低成本LRU如何支持基于状态的增强型维护环境

基于状态的维护增强型（CBM+）策略可以帮助军事项目中的设计人员提高可靠性和可用性，改进维护实践并降低生命周期成本。为状态监测和健康评估而设计的低成本线路可更换单元（LRU）可以成为CBM+综合战略的重要组成部分。

基于状态的维护加国防部指南［由国防部（DoD）于2017年3月发布］将CBM+描述为“有意识地将设备维护从故障时的无计划，被动方法转变为由状态感知和集成的，基于分析的决策驱动的更主动和预测的方法。CBM+的实施通常见于高价设备或具有最关键故障效应模式的设备。根据国防部指南，运营和支持（O&S）成本占项目总生命周期成本的65%至80%。低成本的LRU通常不具有向CBM+处理提供足够的预后数据所需的状态监测功能。这种LRU只是提供对反应性维护系统的故障后可见性，从而限制了它们的实用性。

随着CBM+继续获得牵引力，对军方的好处将越来越取决于下游子系统诊断的参与程度。完整的以可靠性为中心的维护（RCM）分析将为预测性故障评估提供全套规则，这在较小的开发合同中并不常见。

即使使用成本较低、效用较低的设备，也可以使用通用组件实现对关键设备状态的监控，从而使产品能够参与CBM+。仪器仪表良好的 LRU 即使运行状况监控不太复杂，也可以提供对单元操作的宝贵见解，并使设备更接近主动维护。

图1：煤层气+基础设施领域。

状态监测架构设计

图1说明了建立信任措施+基础设施领域。此环境中的合规 LRU 通常满足传感器、状态监测、健康评估、通信和人机界面方面的要求。在这些区域执行处理的设计功能可以以合理的低经常性成本实现。尽管初始开发成本逐渐高于最常见的通过/不通过诊断，但高重利用率、更长的使用寿命和潜在的较低平均维护成本使其成为一个令人信服的商业案例。

可靠的运行状况评估依赖于 RCM 分析的详细规则，但在 LRU 级别，可靠性预测以及故障模式和影响关键性分析 （FMECA） 提供了足够的信息来开发有意义的运行状况评估算法。此类监控和分析可以发现趋势，例如电流增加、直流电源线上的纹波或受损的热图。如果运行状况评估仍然证明成本太高，则维护日志以供将来分析是一个合理的折衷方案。可以提取有价值的数据，以确定返回维修的设备是否经历了冲击、振动、温度或输入电源事件。

例如，在车载或航空电子显示单元（DU）中，典型的诊断包括存储器、通信端口内部环回、电源故障以及可能的LED ［发光二极管］驱动器电压监控。如果有具有诊断中间件的单板计算机 （SBC），则可能提供其他测量的电源、温度和电源周期计数数据。内置测试 （BIT） 选项包括上电、后台、启动以及可能一个或多个操作员参与的视觉测试。

用于状态监测的DU如图2所示。温度、功率、加速度和光传感器测量关键工作参数并将其传输到微控制器，以便进行后续的健康评估处理。

图2：用于状态监测的显示单元（图片由IEE提供）。

温度传感器

热传感器的低成本使开发人员能够使用多个传感器从多个位置收集温度数据，以生成高分辨率热图。候选设计的范围从具有内置校准和串行通信的高价传感器，到需要额外模拟多路复用以向MCU提供信号的低成本热敏电阻。图3中的风格化描述是热仿真研究的输出，说明了电路板组件的典型热曲线。当使用经验数据进行验证时，设计工程师可以很容易地选择几个关键位置进行热测量，以支持对电路板热曲线的实时测量。借助RCM+，这种温度传感器映射可以提供卡的有效测量，并支持故障条件的发生检测。

图3：电路板组装热图可视化和实际测量（图片由IEE提供）。

功率传感器

随着低成本单片器件的出现，一次和二次电源的电压和电流监控得到了简化。与温度、CPU 利用率或其他因素无关的电压和电流变化表明潜在故障的发生。

亮度传感器

显示单元可以跟踪背光强度、环境光强度、背光驱动电流和电压、温度以及经过的时间，以拼凑出显示器退化的趋势数据。亮度检测可用于增加故障检测，而不是操作员反馈。尽管显示器故障对操作员来说可能很明显，但某些系统设计不允许操作员交互成为故障检测的一部分，并且不会考虑BIT垂直度分析。

加速度传感器

加速度计可以检测冲击和振动事件，并可以警告LRU受到冲击和振动事件的影响，以进行故障预测或故障后根本原因分析。加速度计产生大量数据，因此其输出应通过现场可编程门阵列（FPGA）或其他数据采集预处理器进行处理，以便仅存储满足阈值标准的加速事件。更复杂的设计可能包含足够的功率保持能力，以检测移除和移除后处理事件，在此期间 LRU 特别容易受到攻击。

运行状况监视

集成诊断工程师必须确定如何处理所有这些数据。由于缺乏完整的全系统RCM分析，供应商应执行足够的故障分析，为健康监测提供基本规则。许多故障阈值特定于器件，需要从元件数据手册中获得大量规格详细信息。尽管向CBM+环境提供有意义的LRU机器健康数据可能需要时间和精力，但健康监测是全面参与的关键组成部分。

通信

在我们的示例中，显示单元负责向任务计算机提供相关的操作参数和运行状况数据。该系统负责使各级建立信任措施+环境都能访问数据。

人机界面

DU向操作员提供关键操作参数和健康评估数据，以便在执行任务期间采取变通措施。这些数据以更详细的故障日志形式提供，使维护操作员可以使用CBM+通信基础设施来完成有效的故障排除和维修。该装置还使任务和维护操作员能够启动需要操作员反馈的诊断和目视测试。

传感器是关键

低成本LRU可以通过实施传感器、状态监测、健康评估、通信和人机接口功能，更充分地参与CBM+环境。如果所有这些单元都在一定程度上实现这些功能，即使是军方使用的关键设备的设计人员也会发现对总生命周期成本和可靠性的重大影响。

审核编辑：郭婷