Совершенствование экспертных систем диагностики технического состояния электромеханических преобразователей энергии при управлении развитием дефектов

Электроника, электрика / Электромонтаж / Строительство электростанций
Administrator
1 607
14-03-2017, 23:05
0

Центральной задачей технической диагностики является выявление дефекта до наступления отказа оборудования, ввиду того, что отказ часто создает опасность для жизни людей, приводит к значительным экономическим потерям, создает угрозу работоспособности энергообъекта. Принятая в современной энергетике организация ремонтных работ по графику ремонтов не всегда позволяет реагировать на развивающийся дефект, для выявления которого часто требуется системный анализ данных длительного мониторинга, сравнение, классификация и достоверизация которых может быть выполнена только с использованием современных информационных технологий. Применение систем технической диагностики обеспечивает контроль технического состояния, поиск места неисправности, определение причины отказа (неисправности). Экспертные системы технической диагностики способны обеспечить эффективный контроль дефекта и управление его развитием при наличии интеллектуальных методов обработки информации. Для создания экспертной системы диагностики применена математическая теория нечеткой логики, использовались алгоритмы адаптивной фильтрации, были использованы методы цифровой обработки. Предлагаемая экспертная система диагностики технического состояния синхронных машин позволяет эффективно выявлять дефекты и управлять их развитием с применением экспертного контроля и интеллектуальных методов обработки информации. В результате применения данной экспертной системы технической диагностики можно расширить возможности алгоритмизированных систем диагностики и более точно адаптировать их как к конкретной единице оборудования, так и к конкретному дефекту. При этом наличие некритического дефекта позволяет продолжить штатную работу объекта диагностики с учетом его скорректированных характеристик.

I. Введение

Исследования по совершенствованию систем диагностики электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ), которыми, прежде всего, являются электродвигатели, турбогенераторы, синхронные компенсаторы и т.д., обусловлены наличием труднодиагностируемых дефектов, выявление которых на ранней стадии позволяет повысить надежность, определить ресурс и обеспечить управление развитием выявленного дефекта.

Цель выполненной работы заключается в разработке алгоритма проектирования и создания экспертной системы технической диагностики (ЭСТД) состояния ЭМПЭ, а также разработке архитектуры ЭСТД, выявляющей дефекты ротора на ранней стадии. В результате проделанной работы по предложенному мной алгоритму спроектирована, разработана и функционирует ЭСТД, выполняющая идентификацию дефектов ЭМПЭ на основе апробированных интеллектуальных методик (нечеткая логика, нейронная сеть) и экспертных данных. Предложенная принципиальная схема ЭСТД позволяет производить поиск и идентификацию труднодиагностируемых дефектов, давать прогноз состояния ЭМПЭ, а также обеспечивает отказоустойчивое управление ЭМПЭ после выявления дефекта с учетом остаточного ресурса.

II. Задачи проектирования экспертной системы

ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Центральной задачей проектирования ЭСТД является создание алгоритма выявления дефекта до наступления отказа оборудования, который способен приводить к значительным экономическим потерям, создает угрозу работоспособности энергообъекта, а в некоторых случаях и энергосистемы в целом.

Принятая в современной энергетике организация ремонтных работ на оборудовании по графику ремонтов не позволяет реагировать на реальное состояние объекта и своевременно выявлять дефект, появление и развитие которого до критического состояния может протекать в период времени между плановыми ремонтами по графику. Вместе с тем, как показывают данные об аварийности находящихся в эксплуатации ЭМПП (рис. 1), наибольшим риском повреждения характеризуется не только изношенное оборудование на финальной стадии эксплуатации, но и вновь вводимое в работу.

На рис. 1 изображена характерная кривая распределения вероятности отказа в течение различных периодов эксплуатации синхронной машины. Здесь ^ - период ввода в эксплуатацию оборудования после его монтажа (наладка и устранение дефектов); ^ - /₂ - период нормативной эксплуатации оборудования; /₂ - /₃ - период работы оборудования при износе; ^ - интенсивность отказов в течение работы оборудования с учетом необходимого оперативного обслуживания; ^ - интенсивность отказов в момент ввода в работу, а также при пуске и наладке.

Судя по результатам анализа актов расследования аварий, обслуживающий персонал не может достаточно быстро реагировать на изменения состояния оборудования, определяемого по данным мониторинга, что особенно характерно в периоды 0 - ^ и (₂ - (₃ (рис. 1). Для выявления многих видов дефектов требуются системный анализ данных длительного мониторинга, сравнение,

классификация и достоверизация которых может быть выполнена только с использованием современных информационных технологий, что особенно актуально в периоды роста интенсивности отказов.

Применение систем технической диагностики обеспечивает контроль технического состояния, поиск места неисправности, определение причины отказа (неисправности). Экспертные системы технической диагностики позволяют расширить возможности алгоритмизированных систем диагностики, дают возможность при наличии некритического дефекта продолжить штатную работу объекта диагностики с учетом его скорректированных характеристик.

III. Этапы проектирования и разработки

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Разработка ЭСТД производится в соответствии с проектом. Действия разбиты на этапы, включающие в себя на предварительной стадии обоснование необходимости создания ЭСТД и постановку задачи (рис. 2).

Задачей предварительного этапа является постановка и конкретизация целей создания системы диагностики дефектов, поиск соответствующих экспертов для взаимодействия в области эксплуатации ЭМПЭ, а также определение необходимых инструментальных средств.

На практике решение об изменении режима работы ответственных энергообъектов принимается персоналом объекта, в сложных ситуациях с привлечением и по рекомендации специалистов соответствующего профиля.

Наличие возможности взаимодействия системы диагностики с экспертом - специалистом по эксплуатации оборудования - позволяет подтвердить и уточнить работу системы диагностики. Экспертные системы технической диагностики позволяют расширить возможности алгоритмизированных систем диагностики и более точно адаптировать их как к конкретной единице оборудования, так и к конкретному дефекту, при этом наличие некритического дефекта позволяет продолжить штатную работу объекта диагностики с учетом его скорректированных характеристик.

IV. Структурная схема системы диагностики

Для большинства действующих систем технической диагностики общим свойством является разделение процесса диагностирования на стадии, соответствующие конкретным задачам, выполнение которых происходит по заданному заранее пути. Алгоритм работы спроектированной системы технической диагностики представлен как комплекс функциональных блоков отбора информации, выделения диагностических признаков и классификации технического состояния объекта. В центре структуры системы технической диагностики (рис. 3) находится объект диагностирования, с которым напрямую взаимодействуют блоки формирования тестовых сигналов (БФТС), управления

режимами объекта (БУРО), измерения первичной информации и предварительной обработки (БПИОИ).

В случае если характеристики объекта диагностики или особенности его функционирования не позволяют производить подачу специальных (испытательных, тестовых) сигналов, блок ФТС, формирующий величину и форму испытательного сигнала, а также управляющий его подачей на объект диагностики, не используется или исключается из структуры системы диагностики.

Получаемые от первичных датчиков непосредственно от объекта диагностики временные сигналы имеют высокий уровень помех различной природы. Это связано с влиянием самого объекта диагностики и сопутствующего оборудования на прием и передачу сигналов, а также с наличием сигналов взаимодействия различных узлов объекта при его функционировании. Задача блока ПИОИ состоит в снятии с первичных преобразователей сигнала и выделении полезного сигнала из общего массива полученной информации. Здесь востребованными являются различные методы детектирования и фильтрации сигналов, используются методы статистики и селекции данных для предварительной обработки сигнала.

Получение диагностических признаков из имеющейся информации требует вычисления в соответствии с применяемыми в системе технической диагностики алгоритмами. Блок вычисления диагностических признаков (БВДП) выполняет расчет многокомпонентного вектора состояния объекта. В ряде случаев на основании выполненного таким образом первичного расчета выявление дефекта бывает затруднено и требуется применение блока вычисления текущих параметров модели (БВТПМ) для дополнительного вычисления «расчетных» диагностических признаков, увеличивающих точность определения параметров модели. Блок классификации состояний объекта (БКС) выполняет сравнение значений, полученных от блока ВТПМ, с эталонными, поступающими от блока хранения и формирования эталонов (БХФЭ). В результате принимается решение об отнесении объекта диагностирования к определенному классу состояний, определенных заранее.

Распознавание состояний выполняется путем сравнения полученных данных с эталонными, при этом

предельные (предаварийные) значения отклонений оцениваются как основание для отнесения состояния объекта к недопустимому (предаварийному), что может являться критерием немедленного отключения объекта диагностики от сети.

V. Применение системы диагностики для

УПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТАМИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В реализации возможностей управления развитием дефекта в процессе диагностики участвует блок прогнозирования (БП), получающий данные из блока ХТС. С использованием возможностей статистического анализа, имеющейся априорной информации, а также накопленной информации выполняется прогнозирование состояния объекта диагностики посредством построения трендовых характеристик и их анализа. Результатом анализа является прогнозирование остаточного ресурса объекта диагностики, а следовательно, и прогнозирование его технического состояния. Если технические возможности системы диагностики позволяют, то может выполняться прогнозирование на различные заданные периоды.

В случае положительного результата диагностирования, то есть при отсутствии выявленных дефектов, блок БКС определяет текущее состояние объекта диагностики как нормальное, параметры этого состояния (в виде многокомпонентного вектора) передаются в блок хранения текущих состояний (БХТС). В общем виде для любого объекта или сложной технической системы (если речь идет о синхронном двигателе как об объекте диагностики) определить состояние можно массивом параметров, характеризующимся некоторым вектором:

Указанные параметры должны быть измеряемы напрямую или опосредованно, как результат вычисления измеряемых параметров самого объекта, являясь их функцией:

В результате сравнения значений измеренных параметров г_і с эталонными значениями каждого из параметров г_зті, контроля отклонения от нормы значения абсолютных показателей в ходе диагностики системой диагностики определяется текущее состояние объекта:

Для обеспечения эффективной работы выполняется оптимизация системы диагностирования, для чего в базу диагностических данных вносят только признаки, отвечающие следующим критериям:

• однозначное соответствие отклонений признака изменению состояния объекта диагностики;

• образование признаками достаточной для диагностирования системы для повышения достоверности точности диагноза, выявления дефектов на возможно более ранних стадиях их развития;

• соответствие выбранных признаков требуемой глубине постановки диагноза;

• выделение априорного массива признаков, являющегося видоизменяемым и дополняемым элементом базы диагностических признаков, уточнение которого происходит в ходе наработки статистически значимых данных о состоянии объекта диагностики.

Информация о состоянии возвращается в блок УРО и на основании этой информации изменяется режим работы объекта диагностики, а блоком ФТС формируются соответствующие тестовые сигналы.

Применение пакета MatLab для расчета динамических режимов трехфазного трехстержневого трансформатора

В настоящее время расчет динамических режимов различных нелинейных электромагнитных устройств производят численными методами относительно мгновенных токов и напряжений. При этом широкое распространение получил программный продукт МаЛаЪ, являющийся высокоуровневой средой программирования. Однако возможностей встроенных блоков МаЛаЪ не достаточно для адекватного описания цепей, содержащих нелинейные электромагнитные устройства, в частности трехстержневых трансформаторов. Анализ несимметричных переходных режимов трансформаторов, как правило, проводится с использованием метода наложения принужденного и свободного режимов. При этом расчет принужденного режима производится методом симметричных составляющих, а учет свободных составляющих достигается введением различных коэффициентов, выявленных на основе сопоставления накопленных экспериментальных и расчетных данных. Такой подход базируется на довольно грубых допущениях. Целью настоящего исследования является разработка методов, алгоритмов и программ, позволяющих использовать пакет Simulink для расчета цепей с нелинейными электромагнитными устройствами.

В настоящее время расчет динамических режимов сложных цепей, содержащих линейные элементы, не представляет сложностей и производится на ЭВМ численными методом специализированными программными продуктами.

Одним из современных пакетов, реализующих численные методы, является Ма1ЬаЬ, который расшифровывается как «матричная лаборатория». По сути это высокоуровневая среда программирования, содержащая множество функций и встроенных пакетов. Одним из таких пакетов является Simulink.

Simulink имеет множество встроенных блоков для расчета как линейных, так и нелинейных систем. Однако встроенных блоков Simulink не всегда достаточно для точного анализа различных нелинейных процессов. Например, при моделировании цепей, содержащих нелинейные электромагнитные устройства (ЭМУ), возникает ряд сложностей с описанием магнитного поля.

Поэтому является важной разработка подпрограммы, производящей расчет динамических режимов нелинейных электромагнитных устройств в среде Simulink на примере 3-фазного трехстержневого трансформатора (рис. 1).

Для примера был взят 3-фазный трёхстержневой трансформатор, паспортные данные которого приведены в таблице.

Как известно, магнитная цепь трехстержневого трансформатора при любых токах и напряжениях его ветвей может быть представлена аналоговой схемой замещения с сосредоточенными параметрами, которая будет содержать нелинейные и линейные магнитные проводимости и источники МДС. На рис. 2 представлена магнитная цепь исследуемого трансформатора, а на рис. 3 - аналоговая схема замещения его магнитной цепи.

На рис. 2 не показаны цепи магнитных потоков рассеяния, так как они практически не влияют на распределение магнитных потоков в стальном сердечнике. Токи в первичных и вторичных обмотках создают магнитодвижущие силы, представленные источниками МДС: F1 для фазы А и F2, F3 для фаз В и С соответственно. МДС фаз А, В и С создают потоки в стержнях сердечника, а при наличии потоков нулевой последовательности могут также создавать поток между ярмами трансформатора Ф4(ФМ). Стержни и ярма магнитопровода трансформатора представляются в схеме замещения нелинейными элементами, а ветвь, соответствующая потоку между ярмами, представлена в виде линейной магнитной проводимости, которая определяется методами теории поля.

Для задания в программу кривой намагничивания была написана отдельная функция, которая производит кусочно-линейную аппроксимацию вебер-амперных характеристик каждой ветви с заданной относительной погрешностью (рис. 4).

Был разработан блок (рис. 5), который реализует связь между производными токов в ветвях и напряжениями в этих же ветвях :

Также разработано меню для математического описания трансформатора. Параметры разделены на группы.

• Размеры. Здесь задается сечение сердечника.

• Количество витков в первичных и вторичных обмотках каждой фазы.

• Линейные параметры:

о сопротивления проводов первичной и вторичной обмоток (каждой фазы); о матрица индуктивностей рассеивания (матрица размерности 6*6, в которой можно также учесть индуктивные связи).

• Аппроксимированные участки с. Первый участок - для первого и второго сердечника, второй участок - для второго, центрального (для этого написана отдельная функция, которая будет описана далее).

• Прочие параметры. Это проводимость между внешними поверхностями ярем трансформатора.

Каждую ветвь магнитной цепи (рис. 3) можно представить параллельной схемой замещения (рис. 6).

Поток через к-ю ветвь запишется следующим образом:

Одним из достоинств кусочно-линейной аппроксимации является то, что если номера отрезков всех нелинейных ветвей магнитной цепи ЭМУ будут известны, то при изменении значений Ф_к или П_мк в пределах отрезка а_к магнитную цепь ЭМУ можно считать линейной. Естественно, что значения а_к, Л и 1_к каждой ветви будут зависеть от токов ветвей ЭМУ и должны

определяться на каждом шаге численного интегрирования уравнений переменных состояния на основе анализа магнитной цепи.

Производные магнитных напряжений можно выразить через производные токов из расчета магнитной цепи:

Объединяя (2) - (8), получаем уравнения напряжений на нелинейных катушках, выраженные через производные токов:

Таким образом, на каждом шаге численного интегрирования нелинейные ветви трансформатора можно

рассчитывать так же, как и линейные катушки, с той лишь оговоркой, что значения матрицы дифференциальных проводимостей в каждый момент времени

необходимо рассчитывать заново и что значения матрицы определяются только номерами отрезков в вебер- амперных характеристиках нелинейных элементов.

Упрощенно алгоритм, по которому работает подпрограмма, можно представить в виде блок-схемы (рис. 7).

Источник: не определен

Обсудить на форуме

Совершенствование экспертных систем диагностики технического состояния электромеханических преобразователей энергии при управлении развитием дефектов

Комментарии

Устройство оптической индикации дефекта высоковольтной изолирующей конструкции

Классификация УЗО

Проведение диагностики на станке лазерной резки TRUMPF с использованием анализатора энергии

Учёные НИИ технической физики и автоматизации создают первый российский ПЭТ-томограф

Дымо Генератор для диагностики ДВС

Делаем ускоренную диагностику монитора

Совершенствование экспертных систем диагностики технического состояния электромеханических преобразователей энергии при управлении развитием дефектов

Комментарии

Похожие статьи:

Устройство оптической индикации дефекта высоковольтной изолирующей конструкции

Классификация УЗО

Проведение диагностики на станке лазерной резки TRUMPF с использованием анализатора энергии

Учёные НИИ технической физики и автоматизации создают первый российский ПЭТ-томограф

Дымо Генератор для диагностики ДВС

Делаем ускоренную диагностику монитора