浅述新兴的电子系统故障预测与健康管理

作者：高荣

来源：《科技资讯》 2014年第18期

高荣

(陕西有色金属矿山公司 陕西宝鸡 721707)

摘 要:随着科技的逐步发展,电子系统在各个领域和行业的产品中占得比重越来越大。市场对于产品的要求愈加严格,仅依靠传统评估系统当前的状态已无法满足需要,这时就出现了故障预测与健康管理的新理念。本文阐述了新兴的电子产品故障预测与健康管理(PHM)理念,简单叙述了电子系统PHM的体系结构以及电子系统PHM的关键技术,最后就实现电子系统PHM的四种主要方法进行探讨。

关键词:电子系统 故障预测 健康管理

中图分类号:TN607 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)06(c)-0138-01

电子系统在整个行业系统中最容易出现故障,故障的出现会导致整个产品的寿命减少并极大增加产品的维护费用,一般解决此问题的传统办法就是故障诊断技术,但是故障诊断技术主要是集中在评估系统当前的状态和故障,已经不能满足市场的要求。PHM理念中所说的健康就是系统目前的状态,用系统偏离当前期望状态的程度来衡量。所谓预测是以系统以前和现在的状态为根据,以系统的可靠性为条件,预测系统未来会发生故障的时间以及类型和程度,因此,PHM就是在系统生命周期的过程中随时评估系统的可靠性的新方法,其目的就是预测故障、减少产品风险、减少产品的维护费用。

1 电子系统PHM的体系结构

PHM系统是广泛应用于各个领域的故障预测和健康管理,电子系统中PHM系统通过数据的记录分析,管理者整个系统的健康运行。PHM体系结构包括:数据记录和预处理、状态实时监测及预测、健康评估管理、模块级/元件级故障诊断、人机接口等。PHM系统功能:测试能力;信息数据记录采集能力(传感器数据、部件和分系统级有关数据);故障检测隔离功能,通过信息融合和系统模型技术,检测并隔离部件、系统及子系统的故障或失效状态;预测系统出现故障的时间,检测部件剩余寿命的能力;对系统的状态进行管理的能力。

2 电子系统PHM关键技术

电子系统的PHM是新一代的故障预测与健康管理系统,其结构、功能都有赖于关键技术。关键技术包括:(1)监测与管理技术:先进的传感器信息监测技术和先进的数据分析技术设计。通过传感器对系统的信息及运行状态进行精确的监测,然后由数据分析技术进行精准预测评估管理。(2)诊断技术:先进的特征信息提取技术、系统性能分类器。系统出现故障,需要精确找出故障的模块区域和元件。当系统可以部分运行,没有崩溃时,大部分情况可以判断故障属于早期故障状态,运用诊断技术。(3)预测技术:包含系统状态预测和系统寿命预测。当系统、分系统或者小部件出现故障或者性能逐步减弱到不能以最佳性能完成其功能的时候,选取相关的检测方式,设计预测系统来检测早期故障或者降级,做到防患于未然。(4)融合技术:通过两个以上的传感器同步收集信息,将多个传感器的数据融合进行智能处理,以高效率的诊断方法将各自的信息综合起来,以便能更精确的确定电子系统的状态。(5)人工智能技术。PHM中通常采用人工智能技术、包括

专家系统、神经网络、模糊逻辑和遗传算法等,通过智能推理对系统的状态进行更精确的诊断和监测。

3 电子系统PHM实现的主要方法

实现电子系统的PHM的方法分别是:基于机内测试、基于保险和预警装置、基于状态参数监控以及基于失效机理,现对以下几种方法进行介绍。

3.1 基于机内测试的方法

在系统或者设备内部进行的,对状态进行检测并将故障隔离在外的自动测试能力被称为电子设备机内测试(Built-In-Test,BIT)。BIT是通过错误检测、修正、自查、自动确认电路来完成故障检测,一般设备的生产商会提供BIT专用软件和电路,主要是检测电子系统的内部的电压或者是信号。可将BIT根据不同情况进行不同分类。如故障检测程度不同,可将BIT可分为:元件级、模块级和系统级。元件级BIT又称为机内自测试;模块级的BIT主要用于支持一个或更多的回路组成的在线可跟换的元件;系统级BIT主要是检测整个电子系统的运行。根据检测时间不同,可将BIT分为离散BIT和连续BIT。有时间间隔的BIT为I-BIT,一般实施时需要设备或系统停机。没有时间间断的连续BIT为C-BIT,实施时不需要停机,对设备可以正常的运行,并且检测到系统的异常的速度快,反应及时。因此,测试对象不同,可用的实施方法也不一样。

3.2 基于保险和预警装置的方法

保护建筑和电力系统常用的方法是保险和预警装置,如电路断路器和家用的保险丝等。目的是保护元件,当电路电流负载过大时自动隔断电源,避免元件被大电流破坏。在选择预警装置中安装位置时应结合实际产品电路的工作负载,比如:电压、电流、温度、湿度以及辐射等。因此,预警装置与实际产品损坏几率几乎是一致的,但是预警装置会被设计成比实际产品失效早,要是想达到这种效果,最常见的方法就是在相同的电流同时通过预警装置和产品时,减少预警装置中的横截面积,这样可增大电流的密度,产生更多的热量,这样就能使预警装置先失效。另一种方法就是增大预警装置承受的电压,也可达到目的。

3.3 基于状态参数监控的方法

基于状态参数监控的方法通常和参数所反映的故障预兆有关。故障预兆是指因为产品即将失去性能而随随之出现的事件。预兆通常表现为可测变量的漂移,这种漂移一般是跟产品的某种故障或者失效相关联。如果电源输出的电压有变化就预示反馈调整器和光隔离器要出问题,预示系统即将出现故障。故障预示进行PHM的第一步是在产品的生命周期内选择适合的监控参数,确定参数考虑的因素分为以下几条:影响安全性的因素、出现事故发生的因素、产品较长时间停机的因素、以及类似产品出现故障的数据分析、质量检测等。同时也可用FMMEA等来确定需要监控的参数

3.4 基于失效机理的方法

基于失效机理的PHM方法又称为PoF,其主要与产品的生命周期所承受的负载信息相关联。产品的生命周期信息包括制造、存储、操作、以及运行和非运行条件。电子产品的生命周期负载会以单个或者不同形式的组合对产品造成损害,导致产品的性能降低,缩短产品的寿命。而产品的负载幅度和时间决定着产品退化的程度和速度。该方法主要是用于估算剩余产品的生命。

随着科技的不断发展,电子产品逐步增多,自然而然,市场竞争力就更大。

文章所介绍的电子产品故障预测与健康管理实现方法不仅代表了PHM在电子产品领域中引领者先进的立念,还将其方法加以运用,使产品更加可靠,维护费用也大大降低。

参考文献

[1] 许丽佳．电子系统的故障预测与健康管理技术研究[D]．电子科技大学,2009．