamiętanego ekranu za pomocą opcji WYDRUK z menu głównego. Kursory poziome Zmiana wartości środkowej przedziału diagnostycznego (dokładnie). Ctrl+ Kursory poziome Zmiana wartości środkowej przedziału (zgrubne). Kursory pionowe Zmiana szerokości przedziału diagnostycznego. Wymienione klawisze pozwalają na sterowanie pomiarem i przetwarzaniem danych w zależności od wybranych opcji Zadanie laboratoryjne Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego: a) Sprawdzić, czy do wejść płytki pomiarowej karty PCL88 są podłączone odpowiednie sygnały. b) Włączyć komputer, monitor i przygotować drukarkę. c) Uruchomić program pomiarowy. Objaśnienie pojęć i użytych oznaczeń - wartość środkowa przedziału wartości dopuszczalnych (tu: przedziału diagnostycznego charakteryzującego stan zdatności): x x 2 xsr.. (3.4) 2 - względne odchylenie od wartości środkowej przedziału diagnostycznego: x 0 xsr Δx r 2 (3.5) x 2 x - względna niepewność pomiaru: σ σr 2 (3.6) x 2 x - wiarygodność pozytywnej diagnozy (prawdopodobieństwo, że obiekt jest w stanie zdatności): 48

49 Badanie systemu pomiarowo-diagnostycznego w aspekcie niepewności diagnozy P x x x x Rx,x, (3.7) x0 Pomiary: a) Ustawić parametry generatora i wartości przedziałów oraz wykonać co najmniej 30 pomiarów przy włączonej rejestracji w celu określenia niepewności pomiaru. Zmodyfikować ustawienia generatora tak, by niepewność pomiaru wynosiła około 0, szerokości przedziału diagnostycznego. Względną niepewność pomiaru wpisać do tabeli 3.. b) Wyłączyć rejestrację i wykonać pojedynczy pomiar. c) Ustawić przedział diagnostyczny tak, by jego wartość środkowa była równa wartości zmierzonej, czyli by względne odchylenie od środka przedziału wynosiło 0. d) Przyjmując, że niepewność pomiaru w danym cyklu pomiarowym się nie zmienia odczytać prawdopodobieństwo zdatności i wpisać do tabeli 3.. e) Zmieniając położenie przedziału diagnostycznego odczytać prawdopodobieństwo zdatności dla wartości względnego odchylenia od środka przedziału wyszczególnionych w tabeli 3.. f) Powtórzyć czynności z punktów a) e) dla względnej niepewności około 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,7; ;,5. Prawdopodobieństwo zdatności obiektu w funkcji odchylenia i niepewności względnej tabela 3.. Tabela 3.. Odchylenie względne Niepewność względna Z R -,50 -,0 -,05 -,00-0,95-0,90-0,50 0,00 0,50 0,90 0,95,00,05,0,50 0,0 0,20 0,30 0,40 0,50 0,70,00,50 gdzie: Z założona niepewność względna; R rzeczywista niepewność względna (patrz wyrażenie 3.6) 3.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wykresy: - prawdopodobieństwa zdatności diagnozowanego obiektu w funkcji odchylenia sygnału diagnostycznego od środka przedziału zdatności przy stałej niepewności pomiaru; - prawdopodobieństwa zdatności w funkcji niepewności pomiaru przy stałej wartości sygnału diagnostycznego; 49

50 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium - niepewności pomiaru w funkcji odchylenia sygnału diagnostycznego od środka przedziału zdatności przy stałym prawdopodobieństwie zdatności. wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 3 podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz.. Podstawy diagnostyki technicznej, Wyd. WAT 2000 oraz z treścią rozdziału 5 (a szczególnie pkt. 5.5) podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Zdefiniować znaczenie pojęć: sprawdzenie, wynik sprawdzenia, objaw, syndrom, prawdopodobieństwo stanu niezdatności i zdatności, koszt sprawdzenia, niepewność pomiaru. 2. Omówić wpływ wartości sygnału diagnostycznego i niepewności pomiaru na prawdopodobieństwo stanu zdatności. 3. Omówić właściwości rozkładu normalnego zmiennej losowej. 4. Na czym polega badanie diagnostyczne i co jest efektem tego badania? 5. Od czego zależy wiarygodność diagnozy? 6. Na czym polega wnioskowanie pomiarowe i co jest efektem tego wnioskowania? 7. Jak oblicza się wiarygodność symptomu? 8. Na czym polega wnioskowanie syndromowe i co jest efektem tego wnioskowania? 9. Na czym polega wnioskowanie strukturalne i co jest efektem tego wnioskowania? 0. Na czym polega wnioskowanie eksploatacyjne i co jest efektem tego wnioskowania? 50

51 ĆWICZENIE 4 WYZNACZANIE OPTYMALIZOWANYCH PROCEDUR DIAGNOSTYCZNO-OBSŁUGOWYCH Cel ćwiczenia: - zapoznanie z podstawowymi metodami wyznaczania optymalizowanych procedur diagnozowania (m. in. z metodą skuteczności informacyjnej, z metodą podziału połówkowego); - dyskusja pojęć: sprawdzenie, wynik sprawdzenia, symptom, syndrom, warunkowe i bezwarunkowe prawdopodobieństwo stanu, warunki badania, koszt sprawdzenia, wartość oczekiwana kosztu diagnozowania, wartość oczekiwana liczby sprawdzeń. Przedmiot ćwiczenia: obiekt diagnozowania w postaci laboratoryjnego układu elektrycznego Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowe programy do wyznaczania procedur diagnozowania: DIAGNOSTA, DIAGNOSIS-2, PODZ-POŁÓWK ; zasilacz prądu stałego 2/24V, 00mA; woltomierz; amperomierz. 4.. Podstawy teoretyczne i założenia Rozróżnia się dwa rodzaje stanów obiektu technicznego: stany techniczne, stany funkcjonalne. Obiekt techniczny znajduje się zawsze w stanie technicznym, zdeterminowanym przez jego strukturę konstrukcyjno-technologiczną Stan techniczny opisany jest zbiorem technicznych wielkości opisujących (są to np. rezystancje rezystorów, pojemności kondensatorów, wymiary elementów, siły napięcia statycznego sprężyn, wartości spoczynkowego luzu między współpracującymi elementami kinematycznymi itp.). 5

52 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium W zależności od wartości zbioru technicznych wielkości opisujących, rozróżnia się stan zdatności lub niezdatności technicznej. Techniczny stan zdatności umożliwia wprowadzenie obiektu w stan funkcjonalny, wymagany w procesie użytkowania, jeśli równocześnie obiekt jest odpowiednio zasilany, otrzymuje odpowiednie pobudzenie sterujące oraz poddany jest odpowiednim oddziaływaniom zewnętrznym. Bezpośrednie diagnozowanie i dozorowanie stanu technicznego jest zazwyczaj utrudnione, ponieważ wymaga częściowego lub pełnego demontażu obiektu. Łatwiejsze i tańsze jest diagnozowanie stanu funkcjonalnego i na tej podstawie wnioskowanie o stanie technicznym (czyli formułowanie diagnozy stanu technicznego). Ułatwia to także stosowanie progowych metod pomiarowych. Wiarygodność diagnozy funkcjonalnej zależy istotnie od liczności zbioru wielkości opisujących stan funkcjonalny oraz od wiarygodności symptomów opisujących stan funkcjonalny odpowiadający określonemu stanowi technicznemu. Prostym przykładem obiektu technicznego może być obwód elektryczny, złożony z elementów o charakterze rezystancyjnym, którego uproszczony schemat pokazuje Rys.4.. Rys. 4.. Schemat obiektu badań diagnostycznych (obwodu 2-oczkowego) Oznaczenia: M M4 moduły podlegające diagnozowaniu; M5, M6 moduły nieuszkadzające się (nie wymagające diagnozowania); d d4 sprawdzenia polegające na pomiarze napięcia pomiędzy wskazanymi punktami obwodu; d5 sprawdzenie polegające na pomiarze prądu na wejściu obwodu Zauważmy, że: Jeśli wartości rezystancji poszczególnych elementów mieszczą się w wymaganych granicach, to stan techniczny pozwala uzyskać wymagany stan funkcjonalny. Dla rozpatrywanego obwodu można przyjąć, że implikacja ta jest odwracalna. Zatem stwierdzenie istnienia wymaganego stanu funkcjonalnego uprawnia do sformułowania wniosku o istnieniu wymaganego stanu technicznego. 52

53 Wyznaczanie optymalizowanych procedur diagnostyczno-obsługowych Włączenie zasilania badanego obwodu powoduje przepływ prądu elektrycznego. Równocześnie pojawiają się spadki napięć na wszystkich elementach rezystancyjnych. Jest to równoznaczne z wytworzeniem określonego stanu funkcjonalnego przedmiotowego obiektu. Prąd elektryczny i spadki napięć stanowią wielkości opisujące stan funkcjonalny. Pomiar prądu i spadków napięć oraz analiza uzyskanych wyników umożliwia sformułowanie diagnozy funkcjonalnej a na jej podstawie sformułowanie diagnozy o stanie technicznym badanego obiektu (czyli hipotezy o stanie połączeń i o wartościach rezystancji elementów tworzących badany obwód elektryczny). Badany obiekt składa się z sześciu modułów M M6. Przyjmijmy następujące oznaczenia i założenia: U Z = 2 V znamionowe napięcie zasilające; I Z 24 ma znamionowa wartość prądu w module M; U spadek napięcia na module M; U 2 spadek napięcia na module M2; U 3 spadek napięcia na module M3; U 4 spadek napięcia na modułach M4 oraz M6 (łącznie).. Identyfikacja stanu technicznego (czyli struktury konstrukcyjno-technologicznej) obiektu odbywa się w oparciu o wartości sygnałów funkcjonalnych (założenie to umożliwia realizację dozorowania stanu obiektu). 2. Celem diagnozowania jest wykrycie niezdatności typu przerwa w obwodzie (tj. przerwa w określonym module obwodu, Rys.4.). 3. Diagnozowanie wymagane jest jedynie w odniesieniu do modułów M M4. 4. Konsekwencją zał. 2 i 3 jest następujący zbiór rozróżnialnych technicznych stanów obiektu: E stan zdatności obiektu; E 0 stan niezdatności obiektu polegający na niezdatności typu przerwa w module M; E 02 stan niezdatności obiektu polegający na niezdatności typu przerwa w module M2; E 03 stan niezdatności obiektu polegający na niezdatności typu przerwa w module M3; E 04 stan niezdatności obiektu polegający na niezdatności typu przerwa w module M4. 5. Badany obiekt (obwód elektryczny) zasilany jest napięciem stałym o wartości znamionowej 2V. 53

54 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 6. W celu wykonania sprawdzeń dostępne są jedynie punkty pomiarowe o numerach:, 5, 9, Przypomnijmy, że efektem sprawdzenia jest opis symptomu (objawu stanu). W celu skonkretyzowania relacji: wynik pomiaru-symptom (co jest istotą wnioskowania pomiarowego) przyjmijmy, że każda z mierzonych wielkości funkcjonalnych (tj. prąd i napięcie) może przyjmować wartość zerową (która charakteryzuje np. stan braku zasilania) lub wartość dopuszczalną (która charakteryzuje np. stan pełnej zdatności obiektu) lub wartość niedopuszczalną (istotnie różną zarówno od zera jak i od wartości dopuszczalnej - co może wskazywać np. na stan częściowej niezdatności obiektu). 8. Każde sprawdzenie może dać jeden z dwu wyników (symptomów): wynik (symptom) pozytywny gdy wartość sygnału zawiera się w przedziale odpowiadającym stanowi zdatności obiektu czyli w przedziale dopuszczalnym; 0 wynik (symptom) negatywny gdy wartość sygnału znajduje się poza przedziałem odpowiadającym stanowi zdatności obiektu czyli w przedziale niedopuszczalnym lub ma wartość zerową. 9. Na podstawie zał. 4 oraz 7 i 8 można sporządzić tzw. tabelę diagnostyczną (Tab. 4.) oraz jej postać skróconą (Tab. 4.2) tzw. macierz diagnostyczną - wymaganą przez komputerowy program Diagnosta wyznaczający optymalizowaną procedurę diagnozowania badanego obiektu. Tabela relacji diagnostycznych Tabela 4.. Symptomy funkcjonalne \ stany techniczne E E 0 E 02 E 03 E 04 Wart. nap. U -5 0 < U -5 < U z U -5 = U z 0 < U -5 < U z 0 < U -5 < U z 0 < U -5 < U z Symptom D 0 Wart. nap. U < U 5-9 < U z U 5-9 = 0 0 < U 5-9 < U z 0 < U 5-9 < U z U 5-9 = 0 Symptom D Wart. nap. U < U 5-7 < U z U 5-7 = 0 0 < U 5-7 < U z 0 < U 5-7 < U z 0 < U 5-7 < U z Symptom D 3 0 Wart. nap. U < U 9-7 < U z U 9-7 = 0 U 9-7 = 0 0 < U 9-7 < U z 0 < U 9-7 < U z Symptom D Wart. prądu A I = I z I = 0 0 < I < I z 0 < I << I z 0 < I < I z Symptom D

55 Wyznaczanie optymalizowanych procedur diagnostyczno-obsługowych Macierz diagnostyczna Tabela 4.2. Symptomy \ stany E E 0 E 02 E 03 E 04 Symptom D 0 Symptom D Symptom D 3 0 Symptom D Symptom D Syndrom stanu E Syndrom stanu E 0 Syndrom stanu E 02 Syndrom stanu E 03 Syndrom stanu E Opis stanowiska laboratoryjnego Układ pomiarowy tworzy strukturę pokazaną na Rys.4.2. Rys Schemat układu badawczego Obiekt diagnozowania (układ elektryczny) posiada strukturę pokazaną na Rys.4.3 oraz 4.4. Rys.4.3. Schemat połączeń badanego układu Oznaczenia: e i elementy konstrukcyjno-funkcjonalne; W i elementy manipulacyjne (wyłączniki) 55

56 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rys.4.4. Schemat struktury funkcjonalno-diagnostycznej badanego układu Oznaczenia: M i moduły funkcjonalno-diagnostyczne; M M4 moduły podlegające diagnozowaniu; M5, M6 moduły nieuszkadzające się (nie wymagające diagnozowania); M7 moduł nieobjęty procedurą diagnozowania (wyłączony z funkcjonowania w niniejszym ćwiczeniu) Ustawienia wyłączników w celu wprowadzenia określonego stanu obiektu: Nr wyłącznika Uwaga: Symulowane stany obiektu Tabela 4.3 E E 0 E 02 E 03 E 04 W 0 W2 W3 0 W W W W7 W W9 W0 0 W 0 Stan zdatności Niezdatny M (przerwa) Niezdatny M2 (przerwa) wyłącznik zamknięty; 0 wyłącznik otwarty Niezdatny M3 (przerwa) Niezdatny M4 (przerwa) 56

57 Wyznaczanie optymalizowanych procedur diagnostyczno-obsługowych 4.3. Zadanie laboratoryjne. Zdefiniować symptomy i zidentyfikować syndromy towarzyszące wyróżnionym stanom funkcjonalnym i na tej podstawie sformułować diagnozy o stanach technicznych badanego obwodu. 2. Przeprowadzić analizę właściwości metody skuteczności informacyjnej oraz zapoznać się użytkowymi walorami komputerowego programu Diagnosta. 3. Korzystając z programu Diagnosta wyznaczyć optymalną procedurę diagnozowania badanego układu (przykładową postać takiej procedury ilustruje Rys. 4.4). 4. Przeprowadzić weryfikacyjne diagnozowanie badanego układu posługując się wyznaczoną wcześniej procedurą (dla kilku określonych przez prowadzącego ćwiczenie stanów technicznych badanego układu). E ve 0 ve 02 ve 03 ve 04 D 5 0 E 0 ve 02 ve 03 ve 04 d 5 D 5 E D 2 0 d 2 D 2 E 0 ve 04 E 02 ve 03 D 0 d D D 4 0 d 4 D 4 E 0 E 04 E 03 E 02 Rys.4.5. Procedura diagnozowania w postaci dendrytu 57

58 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 4.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wyniki pomiarów i wnioskowania pomiarowego (tabele 4.., 4.2.); wyznaczoną optymalną procedurę diagnozowania (dendryt); wnioski z przeprowadzonych badań diagnostycznych i dyskusji. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 3, rozdziału 7 oraz Dodatku (Przykłady syntezy programów badania diagnostycznego) podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz.. Podstawy diagnostyki technicznej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Co to jest proces diagnozowania? Jaki jest cel realizacji tego procesu? 2. Jakie są główne fazy (etapy) procesu diagnozowania? 3. Co to jest diagnozowanie użytkowe? Co to jest diagnozowanie obsługowe? 4. Jakie czynności składają się na badanie diagnostyczne? 5. Jakie są etapy (poziomy) wnioskowania diagnostycznego? 6. Na czym polega wnioskowanie pomiarowe i co jest efektem tego wnioskowania? 7. Jaki jest efekt wnioskowania syndromowego? 8. Jaki jest efekt wnioskowania strukturalnego? 9. Jaki jest efekt wnioskowania eksploatacyjnego? 0. Co to jest symptom (objaw) stanu? Co to jest syndrom stanu?. Wymienić ważniejsze metody organizacji procesu diagnozowania. 2. Co to jest entropia wyniku badania diagnostycznego (entropia symptomu)? 3. Co to jest wskaźnik skuteczności informacyjnej sprawdzenia diagnostycznego? 4. Na czym może polegać optymalizacja procedury diagnostycznej? Jakie może być kryterium optymalności? 5. Dlaczego warto dążyć do kompatybilności struktury diagnostycznej i struktury obsługowej? 6. Jaka jest różnica między diagnozowaniem sondującym a dozorowaniem? 7. Zinterpretować procedurę diagnozowania na przykładzie dendrytu. 58

59 ĆWICZENIE 5 BADANIE WYBRANYCH STRUKTUR NIEZAWODNOŚCIOWYCH Cel ćwiczenia: ilustracja praktycznego sposobu wyznaczania wybranych wskaźników opisujących niezawodność typowych struktur niezawodnościowych. Przedmiot ćwiczenia: wirtualne modele struktur niezawodnościowych. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowy program LOS-20L.PAS umożliwiający badanie niezawodności obiektów o wybranych strukturach niezawodnościowych. 5.. Podstawy teoretyczne i założenia Rozpatrzmy 4 przykładowe obiekty eksploatacji o typowych strukturach niezawodnościowych. OBIEKT Struktura obiektu jest jednoelementowa jak na Rys.5.. Rys.5.. Obiekt o strukturze jednoelementowej e Załóżmy, że prawdopodobieństwo nieuszkodzenia się tego elementu ma znaną postać rozkładu wykładniczego: λ et R(t) e (5.) gdzie: e intensywność uszkodzeń elementu (jest to wskaźnik charakteryzujący niezawodność obiektu - a równocześnie jest to parametr rozkładu wykładniczego). 59

60 Podstawy eksploatacji systemów Laboratorium Przyjmijmy ponadto, że: e = = const; oraz, że wartość e nie jest znana. Wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń obiektu w przypadku wykładniczego rozkładu prawdopodobieństwa nieuszkadzalności obiektu (tj. prawdopodobieństwa pozostawania obiektu w stanie zdatności) wyznaczyć można z zależności: λ (5.2) Tu gdzie: T u wartość oczekiwana czasu do uszkodzenia obiektu. OBIEKT 2 Obiekt 2 składa się z N szeregowo połączonych elementów jak na Rys.5.2. Obiekt ten przedstawia szeregową strukturę niezawodnościową. Oznacza to, że obiekt jest tylko wtedy zdatny, gdy wszystkie jego elementy są zdatne. e e 2 e 3 e N Rys Obiekt o szeregowej strukturze niezawodnościowej Prawdopodobieństwo nieuszkadzalności dla takiego obiektu zapisujemy w postaci: R SzN λ t λ 2t λ Nt λ it λ λ 2 λ N t t R t R t R t e e e e e 2 N N i (5.3) gdzie: i intensywność uszkodzeń elementu e i. Można wykazać, że również w przypadku takiego obiektu wartość oczekiwana czasu do uszkodzenia może być wyznaczona z zależności: Jeśli przyjmiemy, że: λ T uszn λ λ λ to otrzymujemy: 2 N R SzN λt N N λt e e (t) oraz (5.4) N Σ λ i i T uszn (5.5) N λ 60

61 Badanie wybranych struktur niezawodnościowych Badany w ćwiczeniu obiekt jest 2-elementowy o strukturze jak na Rys.5.3. Elementy składowe obiektu mają jednakowe właściwości niezawodnościowe, takie same jak w obiekcie. e e 2 Rys.5.3. Obiekt o strukturze szeregowej, dwuelementowej Zatem dla N = 2 mamy: R Sz2 λt 2 2λt e e (t) oraz T usz2 (5.6) 2λ OBIEKT 3 Obiekt 3 składa się z N równolegle połączonych elementów jak na Rys.5.4. Obiekt ten przedstawia równoległą strukturę niezawodnościową z rezerwą obciążoną. Obiekt jest wtedy zdatny, gdy co najmniej jeden jego element jest zdatny. Zauważmy, że w tym przypadku wszystkie elementy pracują od początku funkcjonowania obiektu. e e 2 e N Rys Obiekt o równoległej strukturze niezawodnościowej z rezerwą obciążoną Prawdopodobieństwo nieuszkadzalności dla takiego obiektu zapisujemy w postaci: R RObcN Jeśli przyjmiemy, że: t R t R t R t 2 N λ e e e e t λ 2t λ Nt λ it ; t 0 i N (5.7) λ λt λ λ λ to otrzymujemy: R (t) e N (5.8) 2 N RObcN 6

62 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Wartość oczekiwaną czasu do uszkodzenia obiektu o strukturze równoległej obciążonej wyznaczyć można z następującego wyrażenia: T urobcn 2 0 R RObcN N (t)dt λ e 0 e λ et 0,577 ln NT ue N dt gdzie: λ e intensywność uszkodzeń elementu e; T ue - wartość oczekiwana czasu do uszkodzenia elementu e. Obiekt będący przedmiotem ćwiczenia posiada 2-elementową strukturę jak na Rys.5.5. (5.9) e e 2 Rys.5.5. Obiekt o strukturze równoległej, dwuelementowej z rezerwą obciążoną Elementy obiektu posiadają jednakowe właściwości niezawodnościowe, takie same jak element obiektu. Zatem dla N = 2: T,5,5 λ λ λt urobc2,5 T ue oraz R 2 RObc2(t) e e (5.0) OBIEKT 4 Obiekt 4 składa się z N równolegle połączonych elementów, tak jak na Rys.5.6. Obiekt ten przedstawia równoległą strukturę niezawodnościową z rezerwą nieobciążoną. Obiekt jest wtedy zdatny, gdy co najmniej jeden jego element jest zdatny. Zauważmy, że w tym przypadku funkcjonowanie obiektu rozpoczyna się od uruchomienia -ego elementu (podstawowego). Pozostałe elementy początkowo nie pracują. Po uszkodzeniu pierwszego elementu zostaje uruchomiony drugi element (rezerwowy), po jego uszkodzeniu następny, itd. Zakładamy, że przełączenia odbywają się niezawodnie. 62

63 Badanie wybranych struktur niezawodnościowych e e 2 e N Rys Obiekt o równoległej strukturze niezawodnościowej z rezerwą nieobciążoną Wartość oczekiwana czasu do uszkodzenia obiektu wynosi: T urnobc Tu Tu2 TuN (5.) a prawdopodobieństwo nieuszkodzenia się obiektu do chwili t: R RNobcN t 2 3 N λt λt λt... 2! 3! N! λt λt e (5.2) Obiekt, który jest przedmiotem ćwiczenia posiada 2-elementową strukturę, jak na Rys.5.7. e e 2 Rys.5.7. Obiekt o strukturze równoległej, dwuelementowej z rezerwą nieobciążoną Elementy obiektu mają jednakowe właściwości niezawodnościowe, takie same jak element w obiekcie. Zatem dla N = 2: T oraz R t λt e λt urnobc2 2 Tue RNobc2 (5.3) 5.2. Opis stanowiska laboratoryjnego Ćwiczenie ma charakter badań symulacyjnych prowadzonych na komputerze PC przy użyciu programu obliczeniowego LOS-20L.pas. Niezbędne informacje użytkowe wyświetlane są na ekranie komputera. 63

64 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 5.3. Zadanie laboratoryjne Należy przeprowadzić badania niezawodności obiektów elektronicznych o strukturach jak w obiektach, 2, 3 i 4 a wyniki wpisać do tabeli 5.. Zachować następujące warunki badań: - zbiór tworzący badaną próbę zawiera N elementów; - elementów uszkodzonych nie zastępuje się nowymi; - badanie trwa do chwili uszkodzenia się wszystkich elementów w próbie; - całkowity czas badania wynosi T b jednostek umownych czasu (np. godz.). Czas ten należy podzielić na m = 20 jednakowych przedziałów o długości: Δt i = Δt = T b /m; (i =,2,..., m). Każdemu przedziałowi należy przyporządkować następujące, bieżące czasy trwania próby: czas t ip liczony od chwili rozpoczęcia eksperymentu do początku przedziału Δt i ; czas ten określa wyrażenie: t 0 dla i, ip t ip i k t k dla i 2 czas t is liczony od chwili rozpoczęcia eksperymentu do środka przedziału Δt i ; czas ten określa wyrażenie: i t i dla i t is 2 k t, is t k t i 2 dla i 2 W eksperymencie symulacyjnym należy wyznaczyć: liczbę n k elementów uszkodzonych w każdym przedziale czasowym Δt i.; liczbę elementów n i, które uszkodziły się od chwili rozpoczęcia badania do początku przedziału Δt i, na podstawie wyrażenia: n 0 dla i, i n i i k n k dla i 2 Na podstawie wyników eksperymentów obliczyć dla obiektów o badanych strukturach: prawdopodobieństwo nieuszkadzalności (w funkcji czasu, tu jest to równoznaczne z numerami przedziałów obserwacji): N ni ni R t is N N prawdopodobieństwo uszkadzalności (w funkcji czasu): (5.4) 64

65 Badanie wybranych struktur niezawodnościowych Q t is n i N (5.5) częstość uszkodzeń (w funkcji czasu): n i f t is (5.6) N t współczynnik intensywności uszkodzeń: n i t is (5.7) N n i t i i średni czas do pierwszego uszkodzenia: m Tu n i t N i is (5.8) Wyniki badań i obliczeń umieścić w tabeli 5.. Tabela 5.. CZAS OBIEKT OBIEKT 2 OBIEKT 3 OBIEKT 4 i f i R i n i n i i f i R i n i n i i f i R i n i n i i f i R i n i n i t ip t is i Oznaczenia: i - numer przedziału; t ip - czas do początku przedziału i; 65

66 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium t is - czas do środka przedziału i; n i liczba uszkodzeń w przedziale i; n i liczba uszkodzeń do początku przedziału i; R i nieuszkadzalność; f i częstość uszkodzeń; i intensywność uszkodzeń 5.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wyniki pomiarów (tabela 5.); wykresy wyznaczonych wskaźników niezawodnościowych w funkcji czasu pracy obiektów; wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 3 i rozdziału 4 oraz Dodatku 2 (Przykłady obliczania wskaźników i charakterystyk niezawodności) podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Wymień podstawowe struktury niezawodnościowe. 2. Co oznacza termin struktura niezawodnościowa? 3. Jak jest różnica między strukturą niezawodnościową a na przykład konstrukcyjną, funkcjonalną czy diagnostyczną? 4. Po co stosuje się różne, złożone struktury niezawodnościowe? 5. Co to jest nieuszkadzalność obiektu? 6. Jaki jest związek między nieuszkadzalnością R(t) a intensywnością uszkodzeń obiektu λ(t)? 7. Jak można wyznaczyć wartość oczekiwaną czasu do uszkodzenia T u obiektu eksploatacji? 8. Jaką zależność przedstawia wzór Wienera? 9. W przypadku jakich obiektów i jakich uszkodzeń można przyjmować, że gęstość prawdopodobieństwa czasu zdatności posiada charakter rozkładu wykładniczego? 0. Jaka jest różnica, w aspekcie niezawodności, między obiektem o strukturze równoległej nieobciążonej a równoległej obciążonej? 66

67 ĆWICZENIE 6 KOMPUTEROWY SYSTEM WSPOMAGAJĄCY PROCESY DIAGNOSTYCZNO-OBSŁUGOWE Cel ćwiczenia: zapoznanie z metodyką tworzenia, strukturą i właściwościami użytkowymi komputerowego systemu wspomagającego proces diagnozowania; dyskusja pojęć: relacje diagnostyczne, badanie diagnostyczne, wnioskowanie diagnostyczne, procedury obsługowe, procedury diagnostyczno-obsługowe, objawy, syndromy, baza wiedzy, czynny i bierny eksperyment diagnostyczny. Przedmiot ćwiczenia: obiekt diagnozowania: układ elektroenergetyczny śmigłowca W-3 Sokół Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowy program wspomagający proces diagnostyczno-obsługowy: SYDIOS 6.. Podstawy teoretyczne i założenia Analiza czynności inżyniera eksploatacji wykazuje, że system wspomagający te czynności powinien spełniać przynajmniej trzy funkcje. Funkcja. Polega ona na doradzaniu wyboru kolejnych operacji (czynności) tworzących konkretne sekwencje procedur diagnostyczno-terapeutycznych. Jest to istotne dla repertuaru działań, przewidywanych w obowiązujących (nakazanych administracyjnie) instrukcjach. Funkcja 2. Polega ona na ułatwianiu inżynierowi (operatorowi systemu eksploatacji) wyszukiwania informacji potrzebnych do syntezy procedur diagnostycznoterapeutycznych. Jest to istotne w tych przypadkach, które nie są przewidziane w instrukcjach, a inżynier zmuszony jest samodzielnie zaprojektować procedurę. Można wyróżnić dwa rodzaje źródeł informacji wspomagających inżyniera: dokumentacja producenta, zawierająca opisy elementów obiektu i ich funkcji; należy przy tym pamiętać, że przygotowanie dokumentacji wystarczającej we wszystkich przypadkach, które mogą zdarzyć się w eksploatacji jest praktycznie niemożliwe; 67

68 Podstawy eksploatacji systemów Laboratorium symulatory komputerowe, pozwalające wprowadzać różne sytuacje eksploatacyjne (nie przewidziane w instrukcjach ani w dokumentacji) i obserwować reakcję symulowanych obiektów; warunkiem przydatności symulatora jest oczywiście wystarczająco adekwatny model matematyczny symulowanego obiektu. Funkcja 3. Polega ona na ułatwieniu inżynierowi tworzenia bieżącej dokumentacji wymaganej przepisami oraz na ułatwieniu prowadzenia notatek własnych. W nawiązaniu do wymienionych funkcji buduje się realizujące je moduły składowe systemu wspomagającego. Konstrukcja modułowa ułatwia adaptację do różnych wersji i typów eksploatowanych obiektów. Rys.6.. Ogólna struktura systemu (pakietu programowego) SYDIOS Przyjmijmy, że (Rys.6.): funkcję realizuje moduł o nazwie KOREPETYTOR; funkcję 2 realizują dwa moduły: INSTRUKTOR, zawierający opisy w różnych postaciach oraz mechanizmy wyszukiwania informacji; SYMULATOR, zawierający jeden lub więcej modułów (submodułów) symulacyjnych, służących do symulacji procesów funkcjonalnych; funkcję 3 realizuje moduł o nazwie DOKUMENTATOR Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Korepetytor ) Moduł powinien dokonywać syntezy porad dotyczących postępowania operatora w procesie diagnostyczno-obsługowym. Proponowane przez moduł hipotezy 68

69 Komputerowy system wspomagający procesy diagnostyczno-obsługowe diagnostyczne (możliwe w określonej sytuacji diagnozy) i decyzje terapeutyczne (polecenia wykonania czynności przywracających pożądany stan) powinny być oparte na zbiorze relacji implikacyjnych (tj. relacji typu: stan syndrom oraz typu: syndrom informacja o stanie) zawartych w bazie wiedzy modułu. 2) Użytkowanie modułu powinno polegać na wprowadzaniu przez operatora informacji o warunkach pracy obiektu oraz obserwowanych (rejestrowanych) objawach stanu i uzyskiwaniu porad (podpowiedzi) dotyczących dalszego postępowania z obiektem obsługiwanym. Kolejne wprowadzanie (przez operatora) informacji o zrealizowanych czynnościach obsługowych oraz uzyskanych informacjach diagnostycznych powinno pozwalać na tworzenie odpowiednich ścieżek dialogowych, kończących się diagnozami lub zbiorami hipotez diagnostycznych. 3) Struktura modułu Korepetytora powinna zawierać trzy szkieletowe procedury diagnostyczno-terapeutyczne, a mianowicie: procedury rutynowe (Rys.6.2); procedury objawowe (Rys.6.3); procedury układowe (Rys.6.4). 4) Mechanizm Korepetytora powinien umożliwiać wypełnianie struktur szkieletowych sekwencjami relacji implikacyjnych, odpowiednimi do konkretnego przypadku. Oznacza to możliwość tworzenia ścieżek dialogowych dla każdej, przewidywanej sytuacji diagnostyczno-terapeutycznej. 5) Dla potrzeb algorytmizacji procedur diagnostycznych konieczne jest dokładne określenie warunków przeprowadzanych badań, sklasyfikowanie możliwych wyników oraz jednoznaczne przyporządkowanie diagnoz i dalszych działań do zaobserwowanych syndromów. 6) Materiały źródłowe modułu Korepetytora powinny mieć postać tekstową (listy i zestawienia tabelaryczne) oraz postać graficzną (schematy procedur diagnostycznych). 7) Moduł Korepetytora powinien posiadać mechanizm zapewniający zapis historii każdej zrealizowanej ścieżki dialogowej wraz z zapisem archiwalnym (np. na innym dysku). 8) Moduł Korepetytora powinien posiadać mechanizmy współpracy z innymi modułami systemu wspomagającego. W szczególności: mechanizm automatycznego zapisu istotnych informacji w formularzach modułu Dokumentatora; mechanizm odwołania się do modułu Instruktora; mechanizm przejścia do modułu Symulatora. 9) Moduł Korepetytora należy zaprojektować tak by mógł być używany przez wielu użytkowników podczas następujących po sobie sesji. Na przykład różni operatorzy powinni mieć możliwość diagnozowania różnych obiektów (tu: śmigłowców) lub różnych układów tego samego obiektu. 0) Program powinien rozpoczynać pracę od wyświetlenia pierwszego, wyróżnionego ekranu z listą obiektów wraz z informacją o stanie rozpoczętych wcześniej procedur diagnostyczno-obsługowych. Po wybraniu obiektu badania użytkownik powinien mieć możliwość rozpoczęcia nowej procedury lub kontynuowania już rozpoczętej Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Instruktor Koncepcja struktury modułu powinna uwzględniać co najmniej następujące elementy: 69

70 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium ) Przyzwyczajenia użytkowników do struktury i formy różnych instrukcji (i innej dokumentacji diagnostyczno-obsługowej) w postaci papierowej. Zastosowanie tej zasady obniża wymagania odnośnie zmiany modelu myślowego użytkowników przyzwyczajonych do klasycznej formy dokumentacji. Zmniejsza to psychiczne opory użytkowników i ułatwia wdrożenie Instruktora do praktyki eksploatacyjnej. 2) Obrazy wywoływane na ekranie monitora komputerowego powinny stanowić możliwe do wyodrębnienia, całościowe grupy informacji, np. listę danych technicznych urządzenia, schemat, rysunek itp. 3) Celowe jest równoczesne pokazywanie dwu (lub nawet więcej) grup informacji skojarzonych (w sposób wybrany przez użytkownika), np.: schemat opis tekstowy; schemat wybranego elementu na schemacie jego opis; schemat ogólny powiększenie wybranego fragmentu schematu, itp. Efekt taki można uzyskać przez programowe dzielenie ekranu monitora lub (lepiej) przez zastosowanie dwu (lub więcej) monitorów. 4) Struktura modułu powinna umożliwiać usuwanie jego fragmentów i wprowadzanie innych. Jest to wskazane ze względu na ewentualne zmiany przepisów, zaleceń itp. nakazywanych administracyjnie. 5) Wprowadzanie zmian powinno być udostępnione tylko osobom upoważnionym, odpowiedzialnym za aktualną treść modułu. 6) Organizacja modułu powinna umożliwiać stosowanie różnych poziomów złożoności, w zależności od wymagań użytkownika, np.: Poziom. Struktura modułu wiernie odtwarza strukturę instrukcji obsługi. Stanowi zatem wersję elektroniczną dokumentacji papierowej. Poziom 2. Moduł zawiera wszystkie zalety jak dla poziomu a ponadto zawiera rozbudowane mechanizmy wyszukiwania i selekcji informacji Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Symulator ) Moduł powinien umożliwiać realizację eksperymentów diagnostyczno-terapeutycznych ukierunkowanych na: - weryfikację hipotez diagnostycznych; - syntezę syndromów; - analizę wpływu wymuszeń (sterowań) na charakterystyki funkcjonalne obiektu (w tym także na postać objawów). 2) Struktura modułu powinna umożliwiać symulację zarówno stanów statycznych jak i procesów dynamicznych obiektu eksploatacji. 3) Użytkownik modułu powinien mieć możliwość wyboru: - fragmentu obiektu i zbioru charakterystyk, które mają być symulowane; - wymuszeń (sterowań) działających na obiekt, dla których ma być przeprowadzona symulacja; 70

71 Komputerowy system wspomagający procesy diagnostyczno-obsługowe - stanu obiektu (np. rodzaju stanu niezdatności), dla którego ma być przeprowadzona symulacja. 4) Symulator powinien generować wyniki symulacji w postaci zrozumiałej nawet dla niedoświadczonego użytkownika systemu doradczego. 5) Interfejs graficzny modułu powinien umożliwiać łatwy i jednoznaczny wybór wariantu symulacji oraz korzystanie z Symulatora bez konieczności przerywania działania innych modułów systemu doradczego Wybrane elementy metodyki syntezy modułu Dokumentator ) Moduł Dokumentatora powinien zawierać formularze wszystkich dokumentów tworzonych przez operatora określonego szczebla systemu eksploatacji Synteza modułu tego typu wymaga: zebrania informacji o typach dokumentów wymaganych w rozpatrywanej jednostce organizacyjnej; należy zwrócić uwagę, że mogą występować różnice dotyczące zbioru wymaganych dokumentów w różnych firmach o takiej samej funkcji; powoduje to konieczność indywidualnego ustalania wymagań; zebrania informacji o charakterze dokumentów (dostępność, stopień poufności itp.); zebrania informacji o wymaganym czasie i sposobie archiwizowania dokumentów; zebrania informacji o relacjach między dokumentami; dotyczy to m.in. powtórzeń niektórych wpisów. 2) Moduł Dokumentatora jest bazą danych o specyficznych właściwościach. Powinien umożliwiać i ułatwiać wprowadzanie informacji o wszystkich czynnościach operatora na podlegających mu obiektach. Powinien też samoczynnie realizować wszystkie zapisy powtarzające się. 3) Moduł powinien zawierać mechanizmy wyszukiwania oraz filtrowania potrzebnych informacji. Ułatwia to tworzenie raportów, sprawozdań itp. 4) Moduł powinien posiadać system zabezpieczeń w celu: ewidencjonowania osób uprawnionych (użytkowników) do dokonywania wpisów w określonych dokumentach; przyznawania lub czasowego zawieszania praw dostępu poszczególnych użytkowników do dokonywania wpisów. 5) Struktura Dokumentatora powinna uniemożliwiać wprowadzanie zmian do wpisów dokonywanych wcześniej. Po wprowadzeniu nowych danych do Dokumentatora powinny one być dostępne tylko do odczytu. Dla każdego wpisu należy automatycznie rejestrować datę i godzinę w celu umożliwienia odtworzenie chronologii wpisów. 6) Baza danych Dokumentatora powinna być systematycznie archiwizowana. 7

72 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 6.2. Opis stanowiska laboratoryjnego Ćwiczenie realizowane jest symulacyjnie na komputerze PC przy użyciu autorskiego programu doradczego SYDIOS. Niezbędne informacje użytkowe wyświetlane są na ekranie komputera Zadanie laboratoryjne. Zapoznać się ze strukturą pakietu programowego SYDIOS oraz z przeznaczeniem modułów tworzących pakiet. 2. Zapoznać się ze strukturą i przeznaczeniem procedur diagnostycznoterapeutycznych realizowanych przy pomocy pakietu SYDIOS (Rys.6.2, Rys.6.3, Rys.6.4). 3. Wykonać PROCEDURY OBJAWOWE zakładając, że występują syndromy np. nr., 4, 5, 9,, 6, 9, Wykonać PROCEDURY UKŁADOWE zakładając warunki badań diagnostycznych i występujące syndromy stanów zgodnie z informacją podaną w Tabelach Przeprowadzić dyskusję wyników zrealizowanych procedur. 6. W sprawozdaniu zamieścić szkice algorytmów diagnostyczno-obsługowych zrealizowanych procedur (Rys.6.5). Tabela 6. Badany układ obiektu Warunki badania Syndrom stanu/nr Diagnoza/nr ZW-8 ZO-9/ D-30 ZW-9 ZO-2/ D-32 ZW-0 ZO-23/ D-34 OBS- ZW- ZO-25/ D-36 ZW-2 ZO-32/ D-54 Tabela 6.2 Badany układ obiektu Warunki badania Syndrom stanu/nr Diagnoza/nr ZW-3 ZO-36/2 D-37/ ZW-3 ZO-35/ D-68 ZW-4 ZO-38/2 D-70/ OBS-2 ZW-4 ZO-37/ D-69 ZW-5 ZO-42/ D-79 72

73 Komputerowy system wspomagający procesy diagnostyczno-obsługowe Tabela 6.3 Badany układ obiektu Warunki badania Syndrom stanu/nr Diagnoza/nr ZW- ZO-/ D- ZW-2 ZO-5/3 D-6/ ZW-2 ZO-3/ D-5 OBS-3 ZW-3 ZO-2/ D-4 ZW-4 ZO-/ D-9 ZW-5 ZO-2/ D-2 ZW-6 ZO-4/ D-23 ZW-7 ZO-/ D-28 SYTUACJA EKSPLOATACYJNA NAKAZY ADMINISTRACYJNE PROCEDURA RUTYNOWA POZIOM (ZAKRES) OBSŁUGI WYBÓR Z LISTY OBSŁUG POLECENIA OBSŁUGOWO- -DIAGNOSTYCZNE SYNTEZA HIPOTEZ DIAGNOSTYCZNYCH DZIAŁANIA NA OBIEKCIE SYNDROM DIAGNOZA WYBÓR Z LISTY DIAGNOZ WPROWADZANIE INFORMACJI O OBJAWACH STAN OBIEKTU NIE W PEŁNI ROZPOZNANY OBIEKT NIEZDATNY POLECENIA DIAGNOSTYCZNO- -OBSŁUGOWE POLECENIA DIAGNOSTYCZNO- -TERAPEUTYCZNE OBIEKT ZDATNY DIAGNOZOWANIE OBSŁUGOWE I CZYNNOSCI TERAPEUTYCZNE KONIEC Rys.6.2. Schemat procedury rutynowej 73

74 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium SYTUACJA EKSPLOATACYJNA HIPOTEZY DIAGNOSTYCZNO- -TERAPEUTYCZNE PROCEDURA UKŁADOWA UKŁAD (OBIEKT) WYBÓR Z LISTY UKŁADÓW POLECENIA OBSŁUGOWO- -DIAGNOSTYCZNE STAN UKŁADU NIE W PEŁNI ROZPOZNANY SYNTEZA HIPOTEZ DIAGNOSTYCZNYCH DZIAŁANIA NA OBIEKCIE SYNDROM DIAGNOZA WYBÓR Z LISTY DIAGNOZ WPROWADZANIE INFORMACJI O OBJAWACH NIEZDATNY JEST INNY UKŁAD POLECENIA DIAGNOSTYCZNO- -OBSŁUGOWE UKŁAD NIEZDATNY POLECENIA DIAGNOSTYCZNO- -TERAPEUTYCZNE POLECENIA TERAPEUTYCZNE UKŁAD ZDATNY UKŁAD TRWALE NIEZDATNY KONIEC KONIEC Rys.6.3. Schemat procedury układowej 74

75 Komputerowy system wspomagający procesy diagnostyczno-obsługowe SYTUACJA EKSPLOATACYJNA OBJAWY PROCEDURA OBJAWOWA SYNDROM WPROWADZANIE INFORMACJI O OBJAWACH SYNTEZA HIPOTEZ DIAGNOSTYCZNYCH IDENTYFIKACJA WARUNKÓW OBSERWACJI DIAGNOZA WYBÓR Z LISTY DIAGNOZ OBIEKT ZDATNY OBIEKT NIEZDATNY KONIEC POLECENIA DIAGNOSTYCZNO- -TERAPEUTYCZNE DIAGNOZOWANIE OBSLUGOWE I CZYNNOSCI TERAPEUTYCZNE Rys.6.4. Schemat procedury objawowej Tabela 6.4 Badany układ obiektu Warunki badania Syndrom stanu/nr Diagnoza/nr ZW-0 ZO-0/ D-0 ZW-02 ZO-03/ D-04 OBP- ZW-03 ZO-02/ D-06 ZW-04 ZO-05/ D-2 ZW-05 ZO-09/ D-7 ZW-06 ZO-/ D-2 Tabela 6.5 Badany układ obiektu Warunki badania Syndrom stanu/nr Diagnoza/nr ZW-302 ZO-304/2 D-307/ ZW-302 ZO-303/ D-306 ZW-303 ZO-305 D-3 OBP-3 ZW-304 ZO-307/2 D-22/2 ZW-304 ZO-306/ D-32 ZW-305 ZO-308/ D-35 ZW-306 ZO-309 D-36 75

76 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium POLECENIA WSTĘPNE (WARUNKI BADANIA) - ZW - SYNDROM (ZBIÓR OBJAWÓW) - ZO - DIAGNOZA - D - POLECENIA KOŃCOWE (OBSŁUGOWE) - ZK - Rys.6.5. Elementarna struktura procedury diagnostyczno-obsługowej 6.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wnioski z przeprowadzonych obserwacji i dyskusji. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 5 (a zwłaszcza pkt.5.7): L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Wymienić podstawowe kategorie systemów wspomagających realizację procesów eksploatacyjnych. 2. Jakie są zasadnicze zadania doradczego systemu operatora eksploatacji? 3. Wyjaśnić pojęcie procedura diagnostyczno-obsługowa. 4. Omówić istotę procedury objawowej. 5. Omówić istotę procedury rutynowej. 6. Omówić istotę procedury układowej. 7. Co to jest objaw stanu? 8. Na czym polega wnioskowanie pomiarowe i co jest efektem tego wnioskowania? 9. Dlaczego relacja: stan obiektu syndrom stanu obarczona jest niepewnością? 0. Omówić wpływ warunków badania diagnostycznego na wiarygodność diagnozy. 76

77 ĆWICZENIE 7 BADANIE NIEZAWODNOŚCI DIAGNOZ Cel ćwiczenia: wyznaczenie wybranych wskaźników niezawodności diagnoz; dyskusja pojęć: wiarygodność diagnozy, diagnoza skrócona, diagnoza rozwinięta, niepewność symptomu, niepewność syndromu, niezawodność diagnoz. Przedmiot ćwiczenia: obiekt diagnozowania: wirtualny, 8-modułowy obiekt o szeregowej strukturze niezawodnościowej. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowe programy BND(S)- oraz BND(S)-2, realizujące syntezę diagnoz przy założonej nieuszkadzalności elementów obiektu oraz zadanej niepewności symptomów (objawów). 7.. Podstawy teoretyczne i założenia Diagnoza prawdziwa jest uwarunkowana prawdziwym syndromem (Rys.7.). Syndrom jest prawdziwy wtedy, gdy zawiera symptomy prawdziwe, charakterystyczne dla rzeczywistego stanu obiektu diagnozowanego. W praktyce eksploatacyjnej nierzadko występuje fałszowanie symptomów, a w konsekwencji fałszowanie syndromów i diagnoz. Powodować to mogą różne czynniki, między innymi: losowe zakłócenia sygnałów diagnostycznych (tj. wielkości opisujących stan obiektu); niepewność wyników pomiarów; błędy operacji wnioskowania itp. 77

78 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rys.7.. Ilustracja procesu diagnozowania W związku z tym, że procedura diagnozowania nie jest w pełni wiarygodna, to diagnosta powinien mieć ograniczone zaufanie do tego, że otrzymana diagnoza jest prawdziwa. Powinien więc dobierać procedury diagnostyczne pozwalające uzyskiwać wymaganą niezawodność (wiarygodność) diagnoz. Diagnozę można przedstawić ogólnie w postaci zbioru par: D: STAN PRAWDOPODOBIEŃSTWO STANU (7.) Jest to tzw. diagnoza pełna: Diagnoza stanu D(E 0 ) D(E ) D(E 2 ) D(E N ) Prawdopodobieństwo prawdziwości diagnozy P(D(E 0 )) P(D(E )) P(D(E 2 )) P(D(E N )) W warunkach niepewności symptomów przy formułowaniu diagnozy należy analizować rozkład prawdopodobieństw stanów i na tej podstawie formułować diagnozę. Często w praktyce używa się skróconej postaci diagnozy, podając jedynie diagnozę najbardziej prawdopodobną czyli taką, która spełnia warunek (7.2). Nazwijmy to kryterium : * DE max P(D( E )) * D( E i) : P i i (7.2) i 0,, 2,..., N Oparcie wyboru diagnozy tylko na warunku (7.2) często nie jest zadowalające, ponieważ wiarygodność wybranej w ten sposób diagnozy może być niska. Oznacza to niską niezawodność diagnozy. Z tego powodu należy przyjąć dodatkowo warunek (7.3). Nazwijmy to kryterium 2: P * D( i) Pgr E (7.3) Oznacza to, że należy uzyskać diagnozę nie tylko charakteryzującą się największym prawdopodobieństwem wskazywanego stanu, lecz także tym, że prawdopodobieństwo tego stanu jest nie mniejsze od założonej wartości granicznej. Wartość ta powinna być bliska jedności gdyż to zapewnia wysoką niezawodność przyjętej diagnozy. Jeśli warunek (7.3) nie jest spełniony to należy powtarzać testowanie obiektu. Testowaniem nazywa się realizację procedury diagnostycznej. Takie testowanie można powtarzać wielokrotnie. Zbiór testowań nazywany jest sesją diagnostyczną. 78

79 Badanie niezawodności diagnoz Powtarzanie się w sesji takiego samego syndromu potwierdza wiarygodność diagnozy opartej na syndromie występującym w największej liczbie testowań. Powtarzanie testowań jest równoznaczne z uzyskiwaniem nadmiaru informacyjnego. Wydłuża to rzecz jasna wymagany czas diagnozowania, zatem uzyskanie nadmiaru informacyjnego wymaga dysponowania nadmiarem czasowym. Należy jednak wziąć pod uwagę, że współczesne procedury diagnostyczne wykorzystują szybkie systemy informatyczne (komputerowe), co znacznie zmniejsza wymagania dotyczące nadmiaru czasowego. Istnieje pytanie: Czy i w jaki sposób przez powtarzanie testowania można uzyskać dostatecznie wiarygodną diagnozę mimo pojawiania się fałszywych symptomów, a w konsekwencji fałszywych syndromów? Zagadnienie to rozpatrzmy na przykładzie prostego obiektu o niezawodnościowej i funkcjonalnej strukturze szeregowej, zawierającego N elementów (Rys. 7.2). Rys.7.2. Przykładowa struktura obiektu diagnozowanego Oznaczenia: e,e 2,..., e N elementy obiektu diagnozowania; s,s2,..., s wyniki N pomiarów (sprawdzeń), które stanowią zarazem symptomy stanu elementów. Przyjmijmy następujące założenia:. Liczba elementów obiektu: N = Wszystkie elementy obiektu mogą być zdatne lub co najwyżej jeden element może być niezdatny. 3. Obiekt jest zdatny jeśli wszystkie elementy są zdatne, a jest niezdatny jeśli jeden element jest niezdatny; zatem obiekt badany może znajdować się w jednym z 8 + = 9 stanów: E E 0 E, E 2,...,, E gdzie: E 0 stan zdatności; E, E 2,, E 8 stany niezdatności. 4. Stany elementów są wzajemnie niezależne. 5. Stan obiektu jest stabilny tzn. nie zmienia się w trakcie sesji diagnostycznej a zbiór jednakowych syndromów dotyczy tego samego stanu. 6. W procedurze diagnozowania (testowania) sprawdzane są wszystkie elementy, sygnał diagnostyczny każdego elementu mierzony jest indywidualnie (Rys.7.2). 7. Wynik i-tego pomiaru determinuje symptom s i stanu elementu e i (i =,2,,8); w rozpatrywanym przypadku symptom jest jednowymiarowy (oparty jest na jednym wyniku pomiaru), tor symptomu jest jednoelementowy (tzn. symptom zależy od stanu tylko jednego elementu), tory różnych symptomów są rozłączne. 8. Symptom może przyjmować logiczną wartość 0 lub ; symptom negatywny 0 jest symptomem charakterystycznym dla stanu niezdatności elementu, symptom pozytywny jest symptomem charakterystycznym dla stanu zdatności elementu. N 79

80 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 9. Zbiór N symptomów stanowi syndrom stanu obiektu; zatem rozróżnia się N+ =9 charakterystycznych syndromów. Przykład zbioru stanów oraz odpowiadających im charakterystycznych symptomów i syndromów pokazuje tabela Każdy syndrom jest wnioskowany z odpowiadających mu symptomów. Każdy fałszywy symptom determinuje fałszywość syndromu, a w konsekwencji fałszywą diagnozę.. Syndrom zawierający więcej niż jeden symptom negatywny uznaje się za fałszywy i odrzuca (filtracja wstępna) zgodnie z założeniem (2). 2. Znane są a priori prawdopodobieństwa uzyskania prawdziwego wyniku każdego pomiaru (tj. znana jest niepewność pomiarowa), a więc: znane są prawdopodobieństwa R s,r s2,..., R uzyskania prawdziwych symptomów pozytywnych oraz prawdopodobieństwa R s,r s2,..., R uzyskania prawdziwych symptomów negatywnych. Zatem prawdopodobieństwa uzyskania błędnych symptomów wynoszą odpowiednio: Q si+ = R si+ ; Q si - = R si - ; i =,2,,8 3. Dla uproszczenia przyjmijmy, że wartość prawdopodobieństwa otrzymania prawdziwego symptomu negatywnego oraz wartość prawdopodobieństwa otrzymania prawdziwego symptomu pozytywnego są takie same: sn sn R R R s s2 sn R R R s- s2... sn R s R s2 R sn (7.4) 4. Znane są prawdopodobieństwa zdatności a priori R, R 2,..., R każdego elementu N obiektu. 80

81 Badanie niezawodności diagnoz Tabela 7. Pierwszą operacją w procedurze diagnozowania jest pomiar sygnałów diagnostycznych oraz zarejestrowanie ich wyników np. w postaci zbioru liczb: X x (7.5),x 2,..., x N Drugą operacją jest przetworzenie tych wyników na symptomy stanu (wnioskowanie pomiarowe) na podstawie zastosowanej relacji np. w postaci: x x x s id i ig i x x x x s 0 i id i ig i (7.6) i, 2,..., N gdzie: x id, x ig wartości graniczne przedziału dopuszczalnych wartości sygnału diagnostycznego dla stanu E i. Trzecią operacją jest synteza syndromu na podstawie zbioru otrzymanych symptomów. Te trzy operacje (jako fragment procedury diagnostycznej) zazwyczaj nazywa się testowaniem lub sprawdzeniem diagnostycznym. Zauważmy, że wyniki pomiarów, wnioskowanie pomiarowe oraz wnioskowanie syndromowe mogą być niepewne. Zatem jednorazowe testowanie i utworzony pojedynczy syndrom nie daje podstaw do twierdzenia że, taka jednosyndromowa diagnoza jest wystarczająco wiarygodna. W takim przypadku należy zastosować testowanie wielokrotne, a syntezę diagnozy oprzeć na wnioskowaniu wielosyndromowym. 8

82 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 7.2. Wnioskowanie diagnostyczne przy niepewnych syndromach Zgodnie z przyjętymi powyżej założeniami obiekt znajduje się w jednym ze stanów należących do zbioru: 0,..., N E E, E E (tu: N = 8) (7.7) Zgodnie z tabelą 7. tym stanom odpowiadają charakterystyczne syndromy tworzące zbiór: Można wyznaczyć: 0,S,..., SN S S (7.8) prawdopodobieństwo a priori stanu zdatności E 0 obiektu (wszystkie elementy zdatne): N P E (7.9) 0 R i i prawdopodobieństwa a priori poszczególnych stanów niezdatności E j (jeden element niezdatny): N j R j P E R (7.0) i i j j =, 2,, N Zgodnie z założeniem (7.2) obiekt znajduje się w jednym ze stanów należących do zbioru (7.7), zatem można wyznaczyć warunkowe prawdopodobieństwa tych stanów: i j j 82 PE j N PE i P P E A (7.) i0 j = 0,, 2,, N gdzie: A warunek, polegający na tym, że stan obiektu E j należy do zbioru E. W celu uzyskania diagnozy pełnej należy zrealizować proces diagnozowania pokazany na rys.7.. W tym celu trzeba wstępnie ustalić liczbę testowań M oraz wykonać kolejne operacje wymienione poniżej.. Wybrać dostępne sygnały diagnostyczne. 2. Zrealizować sesję diagnostyczną. Wynikiem tej sesji jest zbiór syndromów S o liczności L t (z każdego testowania otrzymuje się jeden syndrom). 3. Przeprowadzić wzajemną komparację otrzymanych syndromów i utworzyć następujące podzbiory charakterystycznych syndromów:

83 Badanie niezawodności diagnoz podzbiór S 00 syndromów zawierających więcej niż jeden symptom negatywny (np.:,0,0,,...,), czyli podzbiór syndromów charakterystycznych dla stanów obiektu, w których występuje więcej niż jeden element niezdatny; na mocy założenia (7.0) syndromy te są fałszywe ponieważ obiekt może zawierać co najwyżej jeden element niezdatny; syndromy te należy zatem odrzucić; podzbiór S 0 syndromów zawierających wszystkie symptomy pozytywne, czyli syndromy charakterystyczne dla stanu E 0 zdatności obiektu (s =, s 2 =,..., s N = ) o liczności L 0 ; podzbiór S syndromów zawierających pierwszy symptom negatywny a wszystkie pozostałe symptomy pozytywne, czyli syndromy charakterystyczne dla stanu E niezdatności obiektu (s = 0, s 2 =,..., s N = ) o liczności L ; podzbiór S 2 syndromów zawierających drugi symptom negatywny i wszystkie pozostałe symptomy pozytywne, czyli syndromy charakterystyczne dla stanu E 2 niezdatności obiektu (s =, s 2 = 0,..., s N = ) o liczności L 2 ; podzbiór S N syndromów zawierających N-ty symptom negatywny a wszystkie pozostałe symptomy pozytywne, czyli syndromy charakterystyczne dla stanu E N niezdatności obiektu (s =, s 2 =,..., s N = 0) o liczności L N. 4. Zestawić liczności utworzonych podzbiorów charakterystycznych syndromów: L = [L 0, L, L 2,..., L N ]; jest oczywiste, że niektóre podzbiory mogą być puste. 5. Stwierdzić, które z następujących zdarzeń są możliwe (w określonej sytuacji zachodzi tylko jedno z nich): zdarzenie Z 0, polegające na tym, że wystąpił stan E 0 oraz L 0 -krotnie pojawił się syndrom S 0 oraz L -krotnie pojawił się syndrom S oraz L 2 -krotnie pojawił się syndrom S 2 oraz... oraz L N -krotnie pojawił się syndrom S N (jest to iloczyn logiczny zdarzeń); zdarzenie Z, polegające na tym, że wystąpił stan E oraz L 0 -krotnie pojawił się syndrom S 0 oraz L -krotnie pojawił się syndrom S oraz L 2 -krotnie pojawił się syndrom S 2 oraz... oraz L N -krotnie pojawił się syndrom S N ; zdarzenie Z 2, polegające na tym, że wystąpił stan E 2 oraz L 0 -krotnie pojawił się syndrom S 0 oraz L -krotnie pojawił się syndrom S oraz L 2 -krotnie pojawił się syndrom S 2 oraz... oraz L N -krotnie pojawił się syndrom S N ; zdarzenie Z N, polegające na tym, że wystąpił stan E N oraz L 0 -krotnie pojawił się syndrom S 0 oraz L -krotnie pojawił się syndrom S oraz L 2 -krotnie pojawił się syndrom S 2 oraz... oraz L N -krotnie pojawił się syndrom S N. 6. Wyznaczyć prawdopodobieństwa możliwych zdarzeń: 83

84 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium P P gdzie: L L L Z P P S E P S E P S E 2... P E 0 L SN 0 N (7.2.0) P P L L L Z P P S E P S E P S E 2... P E 0 L 0 2 S N N (7.2.) L L L Z P P S E P S E P S E 2... P E 0 L SN 2 N (7.2.2) L L L Z P P S E P S E P S E 2... P S E N N 0 N 0 L N 2 N N N N (7.2.N) P 0 warunkowe prawdopodobieństwo stanu zdatności E 0 P i warunkowe prawdopodobieństwo i-tego stanu niezdatności S i L j i P E wartość prawdopodobieństwa L i -krotnego wystąpienia syndromu S i pod warunkiem wystąpienia stanu E j ; i = 0,, 2,..., N; 84 j = 0,, 2,..., N Wartości tych prawdopodobieństw określają następujące zależności: L j N L j E j zi j = 0,, 2,, N (7.3.0) i P S j R prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na L j -krotnym wystąpieniu prawdziwego syndromu S j pod warunkiem istnienia stanu E j - czyli na tym, że wszystkie symptomy pozytywne i negatywne zostaną L j -krotnie odczytane bezbłędnie (nie zostaną zakłócone); L j P S R j L j N E 0 zj R zi j =, 2,, N (7.3.) i i j prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na L j -krotnym wystąpieniu fałszywego syndromu S j pod warunkiem istnienia stanu E 0 - czyli na tym, że pozytywny symptom s j zostanie odczytany fałszywie jako symptom negatywny oraz, że wszystkie pozostałe symptomy pozytywne zostaną L j -krotnie odczytane bezbłędnie (nie zostaną zakłócone); N L0 PS j R zj 0 R zi i i j L0 E j =, 2,, N (7.3.2) prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na L 0 -krotnym wystąpieniu fałszywego syndromu S 0 pod warunkiem istnienia stanu E j - czyli na tym, że negatywny symptom s j zostanie odczytany fałszywie jako symptom pozytywny oraz, że wszystkie pozostałe symptomy pozytywne zostaną L 0 -krotnie odczytane bezbłędnie (nie zostaną zakłócone);

85 Badanie niezawodności diagnoz L j PS R R j L j N E k zk zj R zi j =, 2,..., N; k =, 2,..., N (7.3.3) i i j i k prawdopodobieństwo zdarzenia polegającego na L j -krotnym wystąpieniu fałszywego syndromu S j pod warunkiem istnienia stanu E k - czyli na tym, że negatywny symptom s k zostanie odczytany fałszywie jako symptom pozytywny oraz, że pozytywny symptom s j zostanie odczytany fałszywie jako symptom negatywny oraz, że wszystkie pozostałe symptomy pozytywne zostaną L j -krotnie odczytane bezbłędnie (nie zostaną zakłócone); 7. Wyznaczyć względne prawdopodobieństwa a posteriori stanów obiektu (na mocy poczynionych założeń zaistnienie zdarzenia Z n jest równoznaczne z zaistnieniem stanu E n ): L PZ L i 0 Zn PZ P P E (7.4) n gdzie: n = 0,, 2,..., N; L zbiór podzbiorów uznanych (tj. przyjętych) syndromów. n Wynik (7.4) to poszukiwane a posterioryczne, warunkowe prawdopodobieństwa poszczególnych stanów obiektu wyznaczone z uwzględnieniem niepewności pomiarowosyndromowej (por. 7. oraz 7.). N i 7.3. Opis stanowiska laboratoryjnego Ćwiczenie ma charakter badań symulacyjnych prowadzonych na komputerze PC przy użyciu autorskich programów obliczeniowych BND(S)- oraz BND(S)-2. Niezbędne informacje użytkowe wyświetlane są na ekranie komputera Zadanie laboratoryjne Należy przeprowadzić badania niezawodności diagnoz stanu obiektu o strukturze jak na Rys.7.2, wykonać niezbędne obliczenia a wyniki wpisać do tabel i 2. Przyjmuje się następujące oznaczenia i podane niżej warunki badań: L S liczba sesji diagnostycznych zrealizowanych w badaniu niezawodności diagnoz; L t liczba testowań syndromowych w sesji; L D (), L D (2) liczba diagnoz przyjętych odpowiednio wg kryterium lub ( + 2); L Dr (), L Dr (2) liczba prawdziwych diagnoz przyjętych odpowiednio wg kryterium () lub ( + 2); L Df (), L Df (2) liczba fałszywych diagnoz przyjętych odpowiednio wg kryterium () lub ( + 2); 85

86 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium t t czas realizacji jednego testu (w ćwiczeniu przyjmujemy, że jest to jednostka umowna czasu i przypisujemy jej wartość: t t = ); R e prawdopodobieństwo zdatności (nieuszkadzalność) elementu obiektu; Q z prawdopodobieństwo zakłócenia symptomu s m ; P p (S n ) = ( Q z ) 8 prawdopodobieństwo a priori prawdziwości syndromu; P(E n L) prawdopodobieństwo a posteriori stanu E n (tym samym na mocy podanych powyżej założeń jest to prawdopodobieństwo a posteriori prawdziwości syndromu wskazującego na ten stan); P(D, E k ) gr wartość graniczna prawdopodobieństwa prawdziwości przyjętej diagnozy wskazującej na k-ty stan niezdatności przy kryterium ( + 2) (w ćwiczeniu przyjmujemy identyczne wartości graniczne dla wszystkich rozróżnianych stanów niezdatności; k =, 2,.., 8); P(D, E o ) gr wartość graniczna prawdopodobieństwa prawdziwości przyjętej diagnozy wskazującej na stan zdatności obiektu przy kryterium ( + 2). Wskaźniki charakteryzujące uzyskane wyniki badania przy kryterium (): L D W - średnia skuteczność sesji; LS LDr W2 - niezawodność (wiarygodność) przyjętej diagnozy; L D L L W - średni czas uzyskania przyjętej diagnozy (wielokrotność czasu S t 3 t L t D testowania). Wskaźniki charakteryzujące uzyskane wyniki przy kryterium ( + 2): L 2 D W 2 - średnia skuteczność sesji; LS 86

87 TABELA R e = Q z = P(D, E k ) gr = P(D, E o ) gr = Prawdziwy stan obiektu: E 4 L s - Liczba zrealizow. sesji diagnost. L t - Liczba testowań w sesji L D () - Liczba diagnoz przyjętych wg kryt.() Wskaźnik W () L Dr () - Liczba prawdz. diagnoz przyj. wg kryt. () Wskaźnik W 2 () Wskaźnik W 3 () L Df () - Liczba fałszyw. diagnoz przyj. wg kryt. () L D (2) - Liczba diagnoz przyjętych wg kryt. ( + 2) Wskaźnik W (2) L Dr (2) - Liczba prawdz. diagnoz przyj. wg kryt. ( + 2) Wskaźnik W 2 (2) Wskaźnik W 3 (2) L Df (2) - Liczba fałszyw. diagnoz przyj. wg kryt. ( + 2) TABELA 2 R e = Q z = P(D, E k ) gr = P(D, E o ) gr = Prawdziwy stan obiektu: E 4 L s - Liczba zrealizow. sesji diagnost. L t - Liczba testowań w sesji L D () - Liczba diagnoz przyjętych wg kryt.() Wskaźnik W () L Dr () - Liczba prawdz. diagnoz przyj. wg kryt. () Wskaźnik W 2 () Wskaźnik W 3 () L Df () - Liczba fałszyw. diagnoz przyj. wg kryt. () L D (2) - Liczba diagnoz przyjętych wg kryt. ( + 2) Wskaźnik W (2) L Dr (2) - Liczba prawdz. diagnoz przyj. wg kryt. ( + 2) Wskaźnik W 2 (2) Wskaźnik W 3 (2) L Df (2) - Liczba fałszyw. diagnoz przyj. wg kryt. ( + 2) 87

88 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium LDr 2 W2 2 - niezawodność przyjętej diagnozy; L 2 D L L W - średni czas uzyskania przyjętej diagnozy (wielokrotność czasu S t 3 2 t L t D 2 testowania). Polecenia wykonawcze. Uruchomić kolejno programy BND(S)- oraz BND(S) Dla każdego programu zrealizować po 500 sesji diagnostycznych dla wybranych wartości prawdopodobieństwa Q Z zakłócenia (zafałszowania) symptomu. Realizacja sesji: wyzerować liczniki używając wskazanego pola, a następnie ustawić kursor na wskazanym, zielonym polu i naciskać klawisz delete. 3. Wypełnić załączone tabele (nr i nr 2) uzyskanymi wynikami. 4. Obliczyć wskaźniki charakteryzujące uzyskane wyniki wg przytoczonych wyżej wzorów Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wyniki pomiarów (tabele i 2); wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji zawierające m. in. ocenę niezawodności uzyskanych diagnoz. Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 5 (a zwłaszcza pkt.5.5) podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Jakie mogą być przyczyny niepewności diagnoz? 2. W jaki sposób można zmniejszyć niepewność diagnoz? 3. Jaki warunek powinien być spełniony aby można było uznać diagnozę za wystarczająco wiarygodną? 4. Zdefiniować pojęcia: symptom, objaw, syndrom. 5. Wyjaśnić pojęcie: wiarygodność diagnozy. 6. Co to jest: diagnoza, proces diagnozowania, proces dozorowania? 7. Wymienić ważniejsze wskaźniki opisujące niezawodność. 8. Podać przykłady aktywnego zwiększania niezawodności. 9. Zinterpretować pojęcie: prawdopodobieństwo warunkowe dwu zdarzeń. 0. Wyjaśnić różnicę między diagnozą skróconą a diagnozą rozwiniętą. 88

89 ĆWICZENIE 8 DIAGNOZOWANIE UKŁADU SYGNALIZACJI WŁAMANIA Cel ćwiczenia: - zapoznanie z przykładowym procesem diagnozowania układu sygnalizacji włamania Przedmiot ćwiczenia: - obiekt diagnozowania: laboratoryjny układ sygnalizacji włamania z centralą MATRIX, dwoma liniami dozorowania i trzema czujkami Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: - laboratoryjne stanowisko złożone z pulpitu sterująco-pomiarowego, woltomierza i amperomierza 8.. Podstawy teoretyczne i założenia 8... Systemy bezpieczeństwa Systemy bezpieczeństwa (ochrony) są obiektami technicznymi złożonymi, gdyż realizują wiele różnych funkcji, do których można na przykład zaliczyć: dozorowanie zabezpieczanego obiektu, autodiagnozowanie elementów systemu (czujek, kamer, linii zasilających, urządzeń wej/wyj, rezerwowych źródeł zasilania, itd.), alarmowanie o zagrożeniu, inicjowanie działań antydestrukcyjnych. A. System bezpieczeństwa prosty Systemy te realizują jedną funkcję. Zwykle uszkodzenie dowolnego elementu (czujki, centrali, linii) uniemożliwia poprawną pracę całego systemu bezpieczeństwa. O wartościach wskaźników niezawodnościowych takiego systemu decydują: 89

90 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium jakość projektowania i wykonania elementów od tego głównie zależy nieuszkadzalność początkowa R O zwana często nieuszkadzalnością konstrukcyjną (rozpoczynając użytkowanie możemy nie mieć pewności, że obiekt jest zdatny); powolne (i w zasadzie nieodwracalne) zmiany fizyczne zachodzące w elementach składowych systemu bezpieczeństwa (np. powolna zmiana czułości sensora temperaturowego) procesy te charakteryzują się tzw. nieuszkadzalnością parametryczną R N ; skokowe (nagłe, losowe) zmiany właściwości fizycznych elementów systemu bezpieczeństwa (np. uszkodzenie typu przerwa w przewodzie transmitującym sygnał z czujnika do centrali alarmowej) zjawiska tego typu charakteryzuje tzw. nieuszkadzalność katastroficzna R K; poprawność eksploatacji tj. obsługi, sterowania, zasilania, użytkowania procesy te kształtują tzw. nieuszkadzalność eksploatacyjną R E. Wszystkie te wskaźniki niezawodności są funkcjami czasu oraz punktu pracy systemu bezpieczeństwa SB. B. System bezpieczeństwa złożony W zasadzie wszystkie obecnie instalowane systemy bezpieczeństwa można zaliczyć do tej grupy, gdyż realizują wiele różnych funkcji w obiektach, na rzecz których działają. Można wyróżnić następujące stany funkcjonalne tych systemów: stan zdatności Z poprawnie realizowane są wszystkie funkcje systemu; stan niezdatności N żadna funkcja nie jest realizowana prawidłowo; stan częściowej zdatności ZN poprawnie realizowane są tylko niektóre funkcje systemu. Systemy bezpieczeństwa złożone tworzone są z systemów prostych, zatem uszkodzenie jednego lub kilku z nich na ogół nie powoduje całkowitego uszkodzenia systemu, lecz zmniejsza jego efektywność działania. Systemy bezpieczeństwa są obiektami odnawialnymi, tzn. w przypadku uszkodzenia są naprawialne (np. możliwa jest wymiana uszkodzonej czujki). Naprawa może zakłócić realizację planowych zadań systemu bezpieczeństwa (np. wymiana czujki wymaga wyłączenia całego toru sygnałowego). SYSTEMY ALARMOWE ZŁOŻONE Systemy, które nie mogą być remontowane w czasie realizacji zadania (np. statek powietrzny). Klasa I Systemy, od których wymaga się skutecznego działania w zadanym, krótkim przedziale czasu (t, t 2 ) Klasa II Systemy, od których wymaga się skutecznego działania w długim przedziale czasu Klasa III Systemy nienaprawialne Systemy naprawialne Rys. 8.. Klasyfikacja złożonych systemów bezpieczeństwa na przykładzie tzw. systemów alarmowych 90

91 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania System klasy I (rys. 8.) realizuje swoje zadanie w przedziale czasu, w tym czasie nie może - z założenia - ulec uszkodzeniu. System ten do chwili rozpoczęcia zadania poddawany jest permanentnej kontroli eliminującej elementy niezdatne przed i w chwili początkowej. Systemy klasy II znajdują się zwykle przez długi okres w stanie czuwania (dozorowania chronionego obiektu), a realizowane zadania aktywne są krótkotrwałe (np. zainicjowanie sygnału alarmu, zdjęcie zabezpieczeń lub włączenie blokad w strefach, weryfikacja biometryczna użytkownika itp.). Odnowa takiego systemu jest wykonywana w czasie jego użytkowania. System uznaje się za niezdatny, jeżeli ewentualna odnowa nie zostanie zakończona przed rozpoczęciem aktywnego zadania lub wystąpi uszkodzenie podczas realizacji aktywnego zadania. Od systemu alarmowego klasy III wymaga się by utrzymywał zdatność w długim przedziale czasu użytkowania. Spełnienie tego wymagania zależy od czasu trwania odnowy, częstości uszkodzeń, organizacji obsługi, od typu realizowanych zadań oraz od odporności systemu na destrukcję Diagnozowanie systemu bezpieczeństwa Złożone systemy bezpieczeństwa wyposażane są w układy samokontroli tj. w układy automatycznego dozorowania stanu technicznego i/lub funkcjonalnego. Dozorowanie to polega na permanentnym diagnozowaniu poszczególnych elementów systemu (tj. czujek, elementów centrali alarmowej, kamer, monitorów, sygnalizatorów optycznych itd.). Centrala alarmowa wytwarza wzorcowe sygnały, które pobudzają poszczególne elementy składowe sytemu. Elementy te generują wzorcowe sygnały odpowiedzi, które są przetwarzane w centrali alarmowej na informację diagnostyczną typu: system zdatny niezdatny. Zadaniem konstruktorów jest określenie na etapie konstruowania systemu dopuszczalnych tolerancji sygnałów wymuszających i odpowiedzi. Informacja o stanie systemu może mieć formę wizualną lub akustyczną i może być prezentowana w centrali alarmowej lub w oddalonym centrum alarmowym. Rysunek 8.2 przedstawia przykładowy schemat blokowy złożonego systemu bezpieczeństwa z układem samokontroli. 9

92 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Wyświetlacz LCD Panel obsługi Moduł sygnalizatorów Drukarka Transmisja sygnałów Alarm, uszkodzenie Linia dozorowa nr Linia dozorowa nr "n" Sterownik centralny CA P W P 2 (rezerwa) P Moduł sterowania przekaźnikami lub liniami Moduł wymiany informacji Wej/Wyj CA Linie (czujki) Moduł wymiany informacji Wej/Wyj CA Linie (czujki) Magistrala centralna S S i S n Zasilanie systemu Moduł zasilania Urządzenia Wej/Wyj Układy samokontroli CA i linii Zasilacz Komputer Monitoring Czytnik kodów Klawiatura 230V - 50Hz Akumulator Zasilanie awaryjne Rys Schemat blokowy złożonego systemu bezpieczeństwa z układem samokontroli Określanie stanu systemu bezpieczeństwa realizowane jest przez układ samokontroli przyłączony do centralnej magistrali centrali alarmowej. W tym układzie wytwarzane są wzorcowe sygnały kontrolne dla: linii dozorowych, centrali alarmowej (dla sterownika centralnego centrali układy mikroprocesorowe: zasadniczy P i rezerwowy (rezerwa gorąca) P2, mikroprocesor wykonawczy Pw kontroli urządzeń wejściowych i wyjściowych centrali np. modułu wymiany informacji wej/wy CA z liniami dozorowanymi); urządzeń wejściowych i wyjściowych centrali (np. dla modułu wymiany informacji wej/wy CA z liniami dozorowanymi); modułu sterowania transmisją sygnału do oddalonego centrum alarmowego; przyłączonych przez port wej/wyj urządzeń sygnalizujących stan centrali (np. komputera na którym są wyświetlane informacje o aktualnym stanie systemu bezpieczeństwa, urządzeń zewnętrznych systemu np. czytnika kodów); urządzeń informacyjnych wewnętrznych centrali o stanie systemu bezpieczeństwa (np. dla wyświetlacza LCD, modułów sygnalizacji wizualnej stanu CA, panelu obsługi oraz drukarki wewnętrznej CA gdzie drukowane są na bieżąco informacje o stanach technicznych całego systemu); układu zasilania zasadniczego oraz rezerwowego całego systemu bezpieczeństwa. Elementem odpowiedzialnym za realizację algorytmu dozorowania systemu bezpieczeństwa jest mikroprocesor sterownika centralnego centrali alarmowej, który realizuje określoną programowo sekwencję działań diagnostycznych. Pobudzone sygnałami diagnostycznymi, wytworzonymi przez układ samokontroli, czujki alarmowe odpowiadają impulsami o założonej sekwencji np. czasowej. Oznacza to pojawienie się w określonym czasie impulsów odpowiedzi (np. sekwencji zer i jedynek) odpowiadających 92

93 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania stanowi poszczególnych czujek w linii dozorowej systemu bezpieczeństwa. Każda czujka zainstalowana w linii dozorowej posiada swój własny, unikalny adres (przypisanie tego samego adresu dla dwóch czujek powoduje sygnalizację niezdatności w CA). Informacja o stanach zdatności lub niezdatności czujek pojawia się na wyświetlaczu LCD lub w module sygnalizatorów wizualnych. W przypadku wystąpienia, podczas sprawdzania stanu technicznego systemu, stanu alarmu np. przeciwpożarowego, przerywana jest procedura testowania (sygnał alarmu posiada większy priorytet niż sygnały diagnostyczne) i uruchamiane są działania informacyjno-terapeutyczne Opis stanowiska do badań układu sygnalizacji włamania Układ sygnalizacji włamania (i napadu) ma na celu wykrywanie włamania oraz alarmowanie o nim w celu podjęcia odpowiednich działań. Ogólna zasada działania układu zostanie objaśniona na bazie centrali alarmowej MATRIX. W skład tego zestawu wchodzą następujące podstawowe elementy: - centrala alarmowa wraz z systemem zasilania w energię elektryczną; - czujki napadu. Do centrali alarmowej MATRIX mogą być także przyłączone czujki dymu. Rodzaje czujek współpracujących z centralą MATRIX Do centrali MATRIX mogą być przyłączone następujące rodzaje czujek: - czujki z przyłączanym wyłącznikiem krańcowym - styki NC (styki normalnie zwarte przy drzwiach zamkniętych); - czujki z przyłączanym wyłącznikiem krańcowym - styki NO (styki normalnie rozwarte przy drzwiach zamkniętych); - czujki z przyłączanym kontaktronem - styki NC. Do czujek mogą być przyłączone pojedyncze lub podwójne rezystory. Czujki mogą być wyposażone w dodatkowy wyłącznik z napisem Tamper służący do sprawdzenia działania urządzenie sygnalizacji włamania. Na rysunku 8.3 przedstawione są schematy czujek z normalnie zwartymi stykami - NC. 4,7k 4,7k 4,7k 4,7k SPARE C / N SPARE C / N + - SUPPLY N / C T T + - SUPPLY N / C T T + - SUPPLY N / C T T ALARM ALARM ALARM TAMPER ALARM TAMPER ALARM TAMPER Kontaktron Kontaktron Mikrowyłącznik Wyłącznik Czujka bez rezystora Czujka z pojedynczym rezystorem Czujka bez rezystora Czujka z pojedynczym rezystorem Czujka z dwoma rezystorami 93

94 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rys Schematy czujek z normalnie zwartymi stykami NC Przykłady przyłączenia czujek do centrali MATRIX Poniżej podano kilka wybranych przykładów przyłączenia czujek do centrali MATRIX. Producent określił dla jakich wartości prądów i rezystancji linii centrala alarmowa sygnalizuje stan pracy układu. Wartości te przedstawiono w formie Tabeli parametryzacji linii tabela 8.. Tabela 8. Rezystancja linii [k] 0 0,75,36 3,72 5,86 6,9 7,4 7,4 35,6 Bez rezystorów Linia EOL rezystor NC Dozorowanie Alarm NO Alarm Dozorowanie NC Sabotaż Dozorowanie Alarm NO Sabotaż Alarm Dozorowanie Linia DEOL 2 rezystory NC NO Sabotaż Sabotaż Dozorowanie Alarm Sabotaż Alarm Dozorowanie Sabotaż Prąd linii [ma] 0,5 0,47 0,44 0,37 0,325 0,295 0,285 0,8 0, 0 Linie z czujkami ze stykami NC, bez rezystorów Linie bez rezystorów, ze stykami NC, są to linie normalnie zwarte, które rozróżniają tylko dwa stany: - zamknięcie drzwi zwarcie styków wyłącznika krańcowego (obwód zwarty R L = 0Ω) jest to stan Dozorowania; - otwarcie drzwi - rozwarcie styków (obwód rozwarty R L = ) jest to stan Alarmu. Na liniach takich zwykle umieszcza się jedną czujkę lub kontaktron. Linie EOL - czujki ze stykami NC, z pojedynczym rezystorem Linie EOL z pojedynczym rezystorem, ze stykami NC, są to linie, które rozróżniają trzy stany: - zamknięcie drzwi zwarcie styków wyłącznika krańcowego (obwód zwarty R L = 4,7kΩ) jest to stan Dozorowania; - otwarcie drzwi - rozwarcie styków (obwód rozwarty R L = ) jest to stan Alarmu; - zwarcie przewodów linii między czujką, a centralą (R L = 0Ω) jest to stan Sabotażu; Linie EOL nie rozróżniają stanu Sabotażu, gdy linia zostanie rozwarta (przerwana). Na liniach takich zwykle umieszcza się jedną czujkę lub kontaktron. 94

95 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Linie DEOL - czujki ze stykami NC, z dwoma rezystorami Linie DEOL z dwoma rezystorami, ze stykami NC, przedstawione na rys. 8.4, są to linie, które rozróżniają cztery stany: - zamknięcie drzwi zwarcie styków wyłącznika krańcowego (zwarty jeden rezystor R L = 4,7kΩ) jest to stan Dozorowania; - otwarcie drzwi - rozwarcie styków (R L = 9,4kΩ) jest to stan Alarmu; - zwarcie przewodów linii między czujką, a centralą (R L = 0Ω) jest to stan Sabotażu; - przecięcie przewodów linii między czujką, a centralą (R L = ) jest to stan Sabotażu. Na rys. 8.4 przedstawiono linie, w których umieszczono tylko jedną czujkę. W liniach DEOL można umieszczać kilka czujek, co przedstawia rys CENTRALA ALARMOWA Matrix Z COM AUX + - COM Z2 AUX + - COM Z4 4,7k 4,7k 4,7k 4,7k 4,7k 4,7k SPARE C / N + - SUPPLY N / C T T + - SUPPLY N / C T T Kontaktron ALARM Linia nr Czujka ALARM Linia nr 2 TAMPER Czujka ALARM Linia nr 4 TAMPER Rys Ilustracja przyłączenia czujek z dwoma rezystorami do centrali alarmowej linie DEOL Linia DEOL z kilkoma czujkami ze stykami NC, z dwoma rezystorami Jeżeli linia składa się z kilku czujek, to w przypadku włamania do jednego pomieszczenia, centrala alarmowa sygnalizuje Alarm, jednak nie rozróżnia numeru pomieszczenia (numeru czujki). 95

96 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium +U Z Układ sygnalizacji CENTRALA ALARMOWA Matrix R ogr COM A L Z Układ pomiaru prądu linii (spadku napięcia na rezystancji linii) Komparator drabinkowy - AUX + Linia nr 4,7k 4,7k 4,7k 4,7k C / N - + SUPPLY C / N - + SUPPLY C / N - + SUPPLY ALARM ALARM ALARM Czujka nr Czujka nr 2 Ostatnia czujka w linii Rys Ilustracja przyłączenia kilku czujek w jednej linii do centrali alarmowej linia DEOL Centrala alarmowa wyposażona jest dla każdej linii w: - rezystor ograniczający R ogr ; - układ pomiaru prądu linii; - układ sygnalizacji. Rezystor ograniczający ogranicza prąd linii do wartości 0,5mA w przypadku zwarcia przewodów przy wejściu do CA. Układ pomiaru prądu linii mierzy prąd płynący w danej linii poprzez pomiar napięcia w punkcie A L. Napięcie to podawane jest na komparator drabinkowy. W zależności od wartości płynącego prądu komparator podaje odpowiedni sygnał do układu sygnalizacji. Układ sygnalizacji, w zależności od wartości prądu linii, sygnalizuje stan funkcjonalny układu sygnalizacji włamania. Charakterystyka układu laboratoryjnego Zestaw laboratoryjny zawiera model fizyczny układu sygnalizacji włamania, który składa się z centrali alarmowej CA z dwoma liniami dozorowania stanu chronionych pomieszczeń linie DEOL. W linii dozorowania nr znajduje się jedna czujka z dwoma rezystorami. W linii dozorowania nr 2 znajdują się dwie czujki. Ogólny schemat Układu sygnalizacji włamania przedstawia rysunek

97 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Do każdej linii dołączony jest rezystor ograniczający prąd do wartości 0,5mA w przypadku wystąpienia zwarcia linii. Rezystory te znajdują się w centrali alarmowej. W modelu fizycznym zastosowano rezystory o wartości 2kΩ. W tabeli 8.2 przedstawiono wartości rezystancji i prądu linii. Dodatkowo obliczono spadki napięcia na rezystancji linii oraz napięcia w punktach A L U AL. Wartości te obliczono tylko dla punktów granicznych stanów pracy układu sygnalizacji włamania. Tabela 8.2 Po przekroczeniu wyróżnionych wartości napięcia w punkcie A L, co odpowiada danej wartości prądu w linii I L, centrala sygnalizuje odpowiedni stan pracy układu. CENTRALA ALARMOWA MATRIX 2k +6V 2k +6V A L 4 A L Czujka Nr 4,7k 4,7k Linia nr DEOL 4,7k ,7k 4,7k Czujka nr 2 Czujka nr 3 Linia nr 2 DEOL Rys Ogólny schemat laboratoryjnego układu sygnalizacji włamania Na rysunku 8.7 przedstawiono schematy Linii nr w czterech stanach pracy. W tabeli podano graniczne i rzeczywiste wartości prądów w linii oraz napięć w punkcie A L. Wartości rzeczywiste zawierają się w podanych przedziałach. Wartości prądów w linii oraz napięć w punkcie A L dla Linii nr 2, w czterech stanach pracy są takie same, jak dla Linii nr. W przypadku jednoczesnego włamania do obu pomieszczeń chronionych przez czujki nr 2 i 3, wartości te ulegają zmianie: I L2 = 0,22mA, a U A L 2 = 3,24V. 97

98 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Wartości te zawierają się także w przedziale stanu Alarm i centrala alarmowa generuje sygnał włamania. Linia nr DEOL Dozorowanie Alarm Sabotaż Przerwa Sabotaż Zwarcie +6V +6V +6V +6V CA 4,7k CA 4,7k CA 4,7k CA 4,7k A L A L A L A L Czujka nr 4,7k 4,7k Czujka nr 4,7k 4,7k Czujka nr 4,7k 4,7k Czujka nr 4,7k 4,7k Parametry Sabotaż Zwarcie Dozorowanie Alarm Sabotaż Przerwa Wartości graniczne Wartości rzeczywiste Wartości graniczne Wartości rzeczywiste I L [ma] U A L [V] Max Min Min Max 0,5 0,47 0,5 0 0,35 0 0,47 0,325 0,36 0,35,9,69 0,325 0, 0,28,9 3,9 2,63 0, 0 0 3,9 6,0 6,0 Rys Schematy Linii nr w czterech stanach pracy Opis zestawu pomiarowego W skład zestawu laboratoryjnego wchodzi pulpit sterująco-pomiarowy i woltomierz. Zestaw ten umożliwia: - sygnalizację stanów pracy układu sygnalizacji włamania; - pomiar napięcia U L i U L2 w punktach A L i A L2 ; - pomiar napięcia w wybranych punktach linii nr i 2 (punkty nr 0); - zadawanie uszkodzeń w układzie sygnalizacji włamania. Pulpit sterująco-pomiarowy Na rysunku 8.8 przedstawiono widok płyty czołowej pulpitu. Pulpit ten zawiera: 98

99 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania - modele czujek DEOL i centrali alarmowej; - wyłączniki i przełączniki do sterowania działaniem układu; - rezystor regulacyjny; - gniazda pomiarowe; - diody sygnalizacyjne. Gniazda pomiarowe umożliwiają pomiar napięcia w wybranych punktach linii. Wyłączniki z napisem Uszkodzenia (U U 4 ) służą do zadawania uszkodzeń. Diody służą do sygnalizacji stanu pracy Układu sygnalizacji włamania (zgodnie z opisem na pulpicie - rys. 8.8). Układ zadawania napięcia w punktach A L i A L2 umożliwia określenie wartości napięć, przy których zapalają się odpowiednie diody sygnalizacyjne. Do zasilania stanowiska napięciem 230V służy podświetlany wyłącznik z napisem Sieć umieszczony na tylnej ściance pulpitu. CENTRALA ALARMOWA Matrix LINIA nr DEOL Alarm Dozorowanie Sabotaż LINIA nr 2 DEOL Alarm Dozorowanie Sabotaż +6V +6V A L 2 2k A 4 3 4,7k 2k A L U Linia Linia 2 S S 2 Reg. U 4,7k Czujka Nr 4,7k 4,7k Czujka nr 2 4,7k Czujka nr 3 Min Max Sprawdzanie U USZKODZENIA U U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7 U 8 U 9 U 0 U U 2 U 3 U 4 Rys Widok płyty czołowej stanowiska do diagnozowania układu sygnalizacji włamania 99

100 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Układ zadawania napięcia w punktach A L i A L2 Układ składa się z dwóch przełączników S Linia i S 2 Linia 2 oraz rezystora regulacyjnego R r (47kΩ) Sprawdzanie U. Jeżeli przełącznik S Linia jest ustawiony w położeniu U ZN, to do centrali przyłączona jest czujka nr. Wówczas w punkcie A L istnieje napięcie wynikające ze stanu pracy tej czujki. Jeżeli przełącznik S jest ustawiony w położeniu Reg. U, to czujka nr jest odłączona od centrali, a na wejście pomiarowe centrali przyłączona jest szczotka rezystora regulacyjnego. Rezystorem tym można zmieniać napięcie w punkcie A L, w zakresie 0 4,7V, w celu określenia wartości napięć, przy których zapalają się odpowiednie diody sygnalizacyjne. Tym samym rezystorem regulacyjnym można sprawdzać Linię nr 2 używając przełącznika S 2 Linia 2. Wartości napięć w punktach A L modelu centrali i czujek. U AL = 0 0,35V zwarcie linii Sabotaż. 2. U AL = 0,35,9V stan normalny Dozorowanie. 3. U AL =,9 3,9V otwarcie drzwi Alarm. 4. U AL = 3,9 6,0V przerwa linii Sabotaż. Zestaw zadawanych uszkodzeń modelu centrali i modeli czujek Na stanowisku można zamodelować następujące uszkodzenia: - przerwa linii centrala generuje sygnał Sabotaż ; - zwarcie linii centrala generuje sygnał Sabotaż ; - uszkodzenie wyłącznika czujki (przy drzwiach zamkniętych styki wyłącznika są rozwarte) centrala generuje sygnał Alarm ; - uszkodzenie układu pomiaru napięcia w CA centrala generuje sygnał Sabotaż ; - uszkodzenie układu pomiaru napięcia w CA centrala generuje sygnał Alarm. Przygotowanie stanowiska do ćwiczenia. Przyłączyć kabel zasilający stanowiska do gniazda 230V i włączyć podświetlany wyłącznik Sieć umieszczony na tylnej ściance stanowiska. 2. Ustawić wszystkie przełączniki U U 4 w pozycji wyłączone (dźwignie wyłączników do dołu). 3. Ustawić przełączniki S (Linia ) i S 2 (Linia 2) w pozycji U ZN. 4. Pokrętło rezystora regulacyjnego Sprawdzanie U ustawić w lewym skrajnym położeniu. Po wykonaniu tych czynności zapalą się diody zielone sygnalizując Dozorowanie. Stanowisko znajduje się w stanie zdatności. Przed przystąpieniem do pomiarów odczekać około 3 minuty w celu nagrzania się elementów stanowiska. 00

101 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania 8.3. Badania funkcjonalne układu sygnalizacji włamania Kontrola stanu układu pomiaru prądu linii W celu sprawdzenia czy układ pomiaru prądu linii np. nr jest w stanie zdatności należy: - odłączyć czujki linii nr od centrali alarmowej; - do zacisków Z i COM przyłączyć rezystor regulacyjny (47kΩ) połączony szeregowo z miliamperomierzem; - zmieniając wartość rezystancji, obserwować wskazania miliamperomierza; - w chwilach zmiany stanu pracy układu sygnalizacji włamania porównać wartości prądu wskazanego przez miliamperomierz z wartościami podanymi w tabeli 8.. Jeżeli wskazania miliamperomierza nie różnią się więcej niż 0% od wartości podanych w tabeli 8., to należy uznać, że układ pomiaru prądu linii jest zdatny. Pomiar wartości napięcia w punktach A L w stanie zdatności układu A. Pomiar wartości napięcia w punkcie A L linia nr Pomiaru rzeczywistych granicznych wartości napięcia należy dokonać w sposób opisany poniżej.. Do gniazda pomiarowego 4 lub 0 (masa) przyłączyć masę woltomierza, a do gniazda pomiarowego A L przyłączyć dodatni zacisk woltomierza. Zakres woltomierza ustawić na 00V. 2. Przełącznik S Linia ustawić w położeniu Reg. U (pokrętło rezystora regulacyjnego Sprawdzanie U w lewym skrajnym położeniu). Po przestawieniu przełącznika, do układu pomiaru napięcia CA zostaje przyłączona szczotka rezystora regulacyjnego. Rezystancja rezystora R r = 0Ω. Wartość napięcia w punkcie A L jest równa 0V. Pali się dioda żółta sygnalizując Sabotaż. 3. Pokręcając powoli pokrętłem rezystora regulacyjnego w prawo obserwować diody. Przy wzroście napięcia kolejno będą gasły i zapalały się odpowiednie diody. W momentach zapalania diod należy odczytać wartość napięcia na woltomierzu i zanotować ją w tabeli 8.9, w kolumnie Linia USW zdatny (Układ Sygnalizacji Włamania zdatny). 4. Po wykonaniu pomiarów przełącznik S ustawić w położeniu U ZN, a pokrętło rezystora regulacyjnego Sprawdzanie U w lewym skrajnym położeniu. Zaświeci się dioda zielona sygnalizując Dozorowanie. Temu stanowi odpowiada określona rzeczywista (dla badanej linii) wartość napięcia, którą po odczytaniu na woltomierzu należy zanotować w ostatnim wierszu tabeli 8.9. Kolejność zapalania się diod w czasie pomiaru granicznych wartości napięć. Gaśnie dioda żółta Sabotaż i zapala się zielona Dozorowanie. 0

102 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 2. Gaśnie dioda zielona i zapala się czerwona Alarm. 3. Gaśnie dioda czerwona i zapala się żółta Sabotaż. B. Pomiar wartości napięcia w punkcie A L2 linia nr 2 Pomiaru rzeczywistych wartości napięcia w punkcie A L2 należy dokonać podobnie jak opisano w punkcie A. Dodatni zacisk woltomierza przyłączyć do gniazda A L2, a przełącznik S 2 Linia 2 ustawić w położeniu Reg. U. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 8.9, w kolumnie Linia 2 USW zdatny. Po wykonaniu pomiarów przełącznik S 2 ustawić w położeniu U ZN, a pokrętło rezystora regulacyjnego Sprawdzanie U w lewym skrajnym położeniu. 8.4.Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Przed rozpoczęciem ćwiczenia nauczyciel podaje numery wyłączników, które studenci powinni włączać kolejno, aby zadać określone uszkodzenie. Dopiero po przeprowadzeniu procesu diagnozowania jednego uszkodzenia, należy włączyć następny wyłącznik (po wyłączeniu poprzedniego), zadając kolejne uszkodzenie. Założono, że w układzie diagnozowanym istnieje w danej chwili tylko jedna niezdatność. Włączenie kilku wyłączników jednocześnie nie powoduje uszkodzenia stanowiska Zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, wyników sprawdzeń i diagnoz W tabeli 8.3 zestawiono zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, wyników sprawdzeń i diagnoz. W oparciu o te informacje, w procesie diagnozowania należy wybrać odpowiedni objaw i dalej postępować zgodnie z logiką wnioskowania diagnostycznego. Tabela 8.3 Zbiór objawów. Świeci dioda żółta Sabotaż w linii nr.. 2. Świeci dioda zielona Dozorowanie w linii nr.. 3. Świeci dioda czerwona Alarm w linii nr.. Zbiór hipotez. Uszkodzona linia DEOL nr lub 2 2. Zwarcie między punktami. i. Linii nr. 3. Przerwa między punktami. i. Linii nr. 4. Uszkodzony wyłącznik czujki nr. (styki wyłącznika rozwarte przy zamkniętych drzwiach) 5. Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w przedziale wartości napięcia stanu Dozorowanie (tab. 8.2), a świeci dioda czerwona Alarm, to hipoteza brzmi: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w przedziale wartości napięcia stanu Alarm (tab. 8.2) i świeci dioda czerwona Alarm, to hipoteza brzmi: Uszkodzony 02

103 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania wyłącznik krańcowy czujki nr. lub nr.. (przy drzwiach zamkniętych styki wyłącznika są rozwarte). 7. Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w przedziale wartości napięć stanu Sabotaż (tab. 8.2) i świeci dioda żółta Sabotaż, to hipoteza brzmi: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr. 8. Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w przedziale wartości napięć stanu Dozorowanie (tab. 8.2) a świeci dioda żółta Sabotaż, to hipoteza brzmi: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr. Zbiór poleceń sprawdzeń. Pomierzyć wartość napięcia w punkcie A L lub A L2 2. Pomierzyć wartość napięcia w punkcie nr 3. Sprawdzić UPN w linii nr. przy włączonym wyłączniku U. według punktu 8.3 i porównać go z wartościami napięć zawartymi w tabeli 8.2. Zbiór wyników sprawdzeń. Napięcie w punkcie A L.. : U AL lub U AL2 =.. V 2. Napięcie w punkcie. : U.. =.. V 3. U MIN stanu Alarm =..V. Wartość tego napięcia jest mniejsza od wartości w stanie zdatności układu (tabela U MIN stanu Alarm =,9V) 4. U MAX stanu Sabotaż (przerwa linii) =..V. Wartość tego napięcia jest większa od wartości w stanie zdatności układu (tabela U MAX stanu Sabotaż = 0,35V) 5. U. =.V. Wyłącznik czujki nr.. posiada styki zwarte 6. U. =.V. Wyłącznik czujki nr.. posiada styki rozwarte 7. U..=..V. Między punktami..-.. jest połączenie Zbiór diagnoz. Zwarcie linii między punktem. a masą 2. Przerwa między punktami.. i. Linii nr 3. Uszkodzony wyłącznik krańcowy czujki nr.. 4. Uszkodzony układ pomiaru napięcia Linii nr dla stanu układu Sabotaż 5. Uszkodzony układ pomiaru napięcia Linii nr dla stanu układu Alarm Metoda diagnozowania z wykorzystaniem woltomierza Poniżej opisano metodę diagnozowania Układu sygnalizacji włamania z wykorzystaniem woltomierza na przykładzie linii DEOL z 3-ma czujkami. Po włączeniu jednego z wyłączników Uszkodzenia pojawia się symulacja uszkodzenia układu sygnalizacji włamania. Objawem niezdatności układu jest zapalenie żółtej diody sygnalizującej Sabotaż lub diody czerwonej sygnalizującej Alarm (włamanie). 03

104 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium A. Diagnozowanie układu w przypadku wystąpienia objawu: świeci się dioda czerwona Alarm Uwaga:. Jeżeli świeci się dioda czerwona Alarm, a napięcie w punkcie A L danej linii mieści się w zakresie wartości dla stanu Alarm, to oznacza że nastąpiło włamanie, lub nastąpiło uszkodzenie czujki (rozwarcie styków wyłącznika czujki przy drzwiach zamkniętych). W ćwiczeniu zakładamy, że nie nastąpiło włamanie. 2. W czasie diagnozowania czujek, aby stwierdzić czy styki wyłącznika są zwarte czy rozwarte, należy pomierzyć napięcie na wyjściu i wejściu czujki. Jeżeli te napięcia są sobie równe, to styki wyłącznika czujki są zwarte. 3. Jeżeli zapali się dioda czerwona Alarm, a napięcie w punkcie A L danej linii mieści się w zakresie stanu Dozorowanie, to oznacza że nastąpiło uszkodzenie układu pomiaru napięcia. W takim przypadku należy sprawdzić Układ pomiaru napięcia przy włączonym wyłączniku zadanego uszkodzenia (pkt. 8.2). Aby przeprowadzić diagnozowanie układu należy wykonać określoną liczbę kroków. -szy krok diagnozowania Po włączeniu wyłącznika wybranego uszkodzenia np. U 7 zanotować w tabeli 8.4:. Objaw uszkodzenia O i ; 2. Postawioną hipotezę odnośnie rodzaju uszkodzenia (czyli stanu niezdatności); 3. Podjętą decyzję odnośnie wykonania sprawdzenia weryfikującego przyjętą hipotezę; 4. Wynik wykonanego sprawdzenia kolejny objaw O i ; 5. Postawioną diagnozę. Uwaga: W tabelach wpisano fikcyjne wartości pomierzonych napięć, ale zbliżone do wartości rzeczywistych. Oznaczenia użyte w tabeli: U 6 napięcie w punkcie 6; UPN układ pomiaru napięcia centrali alarmowej. Kolejny krok diagnozowania Jeżeli w poprzednim kroku nie została postawiona diagnoza, to należy wykonać następne kroki diagnostyczne. Poniżej przedstawiono metodykę diagnozowania dla kilku wariantów uszkodzeń linii nr 3 DEOL. Na rysunku 8.9 przedstawiono schemat Układu sygnalizacji włamania z linią DEOL, która składa się z 3 czujek. 04

105 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Linia nr 3 DEOL Alarm (włamanie) +6V CA 2k A L3 4,7k 2 Cz nr 4,7k 3 Cz nr 2 Cz nr ,7k 4,7k krok 4krok 3krok 2krok + V - Rys Schemat układu z linią DEOL składającą się z 3 czujek Wariant Tabela 8.4 Krok Krok 2 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 7 Objaw Hipoteza O. Świeci dioda czerwona Alarm. Uszkodzona linia nr 3 DEOL. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć wartość napięcia w punkcie A L3. Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw O 2. U AL3 =,65V. Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w dopuszczalnych granicach napięcia dla stanu Dozorowanie (tab. 8.2), to hipoteza brzmi: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr 3. Sprawdzić UPN w linii nr 3 przy włączonym wyłączniku U 7 (wg punktu 8.2) i porównać go z wartościami napięć zawartymi w tabeli 8.2. O 4. U MIN stanu Alarm =,42V. Wartość tego napięcia jest mniejsza od wartości w stanie zdatności układu (tabela 8.2 : U MIN stanu Alarm =,9V). Diagnoza D: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr 3 Wariant 2 Tabela 8.5 Krok Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U Objaw O. Świeci dioda czerwona Alarm. Hipoteza Uszkodzona linia nr 3 DEOL. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć wartość napięcia w punkcie A L3. Wynik sprawdzenia O 2. U AL3 = 2,68V. Objaw 05

106 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Krok 2 Krok 3 Hipoteza Ponieważ wartość zmierzonego napięcia mieści się w przedziale wartości napięcia dla stanu Alarm (tab. 8.2), to hipoteza brzmi: Uszkodzony wyłącznik krańcowy jednej z czujek (przy drzwiach zamkniętych styki wyłącznika są rozwarte). Polecenie sprawdzenia Zmierzyć napięcie w punkcie 6. Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza O 3. U 6 = 0V. Wyłącznik czujki nr 3 posiada styki zwarte. Uszkodzony wyłącznik krańcowy czujki nr lub 2 (przy drzwiach zamkniętych styki wyłącznika są rozwarte). Polecenie sprawdzenia Zmierzyć napięcie w punkcie 4. Wynik sprawdzenia Objaw O 4. U 4 =,3V. Wyłącznik czujki nr 2 posiada styki rozwarte. Diagnoza D: Uszkodzony wyłącznik krańcowy czujki nr 2 Uwaga: Gdyby wyłącznik czujki nr 2 był zdatny, (objaw: napięcie w punkcie 4: U 4 = 0V), to należałoby wykonać 4-ty krok, mierząc napięcie w punkcie 2. B. Diagnozowanie układu w przypadku wystąpienia objawu: świeci się dioda żółta Sabotaż Aby przeprowadzić diagnozowanie układu należy wykonać pewną liczbę kroków postępując podobnie, jak w punkcie A. Wyniki diagnozowania zapisać w tabeli 8.6. Uwaga:. Jeżeli świeci się dioda żółta Sabotaż, a napięcie w punkcie A L danej linii mieści się w zakresie wartości dla stanu Sabotaż to oznacza, że nastąpiło uszkodzenie linii (zwarcie, przerwa). Należy odszukać rodzaj i miejsce uszkodzenia linii. 2. Jeżeli świeci się dioda żółta Sabotaż, a napięcie w punkcie A L danej linii mieści się w zakresie stanu Dozorowanie to oznacza, że wystąpiło uszkodzenie układu pomiaru napięcia danej linii. W takim przypadku należy sprawdzić Układ pomiaru napięcia przy włączonym wyłączniku zadanego uszkodzenia wg. pkt Na rysunku 8.0 przedstawiono schemat układu sygnalizacji włamania przy zwarciu i przerwie linii DEOL (3 czujki). 06

107 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Linia nr 3 DEOL Sabotaż (zwarcie, przerwa linii) +6V CA 2k A L3 4,7k 2 Cz nr 4,7k 3 Cz nr 2 Cz nr ,7k 4,7k krok 5krok 4krok 3krok + V - 2krok Krok Rys Schemat układu z linią DEOL przypadki: zwarcie i przerwa Wariant Tabela 8.6 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 2 Objaw O. Świeci dioda żółta Sabotaż. Hipoteza Uszkodzona linia nr 3 DEOL. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć wartość napięcia w punkcie A L3. Wynik sprawdzenia Objaw O 2. U AL3 = 0V. Diagnoza D: Zwarcie linii między punktem a masą Krok Krok 2 Wariant 2 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 2 Objaw Hipoteza O. Świeci dioda żółta Sabotaż. Uszkodzona linia nr 3 DEOL. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć wartość napięcia w punkcie A L3. Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw O 2. U AL3 =,64V. Tabela 8.7 Ponieważ wartość pomierzonego napięcia mieści się w granicach napięć stanu Dozorowanie (tab. 8.2), to hipoteza brzmi: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr 3. Sprawdzić UPN w linii nr 3 przy włączonym wyłączniku U 3 (wg punktu 8.2) i porównać go z wartościami napięć zawartymi w tabeli 8.2. O 3. U MAX stanu Sabotaż (przerwa w linii) =,83V. Wartość tego napięcia jest większa od wartości w stanie zdatności układu (tabela 8.2: U MAX stanu Sabotaż = 0,35V). Diagnoza D: Uszkodzony układ pomiaru napięcia CA w linii nr 3 07

108 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Wariant 3 Krok 3 Krok 2 Krok Tabela 8.8 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 3 Objaw O. Świeci dioda żółta Sabotaż. Hipoteza Uszkodzona linia nr 3 DEOL. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć wartość napięcia w punkcie A L3. Wynik sprawdzenia Objaw O 2. U AL3 = 5,95V. Hipoteza Przerwa linii nr 3 między punktami - 8. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć napięcie w punkcie 7. Wynik sprawdzenia Objaw O 3. U 7 = 0V. Między punktami 7 8 jest połączenie. Hipoteza Przerwa linii nr 3 między punktami - 6. Polecenie sprawdzenia Zmierzyć napięcie w punkcie 5. Wynik sprawdzenia Objaw O 4. U 5 = 5,96V. Diagnoza D: Przerwa linii nr 3 między punktami 5-6 Uwaga: Gdyby między punktami 5 6 nie było przerwy (objaw: napięcie w punkcie 5: U 5 = 0V), to należałoby wykonać 4-ty i 5-ty krok, mierząc napięcie w punktach 3 i 2. Tabele pomiarowe do zanotowania wyników procesu diagnozowania. Tabela pomocnicza. Pomiar napięcia w punktach A L układu sygnalizacji włamania (USW) w celu określenia zdatności lub niezdatności układu pomiaru napięcia danej linii. Uwaga: W czasie diagnozowania, w przypadku postawienia hipotezy Uszkodzony układ pomiaru napięcia Linii nr, należy sprawdzić wymieniony układ wg punktu 8.2, przy włączonym wyłączniku danego uszkodzenia. Wyniki pomiaru zanotować w tabeli 8.9 w kolumnie USW niezdatny dla uszkodzenia U.. Porównać uzyskane wartości napięć z wartościami napięć zmierzonych w stanie zdatności układu i postawić diagnozę. 08

109 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania Stan funkcjonalny układu Świeci dioda USW zdatny Tabela 8.9 Linia nr Linia nr 2 USW niezdatny (zadane uszkodzenie U ) USW zdatny USW niezdatny (zadane uszkodzenie U ) U AL [V] U AL [V] U AL2 [V] U AL2 [V] Sabotaż Przerwa linii Żółta Alarm Czerwona Dozorowanie Zielona Sabotaż Zwarcie linii Żółta Napięcie w punktach A L w stanie normalnej pracy układu Dozorowanie Zielona U AL = V U AL2 = V 2. Główna tabela diagnostyczna Krok Krok 2 Krok 3 Zadane uszkodzenie 09 Włączony wyłącznik U. Tabela 8.0 Objaw O. Świeci dioda.... linii nr.. Hipoteza Uszkodzona linia nr DEOL. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić napięcie w punkcie A L. Wynik sprawdzenia Objaw O 2. U AL = V. Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw O 3. O 4 Diagnoza D:

110 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 8.5. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: schemat blokowy badanego układu sygnalizacji włamania; wypełnione tabele pomiarowe (tab. nr 8.9, 8.0); wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji Zagadnienia kontrolne. Wymienić i scharakteryzować ważniejsze stany techniczne i funkcjonalne przykładowego systemu bezpieczeństwa. 2. Dokonać podziału systemów bezpieczeństwa na klasy i podać przykłady rozwiązań. 3. Omówić sposób diagnozowania systemu bezpieczeństwa przez centralę alarmową. 4. Wymienić stany funkcjonalne (stany pracy) rozróżniane w liniach z czujkami bez rezystorów ze stykami NC (normalnie zwartymi). 5. Jakie stany pracy rozróżniają linie EOL z czujkami ( z jednym rezystorem) ze stykami NC. 6. Jakie stany pracy rozróżniają linie DEOL z czujkami ( z dwoma rezystorami) ze stykami NC. 7. Omówić kolejność postępowania w procesie diagnozowania układu sygnalizacji włamania. 8. Wyjaśnić pojęcie objawu (symptomu) stanu. 9. Na czym polega różnica między diagnozowaniem sondującym a dozorowaniem? 0. Wymienić i omówić poziomy (etapy) wnioskowania diagnostycznego. 0

111 ĆWICZENIE 9 DIAGNOZOWANIE UKŁADU SYGNALIZACJI POŻARU Cel ćwiczenia: - zapoznanie z przykładowym procesem diagnozowania układu sygnalizacji pożaru Przedmiot ćwiczenia: - obiekt diagnozowania: laboratoryjny układ sygnalizacji pożaru złożony z centrali alarmowej i linii dozorowej wyposażonej w trzy czujki sygnalizacyjne Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: - laboratoryjne stanowisko złożone z pulpitu sterująco-pomiarowego i oscyloskopu cyfrowego 9.. Podstawy teoretyczne i założenia Wiadomości ogólne o systemach bezpieczeństwa zostały opisane w instrukcji do ćwiczenia nr 8 Diagnozowanie układu sygnalizacji włamania, w pkt Opis stanowiska do badań układu sygnalizacji pożaru Układ sygnalizacji pożaru ma na celu wczesne wykrywanie pożaru oraz alarmowanie o nim w celu umożliwienia podjęcia działań takich jak: - uruchomienie samoczynnych procesów gaszenia; - ewakuacja ludzi i mienia; - wezwanie straży pożarnej za pomocą systemów transmisji alarmu. W skład tego układu wchodzą następujące podstawowe elementy: - centralka sygnalizacji pożarowej wraz z systemem zasilania w energię elektryczną; - czujki pożarowe; - urządzenia transmisji sygnałów alarmu pożarowego;

112 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium - sygnalizatory alarmowe. Stanowisko laboratoryjne przedstawia prosty model fizyczny układu sygnalizacji pożaru, który składa się z centrali alarmowej (CA) z jedną linią dozorowania stanu chronionych pomieszczeń. W linii dozorowania znajdują się trzy czujki pracujące w systemie impulsowym z podziałem czasowym. Ogólny schemat Układu sygnalizacji pożaru przedstawiono na rysunku 9.. Po wysłaniu przez centralę impulsu, czujka generuje impuls z opóźnieniem czasowym T i zależnym od numeru czujki. T i = T lub T 2 lub T 3. Po czasie T czujka nr wysyła do linii dozorowej impuls o wartości zależnym od stanu czujki. W kolejnych przedziałach T 2 i T 3 impulsy są wysyłane przez czujki nr 2 i 3. Układy wejściowe centrali kontrolując wartości amplitudy impulsów przy pomocy komparatorów drabinkowych w wyznaczonych przedziałach czasowych określają stan poszczególnych czujek. W dalszej części instrukcji te przedziały czasowe nazywane są Bramkami pomiarowymi. Usytuowanie impulsów i bramek pomiarowych przedstawiono na rysunku 9.2. Centrala rozróżnia trzy wartości amplitudy impulsów wyjściowych z czujek, które odzwierciedlają: stan uszkodzenia, dozorowania i alarmu układu sygnalizacji pożaru. Pomiar amplitudy impulsu wyjściowego danej czujki odbywa się tylko wtedy, gdy czoło impulsu pojawia się w czasie trwania bramki pomiarowej. W innym przypadku układ pomiarowy amplitudy impulsu stwierdza, że amplituda jest równa zeru i centrala generuje sygnał Uszkodzenie. Rys. 9.. Ogólny schemat laboratoryjnego układu sygnalizacji pożaru U WY Sygnały wyjściowe CA Bramki pomiarowe CA dla czujek t U B Cz Cz 2 Sygnały wyjściowe czujek Cz 3 t T = +/-0%T T 2 = +/-0%T 2 T 3 = +/-0%T 3 U WY Cz Cz 2 Cz 3 t T D T G T T 2 T3 T D2 T G2 T D3 T G3 Rys Impulsy wyjściowe centrali alarmowej i czujek 2

113 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Oznaczenia: - T, T 2, T 3 czasy przesunięcia czoła impulsów wyjściowych czujek; - ΔT dopuszczalny zakres przesunięcia impulsu wyjściowego czujki; - T D dolna granica przesunięcia impulsu wyjściowego czujki; - T G górna granica przesunięcia impulsu wyjściowego czujki Charakterystyka układu laboratoryjnego Zestaw stanowiska składa się z pulpitu sterująco-pomiarowego i oscyloskopu cyfrowego. Stanowisko to umożliwia: - pomiar czasu T przesunięcia impulsów wyjściowych czujek; - pomiar amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek; - pomiar dolnej T D i górnej T G granicy przesunięcia impulsu wyjściowego danej czujki; - pomiar granicznych wartości amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek, przy których następuje zmiana stanu pracy układu sygnalizacji pożaru; - zadawanie uszkodzeń układu sygnalizacji pożaru. Pulpit sterująco-pomiarowy Widok płyty czołowej pulpitu do diagnozowania układu sygnalizacji pożaru przedstawia rysunek

114 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium CENTRALA ALARMOWA CZUJKA Nr CZUJKA Nr 2 CZUJKA Nr 3 U WE CA U WY CA Pożar Pożar Pożar Dozorowanie Dozorowanie Dozorowanie Uszkodzenie Uszkodzenie Uszkodzenie T ZN U WE U ZN U WE 2 U WE 3 S S 2 Czujka nr Czujka nr 2 Czujka nr 3 Reg. T Reg. U U WY U WY 2 U WY Min Max Sprawdzanie T U WY CA U WE CA Cz Cz2 Cz3 USZKODZENIA U U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7 t t Min Max Sprawdzanie U U 8 U 9 U 0 U U 2 U 3 U 4 Rys Widok płyty czołowej pulpitu do diagnozowania układu sygnalizacji pożaru Pulpit sterująco-pomiarowy zawiera: - modele czujek i centrali alarmowej; - wyłączniki i przełączniki sterujące pracą stanowiska; - potencjometry; - gniazda pomiarowe; - diody sygnalizacyjne. Gniazda pomiarowe umożliwiają podanie sygnałów centrali i czujek do oscyloskopu. Wyłączniki z napisem Uszkodzenia (U U 4 ) służą do zadawania uszkodzeń. Diody służą do sygnalizacji stanu pracy układu sygnalizacji pożaru (zgodnie z opisem na płycie czołowej pulpitu - rys. 9.3). Do zasilania stanowiska napięciem 230V służy podświetlany wyłącznik z napisem Sieć umieszczony na tylnej ściance pulpitu. 4

115 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru A. Układ przesuwania impulsów wyjściowych czujek Układ przesuwania impulsów wyjściowych czujek służy do pomiaru dolnej T D i górnej T G granicy przesunięcia impulsu wyjściowego danej czujki; Układ składa się z przełącznika S z napisami T ZN i Reg. T oraz potencjometru z napisem Sprawdzanie T. Gdy przełącznik S znajduje się w położeniu T ZN, impulsy wyjściowe czujek są przesunięte względem impulsu wyjściowego centrali o wartości znamionowe T, T 2 i T 3 (patrz rys. 9.2). Po przełączeniu przełącznika S w położenie Reg. T, potencjometrem z napisem Sprawdzanie T można zmieniać położenie impulsów 500 wyjściowych czujek w zakresie T μs. 500 Uwaga: Bramek pomiarowych, w postaci impulsów, nie można obserwować na ekranie oscyloskopu. B. Układ pomiaru granicznych wartości amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek Układ pomiaru granicznych wartości amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek służy do określenia, przy jakich wartościach amplitudy, następuje zmiana stanu pracy układu sygnalizacji pożaru. Układ składa się z przełącznika S 2 z napisami U ZN i Reg. U oraz potencjometru z napisem Sprawdzanie U. Gdy przełącznik S 2 znajduje się w położeniu U ZN, do wejścia Centrali alarmowej podawane są impulsy wyjściowe czujek. Po przełączeniu przełącznika S 2 w położenie Reg. U, do wejścia CA podawane jest ze szczotki potencjometru napięcie stałe. Zmieniając wartość napięcia można określić graniczne wartości amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek, przy których następuje zmiana stanu pracy układu sygnalizacji pożaru, co jest sygnalizowane zapaleniem się odpowiedniej diody Charakterystyka sygnałów w układzie laboratoryjnym. Znamionowe przesunięcia sygnałów wyjściowych czujek: T = ms, T 2 = 2ms, T 3 = 3ms. 2. Przedziały dopuszczalnych przesunięć impulsów wyjściowych czujek: ΔT = +/-00μs, ΔT 2 = +/-200μs, ΔT 3 = +/-300μs. 3. Amplituda sygnałów wyjściowych czujek: U WY = 0 3V stan niezdatności typu przerwa w obwodzie (między centralą a czujką lub wewnątrz czujki), albo obniżona rezystancja obwodu (prawdopodobieństwo wystąpienia tego uszkodzenia jest bardzo małe); CA generuje sygnał Uszkodzenie ; U WY = 3V 6V stan zdatności; CA generuje sygnał Dozorowanie ; U WY > 6V stan zdatności; CA generuje sygnał alarmowy Pożar. 5

116 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Zestaw symulowanych uszkodzeń układu sygnalizacji pożaru Na stanowisku można zamodelować następujące uszkodzenia: - brak sygnału na wejściu/wyjściu czujki (czujek); - amplituda sygnału na wyjściu czujki (czujek) większa od znamionowej; - przesunięcie sygnału na wyjściu czujki (czujek) różne od znamionowego; - zmiana położenia dolnej T D i górnej T G granicy przesunięcia impulsu wyjściowego określonej czujki (przesunięcie Bramki pomiarowej różne od znamionowego); - uszkodzony w CA układ pomiaru amplitudy napięcia impulsów wyjściowych czujek. Uwaga: Wartość znamionowa oznacza tu przedział wartości odpowiadający stanowi zdatności układu sygnalizacji pożarowej Przygotowanie stanowiska laboratoryjnego do ćwiczenia A. Uruchomienie stanowiska. Przyłączyć kabel zasilający stanowiska do gniazda 230V i włączyć podświetlany wyłącznik. 2. Ustawić wszystkie wyłączniki U U 2 w pozycji wyłączone (dźwignie wyłączników do dołu). 3. Ustawić przełącznik S w pozycji T ZN, a przełącznik S 2 w pozycji U ZN. 4. Pokrętła potencjometrów Sprawdzanie T i Sprawdzanie U ustawić w lewym skrajnym położeniu. 5. Przed przystąpieniem do pomiarów odczekać około 3 minut by ustabilizowała się temperatura elementów stanowiska. B. Przygotowanie oscyloskopu do pomiarów Do wizualizacji badanych wielkości i pomiaru ich amplitudowych i czasowych charakterystyk używany jest oscyloskop cyfrowy. Do sterowania pracą oscyloskopu służą pokrętła i przyciski umieszczone na obudowie, które w tekście są opisane pismem pogrubionym. Przyciski programowalne są umieszczone pod ekranem oscyloskopu i są one opisane w tekście pismem pochyłym pogrubionym.. Przyłączyć kabel zasilający oscyloskopu do gniazda 230V i włączyć zasilanie oscyloskopu przyciskiem Line. 2. kanał oscyloskopu przyłączyć do gniazda pomiarowego U WY CA, a drugi do gniazda U WE CA. 6

117 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru 3. Ustawić tryb pracy oscyloskopu naciskając na przycisk Main/Delayed oraz Main. 4. Pokrętłem Volts/div ustawić wzmocnienia i 2 kanału na wartość 2V/dz. 5. Pokrętłem Position i 2 kanału ustawić poziomy zerowe na wartości +2V i - 6V. 6. Ustawić wyzwalanie oscyloskopu sygnałem kanału naciskając na przycisk Source i. 7. Ustawić tryb pracy oscyloskopu naciskając na przycisk Mode i Auto. 8. Pokrętłem Level ustawić poziom wyzwalania na wartość około 0,5V. 9. Pokrętłem Time/div ustawić podstawę czasu na wartość 500μs. 0. Nacisnąć przycisk kanału i przyciskiem Couplng wybrać DC. Powtórzyć czynności dla kanału 2.. Pokrętłem Horizontal ustawić trójkąt na wartość 2ms (jedna działka od lewego brzegu ekranu). Podczas pokręcania tym pokrętłem na oscyloskopie pojawia się komunikat, na jaką wartość (w ms lub s) ustawiony jest trójkąt, w stosunku do środka ekranu. Po wykonaniu tych czynności na ekranie oscyloskopu pojawi się obraz impulsów wyjściowych centrali i impulsów wyjściowych czujek w stanie zdatności stanowiska. O stanie pracy czujek w trybie Dozorowanie sygnalizują 3 świecące się diody zielone. Uwaga:. W czasie wykonywania pomiarów, do gniazd pomiarowych U WE U WE3 oraz U WY U WY3, powinien być przyłączony 2 kanał oscyloskopu. 2. Nastawy oscyloskopu można zmieniać w zależności od potrzeb Pomiar rzeczywistych wartości parametrów impulsów wyjściowych czujek A. Pomiar czasów przesunięcia i amplitudy impulsów wyjściowych czujek w stanie zdatności układu Pomiaru rzeczywistych czasów przesunięcia i amplitudy impulsów wyjściowych czujek należy dokonać w sposób opisany poniżej.. Nacisnąć na oscyloskopie przycisk Cursors i w menu Active Cursors przycisk t. 2. Pokrętłem Cursors ustawić kursor t na przednim zboczu impulsu wyjściowego centrali. 3. Nacisnąć na przycisk t2 i ustawić kursor t 2 na przednim zboczu impulsu wyjściowego czujki nr. 4. Odczytać wartość Δt. Jest to rzeczywisty czas T przesunięcia impulsu czujki nr. Wartości te zapisać w tabeli Powtórzyć czynności wg pkt. 3 i 4 dla sygnałów wyjściowych czujki nr 2 oraz 3 i zapisać w tabeli wartości T 2 i T Nacisnąć w menu Source na przycisk 2, a w menu Active Cursors przycisk V2 (kursor V ustawi się na poziomie zerowym kanału 2). 7. Ustawić kursor V 2 na górnej linii impulsu wyjściowego czujki nr. 8. Odczytać wartość ΔV. Jest to wartość amplitudy impulsu czujki nr. Wartość tę zapisać w tabeli Powtórzyć czynności wg pkt. 7 i 8 dla sygnałów wyjściowych czujki nr 2 i 3. 7

118 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Uwaga: W tabelach 9., 9.2 i 9.3 wpisano fikcyjne, ale zbliżone do wartości rzeczywistych, wyniki pomiarów. Tabela 9. ΔT [μs] Amplituda T[ms] T D [ms] T G [ms] ΔT = T G - T D [V] Czujka T =,02 0,88, ,52 Czujka 2 T 2 =,98,80 2, ,55 Czujka 3 T 3 = 3,0 2,68 3, ,6 Sposób pomiaru czasów przesunięcia i amplitudy impulsów wyjściowych czujek ilustruje rysunek 9.4. U WY Kursor t Sygnały wyjściowe CA Sygnały wyjściowe czujek Kursor t 2 Kursor t 2 Kursor t 2 Kursor V 2 t U WY Czujka Czujka 2 Czujka 3 V T T 2 T3 Kursor V t Rys Pomiar czasów przesunięcia i amplitudy impulsów wyjściowych czujek B. Pomiar dolnej T D i górnej T G granicy przesunięcia impulsów wyjściowych czujek w stanie zdatności układu Pomiaru dolnej T D (lewej) i górnej T G (prawej) granicy przesunięcia impulsów wyjściowych czujek należy dokonać w sposób opisany poniżej.. Przełącznik S ustawić w położeniu Reg. T (potencjometr Sprawdzanie T w lewym skrajnym położeniu). Po przestawieniu przełącznika impulsy wyjściowe czujek ustawią się w maksymalnym lewym położeniu. Zapalają się trzy diody żółte sygnalizując Uszkodzenie 2. Pokręcając powoli pokrętłem potencjometru w prawo obserwować zielone diody czujek nr 3, 2 i. Zielone diody będą zapalają się w takiej właśnie kolejności. W chwili zapalenia się zielonej diody danej czujki, kursorem t 2 zmierzyć wartość przesunięcia impulsu tej czujki. Jest to dolna granica przesunięcia impulsu danej czujki T D. Zmierzoną wartość zapisać w tabeli Nadal pokręcając pokrętłem potencjometru w prawo obserwować zielone diody czujek nr, 2 i 3. Zielone diody gasną w takiej właśnie kolejności. W chwili zgaśnięcia 8

119 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru zielonej diody danej czujki, kursorem t 2 zmierzyć wartość przesunięcia impulsu tej czujki. Jest to górna granica przesunięcia impulsu danej czujki T G. Zmierzoną wartość zapisać w tabeli 9.. Dla przykładu, na rysunku 9.5, przedstawiono sposób pomiaru dolnej T D i górnej granicy T G przesunięcia impulsów wyjściowych czujki nr 2. U WY Sygnał wyjściowy CA Znamionowe położenie U WY czujki nr 2 t U WY U WY T D T 2 Świeci dioda żółta Kursor t 2 Świeci dioda zielona Gaśnie dioda żółta Zapala się dioda zielona t t U WY Kursor t Lewe skrajne położenie U WY czujki nr 2 T G Kursor t 2 Gaśnie dioda zielona Zapala się dioda żółta t Rys Ilustracja pomiaru dolnej T D i górnej granicy T G przesunięcia impulsów wyjściowych czujki nr 2 C. Pomiar dolnej i górnej granicy przesunięcia impulsu wyjściowego czujki w stanie niezdatności układu W czasie diagnozowania układu sygnalizacji pożaru, gdy zostanie postawiona hipoteza, że może być uszkodzony układ pomiaru przesunięcia impulsu wyjściowego danej czujki w CA, należy zmierzyć dolną T D i górną T G granicę przesunięcia impulsu wyjściowego danej czujki w sposób opisany w ppkt. B, ale tylko w odniesieniu do określonej czujki. Pomiar ten należy wykonać przy włączonym wyłączniku danego uszkodzenia. Wartości T, T D i T G danej czujki mierzone w stanie zdatności przepisać z tabeli 9.. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 9.2 w kolumnach Pomiary sprawdzające. Czujka nr (np.) Stan zdatności Pomiary sprawdzające Wniosek Tabela 9.2 T D [ms] T [ms] T G [ms] T D [ms] T G [ms] T [ms] Impuls czujki znajduje się poza Bramką pomiarową, gdyż 0,88,02,09 0,7 0,9,08 nastąpiło przesunięcie T D i T G w lewo o około 200μs. Uszkodzona CA. 9

120 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium D. Pomiar wartości napięć, przy których następuje sygnalizacja zmiany stanu funkcjonalnego układu sygnalizacji pożaru Pomiar wartości napięć w stanie zdatności Układu pomiaru napięcia CA Pomiar granicznych wartości napięcia należy wykonać w sposób opisany poniżej.. Na oscyloskopie nacisnąć na przycisk Voltage, Source wybrać 2, a następnie nacisnąć na Vavg. 2-gi kanał oscyloskopu mierzy wartość średnią napięcia podawanego na wejście CA. 2. Przełącznik S 2 ustawić w położeniu Reg. U (pokrętło potencjometru Sprawdzanie U w lewym skrajnym położeniu). Po przestawieniu przełącznika, do układu pomiaru napięcia CA zostaje przyłączona szczotka potencjometru. Wartość podanego napięcia jest równa 0V. Zapalają się trzy diody żółte sygnalizując Uszkodzenie. 3. Pokręcając powoli pokrętłem potencjometru w prawo obserwować diody. Przy wzroście napięcia kolejno gasną i zapalają się odpowiednie diody. W tych chwilach należy odczytać wartość napięcia na oscyloskopie i zanotować ją w tabeli 9.3 w kolumnie Układ sygnalizacji pożaru zdatny. 4. Po wykonaniu pomiarów przełącznik S ustawić w położeniu U ZN, a pokrętło potencjometru Sprawdzanie U w lewym skrajnym położeniu. Zapalają się trzy diody zielone sygnalizując Dozorowanie. Kolejność zapalania się diod w czasie pomiaru granicznych wartości napięć 4. Gaśnie dioda żółta Uszkodzenie i zapala się zielona Dozorowanie. 5. Gaśnie dioda zielona i zapala się czerwona Alarm. Pomiar wartości napięć w stanie niezdatności Układu pomiaru napięcia CA W czasie diagnozowania układu sygnalizacji pożaru, kiedy zaświeci się dioda żółta lub czerwona, sygnalizując Uszkodzenie lub Pożar, a parametry impulsu wyjściowego czujki są znamionowe, należy postawić hipotezę, że Układ pomiaru napięcia CA jest niezdatny. W tym przypadku należy zmierzyć wartości napięć, przy których następuje sygnalizacja zmiany stanu pracy układu sygnalizacji pożaru według ppktu A. Pomiar ten należy wykonać przy włączonym wyłączniku danego uszkodzenia. Zmierzone wartości napięć zanotować w tabeli 9.3 w kolumnie Pomiary sprawdzające układ sygnalizacji pożaru. 20

121 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Tabela 9.3 Stan pracy układu Świeci dioda Układ sygnalizacji pożaru zdatny U WE CA[V] Pomiary sprawdzające Układ sygnalizacji pożaru U WY CA[V] Pożar Dozorowanie Uszkodzenie Czerwona Zielona Żółta 2 2 5,9 3,6 3, 3, 0 0 Wniosek: Ponieważ dolna granica napięcia stanu Pożar jest znacznie mniejsza od rzeczywistej wartości znamionowej, to należy sformułować diagnozę: Układ pomiaru napięcia jest niezdatny Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Przed rozpoczęciem ćwiczenia nauczyciel podaje numery wyłączników, które studenci powinni włączać kolejno, aby zadać określone uszkodzenie. Dopiero po przeprowadzeniu procesu diagnozowania jednego uszkodzenia, należy włączyć następny wyłącznik (po wyłączeniu poprzedniego), zadając kolejne uszkodzenie. Założono, że w układzie diagnozowanym może być, w danej chwili, tylko jedna niezdatność. Włączenie kilku wyłączników jednocześnie nie powoduje uszkodzenia stanowiska Zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, wyników sprawdzeń i diagnoz W tabeli 9.4 przedstawiono zbiory objawów, hipotez, poleceń wykonania sprawdzeń, ich wyników i diagnoz. Z tej tabeli, w procesie diagnozowania, należy wybrać odpowiedni objaw i postępować zgodnie z logiką procesu wnioskowania diagnostycznego. 2

122 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Tabela 9.4 Zestaw wstępnych objawów uszkodzeń. Świecą żółte diody w kanałach czujek nr..,.. i.. (czujki nr..) 2. Świecą czerwone diody w kanałach czujek nr..,.. i.. (czujki nr..) Zbiór hipotez. Uszkodzone kanały czujek nr.,. i. (czujki nr..) 2. Brak impulsów na wyjściu CA czujek nr.,. i. (czujki nr..) 3. Brak impulsów na wyjściu czujki nr. 4. Brak impulsów na wejściach czujek nr.,. i. (czujki nr..) 5. Parametry impulsu wyjściowego czujki nr.. nie są znamionowe 6. Granice T D i T G CA w kanale czujki nr.. nie są znamionowe. Przesunięta Bramka pomiarowa 7. Uszkodzony układ pomiaru amplitudy napięcia wyjściowego czujek w CA Zbiór poleceń wykonania sprawdzenia Sprawdzeniu podlega istnienie impulsu, jego amplituda U i przesunięcie T (wg ppkt ). Sprawdzić parametry impulsów na wejściu CA czujek nr.,. i. (czujki nr..) 2. Sprawdzić parametry impulsów na wyjściu czujek nr.,. i. (czujki nr.) 3. Sprawdzić parametry impulsów na wejściu czujek nr.,. i (czujki nr.) 4. Sprawdzić T D i T G w kanale czujki nr. Wyniki sprawdzenia zapisać w tabeli 5. analogicznej jak 9.0, w kolumnach Pomiary sprawdzające Sprawdzić Układ pomiaru napięcia w CA. Wyniki sprawdzenia zapisać w tabeli analogicznej jak 9., w kolumnie Pomiary sprawdzające Zbiór wyników sprawdzeń na wejściu CA i wy/we czujek. Brak impulsów czujek nr.,... i. (czujki nr..) na wejściu CA 2. Brak impulsów na wyjściu czujki nr.. 3. Brak impulsów na wejściach czujek nr...,. i. (czujki nr..) 4. Na wejściu CA są impulsy czujek nr.,. i. (czujki nr.) o parametrach znamionowych 5. Na wejściu CA jest impuls czujki nr., a jego amplituda napięcia U WY =..V 6. Na wyjściu czujki nr.. jest impuls o parametrach znamionowych. 7. Na wyjściu czujki nr.. jest impuls, a jego amplituda napięcia U WY =.. V 8. Na wejściu czujki nr.. jest impuls o parametrach znamionowych. 9. Na wejściu czujki nr.. jest impuls, a jego amplituda napięcia U WY =.. V 0. Impuls czujki nr.. przesunięty w lewo (w prawo) od położenia znamionowego o μs. 2. Wartości T D i T G w kanale czujki nr nie są znamionowe. Bramka pomiarowa przesunięta jest w lewo (w prawo) o około..μs. Górna (dolna) granica napięcia stanu np. Uszkodzenie (..V) jest większa (mniejsza) od rzeczywistej wartości znamionowej (..V). Zbiór diagnoz. Przerwa odcinka przewodu między punktami..i.. 2. Uszkodzona czujka nr.. 3. Uszkodzony układ pomiaru amplitudy napięcia impulsu wyjściowego czujek w CA 4. Uszkodzony układ pomiaru przesunięcia impulsu wyjściowego czujki nr.. w CA 22

123 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Przykłady stanów eksploatacyjno-diagnostycznych Poniżej podane są przykłady położenia impulsów wyjściowych czujek dla 3 stanów pracy Układu sygnalizacji pożaru.. Układ sygnalizacji pożaru zdatny W stanie zdatności układu, na wejściu Centrali Alarmowej istnieją takie same impulsy wyjściowe trzech czujek, jak na wyjściach poszczególnych czujek. Przedstawia to rysunek 9.6. U WY CA t U WE CA Cz Cz 2 Cz 3 t U WY 3 Cz Cz 2 Cz 3 t Rys Położenie impulsów wyjściowych czujek dla zdatnego USP 2. Układ sygnalizacji pożaru niezdatny przerwa przewodu między punktami 7 i 9 czujka nr 3 nie jest połączona z linią wejściową CA W przypadku przerwy między punktami 7 i 9, na wejściu CA istnieją impulsy czujek nr i 2 lecz brak impulsu czujki nr 3. Na wyjściu czujki nr 3 istnieje impuls tej czujki. Przedstawia to rysunek 9.7a. U WY CA a) b) t U WY CA t U WE CA Cz Cz 2 t U WE CA Cz Cz 2 t U WY 3 Cz 3 t U WY 3 Cz Cz 2 t Rys Położenie impulsów wyjściowych czujek w przypadku: a) przerwy między punktami 7 i 9; b) uszkodzenia czujki nr Układ sygnalizacji pożaru niezdatny uszkodzona czujka nr 3 W przypadku uszkodzenia czujki nr 3, na wejściu CA istnieją impulsy czujek nr i 2 lecz brak impulsu czujki nr 3. Na wyjściu czujki nr 3 istnieją impulsy czujek nr i 2. Przedstawia to rysunek 9.7b. 23

124 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Metoda diagnozowania układu sygnalizacji pożaru Przykładową metodę diagnozowania układu sygnalizacji pożaru w przypadku niezdatności czujki nr 2 - przybliża poniższy opis. Po włączeniu jednego z wyłączników Uszkodzenia następuje symulacja uszkodzenia układu sygnalizacji pożaru. Objawem niezdatności układu jest zapalenie się żółtej diody sygnalizującej Uszkodzenie lub diody czerwonej sygnalizującej Pożar. Aby przeprowadzić diagnozowanie układu należy wykonać niezbędną ilość kroków. -szy krok diagnozowania Po włączeniu wyłącznika uszkodzenia (np. U 7 ) zanotować w tabeli 9.5:. Objaw uszkodzenia O i ; 2. Postawioną hipotezę o źródle niezdatności; 3. Podjętą decyzję, jakie kontrolne sprawdzenie należy wykonać; 4. Wynik wykonanego sprawdzenia kolejny objaw stanu O i ; 5. Sformułowaną diagnozę. Kolejny krok diagnozowania Jeżeli w poprzednim kroku nie została postawiona końcowa diagnoza, to należy wykonać następne kroki diagnostyczne. Poniżej przedstawiono metodę diagnozowania dla trzech wariantów uszkodzeń w kanale czujki nr 2. Krok Krok 2 Krok 3 Wariant Tabela 9.5 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 7 Objaw O. Świeci żółta dioda w kanale czujki nr 2: Uszkodzenie. Hipoteza Niezdatny jest tor czujki nr 2. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wejściu CA czujki nr 2. Wynik sprawdzenia Objaw O 2. Brak impulsu czujki nr 2 na wejściu CA. Hipoteza Niezdatny jest tor czujki nr 2. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wyjściu czujki nr 2 Wynik sprawdzenia Objaw O 3. Brak impulsu na wyjściu czujki nr 2. Hipoteza Niezdatna jest czujka nr 2 lub połączenia wejściowe czujki. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wejściu czujki nr 2 Wynik sprawdzenia Objaw O 4. Brak impulsu na wejściu czujki nr 2. Ponieważ na wyjściu CA istnieją impulsy, a kanały czujek i 3 Diagnoza działają poprawnie, to diagnoza brzmi: D: Przerwa w przewodzie między punktami 4 i 5 Wariant 2 24

125 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru Krok Krok 2 Krok 3 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 7 Objaw Tabela 9.6 O. Świeci żółta dioda w kanale czujki nr 2 Uszkodzenie. Hipoteza Uszkodzony tor czujki nr 2. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wejściu CA czujki nr 2. Wynik sprawdzenia Objaw O 2. Brak impulsu czujki nr 2 na wejściu CA. Hipoteza Niezdatny tor czujki nr 2. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wyjściu czujki nr 2. Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza O 3. Brak impulsu na wyjściu czujki nr 2. Niezdatna jest czujka nr 2 lub połączenia wejściowe czujki. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wejściu czujki nr 2. Wynik sprawdzenia Objaw O 4. Na wejściu czujki nr 2 jest impuls o parametrach znamionowych. Diagnoza D: Uszkodzona czujka nr 2 Wariant 3 Tabela 9.7 Krok Krok 2 Zadane uszkodzenie Włączony wyłącznik np. U 4 Objaw O. Świeci żółta dioda w kanale czujki nr 2 Uszkodzenie. Hipoteza Uszkodzony kanał czujki nr 2. Polecenie sprawdzenia Sprawdzić parametry impulsu na wejściu CA czujki nr 2. Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw Diagnoza O 2. Na wejściu CA jest impuls czujki nr 2 o parametrach znamionowych. Granice T D i T G CA w kanale czujki nr 2 nie są znamionowe przesunięta Bramka pomiarowa. Sprawdzić T D i T G w kanale czujki nr 2 (wg ppkt 9.2.5). Wyniki sprawdzenia zapisać w tabeli 9.0 w kolumnach Pomiary sprawdzające O 3. Impuls czujki 2 znajduje się poza polem Bramki pomiarowej. Bramka pomiarowa przesunięta jest w prawo o około 400us. D: Uszkodzony układ pomiaru przesunięcia impulsu wyjściowego czujki nr 2 25

126 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Czujka nr 2 Stan zdatności Pomiary sprawdzające Wniosek Tabela 9.8 T D [ms],80 T 2 [ms],98 T G [ms] 2,8 T D [ms] 2,22 T 2 [ms],99 T G [ms] 2,59 Impuls czujki 2 znajduje się poza polem Bramki pomiarowej. Bramka pomiarowa przesunięta jest w prawo o około 400μs. Centrala alarmowa niezdatna. Tabele pomiarowe do zanotowania wyniku procesu diagnozowania. Pomiar czasów przesunięcia impulsów w stanie zdatności: - impulsu wyjściowego (T i ) czujki nr ; - dolnej(t D ) i górnej (T G ) granicy przesunięcia impulsów wyjściowych czujek; - amplitudy impulsów wyjściowych czujek. Tabela 9.9 T[ms] T D [ms] T G [ms] Czujka T = Czujka 2 T 2 = Czujka 3 T 3 = ΔT [μs] ΔT = T G - T D Amplituda [V] 2. Pomiary sprawdzające przesunięcie impulsu wyjściowego czujki oraz jego dolnej i górnej granicy Tabela 9.0 Czujka nr Stan zdatności Pomiary sprawdzające Wniosek T D [ms] T [ms] T G [ms] T D [ms] T [ms] T G [ms] 26

127 Diagnozowanie układu sygnalizacji pożaru 3. Pomiar wartości napięć, przy których następuje sygnalizacja zmiany stanu pracy układu sygnalizacji pożaru Tabela 9. Stan funkcjonalny układu Pożar Świeci dioda Czerwona Układ sygnalizacji pożaru zdatny U WE CA[V] Pomiary sprawdzające. Układ sygnalizacji pożaru przy uszkodzeniu U.. U WY CA[V] 2 2 Dozorowanie Uszkodzenie Wniosek. Zielona Żółta Główna tabela diagnostyczna Tabela 9.2 Krok Krok 2 Krok 3 Zadane uszkodzenie Objaw O. Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia O 2.. Wynik sprawdzenia O 3. Objaw Hipoteza Polecenie sprawdzenia Wynik sprawdzenia O 4. Objaw Diagnoza D: Włączony wyłącznik U. 27

128 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium 9.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: schemat blokowy badanego układu sygnalizacji pożaru; wypełnione tabele pomiarowe (tab. nr 9.9, 9.2); wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji Zagadnienia kontrolne. Wymienić i scharakteryzować ważniejsze stany techniczne i funkcjonalne systemu sygnalizacji pożarowej. 2. Dokonać podziału systemów bezpieczeństwa na klasy i podać przykłady rozwiązań. 3. W jaki sposób centrala alarmowa ppoż. rozróżnia numer czujki sygnalizującej pożar? 4. Omówić algorytm postępowania w procesie diagnozowania układu sygnalizacji pożaru. 5. Wyjaśnić pojęcie objawu (symptomu) stanu. 6. Na czym polega różnica między diagnozowaniem sondującym a dozorowaniem? 7. Wymienić i omówić poziomy (etapy) wnioskowania diagnostycznego. 8. Jakie informacje powinna zawierać diagnoza eksploatacyjna? 9. Jaka jest budowa i zasada działania kontaktronu? 0. Omówić budowę i zasadę działania czujki sygnalizacji pożarowej. 28

129 ĆWICZENIE 0 OPTYMALIZACJA STRUKTURY CZUJKI TEMPERATURY W ASPEKCIE NIEZWODNOŚCI Cel ćwiczenia: zapoznanie z metodami optymalizacji wewnętrznej struktury mozaikowej czujki temperatury stosowanej w systemach sygnalizacji pożaru; wyznaczenie wartości wybranych parametrów mozaikowych czujek temperatury, tj. nieuszkadzalności i czułości dla różnych struktur połączeń elementów półprzewodnikowych, które realizują pomiar temperatury; wyznaczenie optymalnej struktury czujki ze względu na niezawodność i czułość. Przedmiot ćwiczenia: wirtualne modele elementów półprzewodnikowych zaimplementowane w symulacyjnym programie komputerowym PSpice i wykorzystywane do wyznaczenia czułości tj. charakterystyki zmiany napięcia wyjściowego czujki w funkcji temperatury otoczenia; modele niezawodnościowe mozaikowej czujki temperatury. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowy program do symulacji i analizy układów elektronicznych PSpice. 0.. Podstawy teoretyczne i założenia Temperatura jest jedną z wielkości fizycznych charakteryzujących właściwości energetyczne każdej materii, a więc wielkością określającą średnią energię kinetyczną molekuł danego ciała. J. C. Maxwell sformułował następującą definicję temperatury: temperatura ciała jest jego stanem cieplnym, rozpatrywanym w odniesieniu do jego zdolności przekazywania ciepła innym ciałom. Wynalezienie urządzenia do pomiaru stopnia ciepła lub stopnia zimna zwanego obecnie termometrem, przypisuje się Galileuszowi (w latach ). Pomiary temperatury metodami elektrycznymi są realizowane przez wytwarzanie wielkości elektrycznej (lub zmianę jej wartości) wskutek oddziaływania temperatury. Urządzenia do uzyskiwania odpowiednich informacji elektrycznych są nazywane czujnikami pomiarowymi. Czujnik wskutek działania na niego wielkości nieelektrycznej, zmienia swoje właściwości elektryczne (np. rezystancję) albo wytwarza energię elektryczną, której parametry są zależne od mierzonej wielkości nieelektrycznej. Zamiana temperatury na wielkość elektryczną w czujniku odbywa się w przetworniku pomiarowym. 29

130 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Przetwornikiem pomiarowym nazywa się taki element układu pomiarowego, który przetwarza z określoną dokładnością, jedną wielkość w drugą (lub w tę samą wielkość, lecz o innej postaci) celem uzyskania żądanej zależności funkcjonalnej między tymi wielkościami. Często w układzie pomiarowym stosuje się nie jedno, lecz kilka przetworzeń sygnału pomiarowego. Nazywamy to przetwarzaniem wielokrotnym lub wielostopniowym. Jeżeli do tego celu stosuje się oddzielne przetworniki, wówczas pierwszy przetwornik nazywa się przetwornikiem pierwotnym, a następne przetwornikami wtórnymi (Rys. 0.). W praktyce pomiarowej przetworniki pierwotne nazywamy czujnikami, a przetworniki wtórne po prostu przetwornikami. zasilanie Czujka pożarowa Obiekt zabezpieczany Przetwornik wtórny Przetwornik A/C Wyj cyfrowe Czujnik pomiarowy Wyj analogowe Rys. 0.. Schemat ogólny układu do pomiaru temperatury metodami elektrycznymi wykorzystywany w czujkach sygnalizacji pożarowej Wiele czujników reaguje na zmiany temperatury obiektu w sposób bezdotykowy bo opiera się na zjawisku promieniowania energii cieplnej w postaci fali elektromagnetycznej (Rys. 0.2). Promieniowanie cieplne zawiera się w zakresie fal o długości od 0, m do 400 m. Źródłem tego promieniowania są drgania atomów wokół stanu równowagi. Dla ciał stałych atomy drgają w siatce krystalicznej, natomiast dla gazów w ramach jednej cząsteczki. Strumień wypromieniowanej energii jest zależny od temperatury oraz od rodzaju wiązań elektronowych w ramach cząsteczek. Rys Widmo fal elektromagnetycznych 30

131 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności 0... Półprzewodnikowe czujniki temperatury Temperatura jest jedną z ważniejszych wielkości charakteryzujących proces powstawania pożaru. Pomiar temperatury metodami elektrycznymi, wykazuje wiele zalet, do których można zaliczyć: łatwość przetwarzania, wzmacniania i przekazywania sygnałów pomiarowych. Wprowadzenie techniki cyfrowej umożliwiło nie tylko przesyłanie danych pomiarowych nieomal bez zakłóceń, ale dodatkowo umożliwiło akwizycję i ułatwiło sterowanie procesem. Jako czujki pomiarowe mogą być użyte: rezystancyjne przetworniki temperatury, półprzewodnikowe przetworniki temperatury, przetworniki termoelektryczne (termopary). Parametrycznymi przetwornikami temperatury są złącza półprzewodnikowe. Napięcie przewodzenia złącza jest funkcją temperatury. Jeżeli prąd płynący przez złącze ma stałą wartość (Rys. 0.3), to zmiana napięcia przewodzenia diody krzemowej jest w przybliżeniu proporcjonalna do temperatury złącza. Stosowane do pomiaru temperatury diody mogą być spolaryzowane w kierunku przewodzenia lub zaporowym. W przypadku spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia napięcie złącza osiąga wartość bariery potencjału dla krzemu wynosi to około 0,7V, a dla germanu około 0,2V. Warstwa zaporowa zostaje zlikwidowana, nośniki większościowe (dziury i elektrony) swobodnie przepływają przez złącze. Wartość tego napięcia zwanego dyfuzyjnym można obliczyć wg wzoru: kt N N U D ln (0.) q A d 2 ni gdzie: q - ładunek elektronu, k - stała Boltzmana, T- temperatura bezwzględna [K], N A - koncentracja akceptorów, N d - koncentracja donorów, n i - koncentracja samoistna półprzewodnika. Stała kt/q = U T nosi nazwę potencjału elektrokinetycznego, który zależy od temperatury i dla T=300K wynosi U T =26mV. Charakterystykę napięciowo-prądową diody półprzewodnikowej opisuje równanie: U F I F I R [exp( ) ] (0.2) U T gdzie: I F - prąd diody w kierunku przewodzenia, I R - prąd złącza, który płynie w kierunku zaporowym przy doprowadzeniu napięcia o polaryzacji wstecznej. Przy założeniu, że I F I R można zapisać równanie: I F U F U Tln (0.3) I R Dla większości diód krzemowych temperaturowy współczynnik zmiany napięcia wynosi około S T = -2 [mv/k]. Do pomiaru temperatury w zakresie od 70 K do 420 K wykorzystuje się często diody krzemowe, zasilane stałą wartością prądu (ze źródła prądowego), spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. 3

132 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium a) b) U = const I = const U F = f(t) R U F = f(t) Rys Diodowe przetworniki temperatury Ze względu na swoją budowę wewnętrzną tranzystor bipolarny jest elementem o charakterystyce zależnej od temperatury. Jego prąd zerowy podwaja się przy wzroście temperatury o około 0 K, a napięcie baza-emiter maleje o około 2 [mv/k]. Te, na ogół niekorzystne, efekty można wykorzystać do pomiaru temperatury. Na rysunku 0.4a tranzystor w układzie diodowym pracuje przy stałym prądzie. Uzyskuje się wtedy zależność temperaturową napięcia baza-emiter przedstawioną na rysunku 0.4b. a) b) + I=const U BE [mv] U BE T[K] Rys Tranzystor w układzie diodowym (a); zależność napięcia baza-emiter od temperatury (b) W temperaturze pokojowej napięcie U BE osiąga wartość około 600mV. Przy wzroście temperatury o 00 K maleje o 200 mv, a przy spadku temperatury odpowiednio wzrasta. Współczynnik temperaturowy wynosi zatem: ΔUBE 0,3[%/K] U ΔT BE (0.4) 32

133 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności Rozrzut napięć przewodzenia i współczynników temperaturowych tranzystorów jest dosyć znaczny. Z tego względu pojedyncze tranzystory stosuje się obecnie do pomiarów temperatury tylko w przypadku niewielkich wymagań co do dokładności. Lepszym rozwiązaniem są układy, których zasada pracy oparta jest na pomiarze różnicy napięć U BE dwóch tranzystorów pracujących przy różnych prądach. Scalone czujniki temperatury budowane są na bazie krzemu. Krzem charakteryzuje się wieloma cechami, które predestynują go do roli precyzyjnego i liniowego czujnika temperatury. Niemniej ma on także wady jest wrażliwy nie tylko na temperaturę, ale także na światło i na naprężenia (jest piezorezystywny). Idealny czujnik analogowy generuje napięcie wyjściowe będące liniową funkcją temperatury (Rys. 0.5). Powszechnie stosowanym czujnikiem temperatury o wyjściu analogowym jest element półprzewodnikowy: termistor lub krzemowy czujnik temperatury. W niektórych wykonaniach czujniki są wyposażone dodatkowo w wyjścia dwustanowe, sygnalizujące przekroczenie wartości progowych. Jest to zazwyczaj temperatura progowa, po przekroczeniu której czujnik ma generować sygnał alarmu. Spotykanym rozwiązaniem w pomiarach temperatury są scalone czujniki temperatury z wyjściami progowymi. Generowane przez nie (pod wypływem temperatury) logiczne sygnały wyjściowe są przekazywane pojedynczą linią (Rys. 0.6). W najprostszym przypadku czujnik zmienia stan wyjścia logicznego przy przekroczeniu progu temperaturowego. Jedne sygnalizują w ten sposób wzrost temperatury powyżej progu, a inne jej spadek poniżej progu. Układy te nazywa się czujnikami ze sprecyzowanym wewnętrznym progiem temperaturowym. +U Z UWYJ U ) max ( WYJ T K Czujnik U wyj T X T max Rys Czujnik z wyjściem analogowym 33

134 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium +U Z U WYJ U WYJ T K Czujnik U wyj T K T K T 2 T T 2 T Rys..6. Czujnik z wyjściem analogowym progowym Na początku 2000 roku pojawiły się scalone czujniki temperaturowe o cyfrowych wejściach i wyjściach. Zawierają one cyfrowy interfejs, pozwalający na komunikację z mikrokontrolerem (Rys. 0.7). Zazwyczaj jest to szeregowa magistrala I 2 C lub SMBus. Oprócz przesyłania wyników temperatury z czujnika, magistrala służy do przekazywania rozkazów z mikrokontrolera. Są to zwykle wartości progów temperaturowych, których przekroczenie wywołuje wysyłanie określonych sygnałów przez czujnik, np. wywołujące przerwanie w mikroprocesorze. Ten rodzaj czujników może spełniać rozmaite zadania, na przykład zdalne monitorowanie temperatury (np. w systemach bezpieczeństwa). W tym celu większość zaawansowanych mikroprocesorów jest wyposażana w tranzystor, dostarczający analogowego napięcia zależnego od temperatury (używane jest jedno z dwóch złącz p-n tranzystora). Inną ważną funkcją takich czujników jest wywoływanie przerwania mikrosterownika, gdy temperatura wychodzi poza granice zakresu wyznaczonego jako próg dolny i górny. W innych czujnikach przerwanie jest generowane, gdy mierzona temperatura wychodzi albo poza górny, albo dolny próg (ale nie oba). W przypadku tego rodzaju czujników granice te są ustalane za pośrednictwem interfejsu. Jeżeli temperatura przekroczy w górę (lub w dół) zadany zakres, to sygnał alarmowy wywołuje przerwanie w procesorze. U Z Wej T K Czujnik Wyj Mikroprocesor Alarm Rys Scalony czujnik temperatury z wyjściem cyfrowym 34

135 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności Do wymiany informacji między czujnikiem a mikrokomputerem (centralą alarmową) może służyć magistrala -wire, która jest standardem magistrali szeregowej do przesyłu danych między urządzeniami slave i master (rys. 0.8). Każde urządzenie slave (czujnik) jest wyposażone w unikalny numer nadany w trakcie instalowania systemu bezpieczeństwa. Centrala systemu bezpieczeństwa Układy sprzęgające Urządzenia SLAVE Czujka Czujka 2 Czujka n Rys Budowa magistrali -wire Bit reset Bit potwierdzenia obecności presence Numer identyfikacyjny czujki Odczyt lub zapis danych Bit reset następnej ramki danych Rys Ramka przesyłania danych w systemie bezpieczeństwa Magistrala -wire może zawierać tylko jeden układ master i może nadawać lub odczytywać informację z innych układów jest więc układem dwukierunkowym. Na rys. 0.9 przedstawiono ramkę transmisji danych w interfejsie -wire. Każda ramka rozpoczyna się wysłaniem przez układ master sygnału reset, na który czujka - układ slave odpowiada sygnałem presence, a następnie jest transmitowany unikalny dla każdej czujki numer identyfikacyjny. Po przesłaniu następuje odebranie lub przesłanie danych, a po zakończeniu transmisji następuje czas przerwy Niezawodność czujek temperatury A. Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu szeregowego Obiektem o strukturze szeregowej (obiektem szeregowym, rys. 0.0) przyjęto nazywać taki obiekt, który funkcjonuje poprawnie jedynie wówczas, gdy funkcjonują 35

136 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium poprawnie wszystkie jego elementy składowe; natomiast staje się niezdatny z chwilą uszkodzenia się któregokolwiek z tych elementów. Mechanizm tworzenia tego rodzaju obiektów (czujek) oparty jest na tzw. zasadzie parsimonii (z łac. parsimonia oszczędność). W myśl tej zasady najlepszym obiektem z określonego zbioru obiektów funkcjonalnie równoważnych jest obiekt produkcyjnie najtańszy, tj. obiekt (czujka) zawierająca najmniejszą liczbę elementów. Pojedynczy czujnik a) b) i n U c) e) n i i n T n T i T T i d) i Q Q i 2 T 2 T n n Q n T t T S = min(t i ) Rys Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu szeregowego gdzie: a) czujka temperatury; b) sposób połączenia czujników wewnątrz czujki temperatury; c) struktura niezawodnościowa czujki w zapisie pozytywowym (zdatnościowym); d) struktura niezawodnościowa czujki w zapisie negatywowym (niezdatnościowym); e) wykres trwałości czujki Zgodnie z zasadą parsimonii przyjmuje się, że elementy, których znaczenie dla funkcjonowania obiektu jest znikome, należy eliminować jako zbędne. W wyniku takiego postępowania z obiektu (tj. czujki) zostaje wyeliminowany wszelki nadmiar strukturalny, co powoduje, że uszkodzenie się któregokolwiek z elementów czujki pociąga za sobą przejście tego obiektu do stanu niezdatności. Niezawodność (nieuszkadzalność) R s czujki o strukturze szeregowej, zawierającej n czujników temperatury, w przypadku uszkodzeń wzajemnie niezależnych, wyraża się wzorem: 36

137 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności n gdzie: R i (i=,...,n) oznacza nieuszkadzalność i-tego elementu. R R R...R...R (0.5) S i W szczególnym przypadku, gdy wszystkie czujniki (elementy półprzewodnikowe) posiadają taką samą nieuszkadzalność to czujka jest obiektem statystycznie jednorodnym i wówczas niezawodność można wyznaczyć za pomocą wzoru: i i n R n S R S(R i R i R; i,..., n) R (0.6) Cechą charakterystyczną czujki zbudowanej z połączenia szeregowego elementów jest to, że staje się on obiektem praktycznie wysoce zawodnym (R S 0) już przy stosunkowo niewielkiej liczbie elementów składowych czujników. Często, zamiast wyznaczać wartość R S, znacznie efektywniej jest wyznaczyć wartość Q S, tj. zawodność obiektu szeregowego, według wzoru: QS Q) n RS ( (0.7) gdzie: Q oznacza zawodność elementu (czujnika półprzewodnikowego) w strukturze mozaikowej w tym przypadku to czujka pożarowa. Obiekt o strukturze szeregowej można analizować również w aspekcie trwałości. Przyjmuje się wówczas, że obiektem o strukturze szeregowej, albo krótko obiektem szeregowym, jest każdy obiekt, którego trwałość T S jest zdeterminowana trwałością najsłabszego (najmniej trwałego) elementu: T S gdzie: T i oznacza trwałość i-tego elementu (tj. czujnika). min(t ) min(t,..., T,..., T ) (0.8) i i i n B. Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu równoległego Obiektem o strukturze równoległej (obiektem równoległym, rys. 0.) przyjęto nazywać taki obiekt (czujkę o strukturze mozaikowej), który poprawnie funkcjonuje dotąd, dopóki poprawnie funkcjonuje chociażby jeden dowolny jego element. Mechanizm tworzenia tego rodzaju obiektów (czujek) oparty jest na tzw. zasadzie redundancji (z łac. redundantia nadmiar), w myśl której do obiektu wprowadza się celowo pewną liczbę elementów nadmiarowych, których zasadniczym i podstawowym zadaniem jest zwiększenie niezawodności i trwałości czujki. Obiektami równoległymi są w zasadzie wszystkie organizmy biologiczne oraz większość obiektów technicznych (w tym np. systemy bezpieczeństwa). Zgodnie z przytoczoną definicją obiekt równoległy uznaje się za niezdatny wówczas, gdy ulegają uszkodzeniu wszystkie jego elementy składowe. Zatem zawodność Q r n elementowego obiektu równoległego w przypadku, kiedy uszkodzenia jego elementów składowych są uszkodzeniami wzajemnie niezależnymi, można wyrazić wzorem: 37

138 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium n Q Q Q...Q...Q (0.9) gdzie: Q i, (i =,..., n) oznacza zawodność i-tego elementu. W przypadku obiektu jednorodnego można stosować wzór: R i i i n Q R n QR (Qi Qi Q; i,...,n) Q (0.0) Pojedynczy czujnik a) b) T T i T n R i R n R c) i T R T i R i e) n U T n n T n R n i T i 2 T 2 d) T T i T n T t i n T R = max(t i ) Q Q i Q n Rys. 0.. Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu równoległego gdzie: a) czujka temperatury; b) sposób połączenia czujników wewnątrz czujki temperatury; c) struktura niezawodnościowa czujki w zapisie pozytywowym (zdatnościowym); d) struktura niezawodnościowa czujki w zapisie negatywowym (niezdatnościowym); e) wykres trwałości czujki Niezawodność (nieuszkadzalność) R R obiektu (czujki) o strukturze niezwodnościowej równoległej wyznacza się ze wzoru: R n n R ( R i ) oraz R R ( R) i (0.) 38

139 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności Z podanych zależności wynika, że niezawodność obiektu równoległego wzrasta nie tylko ze wzrostem niezawodności jego elementów składowych (rys. 0.), ale również, że wzrostem liczby elementów. Obiekt o strukturze równoległej można charakteryzować również w aspekcie trwałości. Przyjmuje się wówczas, że obiekt (czujka), ma trwałość T R która jest zdeterminowana trwałością najmocniejszego (najtrwalszego) elementu gdzie: T i oznacza trwałość i tego elementu. T R C. Niezawodność obiektów szeregowo równoległych max(t ) max(t,...,t,...,t ) (0.2) i i Obiektem szeregowo równoległym (Rys. 0.2) przyjęto nazywać taki obiekt (czujkę), który funkcjonuje poprawnie wówczas, gdy wszystkie jego n zespoły o równoległym połączeniu m elementów funkcjonują poprawnie. Zespół (podsystem czujki mozaikowej), rozumiemy w tym przypadku, jako podzbiór pewnej liczby elementów np. półprzewodnikowych o określonej strukturze niezawodnościowej. Pojedynczy czujnik a) m j m b) ii mn T R T i R i i T m R m n ii mn n T j R j T ij R ij T mj R mj i mn T n R n T in R in T mn R mn n i n mn 3n 2n n T m T 3 T 2 T c) j mj 3j 2j j T m T 3 T 2 T m 3 2 T m T 3 T 2 T t T Sr = min(t j ) Rys Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu szeregowo równoległego 39

140 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium gdzie: a) czujka temperatury; b) struktura niezawodnościowa czujki; c) wykres trwałości czujki Niezawodność (nieuszkadzalność) R sr obiektu szeregowo równoległego mającego n zespołów o m równolegle połączonych elementach wynosi: n m R sr ( R ij) (0.3) j i gdzie: R ij oznacza nieuszkadzalność i tego elementu znajdującego się w j tym zespole. W przypadku gdy rozważany obiekt jest obiektem jednorodnym i regularnym, tj. obiektem o jednakowej liczbie elementów półprzewodnikowych w poszczególnych zespołach wówczas niezawodność (nieuszkadzalność) można wyrazić następującym wzorem: R m n sr [ ( R) ] (0.4) Odpowiednio zawodność obiektu, czujki jednorodnej można wyrazić jako: Q m n m n sr [( Q) ] [ ( R) ] (0.5) Czujka temperatury (zbudowana według rys. 0.2b) ma tę właściwość, że uszkodzenie się któregokolwiek zespołu jest traktowane jako uszkodzenie się (niezdatność) całej czujki. Obiekt szeregowo-równoległy można opisać także w aspekcie trwałości. Przyjmuje się wówczas, że jest to taki obiekt (czujka), którego trwałość T sr jest zdeterminowana trwałością T j (j=,..., n) najsłabszego zespołu (podsystemu). T sr min(t ) min(t,...,t,..., T ) (0.6) j j j n przy czym trwałość każdego j-tego zespołu (podsystemu) jest zdeterminowana trwałością jego najmocniejszego elementu, to znaczy: T max(t ) max(t,...,t,...,t ) (0.7) j i ij Zatem trwałość T sr czujki jako obiektu szeregowo równoległego można zapisać jako: j ij mj T sr min[max(t )] min[max(t ),...,max(t ),...,max(t )] (0.8) j i ij j i i i ij in D. Niezawodność obiektów równoległo - szeregowych Obiektem równoległo szeregowym (Rys. 0.3) przyjęto nazywać taki obiekt (czujnik), który funkcjonuje poprawnie wówczas, gdy przynajmniej jeden spośród n jego zespołów (podsystemów) funkcjonuje poprawnie. 40

141 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności Niezawodność (nieuszkadzalność) R rs obiektu równoległo szeregowego (Rys. 0.3) mającego n zespołów o m szeregowo połączonych elementach można zapisać jako: n m rs (R ij) j i R (0.9) gdzie: R ij oznacza nieuszkadzalność i tego elementu znajdującego się w j tym zespole. W przypadku, gdy rozważany obiekt jest obiektem jednorodnym i regularnym, tj. obiektem o jednakowej liczbie elementów w poszczególnych zespołach (np. diody półprzewodnikowe tego samego typu) wówczas niezawodność wyraża się wzorem: R m n rs ( R ) (0.20) Odpowiednio zawodność rozważanego obiektu jednorodnego można wyrazić jako: Q m n m n rs [ ( Q) ] [ R ] (0.2) Obiekt równoległo-szeregowy można opisać także w aspekcie trwałości. Przyjmuje się wówczas, że jest to taki obiekt (czujka), którego trwałość T rs jest zdeterminowana trwałością najsłabszego elementu w najtrwalszym zespole (podsystemie): T rs max[min(t )] max[min(t ),...,min(t ),...,min(t )] (0.22) j i ij j i i i ij i in przy czym T ij (i=,..., m; j=,..., n) oznacza trwałość (czas życia) i-tego elementu w j-tym zespole. 4

142 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium m Pojedynczy czujnik a) b) T R i T j R j m T m R m m j n j i T j R i ij i T ij R ij mj i T mj R mj n n T n R n mj n T in R in mn n T mn R mn i n mn 3n 2n T mn T 3n T 2n c) n n T n mj T mj j 3j 2j T 3j T 2j j T j m T m 3 2 T 3 T 2 T t T rs = max(t j ) Rys Czujka temperatury o konstrukcji mozaikowej jako model fizyczny obiektu równoległo szeregowego gdzie: a) czujka temperatury; b) struktura niezawodnościowa czujki; c) wykres trwałości czujki 0.2. Przykład rozwiązania mikroprocesorowej czujki dymu i temperatury Funkcję czujnika temperatury może pełnić np. układ cyfrowy z serii MAX do wielokanałowego, precyzyjnego pomiaru temperatury. Zdalny pomiar temperatury mogą realizować tranzystory w połączeniu diodowym, np. tranzystory p-n-p typu 2N3904, które zastępują konwencjonalne termistory lub termopary. 42

143 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności W układzie laboratoryjnym zastosowano dwuprzewodowy interfejs szeregowy SMBus. Jego standardowe protokoły Write Byte, Read Byte, służą do programowania poziomów alarmowych oraz odczytu wyników pomiarów temperatury. Format danych: 7 bitów + znak, przy czym waga bitu odpowiada wartości 0 C w zapisie uzupełnień do 2. Układy te powinny pracować z mikroprocesorem lub komputerem generującym odpowiednie instrukcje dla interfejsu SMBus. Tabela 0.. Parametry techniczne czujki firmy Texecom Parametry techniczne Wyjście alarmowe NC 24VDC/50mA Wejście sterowania pamięcią alarmu Rys Widok czujki firmy TEXECOM Zasilanie Pobór prądu Temperatura pracy Wymiary 9...6VDC 5mA C 05 x 55 mm Podstawowe parametry układu cyfrowego: Liczba kanałów: 4 zdalne; lokalny; Kalibracja układu automatyczna; Interfejs SMBus; Programowalne sygnały alarmu przy przekroczeniu granicznych wartości temperatury; Niedokładność: o 2 0 C pomiar lokalny, ( ) 0 C; o 3 0 C pomiar lokalny, ( ) 0 C; o 3 0 C pomiar zdalny, ( ) 0 C; Prąd zasilania w stanie spoczynku 3A; Napięcie zasilania od 0,3V do 6V; Prąd na wejściach Alarm ma do +50mA; Zakres temperatury pracy ( ) 0 C; Dopuszczalna temperatura struktury C. Niedokładność pomiaru temperatury zależy w znacznym stopniu od właściwego doboru tranzystora, który w połączeniu diodowym (baza zwarta z kolektorem) jest czujnikiem temperatury. Powinien to być tranzystor małosygnałowy (n-p-n lub p-n-p), o względnie dużym spadku napięcia w kierunku przewodzenia U BE (ze względu na dopasowanie do zakresu napięcia wejściowego przetworników A/C). Napięcie to powinno być większe niż 0,25V dla prądu 0A (przy największej spodziewanej temperaturze), oraz mniejsze niż 0,95V dla prądu 00A (przy najmniejszej spodziewanej temperaturze). 43

144 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium W torach gdzie przyłączony jest czujnik do pomiaru temperatury następuje ciągłe sprawdzanie stanu technicznego i funkcjonalnego tego elementu (zwarcie, rozwarcie). Diody są sprawdzane na początku każdego przetwarzania i wtedy następuje uaktualnienie stanu zawartości bajtu. Detektor uszkodzenia diody jest prostym detektorem napięcia. Jeśli napięcie na końcówce diody wzrasta powyżej wartości U cc = -V, to następuje sygnalizacja uszkodzenia. Przerwania alarmowe pojawiają się wtedy, gdy temperatura wykracza poza zadany zakres lub któraś z diód zdalnego pomiaru ulega uszkodzeniu (pojawia się przerwa w obwodzie). Przerwanie nie wstrzymuje od razu przetwarzania A/C, następuje to dopiero po zatwierdzeniu sygnału alarmu. Podstawowym elementem układu jest 8-bitowy szeregowy przetwornik analogowocyfrowy ze specjalnymi układami wejściowymi (Rys. 0.5). Ponadto układy zawierają przełączane źródła prądowe, multiplekser, interfejs SMBus i związane z nim układy logiczne. W układzie tym dane z pomiarów temperatury są wprowadzane do 5 rejestrów danych, gdzie są automatycznie porównywane z danymi zapisanymi uprzednio w 0 rejestrach alarmu (sygnalizacja temperatury zbyt małej lub zbyt dużej poza ustawionym zakresem). Zastosowano integracyjne przetworniki A/C, które uśredniają sygnał wejściowy w okresie 64 ms (w każdym kanale), co daje dobre tłumienie zakłóceń zwłaszcza pochodzących od sieci zasilającej. Multiplekser automatycznie przełącza prądy polaryzujące diód pomiarowych: lokalnych lub zdalnych oraz ich napięcia w kierunku przewodzenia, które po przetworzeniu A/C dają cyfrowe wyniki pomiaru temperatury. Po rozpoczęciu procesu przetwarzania kanały są automatycznie kolejno przełączane. wyj Dekoder adresu Elementy pomiarowe 4 Źródła prądowe Lokalne Blok sygnalizacji uszkodzeń Rejestry pomiarów temperatury Przetwornik Logika układu SMBus Rejestr bajtu instrukcji Rejestr i 2 bajty stanu wyj Rejestr górnej Rejestr bajtu konfiguracji Rejestr dolnej granicy Rejestr alarmów Alarm Komparatory cyfrowe Rejestr maski alarmu S R Q Rys Schemat funkcjonalny mikroprocesorowego układu pomiaru temperatury 44

145 Optymalizacja struktury czujki temperatury w aspekcie niezawodności Typowa szybkość przetwarzania to trzy przetworzenia na sekundę. Przetwarzanie A/C następuje także w kanałach nieużywanych. Te wyniki powinny więc być ignorowane przez użytkownika. Dwuprzewodowy interfejs szeregowy SMBus opiera się na architekturze i poleceniach I 2 C. Pod względem sposobów adresowania i organizacji ramki przesyłania danych występuje pełna zgodność. Zmodyfikowano jedynie pewne parametry elektryczne co umożliwiło uzyskanie większej szybkości przesyłania danych Zadanie laboratoryjne Korzystając z programu PSpice wykonać symulacyjne badania właściwości użytkowo-niezawodnościowych różnych struktur półprzewodnikowych stosowanych do budowy czujników temperatury. Wyniki badań i stosownych obliczeń zamieścić w tabeli 0.2. Tabela 0.2. Wyniki badań różnych struktur czujek temperaturowych Rodzaj struktury Czułość [mv/ 0 C] Wartość prawdopodobieństwa zdatności R (wyliczona dla poszczególnych struktur) Pojedynczy tranzystor Tranzystory Połączenie szeregowe Połączenie równoległe Pojedyncza dioda Diody Połączenie szeregowe Połączenie równoległe Struktury mieszane dioda tranzystor Równoległo szeregowe diody Równoległo szeregowe tranzystory 0.4. Uwagi końcowe W wyniku wykonania ćwiczenia należy przedstawić sprawozdanie, które powinno zawierać: wyniki symulacji i obliczeń (tabela 0.2); wnioski z przeprowadzonych badań i dyskusji. 45

146 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Przygotowanie do ćwiczenia powinno obejmować zapoznanie z treścią rozdziału 3 (a szczególnie pkt. 3.) oraz z treścią rozdziału 4 podręcznika: L. Będkowski, T. Dąbrowski Podstawy eksploatacji, cz. 2. Podstawy niezawodności eksploatacyjnej, Wyd. WAT Zagadnienia kontrolne. Omówić bezstykowy sposób pomiaru temperatury. 2. Jakie właściwości diody i tranzystora wykorzystuje się do pomiaru temperatury 3. Omówić pracę tranzystora w układzie diodowym stosowanym do pomiaru temperatury. 4. Jak działają scalone analogowe czujniki temperaturowe z wyjściem analogowym i progowym 5. Omówić sposób transmisji informacji w magistrali -wire. 6. Jak wyznacza się niezawodność czujek temperatury pracujących w układzie mozaikowym szeregowym 7. Jak wyznacza się niezawodność czujek temperatury pracujących w układzie mozaikowym równoległym 8. Jak wyznacza się nieuszkadzalność czujek temperatury pracujących w układzie mozaikowym szeregowo-równoległym 9. Jak wyznacza się nieuszkadzalność czujek temperatury pracujących w układzie mozaikowym równoległo-szeregowym 0. Określić wypadkową trwałość czujek w układzie szeregowym oraz równoległym.. Określić wypadkową trwałość czujek w układzie szeregowo-równoległym. 2. Omówić przykładowe parametry techniczne mikroprocesorowej czujki temperatury. 3. W jaki sposób następuje pomiar i przetwarzanie sygnału w mikroprocesorowym czujniku pomiaru temperatury 4. Jakie właściwości elementów półprzewodnikowych wykorzystywane są w pomiarach temperatury 5. Jakie są sposoby zwiększenia dokładności pomiaru temperatury w czujkach analogowych 46

147 ĆWICZENIE OPTYMALIZACJA NIEZAWODNOŚCIOWA STRUKTURY ELEKTRONICZNEGO SYSTEMU BEZPIECZEŃSTWA Cel ćwiczenia: zapoznanie z analizą niezawodnościowo-eksploatacyjną elektronicznych systemów bezpieczeństwa; wyznaczenie wybranych wskaźników niezawodnościowo-eksploatacyjnych przykładowych elektronicznych systemów bezpieczeństwa. Przedmiot ćwiczenia: modele niezawodnościowe elektronicznych systemów bezpieczeństwa; modele eksploatacyjne elektronicznych systemów bezpieczeństwa; symulacja komputerowa wpływu liczby uszkodzonych central i modułów tworzących poszczególne typy systemów na niezawodność całego systemu rozproszonego; symulacja komputerowa wpływu wartości niezawodności centali i modułów tworzących poszczególne typy systemów na niezawodność całego systemu rozproszonego; symulacja komputerowa wpływu liczby zastosowanych magistral transmisyjnych na niezawodność całego systemu rozproszonego; symulacja komputerowa wpływu liczby zastosowanych central w wersji rozproszonej na niezawodność całego systemu rozproszonego; symulacja komputerowa wpływu czasu badań systemów na intensywność uszkodzeń central i modułów tworzących poszczególne typy systemów rozproszonych; symulacja komputerowa wpływu czasu badań systemów na intensywność uszkodzeń całego systemu rozproszonego. Narzędzia wspomagające realizację ćwiczenia: komputerowy, autorski program,,wspomaganie Decyzji niezawodnościowo- EKsploatacyjnych transportowych systemów nadzoru (WDEK)... Podstawy teoretyczne i założenia Pod pojęciem stan bezpieczeństwa systemu (w skrócie: bezpieczeństwo systemu) rozumiemy takie właściwości tego systemu i jego otoczenia, które sprzyjają poczuciu braku zagrożenia sytuacją niepożądaną w aspekcie eksploatacyjnym (zwłaszcza zagrożenia stanami niezdatności oznaczającymi rozległe awarie i/lub katastrofę systemu). 47

148 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rozróżniamy dwa podstawowe stany systemu w aspekcie bezpiecznościowym : stan niezawodności bezpieczeństwa; stan zawodności bezpieczeństwa. Niezawodność bezpieczeństwa systemu oznacza jego odporność na istniejące sytuacje niebezpieczne oraz na ich powstawanie. Miarą niezawodności bezpieczeństwa jest prawdopodobieństwo R B niewystąpienia takiego uszkodzenia systemu lub takiego błędu w jego działaniu, który oznacza stan niebezpieczny dla struktury wewnętrznej systemu, obiektów z nim współpracujących i środowiska (w tym ludzi). Zawodność bezpieczeństwa systemu oznacza jego podatność na wywoływanie i sprzyjanie sytuacjom niebezpiecznym. Miarą zawodności bezpieczeństwa jest prawdopodobieństwo Q B wystąpienia takiego uszkodzenia systemu lub takiego błędu w jego działaniu, który oznacza stan niebezpieczny dla struktury wewnętrznej systemu, obiektów z nim współpracujących i środowiska (w tym ludzi). Między tymi wskaźnikami istnieje oczywista zależność: R B Q B Elektroniczny system bezpieczeństwa może przebywać w różnych podzbiorach stanów w zależności od przyjętego kryterium klasyfikacji: w podzbiorze stanów eksploatacyjnych, do którego między innymi zalicza się stan zdatności, niepełnej zdatności, niezdatności, itd.; w podzbiorze stanów gotowościowych, do którego między innymi zalicza się stan stałej gotowości, pełnej gotowości, niegotowości, itd.; w podzbiorze stanów bezpiecznościowych, do którego między innymi zalicza się stan bezpieczeństwa, niezawodności bezpieczeństwa, poczucia zagrożenia bezpieczeństwa, zagrożenia bezpieczeństwa, zawodności bezpieczeństwa, zawodności sprawności, stan niebezpieczeństwa, itd. (rys.. i.2). Rys... Graf stanów bezpiecznościowych systemu nadzoru gdzie: S PB stan poczucia bezpieczeństwa, S PZB stan poczucia zagrożenia bezpieczeństwa, S ZB stan zagrożenia bezpieczeństwa, S B stan zawodności bezpieczeństwa, S S stan zawodności sprawności Bezpieczność to właściwość systemu warunkująca stan bezpieczeństwa 48

149 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa Rys..2. Graf stanów bezpiecznościowych systemu i odpowiadający mu graf przejść między stanami gdzie: - intensywność uszkodzeń; - intensywność odnów systemu, R 0 prawdopodobieństwo istnienia stanu zdatności, Q ZB prawdopodobieństwo wystąpienia stanu zagrożenia bezpieczeństwa, Q B prawdopodobieństwo wystąpienia stanu niebezpiecznego np. awarii Rysunek.3 przedstawia graf procesu eksploatacji elektronicznego systemu bezpieczeństwa, w którym wyróżniono następujące stany eksploatacyjne: - użytkowanie elektronicznego systemu bezpieczeństwa OT u ; - obsługiwanie elektronicznego systemu bezpieczeństwa OT O. 49

150 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Zdatny elektroniczny system bezpieczeństwa realizuje swoje zadania operacyjne w podsystemie użytkowania OT U (funkcje: dozorowanie, alarmowanie) a w przypadku uszkodzenia przechodzi do podsystemu obsługiwania OT O, gdzie przeprowadzane są czynności w celu odzyskania stanu zdatności. Po nich wraca do wykonywania zadań użytkowych. Rys..3. Stany dwustanowego, prostego procesu ekslopatacji elektronicznego systemu bezpieczeństwa (np. układ wykonawczy: centrala sygnalizator akustyczno-optyczny) gdzie: OT u obiekt (system) w podsystemie użytkowania; OT O obiekt (system) w podsystemie obsługiwania; P * ; P 2 * prawdopodobieństwa graniczne przebywania obiektu (systemu) w poszczególnych stanach; P 2 ; P 2 prawdopodobieństwa przejść obiektu (systemu) między stanami;,2 numeracja stanów Elektroniczne systemy bezpieczeństwa mogą występować w trzech rodzajach struktur. Są to struktury typu: - skupionego, - rozproszonego, - mieszanego. Obecnie najczęściej stosowane są mikroprocesorowe centrale cyfrowe o strukturze skupionej, tzn. takiej, w której należy doprowadzić wszystkie linie dozorowe i linie wyjściowe (sygnalizacyjne oraz monitorujące) bezpośrednio do płyty głównej centrali alarmowej (rys..4). Centrale tego typu stosowane są do obiektów małych (np. mieszkania, domki, małe biura), które wymagają kilkanaście linii dozorowych (przeważnie do 6). Linie dozorowe Linie wyjściowe (sygnalizacyjne i monitorujące) Centrala alarmowa Rys..4. Elektroniczny system bezpieczeństwa o strukturze skupionej 50

151 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa Elektroniczne systemy bezpieczeństwa o strukturze typu mieszanego posiadają określoną liczbę linii dozorowych wprowadzanych bezpośrednio do płyty głównje centrali alarmowej. Mają także możliwość współpracy z innymi podcentralami lub modułami za pośrednictwem magistrali transmisyjnej (np. wykorzystując format transmisji danych RS-232 lub RS-485). Na rys..5 przedstawiono elektroniczny system bezpieczeństwa w wersji mieszanej. Stosuje się go do obiektów, które wymagają dużej liczby linii dozorowych (przeważnie powyżej 6). Zwykle kilkanaście linii dozorowych (od 4 do 6) wprowadza się bezpośrednio do listwy łączeniowej płyty głównej centrali alarmowej. Zazwyczaj te linie dozorowe nie są zbyt długie (od kilku do kilkudziesięciu metrów) i łączą czujki usytuowane blisko centrali alarmowej. Pozostałe dołączone są do modułów rozszerzeniowych wejściowych. Linie wyjściowe w tym systemie mogą być dołączone zarówno do wyjść płyty głównej centrali alarmowej jak i do modułu rozszerzającego wyjścia. Linie dozorowe Linie wyjściowe (sygnalizacyjne i monitorujące) magistrala transmisyjna Linie wyjściowe Linie dozorowe Linie dozorowe Rys..5. Elektroniczny system bezpieczeństwa o strukturze mieszanej Na rys..6 przedstawiono elektroniczny system bezpieczeństwa o strukturze rozproszonej. Centrala alarmowa połączona jest z podcentralami i/lub modułami za pośrednictwem magistrali transmisyjnej. Do modułów doprowadzone są linii dozorowe i linie wyjściowe. Tego typu systemy są rzadko spotykane, ponieważ większość oferowanych na rynku central alarmowych ma na płycie głównej możliwość dołączenia linii dozorowych. Jeśli jednak projektant nie wykorzysta ich, to wtedy występuje system o strukturze rozproszonej. 5

152 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Do interesujących rozwiązań konfiguracji elektronicznych systemów bezpieczeństwa należą systemy o strukturze rozproszonej, powstałe w wyniku połączenia w topologii pierścienia central alarmowych. Każda z pojedynczych central alarmowych może funkcjonować autonomicznie (niezależnie) i wówczas jest systemem o strukturze skupionej z własną klawiaturą. Poprzez wykorzystanie portów transmisji danych istnieje możliwość połączenia poszczególnych pojedynczych central alarmowych, tak by utworzyły układ zamkniętej pętli. Obecnie bardzo często jako medium transmisyjne pomiędzy centralami stosuje się światłowód. Rys..6. Elektroniczny system bezpieczeństwa o strukturze rozproszonej Na rys..7 przedstawiony jest zespół dwóch central alarmowych w wersji skupionej, które w wyniku integracji utworzyły system o strukturze rozproszonej. Każda z central posiada niezależną klawiaturę (przedstawioną na rysunku) i jest wyposażona w kartę RS-232, która umożliwiła połączenie central w duży system alarmowy (na rys..7 to połączenie oznaczone jako RS-232/2 ). Centrala nr 2 poprzez magistralę transmisyjną RS-232/ łączy sterownik tablicy synoptycznej. Wszystkie bloki systemu alarmowego a więc: centrale i 2 oraz sterownik tablicy synoptycznej połączone są magistralami transmisyjnymi RS-232 z przyłącznicą RS-232/2 a ta z komputerem nadzorującym pracę całego systemu sygnalizacji włamania i napadu. Warto nadmienić, że w skład tego zintegrowanego systemu wchodzą jednostki o różnych wielkościach a więc o różnej liczbie linii dozorowych (od 8, poprzez 40, do 64 linii dozorowych) oraz o 40 strefach jakie posiada każda z central. Ważną cechą tego systemu jest możliwość decentralizacji wszystkich central wchodzących w skład tego dużego systemu. W zależności od typu zastosowanej centrali alarmowej można zaprojektować elektroniczny system bezpieczeństwa o określonej strukturze niezawodnościowej. Na rysunkach.8,.9 i.0 przedstawiono przykładowe rodzaje rozwiązań. 52

153 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa Rys..7. Elektroniczny system bezpieczeństwa o strukturze rozproszonej powstały w wyniku integracji dwóch central skupionych Jednostka centralna Moduły mocy Moduły rozszerzające Rys..8. Schemat niezawodnościowy systemu rozproszonego z jedną magistralą transmisyjną Moduły rozszerzające magistrala A Moduły rozszerzające magistrala B Centrala Moduły rozszerzające magistrala C Moduły rozszerzające magistrala D Rys..9. Schemat niezawodnościowy systemu rozproszonego z czterema magistralami transmisyjnymi 53

154 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium centrala centrala 2 centrala 3 centrala 4 Rys..0. Schemat niezawodnościowy systemu rozproszonego opartego na czterech centralach w wersji skupionej Rys..8 przedstawia system o strukturze szeregowej. W przypadku uszkodzenia któregoś z elementów systemu, nie spełnia on już swojej funkcji, czyli nie jest w stanie nadzorować ochranianego obiektu. Rys..9. przedstawia system o strukturze szeregowo-równoległej. W przypadku uszkodzenia którejś z magistral transmisyjnych system nie jest w pełni zdatny, ale nadal pozostałe magistrale działają zgodnie z założonymi wymaganiami. Całkowite uszkodzenie systemu może nastąpić tylko w dwóch przypadkach: - uszkodzona centrala, - uszkodzone wszystkie magistrale z modułami rozszerzającymi. Rys..0. przedstawia system o strukturze równoległej. Analizując ten system z pozycji każdej centrali tworzącej ten system, można stwierdzić, iż stanowi ona szeregową strukturę niezawodnościową - gdy funkcjonuje indywidualnie. Jednak całość zobrazowana na rys..0 tworzy równoległą strukturę niezawodnościową..2. Analiza niezawodnościowo-eksploatacyjna elektronicznych systemów bezpieczeństwa Po przeprowadzeniu analizy przedstawionych typów elektronicznych systemów bezpieczeństwa można stwierdzić, że ich struktura niezawodnościowa jest strukturą mieszaną typu szeregowo-równoległego. Ogólnie jest ona przedstawiona na rys... 54

155 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa Element,," gałęzi równoległej Element,,2" gałęzi równoległej Element,," gałęzi szeregowej Element,,n" gałęzi szeregowej Element,,m" gałęzi równoległej Rys... Ogólny schemat niezawodnościowy elektronicznego systemu bezpieczeństwa Uszkodzenie któregoś z elementów znajdujących się w gałęzi szeregowej struktury 2 powoduje przejście systemu ze stanu pełnej zdatności S PZ do stanu zawodności bezpieczeństwa S 3 B. Uszkodzenie któregoś z elementów znajdujących się w gałęzi równoległej struktury powoduje przejście ze stanu pełnej zdatności S PZ do stanu zagrożenia bezpieczeństwa S 4 ZB. Rys..2 obrazuje relacje zachodzące w systemie w aspekcie bezpiecznościowym. B ZB ZBm S PZ S ZB S ZBm- S B R O (t) Q ZB (t) Q ZBm- (t) Q B (t) Rys..2. Relacje zachodzące w systemie gdzie: R O (t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie pełnej zdatności S PZ, Q ZB (t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S ZB, Q B (t) funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zawodności bezpieczeństwa S B, B intensywność zastępcza przejść elementów gałęzi szeregowej, ZB intensywność przejść elementów gałęzi równoległej 2 Stan pełnej zdatności system jest zdatny technicznie i funkcjonalnie i wykrywa zagrożenia dla życia ludzi i ich mienia 3 Stan zawodności bezpieczeństwa system jest niezdatny (częściowo lub całkowicie) i nie wykrywa zagrożeń dla życia ludzi i ich mienia 4 Stan zagrożenia bezpieczeństwa system jest tylko częściowo zdatny, ale jest jeszcze w stanie wykryć większość zagrożeń dla życia ludzi i ich mienia 55

156 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rozważając system zagregowany przedstawiony na rys..2 można zapisać następującą zależność: n B Bi (.) i System przedstawiony na rys..2 może być opisany następującymi równaniami Kołmogorowa-Chapmana: ' R (t) λ Q Q... Q 0 ' ZB ' ZB 2 (t) λ ' ZBm (t) (t) R (t) λ R (t) Q Q ' Q (t) R (t) B B B ZB ZB 2 ZBm ZB ZB (t) ZBm 2 ZBm R (t) ZB 2 (t) Q 0 Q ZB 3 ZB Q ZBm (t) ZB 2 ZBm (t) (t) Q ZBm (t) (.2) Stosując przekształcenia matematyczne otrzymujemy: R ( t) e 0 ( B ZB ) t (.3) Q ZB ( t) ZB ( B e ZB2 ZB ) t e B ZB 2 ZB t (.4) Q ZB 2 ( t) ZB ZB 2 ( B ZB B t t ) t ZB 2 e ZB ZB3 e ZB3 B ZB 2 e ZB ZB 2 ZB 3 B B ZB ZB 2 ZB ZB 2 ZB3 ZB3 (.5) 56

157 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa Q ZBm ( t) ZB ZB2... ZBm B ZB t e B ZB ZB2 B ZB ZB3... B ZB2 ZBm ZB2t e ZB2 B ZB ZB2 ZB3 ZB2 ZBm ZBmt e ZBm B ZB ZBm ZB2... ZBm ZBm ( ) m (.6) Q B B ( t) B ZB e B ZB t ZB... B ZB t e B ZB B ZB ZB2 B ZB ZB3... B ZB ZBm B ZB ZBm ZB 2t e... m ZB2 B ZB ZB2 ZB2 ZB3... ZB2 ZBm ZB2 ZBm ( ) ZBmt e ZBm B ZB ZBm ZB2 ZBm ZB3... ZBm ZBm ZBm t ZBm e ZBm B ZB ZBm ZB2 ZBm ZB3... ZBm ZBm ZBm B ZB ZB2 ZB3... ZBm ZBm ZB2 ZBm ZBm (.7) Otrzymane zależności pozwalają na wyznaczenie wartości prawdopodobieństw przebywania dowolnego elektronicznego systemu bezpieczeństwa w stanach pełnej zdatności S PZ, zagrożenia bezpieczeństwa S ZB i zawodności bezpieczeństwa S B..3. Opis programu,,wspomaganie Decyzji Niezawodnościowo- Eksploatacyjnych Transportowych Systemów Nadzoru (WDEK) W celu ułatwienia projektantom i użytkownikom elektronicznych systemów bezpieczeństwa zarządzania procesem niezawodnościowo-eksploatacyjnym opracowano 57

158 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium autorski program o nazwie,,wspomaganie Decyzji niezawodnościowo-eksploatacyjnych transportowych systemów nadzoru (WDEK). Podając wartości wejściowe: - liczba badanych systemów, - czas badań systemów, - średni czas naprawy, - średni czas realizacji przeglądów I rodzaju, - średni czas realizacji przeglądów II rodzaju, - współczynnik nakładów finansowych, - liczba uszkodzonych elementów badanego typu systemu oraz wykorzystując m.in. równania: intensywność przejść elementów gałęzi szeregowej struktury niezawodnościowej B n i Bi wartość oczekiwana czasu zdatności ET λ funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie pełnej zdatności t RO ( t) exp B ( ) d 0 funkcja prawdopodobieństwa uszkodzenia systemu Q ( t) R ( t) O O funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie pełnej zdatności R ( t) e 0 ( B ZB funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zagrożenia bezpieczeństwa ) t Q ZBm ( t) ZB ZB2... B ZB e B ZB ZB2 B ZB ZB3... B ZB2 ZBm ZB 2t e... ZB2 B ZB ZB2 ZB3... ZB2 ZBm ZBmt e ZBm B ZB ZBm ZB2... ZBm ZBm t ZBm ( ) m 58

159 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa 59 funkcja prawdopodobieństwa przebywania systemu w stanie zawodności bezpieczeństwa ZBm ZBm ZB ZB ZB B ZBm ZBm ZBm ZB ZBm ZB ZBm ZB B ZBm t ZBm ZBm ZBm ZB ZBm ZB ZBm ZB B ZBm t ZBm ZB ZBm ZB ZB ZB ZB ZB B ZB t ZBm ZB B ZBm ZB B ZB ZB B ZB ZB B ZB B t m ZBm ZBm ZB ZB t ZB B B B ZBm ZBm ZB ZB B ZB B e e e e e t Q ) (... ) ( 2 wskaźnik gotowości n m m g T T T K optymalne intensywności realizacji przeglądów I i II rodzaju dla max. wartości wskaźnika gotowości systemu ) ( ) ( P optymalne intensywności realizacji przeglądów I i II rodzaju z uwzględnieniem nakładów finansowych ) ( C k C k C k C k C k C k P optym optym optym optym optym optym program wyznacza następujące wartości: - niezawodność poszczególnych elementów tworzących badany system, - niezawodność całego systemu, - intensywność uszkodzeń elementów tworzących badany system, - intensywność uszkodzeń całego systemu, - średni czas pracy elementów tworzących badany system, - wskaźnik gotowości elementów tworzących badany system, - wskaźnik gotowości całego systemu, - dla systemów o strukturze mieszanej i równoległej: - prawdopodobieństwo przebywania w stanie pełnej zdatności S PZ, - prawdopodobieństwo przebywania w stanie zagrożenia bezpieczeństwa S ZBi, - prawdopodobieństwo przebywania w stanie zawodności bezpieczeństwa S B,

160 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium - intensywność napraw, - intensywność realizacji przeglądów I rodzaju, - intensywność realizacji przeglądów II rodzaju, - max. wartość wskaźnika gotowości systemu, - optymalne intensywności realizacji przeglądów I i II rodzaju dla max. wartości wskaźnika gotowości systemu, - optymalny współczynnik rodzaju przeglądów, - wartość wskaźnika gotowości systemu z uwzględnieniem nakładów finansowych, - optymalne intensywności realizacji przeglądów I i II rodzaju dla wartości wskaźnika gotowości systemu z uwzględnieniem nakładów finansowych. Schemat blokowy działania programu WDEK przedstawiono na rys..3. Rys..3. Schemat blokowy działania programu 60

161 Optymalizacja niezawodnościowa struktury elektronicznego systemu bezpieczeństwa 0a) 0b) Rys..4. a) Widok programu,,wspomaganie Decyzji Niezawodnościowo- Eksploatacyjnych Transportowych Systemów Nadzoru ; b) widok programu WDEK zakładka 2 Program WDEK posiada 5 zakładek, które odpowiadają określonym typom systemów: - system JMTI RS-232C (system z jedną magistralą transmisyjną i modułami z interfejsem RS-232C) rys..4a, - system JMTI RS-485 (system z jedną magistralą transmisyjną i modułami z interfejsem RS-485) rys..4b, - system WMTI RS-232C (system z dwoma magistralami transmisyjnymi i modułami z interfejsem RS-232C) rys..5a, - system WMTI RS-485 (system z wieloma magistralami transmisyjnymi i modułami z interfejsem RS-485) rys..5b, - system WCATSR (system z wieloma centralami alarmowymi (skupionymi) tworzącymi system rozproszony) rys..6. a) b) Rys..5. a) Widok programu,,wspomaganie Decyzji Niezawodnościowo- Eksploatacyjnych Transportowych Systemów Nadzoru zakładka 3; b) widok programu WDEK zakładka 4 6

162 Podstawy eksploatacji systemów. Laboratorium Rys..6. Widok programu,,wspomaganie Decyzji Niezawodnościowo- Eksploatacyjnych Transportowych Systemów Nadzoru zakładka 5 Kolejną funkcją programu WDEK jest przedstawianie graficznie otrzymanych wyników: - dla wszystkich systemów porównanie (rys..7a): - wskaźnika gotowości całego systemu, - max. wartości wskaźnika gotowości systemu, - wartości wskaźnika gotowości systemu z uwzględnieniem nakładów finansowych, - dla systemów o strukturze mieszanej i równoległej porównanie prawdopodobieństw przebywania w stanach (rys..7b): - pełnej zdatności S PZ, - zagrożenia bezpieczeństwa S ZBi, - zawodności bezpieczeństwa S B. 2a) 2b) Rys..7. a) Graficzne przedstawienie wskaźników gotowości; b) graficzne przedstawienie prawdopodobieństw przebywania w stanach S PZ, S ZBi, S B Zastosowanie przedstawionego programu WDEK pozwala na zaplanowanie procesu eksploatacyjnego w już istniejących i użytkowanych systemach, jak również na wyznaczenie wskaźników niezawodnościowych na etapie projektowania systemów. 62