某型控制舱综合测试系统故障诊断及分析

程 丰，侯生彪，陈向前，李玉雪



某型控制舱综合测试系统故障诊断及分析

程 丰，侯生彪，陈向前，李玉雪

（国营洛阳丹城无线电厂，河南 洛阳 471000）

对控制舱综合测试系统的故障模式进行分析。依据系统内部的特点，结合模块化的测试程序，按照操作流程抽取电路子网络，采用按功能分段反向推理的方法进行电路子网络的故障模式分析。考虑到抽取出来的电路子网络是较简单的继电器组合电路板，故可使用设置少数采样点来表征电路信息，这样就可以分析电路信息来进行故障的检测和诊断。通过实例试验验证了这一方法的实用性和有效性，为类似复杂电子系统的故障诊断尤其是继电器电路故障诊断提供了新的方向。

测试系统 故障分析 继电器

0 引言

控制舱是导弹的核心单元，其质量直接影响作战任务的完成。为确保导弹发挥效力，需定期对导弹进行维护修理，并对导弹各组成部分在应力环境下进行必要的性能检测，控制舱综合测试系统是控制舱修理和检测的关键设备，直接影响到工厂的导弹修理周期。但因控制舱综合测试系统多处使用继电器控制电路，工作过程中软件频繁控制硬件（包含继电器）动作，人工操作与自动操作同时存在并要求多个单元电路的配合工作，综合测试和环境试验测试等反复进行，这就导致控制舱综合测试系统操作环境复杂多样，容易引发继电器故障。

为提高控制舱综合测试系统的可维修性、安全性和可靠性，减少综合测试系统故障维修时间，在测试系统的故障排除中使用故障分析及诊断技术。采用故障诊断的相关方法对综合测试系统的故障进行故障定位、故障检测与故障隔离，提出故障处理方法，排除故障有效，从而提高导弹测试及设备维修保障水平，增强设备保障维修和导弹维修能力有重要意义。本文以现有的某型导弹控制舱综合测试系统电路原理图为基础，从中抽取相关电路子网络进行故障分析诊断方法的研究，以电路采样点状态组合为测试依据对实际电路进行分析、诊断和维修。最后通过对控制舱综合测试系统中导弹电源变换器测试故障及电源输出回路进行实例分析，验证该方法的有效性和实用性。

1 总体思想

某型导弹控制舱综合测试系统虽然组成比较复杂，主要有直流电源系统、交流电源系统、信号处理采集系统、微波信号及脉冲信号测试系统、工控机系统等几部分组成。各部分系统中有较多的功能一致的电路单元，系统程序采用模块化的测试方法，有工艺要求的标准测试流程，每步测试流程程序所使用的电路是电路系统的一小部分。同时，控制舱综合测试系统的故障现象是与测试项目和测试流程密切相关的，其常见的故障现象为电源加不上电、采集到的测试数据无输出等异常。对现有的控制舱综合测试系统运行记录进行统计发现，自2014年10月以来，设备履历本上记录故障7次，故障现象涉及的方面较多，均为复合型故障，其中涉及到继电器故障的次数为5次，每次修理时间均在2天以上，由于现场仅有1台控制舱综合测试系统，故障期间控制舱无法测试，影响生产进度。因此，在对控制舱综合测试系统进行故障分析诊断的过程中，根据测试流程和测试项目来选取相关子网络电路原理图，对其中关键电子元器件进行性能分析，结合部分电路外在故障表现方式进行故障分析，最后选取合适的采样点采集数据，对采集到的数据进行分析统计，能快速及时准确的完成故障定位、故障诊断及排除。上述方法实施过程如下：

1）根据测试项目的程序流程和故障现象结合控制舱综合测试系统电路原理图抽取相关的部分电路子网络，并初步确定该部分电路子网络的故障状态；

2）研究控制舱综合测试系统该部分电路子网络原理图及其中的关键电子元器件；

3）对抽取的相关子网络电路进行故障分析，列举可能出现的故障模式；

4）根据前面的分析结果，选择合适位置用来测试数据采集，将采集到的测试数据进行状态组合排列，分析故障原因并最终确定故障排除方法。

2 故障诊断方法

2.1 故障模型分类

故障诊断是发现故障、定位故障的过程，也是依据检测策略对被诊断系统进行自动检测，对检测结果进行分析、判断。诊断是建立在自动检测和测试结果分析判断的基础上，是检测和测试的更高阶段，其主要目的修复故障，预防故障，进而是提高测试系统的使用率和可靠性，最终降低测试系统维修保障成本，优化测试系统。

元件/零件、电路/分组件或系统/部件的物理故障是不同的，故障种类也有好多种类，以逻辑门短路故障为例，存在输入端短路、输入端与输出端短路等故障现象。因此，要研究故障现象对电路或测试系统的影响大小、分析并确认故障位置，就需要先对故障进行分类，在分类的基础上，构建每类故障典型的故障模型[1]。基于对现场故障类型的总结分析，总结出几种常见的故障模型：

1）固定型故障：电路或系统中某一个信号不可控（系统运行过程中该信号永远固定在某一个值）。这是导弹设备修理过程中最常见故障。

2）桥接故障：元器件输入端之间的短路，输入端与输出之间的短路。这是导弹设备修理过程中常见故障。

3）开路故障：元件输出端悬空，其逻辑值依具体电路而定。这也是导弹设备修理过程中常见的故障。

4）时滞故障：指电路时延引起竞争冒险性故障。

以上这些故障模型主要体现测试系统的硬故障，还未涉及到测试系统的软故障。完成一个测试系统故障诊断分析的前提是熟悉该测试系统有可能出现的故障现象，故障现象存在特殊性是由于每个测试系统自身具备特点不同导致的。某型导弹控制舱综合测试系统使用双路继电器控制多处电路工作，人工操作与自动操作同时存在并要求多个单元电路的配合工作，因此在分析控制舱综合测试系统的故障原因时可以用分段反推法进行故障分析。比如在某个测试项目中要求输出某个测试电压，对该设备进行故障分析就可假设未输出该测试电压，然后就可以分析是由测试电压产生电路、控制电路、采集电路还是其它辅助电路引起的故障，针对每个电路部分分段进行反推，以此逐步展开故障诊断分析[2]。在完成相关子网络电路故障分析诊断后，能清晰明确测试系统在涉及到该子网络电路的故障成因以及维修方法，为后续的故障检测与识别做好准备。

2.2 故障检测与识别

故障检测是指及时发现被测系统在工作过程中存在的异常现象，故障识别是对已发生故障的类型和影响程度作出初步估计[3]。对于控制舱综合测试系统的电路子网络而言，由于测试系统准确模型无法准确用数学模型描述，因此不使用基于模型的故障诊断方法[4]。考虑到基于测试数据故障检测方法对特定对象进行故障检测的有效性，可将之用于控制舱综合测试系统电路子网络的故障检测。基于测试数据故障检测的主要思想：利用信号处理技术建立表征各类故障特征的矢量库，再通过采样被测系统不同工作状态时的信号，并将检测信号与故障特征库中的矢量进行比较，进而判断测试系统工作状态，分析确认故障类型，最终达到故障检测与识别的目的[5]。

控制舱综合测试系统根据需要选定子网络电路进行故障分析，再根据故障分类组合排列测试系统故障现象，这样就基本建立了故障特征库。此时只需要检测子网络电路关键点的状态数据，并将之与故障特征库中故障现象进行比较分析，从而准确定位系统故障，最终提出故障排除方法。

3 实例分析

对控制舱综合测试系统中的电源变换器测试故障进行实例分析以说明故障诊断方法的有效性和实用性。首先根据测试系统技术资料和常见故障现象，抽取电源变换器测试电压输出的电路子网络，如图1所示。电路子网络的故障状态是继电器的3脚无正常输出。电路子网络的工作原理为：测试程序控制三相交流电源输出至产品的电源变换器输入端，经电源变换器转换后输出直流电压，经分压电阻R35、R36接地，板卡采集电阻R36上的电压信号。同时测试程序控制缓冲器SN74LS07N输出低电平，5 V电压通过排阻形成电流驱动光耦工作，光耦起隔离开关作用，光耦输出至反相器ULN2003驱动继电器JRW-3M吸合，直流电压的输出与电阻接地均由继电器控制。

在图1中，主要电路可以分为三部分，产品信号传输电路、继电器驱动电路、光耦驱动电路，因此，我们可以确认关键的电子元器件有两个，分别是光耦P521和继电器RJW-3M，下面对他们的一些特性进行介绍。

图1 电源变换器输出电路原理图

P521是在该电路中起到开关的作用，是常用的光耦，由于它以光为介质传输电信号，在电路中也起隔离作用，隔离效果良好。光耦一般由光的发射、光的接收及信号放大三部分组成。输入到光耦的电信号驱动发光二极管（LED），使发光二极管发光，该光被光探测器接收后从而产生光电流，再经过信号放大后输出至电路[6]。P521光耦的主要特点有两个：一是输入输出简电容小，耐压高（2.5 kV左右），共模抑制比高；二是电气隔离效果好，是由于输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻，而绝缘电阻一般在109~13欧姆左右。

继电器RJW-3M是一种常用的军标电磁继电器，该继电器在国内仅有一个厂家生产，多用于航空航天产品上及其设备上。该继电器的失效现象主要表现为触点不通、触点粘结导致的继电器不吸合或者触点接触电阻大导致吸合电压大等故障。其中触点不通或接触电阻大是该型号继电器最常见故障，主要原因是继电器触点表面存在异物或者膜层被污染，继电器触点行程不足、继电器动作后触点仍然不接触或接触压力小也是继电器失效的重要原因。继电器触点粘结是指切换过程中动触点和静触点不能正常断开或者延迟一段时间断开的失效模式，静熔焊和动熔焊是导致触点粘结的主要原因，产生的主要条件如下：静熔焊一般在非常大的载流条件下发生，动熔焊主要是由于触点两端间电弧的高温使得触点表面熔化、气化、喷溅，形成富银区，当电弧熄灭后触点冷却凝固产生粘结[7]。

在确定关键器件之后，就可以对电路的故障模式进行分析。从电路工作原理看，电路以继电器为分界分为两部分，一部分是继电器工作电路；另一部分是继电器控制驱动电路。因此，电路是否正常工作表现在2个状态：继电器是否正常工作与显示器上电源变换器输出是否正常。

从表1中可以清楚的看到在接通与断开电源（主要是指给电源变换器供电的三相电源）后可能出现的故障现象，与每个故障现象相对应的故障原因和检修方法，根据故障条件的不同进行电路硬件实现及故障复现，从而完成该子网络电路的故障诊断分析。

表1 电路故障分析

4 结论

根据某型导弹控制舱综合测试系统的测试项目抽取子网络电路，按照文中提出的方法，确认关键器件的性能，采集关键点的状态数据，建立故障现象对应的故障条件，逐个子网络进行实施，可建立完全的故障现象分析表，从而实现整个测试系统的故障诊断分析。从文中实例分析可以看出，如何确认关键器件，怎样选择关键点等问题很重要，能影响到故障诊断的结果，根据电路原理图进行电路仿真分析，在测试设备仿真分析的基础上对导弹进行半实物仿真，最终提高产品的修理质量。

[1] 邢秀琴, 姚竹亭. 输入输出电路板故障诊断[D]. 太原, 中北大学, 2006.

[2] 杨士元．数字系统故障诊断与可靠性设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 1989: 1-148.

[3] 张磊, 李伟刚, 陈红涛. 导弹伺服机构中电液伺服系统故障诊断方法研究[J]. 机床与液压, 2011(8): 154-156.

[4] 关龙, 刘志刚, 何士玉, 杨红梅. 离散二进制粒子群算法在基于模型配电网故障诊断中的应用[J]. 电力自动化设备, 2013(9): 89-93.

[5] 蔡光斌, 胡昌华, 王鑫. 导弹测试设备故障模式分析与诊断技术[J]. 导弹与航天运载技术, 2007(2): 55-57.

[6] 郭征新, 瞿华, 周东方. 双极器件和光电器件辐射效应飞行验证分析[J]. 空间电子技术, 2017(6): 33-37.

[7] 江长流. 继电器可靠性提升探讨[J]. 电工材料, 2017(3): 23-28.

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

Cheng Feng, Hou Shengbiao, Chen Xiangqian, Li Yuxue

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

TP277

A

1003-4862（2018）10-0029-04

2018-06-11

程丰（1982-），男，工程师。研究方向：环境试验测试技术。E-mail: 963239620@qq.com