АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС НАЗЕМНОГО КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к средствам автоматизированного контроля, в состав которых входят встраиваемые цифровые вычислительные машины, и которые обеспечивают полностью автоматический режим проведения испытаний электронного оборудования сложных объектов, включая системы электроснабжения космических аппаратов, характеризующихся повышенными требованиями к надежности. Система может использоваться на этапах операционного контроля, заводских и приемосдаточных испытаний.
Известны устройства автоматизированного контроля радиоэлектронной аппаратуры, используемые для контроля качества радиоэлектронной аппаратуры по принципу "годен - негоден". Известные устройства содержат источники стимулирующих воздействий (тестовых сигналов), устройства контроля сигналов отклика (измерители выходных параметров) и компьютер. Примерами могут служить устройства автоматизированного контроля радиоэлектронных изделий по авт. свид. СССР №1383306, патент RU №2106677, патент RU №2150730, 2157559. Недостатком известных устройств контроля является их ограниченные функциональные возможности, не позволяющие осуществить точную диагностику неисправностей в составе контролируемой радиоэлектронной аппаратуры.
Известна система (GB 1401193), предназначенная для испытания электронных схем путем подачи зондирующих сигналов и измерения ответной реакции. Система содержит ЭВМ, соединенную с шиной, с которой соединены через контроллеры устройства ввода-вывода и дисплей. С данной шиной через соответствующие контроллеры связаны блоки стимулирующих сигналов, измерительные устройства, источники питания и нагрузки. Указанные устройства через систему коммутации (трассировки) соединены также с шиной ввода-вывода сигналов. Устройство управления вычислительной машины данной системы выдает необходимые команды в соответствии с требованиями оператора для преобразования исходной закодированной программы в код объекта. Программа проверки объекта контроля вводится в процессор посредством дисплея и устройства ввода-вывода.
Недостатком системы является ее низкая надежность, так как система не обеспечивает обнаружение (регистрацию, индикацию, принятие решения по отказу) отказов блоков электропитания и генераторов стимулирующих сигналов, входящих в состав системы.
Известна автоматизированная система контроля по патенту RU №2015622, содержащая коммутатор, преобразователь аналог-код, два блока согласования, буферный запоминающий блок, преобразователь параллельного кода в последовательный, дешифратор, блок электронных ключей, ЦВМ, блок ввода-вывода, блок синхронизации, блок сопряжения, два оптических приема-передатчика, волоконно-оптическую линию связи, персональную ЭВМ (ПЭВМ), блок сопряжения, местную магистраль обмена, общую магистраль обмена, магистраль обмена мультиплексорного канала "Манчестер-2", объект контроля.
Недостатками этой автоматизированной системы контроля являются: избыточность и сложность реализации контроля сменных функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры; а также отсутствие возможности осуществления точной диагностики неисправности сменных функциональных узлов.
Известна автоматизированная система контроля и испытаний (РФ 2257604), являющаяся наиболее близкой к заявляемой полезной модели по достигаемому эффекту. Указанная система обеспечивает возможность создания на основе заявленного комплекса компактных автоматизированных рабочих мест по контролю, диагностике неисправности и ремонту широкой номенклатуры сменных функциональных узлов (в том числе - в условиях подвижных ремонтных мастерских); обеспечения более высокой точности контроля качества широкой номенклатуры сменных функциональных узлов РЭА, содержащих в своем составе цифровые, аналого-цифровые и цифроаналоговые схемы;
обеспечения глубокой диагностики неисправности сменных функциональных узлов РЭА (с глубиной выявленных неисправностей до конкретного отказавшего активного элемента схемы).
Указанный автоматизированный комплекс контроля и диагностики, включает блок синхронизации, блок формирования тестов, блок сопряжения и управляющий компьютер, блок сопряжения установлен на свободный слот системной магистрали управляющего компьютера, коммутатор, группа выходов и группа входов которого являются соответственно группой выходов и группой входов автоматизированного комплекса контроля и диагностики для подключения к объекту контроля, первый выход блока формирования тестов соединен с первым входом коммутатора, первый выход блока синхронизации подключен к синхронизирующему входу блока формирования тестов. Для достижения вышеуказанных возможностей он дополнительно содержит логический анализатор, сигнатурный анализатор, блок цифровых осциллографов, блок программируемых источников питания, блок программируемых генераторов сигналов специальной формы и локальную магистраль обмена данными, через которую блок сопряжения соединен с блоком формирования тестов, логическим анализатором, сигнатурным анализатором, блоком цифровых осциллографов, блоком синхронизации, блоком программируемых источников электропитания, блоком программируемых генераторов сигналов специальной формы, коммутатором, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока синхронизации соединены с синхронизирующими входами соответственно сигнатурного анализатора, блока цифровых осциллографов, логического анализатора и блока программируемых источников электропитания, первый выход которого подключен к второму входу коммутатора, третий вход которого подключен к выходу блока программируемых генераторов сигналов специальной формы, выход коммутатора подключен к первому входу логического анализатора, второй вход которого и входы сигнатурного анализатора и блока цифровых осциллографов являются соответствующими входами автоматизированного комплекса контроля и диагностики для подключения к объекту контроля, выходы блока формирования тестов и блока программируемых источников электропитания являются соответствующими выходами автоматизированного комплекса контроля и диагностики, для подключения к объекту контроля, а информационный выход управляющего компьютера является информационным выходом комплекса.
Недостатком указанной системы является невозможность полного функционального контроля, исследований и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов из-за невозможности воспроизведения статических и динамических характеристик солнечных батарей, аккумуляторной батареи при ее заряде и разряде, и других характеристик этих батарей, которые обязательно присутствуют в составе систем электроснабжения космических аппаратов. Проведение испытаний таких систем электроснабжения без отработки режимов работы с участием характеристик этих устройств являются недостаточными. Кроме того, недостатком системы является отсутствие возможности имитации различных видов нагрузок: постоянной, импульсной (или скачкообразной), комплексной (резистивно-емкостной), частотной с синусоидальной формой тока, и т.д. Третьей группой недостатков являются ограниченная функциональная гибкость системы и невозможность оператору влиять на ход проведении контроля и испытаний.
Задача заявляемой полезной модели - расширение функциональных возможностей, позволяющее проводить полный контроль аппаратуры систем электроснабжения. Кроме того, задачей полезной модели является придание комплексу функциональной гибкости, обеспечивающей возможность проведения различных программ испытания на одном комплексе, включая или отключая определенные узлы в составе комплекса, не изменяя при этом эффективности его работы. Автоматизированная система наземного контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов должна быть выполнена в виде функционального законченного устройства, укомплектованного ПЭВМ, обеспечивающего автоматизацию испытаний энергопреобразующей аппаратуры под управлением программного обеспечения, а также возможность управления оператором в ходе проведения самоконтроля и программы испытаний.
Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит управляющую ЭВМ, блок измерительных приборов, блок формирования стимулирующих сигналов, анализатор состояний контактов реле и датчиков, блоки синхронизации, коммутатор, группа выходов и группа входов которого являются соответственно группой выходов и группой входов автоматизированного комплекса контроля и испытаний для подключения к объекту контроля, при этом коммутатор предназначен для осуществления при работе комплекса в режиме встроенного контроля непосредственного подключения измерительных приборов к объекту контроля, анализаторов состояний контактов реле и датчиков, осциллографов, формирователей команд, источников питания и формирователей стимулирующих сигналов по командам от управляющей ЭВМ; управляющая ЭВМ предназначена для хранения базы данных и программ работы комплекса, и обеспечения реализации рабочих режимов и алгоритмов функционирования системы. В отличие от прототипа, в заявляемой полезной модели ЭВМ реализует управление составными частями комплекса путем обмена управляющей и измерительной информацией по Ethernet интерфейсу. Кроме того, в состав комплекса введены имитатор солнечной батареи, блок имитации аккумуляторной батареи, блок имитации нагрузок, имитатор переменной частоторегулируемой нагрузки, каждый из указанных блоков имеет в своем составе контроллер, связанный с управляющей ЭВМ по Ethernet интерфейсу, который, в свою очередь, связан с контроллером системного коммутатора; контрольно-испытательная станция, осуществляющая связь между собственными контрольно-испытательными устройствами и системным коммутатором, контроллер которой связан с управляющей ЭВМ по Ethernet интерфейсу, указанная контрольно-испытательная станция предназначена для контроля состояния контактов реле и электронных коммутаторов, контроля временных и амплитудных параметров импульсов напряжения, формирования команд управления в виде импульсов напряжения или незапитанным контактом, формирования автономных команд управления при непосредственном доступе оператора к включению и отключению объекта контроля, а также включает в себя блоки синхронизации, включаемые поочередно по командам управляющей ЭВМ или оператором в автономном режиме; и устройство мониторинга, имеющее контроллер, связанный с Ethernet интерфейсом, позволяющее автоматически и синхронно измерять и регистрировать параметры контроля с выводом на печать; а блок измерительных приборов, имеет в своем составе контроллер, и обеспечивает передачу и прием информации от управляющей ЭВМ в части управления измерительными приборами, при этом при этом указанные блоки имитации нагрузок и батарей, а также устройство мониторинга, подключены к объекту контроля посредством силовых шин.
Контрольно-испытательная станция в заявляемом комплексе содержит шинный коммутатор, включающий группу релейных модулей, для коммутации внутренних блоков контрольно-испытательной станции и коммутации приборов блока измерительных приборов, измеритель параметров импульсов напряжения, блок управления, связанный с управляющей ЭВМ посредством Ethernet-интерфейса, анализатор состояния релейных датчиков, анализатор состояния электронных датчиков, формирователь команд управления, формирователь автономных команд управления, сообщающийся с объектом контроля и измерительными приборами, программируемые сопротивления, формирователи стимулирующих сигналов и устройства синхронизации.
Такое построение комплекса обеспечивает его гибкость и надежность, позволяет проводить полный контроль аппаратуры систем электроснабжения. Комплекс собирается из множества функциональных модулей, объединение которых в различных комбинациях образует виртуальные инструменты, выполняющие процессы физических инструментов. Каждый функциональный модуль может выполнять функцию, которая является частью процесса, выполняемого виртуальным инструментом. Взаимосвязи между этими функциональными инструментами объединяют их в схему, позволяющую производить обмен данными между функциональными модулями. Путем образования комбинации соответствующих взаимосвязей между функциональными модулями, комплекс может генерировать, измерять и анализировать сигналы в зависимости от требований испытаний. В любой данной конфигурации, выход любого функционального модуля может соединяться с одним или несколькими другими функциональными модулями, снижая общее количество требуемого оборудования. При этом каждый из модулей может работать как автономно, используя встроенный контроллер, так и в составе комплекса под управлением ЭВМ.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлена структурная схема автоматизированного комплекса для контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов (фиг.1), и структура контрольно-испытательной станции 4 (фиг.2).
Автоматизированный комплекс контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов содержит управляющую ЭВМ 1, предназначенную для управления составными частями комплекса, а также реализующую обмен управляющей и измерительной информацией по Ethernet интерфейсу 2, блок измерительных приборов 3, контроллер которого связан с Ethernet интерфейсом 2, контрольно-испытательную станцию 4, в состав которой входят: измеритель параметров импульсов напряжения, анализатор состояния релейных датчиков, анализатор состояния электронных датчиков, формирователь команд управления, формирователь автономных команд управления, программируемые сопротивления, формирователи стимулирующих сигналов, и устройства синхронизации. Контрольно-испытательная станция является связующим звеном между собственными контрольно-испытательными устройствами и блоком измерительных устройств 3 через системный коммутатор 5, который в свою очередь подключает контрольно-испытательную станцию 4 к объекту контроля 6. Посредством силовых шин 7 объект контроля 6 соединяется с имитатором аккумуляторной батареи 8, имитатором солнечной батареи 9, блоком имитации нагрузок 10, имитатором переменной частото-регулируемой нагрузки 11, и устройством мониторинга 12. Контроллеры устройств 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11 и 12 связаны с управляющей ЭВМ 1 посредством Ethernet интерфейса 2. Структура контрольно-испытательной станции показана на фиг.2. Контрольно-испытательная станция включает шинный коммутатор 13, состоящий из группы релейных модулей связи с внешними измерительными приборами и группы релейных модулей связи с внутренними устройствами, формирователь автономных команд управления 14, блок управления 15, группу анализаторов релейных датчиков 16; группу анализаторов электронных датчиков 17, группу формирователей команд управления 18, программируемые сопротивления 19, измеритель параметров импульсов напряжения 20, измеритель сопротивления, напряжения и тока 21, генератор постоянного тока и напряжения 22. Все блоки контрольно-испытательной станции объединены по RS-485 (23) в местную локальную сеть с контроллером контрольно-испытательной станции, который по Ethernet интерфейсу связан с управляющей ЭВМ.
Составные части автоматизированного комплекса контроля и диагностики являются реализациями известных технических решений. Конкретная их схемная и конструктивно-технологическая реализация определяется существующим уровнем техники.
Системный коммутатор 5 предназначен для подключения к объекту контроля измерительных приборов, анализаторов состояния контактов реле и датчиков, осциллографов, формирователей команд, источников питания и формирователей стимулирующих воздействий (напряжения, тока, сопротивления). Системный коммутатор 5 осуществляет подключение измерительных приборов, входящих в состав блока измерительных приборов, и модулей, входящих в состав контрольно-измерительной станции на любую из 1200 точек подключения к объекту контроля с помощью реле.
Имитатор аккумуляторной батареи 8 предназначен для: имитации аккумуляторной батареи при ее заряде и разряде; имитации изменения напряжения на каждом аккумуляторном элементе аккумуляторной батареи; имитации сигнализаторов давления; имитации датчиков температуры; имитации аналоговых датчиков давления; имитации электрообогревателей аккумуляторной батареи. Имитатор аккумуляторной батареи 8 обеспечивает полноту электрических проверок автоматики систем электроснабжения, имитируя различные сочетания состояния датчиков давления и температуры, различные состояния параметров напряжения аккумуляторной батареи и аккумуляторов при минимальных затратах времени. Описание указанного имитатора приведено в описании к патенту на полезную модель №73102.
Имитатор солнечной батареи 9 воспроизводит на своих выходных шинах статические и динамические характеристики солнечной батареи, позволяет имитировать работу солнечной батареи спутника, находящегося на любом типе рабочей орбиты, т.е. имеет возможность имитации режимов «вход в тень» и «выход из тени» с изменением данных режимов (патенты на полезную модель №№50014, 52522).
Блок имитации нагрузок 10 позволяет имитировать различные виды нагрузок: постоянную (активную) нагрузку, импульсную (или скачкообразную), комплексную (резистивно-емкостную), частотную с синусоидальной формой тока (патент на полезную модель №50317). При имитации постоянной нагрузки имитатор преобразует энергию постоянного тока СЭП КА в энергию переменного тока с последующей передачей ее в питающую сеть. Комплексная нагрузка обеспечивает синхронное параллельное подключение постоянного активного сопротивления и последовательной RC-цепи к выходной шине системы электроснабжения космического аппарата (СЭП КА). Гармоническая нагрузка создается путем формирования синусоидального тока в выходных шинах СЭП КА. При этом ток изменяется в диапазоне частот от 20 до 100 кГц с плавно-регулируемой амплитудой, что позволяет проверить нагрузочную способность в нескольких декадах, а также измерить выходной импеданс бортового источника питания. Импульсная нагрузка обеспечивает независимое увеличение (наброс) или уменьшение (сброс) постоянной нагрузки с регулируемой коммутационной длительностью подключения или отключения. Длительность фронта наброса или сброса тока нагрузки зависит от задания оператора, индуктивности подводящих проводов и величины тока наброса или сброса.
Имитатор переменной частотно-регулируемой нагрузки 11 предназначен для формирования нагрузки постоянным током с плавным регулированием, нагрузки со ступенчатой регулировкой постоянного тока, частоторегулируемой импульсной нагрузки со ступенчатым регулированием амплитуды тока нагрузки, разовых импульсов тока нагрузки с регулируемыми амплитудой и длительностью (патент на полезную модель №73087). В режиме постоянной нагрузки с плавным регулированием имитатор обеспечивает плавную регулировку безразрывного постоянного тока нагрузки. В режиме нагрузки со ступенчатой регулировкой постоянного тока предусмотрена возможность плавного регулирования постоянного тока нагрузки путем автоматического перераспределения тока между нагрузкой постоянным током и нагрузкой со ступенчатой регулировкой постоянного тока с одновременным соответствующим изменением уставок. В режиме частоторегулируемой импульсной нагрузки коммутацией активной нагрузки формируется импульсный ток, регулируемый по амплитуде и частоте следования (при скважности 2) в диапазоне от 0,1 до 100000 Гц. Имитатор переменной частотно-регулируемой нагрузки 11 обеспечивает формирование разовых импульсов тока активной нагрузки с длительностью импульса от 50 до 300 мкс.
Устройство мониторинга 12 позволяет автоматически и синхронно измерять и регистрировать параметры фаз трехфазной сети переменного тока, постоянное напряжение любой полярности от 0 до 350 В по каждому из десяти каналов, значение сопротивлений по каждому из трех каналов от 0 до 150 кОм, сопротивление изоляции до 20 МОм с испытательным напряжением 100 В по трем каналам. Возможность задания параметров уставок контроля, вывода результатов мониторинга на печать, контроля состояния питающей сети позволяют осуществить быструю диагностику аварийных и нештатных состояний.
Контрольно-испытательная станция (КИС) предназначена для контроля состояния контактов реле и электронных коммутаторов; контроля временных и амплитудных параметров импульсов напряжения; формирования команд управления в виде импульсов напряжения или незапитанным контактом; формирования автономных команд управления при непосредственном доступе оператора к включению и отключению объекта контроля; имитации резистивных датчиков и сопротивлений; измерения сопротивлений, прямых падений напряжения на диодах и токов утечки диодов при обратном напряжении.
Контроллер блока управления 15 КИС обеспечивает управление и обмен информацией через конвертор по интерфейсу RS-485 23 с устройствами КИС, обмен информацией по Ethernet с управляющей ЭВМ.
1
3
4
6
Шинный коммутатор 13 включает в себя шесть релейных модулей, все из которых унифицированы и отличаются только цепями подключения «точек» к испытательным устройствам, причем модули 13-13 служат для коммутации внешних измерительных приборов блока измерительных приборов 3, а модули 13-13 служат для подключения собственных блоков КИС. Каждый релейный модуль обеспечивает коммутацию двенадцати точек на восемь шин. Каждая пара точек выведена на отдельный разъем, расположенный на передней панели модуля.
Формирователь автономных команд управления 14 предназначен для формирования автономных команд управления в виде импульсов напряжения с фиксированной длительностью. Формирователь автономных команд управления обеспечивает непосредственный доступ оператора к включению и отключению объекта контроля (ОК).
Анализаторы релейных датчиков 16 предназначены для контроля состояния контактов реле, а также измерения временного интервала от заданного времени (события) до срабатывания контактов реле.
Анализаторы электронных датчиков 17 предназначены для контроля состояния электронных коммутаторов, а также измерения временного интервала от заданного времени (события) до срабатывания электронных коммутаторов.
Формирователь команд управления 18, состоящий из нескольких независимых гальванически развязанных между собой каналов (выходов) (18-1)-(18-3) предназначен для формирования команд управления в виде импульсов напряжения с заданной длительностью, либо незапитанным контактом с заданной длительностью, а также для измерения напряжения и тока команд управления.
Программируемое сопротивление 19, выполненное в виде независимых гальванически развязанных между собой каналов (19-1) - (19-3), предназначено для имитации резистивных датчиков и сопротивлений.
Измеритель параметров импульсов напряжения (ИПИН) 20 предназначен для контроля временных и амплитудных параметров импульсов напряжения, и также состоит из нескольких независимых гальванически развязанных между собой каналов (20-1)-(20-3).
пр
ут
Измеритель сопротивлений, напряжения и тока 21 (ИСНТ) предназначен для измерения сопротивления резистивных датчиков по четырехпроводной схеме измерений, сопротивления резисторов и соединенных цепей по двухпроводной схеме измерений, сопротивления разобщенных цепей, сопротивления изоляции, прямого падения напряжения (U) на диодах и токов утечки (I) диодов при обратном напряжении.
Генератор постоянного тока и напряжения (ГПТН) 22 предназначен для формирования аналоговых стимулирующих воздействий.
Комплекс работает следующим образом: в соответствии с заданной программой испытаний, заложенной в управляющей ЭВМ, производится загрузка пакетов испытательных программ в соответствующие модули комплекса. Автоматизированный комплекс контроля и диагностики имеет несколько режимов работы:
1. Режим самотестирования;
2. Режим тестирования и управления с помощью программы тестирования и отладки (ПТИ) под управлением оператора;
3. Режим работы под управлением программы испытаний;
4. Автономный режим работы под управлением оператора.
В режиме самотестирования каждое из устройств 3-5, 8-12, входящих в состав комплекса под управлением своего контроллера и в соответствии с встроенным программным обеспечением производит проверку основных параметров. В этом режиме объект контроля 6 отключен, а работа под управлением ЭВМ и оператора невозможна. Последовательность тестов каждого из устройств определяется встроенным программным обеспечением. Измеренные параметры сигналов сравниваются с эталонными значениями, предварительно занесенными в контроллер каждого устройства. Если измеренные значения параметров сигналов не выходят за пределы допусков (что свидетельствует как о достоверности формирования выходных сигналов, так и о достоверности измерения параметров этих сигналов), комплекс считается годным к работе. При ненорме, после окончания самотестирования производится сигнализация диагностики в сооответствующем окне неисправного устройства. Режим самотестирования выполняется при каждом включении комплекса.
В режиме тестирования и управления АСК ЭПА с помощью ПТИ пользовательский интерфейс представлен системой окон. Имеется возможность автономного тестирования каждого из устройств, входящих в АСК ЭПА. Для этого необходимо из главного окна АСК ЭПА вызвать окно устройства, которые должено быть протестировано и задать программу его тестирования, нажатием соответствующей кнопки. Из главного окна оператор может вызвать окно любого модуля из состава комплекса, как для информации о ходе выполнения программы испытаний, так и для изменения уставок или режимов.
В режиме под управлением программы испытаний подключение соответствующих устройств, уставки и последовательность работы каждого из устройств выполняются по программе задаваемой управляющей ЭВМ. Перед началом испытаний объект контроля 6 подключается к составным частям комплекса в соответствии со схемой на фиг.1, а на управляющей ЭВМ 1 задается тип объекта контроля 6 и программа испытаний. Управляющая ЭВМ 1 формирует в зависимости от проводимой программы испытаний последовательность задающих сигналов, в которых определены адреса и порядок включения устройств, коды уставок и команды для всех устройств 3-6, 8-12 входящих в состав комплекса.
В автономном режиме под управлением оператора управление устройствами 3-6, 8-12 производится с сенсорного монитора установленного на каждом из устройств. Оператор имеет возможность производить тестирование и управление данного устройства.
Предложенная структура автоматизированного комплекса обеспечивает поддержку канала связи с протоколом обмена управляющей ЭВМ по интерфейсу Ethernet; контроль и диагностику неисправности каждого устройства и каждого модуля в составе комплекса; задание режимов и уставок испытаний программно в виде циклограммы в автономном режиме и оператором в дистанционном режиме для каждого из модулей в составе комплекса; управление подключением к объекту контроля устройств контрольно-испытательной станции; передачу информации в ПЭВМ и отображение ее в режиме реального времени в соответствующих окнах пользовательского интерфейса. Использование данного комплекса позволяет расширить функциональные возможности при испытаниях, исследовании и настройке СЭП КА, сэкономить рабочее время, увеличить надежность, позволяет исключить ошибки, возникающие из-за влияния человеческого фактора на процесс испытаний.