基于FMEA的ESAD測試系統設計

郭 昭,毛瑞芝,陳國光,張麗莎,楊 林,馬金龍

(1.中北大學機電工程學院,山西 太原 030051)(2.北京理工大學機電工程學院,北京 100081)(3.西北工業集團,陜西 西安 710043)

引信是確保彈藥安全和可靠起爆的一種控制裝置。隨著電子安全系統(electronic safety and arming device,ESAD)廣泛應用在各類高精度、信息化武器彈藥中[1],相關的測試方法及測試系統設計也逐漸成為研究熱點。劉靖雷等[2]設計了一種基于水中兵器的ESAD測試裝置,可以對ESAD進行全功能檢測。王兵等[3]設計了一種片上可編程的ESAD測試儀,擴展了測試系統的通用性。周孟哲等[4]提出了一種能對ESAD通電工作電氣性能綜合診斷的系統性設計思路,加強了導通狀態下的電氣性能測試。當前的測試系統無法定位故障點和故障原因,不便于后續修復改善,對此本文設計了一種基于故障失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)的ESAD測試系統,結合故障診斷對ESAD進行測試,有效提高了測試效率。

1 測試系統方案設計

ESAD一般由電源模塊、邏輯控制模塊、接口模塊、通信模塊、環境感知模塊、升壓放電模塊等組成[5],其結構如圖1所示。

圖1 ESAD結構

ESAD的典型功能見表1。

表1 ESAD功能表

對ESAD的測試要兼顧正常和異常工況,并且測試系統要能將模擬環境激勵信號按照時序自動注入被測引信中。結合以上ESAD的結構功能確定測試系統的需求:

1)環境模擬。根據真實過載數據,利用高精度DAC(數模轉換器)輸出對應模擬信號。

2)激勵信號輸出。在特定的時序和時間窗內輸出解保、隔離、發火等激勵信號。

3)狀態檢測。對引信的各級保險、隔離、發火及工作電流等狀態進行檢測,判斷ESAD是否存在故障。

4)數據回讀。對試驗后的引信進行存儲數據回讀,獲取ESAD在彈道飛行中的狀態。

5)存儲。將被測ESAD的編號和對應測試結果存儲于上位機中,以便后續分類保存和交付。

6)故障診斷。依據測試結果確定是否存在故障,若存在則根據FMEA方法得出的故障數據表進行定位。

7)通信。通過串口與ESAD進行數據交互。

8)斷電保護。若供電電流和儲能電壓達到設定閾值則立即控制繼電器斷開供電,防止ESAD發生進一步損壞。

9)交互。基于QT軟件編寫上位機界面,便于測試人員操作。

根據以上需求,確定本文測試系統總體方案如圖2所示。

圖2 測試系統總體方案

2 FMEA

2.1 FMEA方法

FMEA方法通過研究目標對象的系統結構及功能分類,指明各種潛在的失效模式及其相關的起因,對故障相關信息進行歸納總結[6]。在測試前,運用FMEA方法找出可能出現的故障模式,協助制定測試流程,為后續的修復和改進提供借鑒。

2.2 FMEA步驟

FMEA本質是一種邏輯歸納方法[7],對ESAD進行故障分析的步驟如圖3所示。

圖3 FMEA步驟

2.3 嚴酷度定義

嚴酷度指故障造成的最嚴重潛在后果等級,根據故障模式最終可能出現的人員傷亡、任務失敗、產品損壞(或經濟損失)和環境損害等方面的影響程度進行確定。ESAD的嚴酷度等級見表2。

表2 失效嚴酷度評估表

2.4 ESAD的FMEA分析

通過以上ESAD的結構功能及嚴酷度等信息歸納得出故障表,此表信息存儲于QT上位機的sqlite數據庫中。部分內容見表3。

表3 ESAD的FMEA數據庫示例

3 測試系統硬件設計

ESAD測試系統的硬件主要包括邏輯控制模塊、電流監測模塊、繼電器模塊、數模轉換模塊、通訊模塊等。總體硬件結構如圖4所示。

圖4 硬件結構框圖

測試系統下位機控制模塊選用STM32F103ZET6[8],成本低廉、資源豐富,便于開發。電流檢測模塊采用ACS712[9],用于檢測流經ESAD的電流值,基于霍爾感應原理,精度高、響應快。數模轉換選用AD5689,16位精度,高于ESAD常用的12位精度ADC,可同時向ESAD的一二級保險輸出解保激勵信號。存儲器采用W25Q128,容量為16 MB,可為引信提供數十分鐘的過載值數據,遠大于一般彈藥彈道飛行時間。通信模塊采用RS-422標準差分傳輸,相比RS-232有更好的抗干擾能力。繼電器選用BMZ-R1-E,當引信升壓或電流異常時中斷供電,防止進一步損壞元器件。

4 測試系統軟件設計

測試系統的軟件分為兩部分,分別運行在上位機和下位機中。通過串口傳輸測試指令和被測引信狀態信息。測試周期從ESAD供電時刻開始,到發火激勵信號輸出時刻結束。在此期間,下位機根據上位機中裝定的信息向被測引信輸出對應的激勵信號,同時讀取被測引信的監測信號反饋給上位機。

上位機將接收的監測信號值與裝定的監測信號正常值進行比對。比對方法為:若與初始狀態不一致則代表此信號提前作用;若與動作狀態不一致則代表此信號沒有作用。初始狀態比對時間為裝定完成后激勵信號輸出前,保險狀態比對時間為對應激勵信號發出后特定時間窗內。上位機根據比對結果,將測試結果與故障信息展示在上位機界面中。測試系統的軟件結構如圖5所示。

圖5 軟件結構框圖

4.1 模擬激勵信號方法

引信過載采樣周期為毫秒級,過載數據非實時傳送,在測試開始前,上位機讀取過載數據文件將全部數據按照時序通過串口下載到下位機的flash存儲芯片。測試時,下位機持續讀取存儲芯片中的數據進行DAC轉換以輸出模擬激勵信號。

4.2 下位機軟件設計

上位機與下位機之間通信的數據幀包含幀頭、幀尾、時間戳、解除保險信息、解除隔離信息、發火裝訂等信息。測試系統的下位機程序基于keil軟件開發,主要由存儲模塊、數模轉換模塊、串口模塊、顯示模塊、故障診斷模塊等組成。

4.3 上位機軟件設計

測試系統上位機采用QT平臺[10],使用C+ +作為編程語言,ESAD的測試可分為全流程測試和單項測試。若選擇單項測試,需要先將測試模式程序燒錄進被測引信,在測試界面中填寫單項測試的指令內容。若選擇全流程測試,需要先設置并裝定激勵信號的時序和類型以及監測信號的初始狀態和動作狀態。上位機根據測試反饋信號來確定有無故障及何種故障。sqlite數據庫中的每種故障有其獨有故障號,與測試結果標志位相對應,使用查詢語句通過故障號找出對應故障的全部信息,以表格形式顯示在上位機中。由于引信保險為串聯設計,前級保險發生故障時會影響后續升壓和發火的正常運行,因此只能識別處于任務階段前端的故障,故使用測試模式程序解除各級保險之間的串聯關系,作為流程測試之外的補充測試。

反饋的儲能電容升壓信號通過qcustomplot以二維曲線圖實時顯示在上位機界面中,使測試人員能夠直觀看到引信升壓的實時狀態。上位機也能對被測引信存儲的原始數據進行解析,以CSV格式保存,方便后續對數據進行深入研究。測試系統軟件流程如圖6所示。

圖6 測試系統軟件流程圖

5 測試系統驗證

高壓儲能電容是電子引信極其重要的組成部分,由于無法對大電壓進行直接測量,需要通過耐高壓100 MΩ大電阻及220 kΩ電阻分壓實現,使用高精度直流電源及示波器對其進行誤差測量,結果見表4。

表4 儲能電容升壓數據表

由表可知,高壓儲能電容電壓值誤差在5%以內,滿足測試要求,其余信號經測試也全部符合要求。

使用測試系統對未安裝火工品的全電子引信進行全流程測試和單項測試,驗證了該測試系統的可行性。項目組人員利用該測試系統完成了多批次方案樣機和工程樣機的測試,達到預期效果。

圖7為ESAD正常升壓放電的上位機測試界面,圖8為將一級保險人為去除后的故障信息界面,由圖中實時狀態曲線可知被測引信沒有完成解保和升壓。

圖7 上位機測試界面

圖8 故障信息界面

6 結束語

本文構建了一套引信測試系統,滿足引信測試各項需求。該系統不僅能對引信的功能進行全面檢測,還能夠通過故障診斷功能及時定位故障并分析原因,提高了引信測試效率,為引信安全性評估與提升提供了一種新的方法與工具,具備廣泛應用前景。