автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система диагностики технического состояния узлов электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата

На правах рукописи

Савчиц Артем Вячеславович

СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОТКРЫТИЕМ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОАГРЕГАТА

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 и АПР 23М 005546914

Волгоград - 2014

005546914

Работа выполнена на кафедре «Автоматика, электроника и вычислительная техника» в Волжском политехническом институте (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ) Министерства образования и науки РФ.

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Гольцов Анатолий Сергеевич.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Коршунов Геннадий Иванович,

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, кафедра «Инноватики и управления качеством», профессор;

Мокичева Юлия Владимировна,

кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский университет «МЭИ» филиал в г. Волжском, кафедра «Автоматизация технологических процессов и производств», доцент.

ФГЪОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ), г. Воронеж.

Защита состоится 23 мая 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.028.05, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан «¿V »а/у/?/);} 2014 г.

Учёный секретарь ^и//'/'' __—-

диссертационного совета (1x7/ 4' £ / * Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Гидроэлектростанции занимают второе место в России по выработке электроэнергии населению и промышленности. Качество и надежность поставляемой электроэнергии является основной целью их деятельности. За время эксплуатации основного электрогенерирующего оборудования - гидроагрегатов, неминуемо развитие износа их основных узлов, несмотря на применяемые износоустойчивые материалы при конструировании гидроагрегата.

Эксплуатационный износ узлов гидроагрегата негативно сказывается на работе всего гидроагрегата, приводя к снижению точности открытия направляющего аппарата и поворота лопастей рабочего колеса, регулированию частоты и активной мощности гидроагрегата, индексного КПД гидроагрегата. Так же чрезмерный износ может привести к возникновению неисправности или к серьезной аварии.

Наличие аварийной ситуации неизбежно влечет за собой останов гидроагрегата для проведения ремонтных работ, которые в зависимости от сложности возникшей неисправности, могут занять от 3-х дней до нескольких недель. Останов гидроагрегата повлечет за собой затраты, связанные с ремонтными работами и потерями от недополученной прибыли.

В последние годы широко внедряются подсистемы группового регулирования мощности (ГРАМ) на гидростанциях России, не стала исключением и Волжская ГЭС. В связи с этим были разработаны новые стандарты и руководящие документы, устанавливающие повышенные требования к надежности работы оборудования ГЭС, а именно гидроагрегатов.

Одним из способов повышения надежности работы гидроагрегатов является использование систем диагностики технического состояния его узлов. Но система управления гидроагрегатами Волжской ГЭС, на базе программно-технического комплекса (НТК) "Овация" не сможет решить такую задачу, так как кроме системы вибродиагностики комплекс не имеет других систем диагностики. ,

Из всех узлов гидроагрегата можно выделить один из основных - это направляющий аппарат, а точнее система управления его открытием. Направляющий аппарат позволяет регулировать мощность гидротурбины агрегата, а соответственно и всего гидроагрегата Основной элемент системы управления открытием НА - электрогидравлический преобразователь (ЭГП), состоящий из главного золотника и сервомотора. Выход из строя или чрезмерный износ одного из элементов ЭГП, может повлечь за собой серьезные последствия, сказывающиеся на точности поддержания полезной мощности гидроагрегата, скорости вращения ротора и соответственно его КПД, а так же может привести к серьезной аварии.

Наличие системы диагностики позволило бы предвидеть возникновение и развитие неисправностей в ЭГП, а так же ликвидировать возникающие неисправности до того момента когда они станут причинами серьезной аварии.

Вышеизложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку системы диагностики сервомотора и главного золотника системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата Волжской ГЭС.

Степень разработанности темы исследования. В области технической диагностики сервомоторов и золотников наиболее значимы работы авторов: Н.В. Богдан, Т.А. Сырицын, R. berman L.Tieying, L.Shiqiang, М. A. Sepasi, Y. Goharrizi, S.X. Ding и многих других.

Существующие методы диагностики технического состояния принято разделять на две категории: обнаружение отклонений в диагностируемом оборудовании и диагностику неисправностей.

Обнаружение неисправностей проводят методами, основанными на анализе пределов, трендов, математических моделей оборудования и (или) измерительного канала Методы анализа пределов или трендов просты в реализации, но при этом обладают существенным недостатком, связанным с появлением ложной диагностической информации из-за некорректно установленных пределов. Применение математических моделей позволяет устранить данный недостаток, но не для любого оборудования можно составить математическую модель, которую можно было бы использовать в диагностических целях. Так как для моделей необходимы значения параметров, измерение которых может не осуществляться. В этой области известны работы авторов: Э.П. Сейдж, S.X. Ding, Y.A. Chinniah, R. Iserman, В. Razavi, M. Witczak, F.P. Wijnheijmer.

Наиболее перспективными методами диагностики неисправностей являются методы суждений (умозаключений), аппроксимации, искусственного интеллекта, статистическими подходами (в том числе и контрольные карты) и распознаваниями образов. Они позволяют локализовать неисправность, а именно указать ее тип и место нахождения в оборудовании. Реализация этих методов (методы искусственного интеллекта) сложна и требует обширных знаний (методы суждений) о диагностируемом оборудовании. В этой области известны работы авторов: Ю.В Царев, Д.Химмельблау, X. Кумэ, В.A. Ogunnaike, D.Montgomery, однако данные исследования ранее не применялись к технической диагностики сервомоторов и золотников.

Объектом исследования является электрогидравлический преобразователь системы управления открытием направляющего аппарата, состоящий из главного золотника и сервомотора.

Целью работы является обнаружение неисправностей на ранних стадиях их зарождения в главном золотнике и сервомоторе электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата за счет разработки автоматизированной системы диагностики их технического состояния.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методов для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического

преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата;

2.Для системы диагностики разработаны математические модели динамики перемещения штока сервомотора и главного золотника. Осуществлена проверка разработанных математических моделей на адекватность;

3. Для повышения точности математической модели сервомотора была предложена методика оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата;

4. На основе проведенного статистического анализа были построены базовые контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей перемещений штока сервомотора и главного золотника;

5. На основе полученных базовых контрольных карт диагностических коэффициентов был осуществлен диагностический анализ технического состояния главного золотника и сервомотора однотипных гидроагрегатов;

6. На базе НТК "Овация" разработан макет организации информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора.

Методы исследования. Методы оптимизации и теория систем, численные методы, статистические методы, теория механизмов и машин, теория гидравлических систем.

В работе получены результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, отличающиеся тем, что они учитывают нелинейности протекающих в них процессов, и используются в системе диагностики;

2. Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, отличающиеся тем, что учитывают реальные условия работы гидроагрегата и их формируют в реальном масштабе времени;

3. Макет информационно-измерительной системы, отличающейся тем, что осуществляет в реальном масштабе времени диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата

Достоверность исследования подтверждена математическими выводами и экспериментальными данными.

Практическая ценность состоит в разработке макета информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата. В том числе, в разработке метода для оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы в Волжском политехническом институте на кафедре «Автоматика, электроника и вычислительная техника» в госбюджетной НИР № 2/10-Б-13 по теме «Разработка

и анализ моделей для систем автоматического управления и диагностики технического состояния технологических процессов» и в учебном процессе в дипломном и курсовом проектировании по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (акт о внедрении прилагается).

Полученные результаты были использованы в обосновании решения НТС «РусГидро» о выполнении НИОКР по разработке адаптивной системы управления гидроагрегатами с поворотно-лопастными турбинами (протокол № 2/13 заседания секции «Системы технологического управления» НТС «РусГидро» от01.11.2013 г.).

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно, пункту 5. «Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и управляющих систем» и 6. «Исследование возможностей и путей совершенствования, существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжского политехнического института (г. Волжский 2011, 2012, 2013); в рамках молодёжного конгресса "Интеграция инноваций: региональные аспекты ": Химия - наука будущего. Инновации в энергосбережении и энергоэффективности. Информационные технологии - локомотив инновационного развития(г. Волжский 2012); Ш Межрегиональной конференции молодых ученых и инноваторов "ИННО-КАСПИЙ" (г. Астрахань, 2012); Ith International scientific conference "Applied sciences and technologies in the United States and Europe: common challenges and scientific findings" (New York 2013).

Основные положения, выносимые на защиту:

1 .Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, с помощью которых обнаруживают неисправности в главном золотнике и сервомоторе на основе информации, получаемой от штатных датчиков;

2.Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, которые формируют диагностическую информацию об их текущем техническом состоянии;

3.Макет информационно-измерительной системы, осуществляющий диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, 5 из которых входят в список ВАК.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:

[9] - анализ методов для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата; [1,4,1,8,11,12,13] - синтез и анализ математических моделей главного золотника и сервомотора; [4,5,7] - разработка макета информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора; [2,10] - повышение надежности получаемой измерительной информации для системы диагностики технического состояния.

Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников из 92 наименований и четырех приложений. Общий объём диссертации 146 страниц и 39 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описано устройство гидроагрегата и приведена краткая классификация гидротурбин. Описан объект исследования -электрогидравлический преобразователь, состоящий из главного золотника и сервомотора, системы управления открытием направляющего аппарата поворотно-лопастной турбины гидроагрегата Волжской ГЭС.

Рассмотрены основные неисправности, возникающие в системе электрогидравлического преобразователя, а именно в главном золотнике, сервомоторе и в линиях питания.

Приведена классификация и описание методов обнаружения и диагностики неисправностей. Для обнаружения неисправностей был выбран метод, основанный на анализе математических моделей диагностируемого оборудования, а именно главного золотника и сервомотора. Локализация (диагностирование) неисправностей осуществляется на основе контрольных карт Шухарта, структурная схема представлена на рисунке 1.

Измеряемые параметры, получаемые из ПТК "Овация", используются для идентификации коэффициентов математических моделей ГЗ и сервомотора. Далее, полученные оценки коэффициентов математических моделей пересчитываются в диагностические коэффициенты и анализируются с помощью базовых контрольных карт Шухарта для индивидуальных значений. После анализа формируются контрольные карты текущего состояния ГЗ и сервомотора

Измеряемые параметры

Обнаружение отклонений

Диагностирование неисправностей

Математическая модель ГЗ НА

Математическая

модель сервомотора НА

коэффициентов

ГЗиСМ

• • -

Коэффициенты математической модели СМ

в Активная моитсть ГА

Базовые контрольные карты Шухарта для диагностических коэффициентов ГЗ и СМ

Анализ расчетных диагностических коэффициентов иа выход за базовые контрольные п

Формирование диагностической информации

Рисунок 1 - Структурная схема диагностики узлов ЭГП

Базовые контрольные карты получают на основе анализа диагностических коэффициентов заведомо исправного ГЗ и сервомотора.

Осуществлен анализ существующих математических моделей, описывающих динамику перемещения основных узлов электрогидравлического преобразователя - главного золотника и сервомотора.

Сформулированы основные цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе разработаны математические модели главного золотника (1) и сервомотора (2) с учетом нелинейностей.

Математическая модель главного золотника разработана на основе действующих сил в золотниковой паре при ее перемещении:

Х2 = а1-Хг- з1дп(Х2) + а2-Х2 + а3- и,

(1)

где Х2 - положение золотника, м; Х2 - скорость перемещения золотника, м/с; Х2 -ускорение золотника при перемещении, м/с2; II - задание на положение ГЗ от регулятора мощности, м; а1...а3 - коэффициенты математической модели главного золотника. Коэффициенты а1( а2 имеют следующие размерности с, с2. Коэффициент а3 безразмерный.

*см = ПХ'см + г2*см + гз^гм + г4515П( Хсм) + г5Рся1дп{Хш) + г6Х2, (2)

где Рс - внешняя сила, действующая на шток сервомотора, Н; Хсм - положение сервомотора, м; Хсм - скорость перемещения штока сервомотора м/с; Хсм -ускорение при перемещении сервомотора, м/с2; Хсм ~ третья производная по перемещению штока сервомотора м/с3, г1.. ,гь - диагностические коэффициенты математической модели сервомотора. Коэффициенты гх ...г6 имеют следующие размерности с3, с2 ,с, м, м/Н. Коэффициент г6 безразмерный.

Анализ результатов моделирования перемещения главного золотника (рисунок 2) и штока сервомотора (рисунок 3) показал адекватность математических моделей. Средняя погрешность моделирования составила 3% для главного золотника и 3,5 % для сервомотора (рисунок 4).

§ 15

ггГ 10

и 5

0

* - 5

о

£5 - 10

С - 15

- 20

-Положение 1 Л по модели ••• Измеренное положение ГЗ

Время, с

Рисунок 2 - Результаты моделирования положения главного золотника при пуске ГА № 16 "Волжской ГЭС" (пуск ГА 07.04.13 при напоре 23,5 м и нагрузке в 50 МВт)

Положение штока СМ по модели Измеренное положение штока СМ

Время, с

Рисунок 3 - Результаты моделирования положения штока сервомотора(СМ) при пуске ГА № 16 "Волжской ГЭС" (пуск ГА 07.04.13 при напоре 23,5 м и нагрузке в 50 МВт)

3

Сервомотор Главный золотник

300

Время, с

Рисунок 4 - Невязка математических моделей главного золотника и сервомотора

Оценка коэффициентов математических моделей главного золотника и сервомотора осуществлялась рекуррентным методом наименьших квадратов.

Разработанные математические модели были проверены на данных полученных с десяти пусков и регулированиях мощности ГА, а так же двух режимов поддержания мощности.

Под невязкой понимается - разность между значением математической модели, вычисленной по результатам измерений, и истинным ее значением, возникающая вследствие неизбежных погрешностей измерений.

Приведена методика для приближенного расчета силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата. Расчет был осуществлен по формуле (3):

(МТР ± Мг)к

Рс=-р-+ Лр, (3)

где МТР - момент трения в цапфах лопаток НА, Н ■ м; Мг - гидравлический момент на лопатках НА при различных участках хода сервомотора, Н • м; ^ -рабочая площадь сервомоторов, м2; к - коэффициент, учитывающий конструкцию и размеры привода направляющей лопатки; Др - поправка, вводимая для не учитываемого расчетом трения в элементах привода направляющих лопаток, МПа.

В третьей главе представлен метод диагностирования (локализации) неисправностей главного золотника и сервомотора на основе коэффициентов аг... а3 и гх... г6 ранее разработанных математических моделей ГЗ и сервомотора

В качестве диагностических коэффициентов для ГЗ приняты следующие коэффициенты: жесткости гидравлической пружины Сгп, трения ц и усиления Ь. Для сервомотора: коэффициент жесткости нагрузки К, вязкого трения /кп, расхода золотника КР, утечек Кс и сила трения

Анализ полученных диагностических коэффициентов проводился контрольными картами Шухарта, построенными для индивидуальных значений.

Выбор карт индивидуальных значений обусловлен тем, что диагностические коэффициенты формируются в реальном времени и возможность формирования рациональных подгрупп с определенной выборкой в каждой подгруппе может привести к ложным срабатываниям диагностического анализа.

Контрольные границы были рассчитаны на мере вариации, полученной по скользящим размахам двух переменных в последовательных парах (4):

«¡= -qi.il, (4)

где <?[ - диагностический коэффициент на текущем шаге расчета; ц^^ -диагностический коэффициент на предыдущем шаге расчета.

Так же вычисляется средний размах Я, на основе которого строится карта скользящего размаха и общее среднее X.

Учитывая непрерывность процесса диагностики, общее среднее и средний размах рассчитываются по рекуррентным формулам (5).

= _ £- 1 = 1 =

где - общее среднее на текущем шаге расчета;

По аналогичной формуле (4) был выполнен расчет среднего размаха Я. Контрольные границы для статического режима рассчитывались согласно ГОСТ Р 50779.42 - 99 (таблица 1).

Таблица 1 - Формулы для контрольных границ

Статистика Центральная линия (СЬ) Контрольные границы

Верхняя (иСЬ) Нижняя (ЬСЬ)

Индивидуальное значение X X X + Е2 ■ я х- Е2-Я

Скользящий размах Я Я 04 -я 03-я

Контрольные границы были откорректированы под условия переходных процессов (пуск, останов, регулирование). Был учтен факт влияния условий эксплуатации гидроагрегата в разное время года на диагностические коэффициенты. Для разного времени года были разработаны отличные друг от друга базовые контрольные карты.

Значение корректирующей добавки к контрольным пределам были получены на основе анализа диагностических коэффициентов математической модели главного золотника и сервомотора гидроагрегата №16 Волжской ГЭС после капремонта (ввод в эксплуатацию апрель 2013 года), который принят базовым для летнего периода, а для зимнего периода был принят гидроагрегат №2 Волжской ГЭС (ввод в эксплуатацию апрель 2012). К расчетным контрольным границам для диагностирования ГЗ и сервомоторов, в переходных процессах, было добавлено максимальное значение соответствующих коэффициентов математической модели при пуске и регулировании мощности базового ГА. Пример базовых контрольных карт общего среднего и среднего размаха представлен на рисунках 5 и 6.

а.

-Ц

»-«-• ись = 2,02 •■«-» ЫХ = -2,35

----- СЬ = -0,31

--Ип

Время, с

Рисунок 5 - Карта среднего значения диагностического коэффициента ¿гп, сервомотора ГА №2 "Волжской ГЭС" (пуск ГА 01.01.13)

05

о. я к

§ о

з

2.4

ись = 2,82 ----СЬ = 0,29 -а- Размах II

и

I 1.......

Время, с

Рисунок 6 - Карта скользящего размаха диагностического коэффициента сервомотора ГА №2 "Волжской ГЭС" (пуск ГА 01.01.13)

На контрольных картах среднего значения диагностического коэффициента (рисунок 7) и среднего размаха (рисунок 8) хорошо видно превышение допустимых контрольных пределов, что говорит о возможном развитии неисправностей связанных с наличием в гидравлической жидкости посторонних включений (газ, вода, металлическая стружка), износом уплотнений или перекосом штока сервомотора.

ч.

•е-

иСЬ = 2,02 »-»-» ИХ = -2,35 I

--Цп

1

V I

Время, с

Рисунок 7 - Карта среднего значения диагностического коэффициента цп, сервомотора ГА №4 "Волжской ГЭС"(пуск ГА 09.02.13)

о? 8

а 6.4

О.

« Е 4.8

3.2

ч

о

а

О 1.6

0

ИСЬ = 2,82 ----- СЬ = 0,29 Д. Размах Я

--

1 » » ■

................ -1

Время, с

Рисунок 8 - Карта скользящего размаха диагностического коэффициента сервомотора ГА №4 "Волжской ГЭС" (пуск ГА 09.02.13)

В четвёртой главе приведен макет системы диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора, созданной на базе ПТК "Овация" (рисунок 9). Необходимые параметры считываются в реальном времени из системы управления гидроагрегатом по сети Ethernet с помощью OPC/DDE -сервера, поставляемого с ПТК "Овация" в базовом пакете программного обеспечения.

Направляющий аппарат (НА) Г

Г лавный золотник НА

Сервомотор НА

Датчик линейны* перемещений

Положение ГЗ

Датчик линейных перемещений

Положение СМ

М-

АЦП

Рабочее попа со (PK) |

Сервомотор РК

Датчик линейных перемещений

Датчик оборотов

Обороты PK (п)

АЦП

АЦП]

Генератор

X

Трансформатор Трансформатор тока напряжения

Ваттметр

Активная

MgUBfiHfe (Wrw)

Водоприомник гидроагрегата )

Закладная труба

!АШ 1

Шж

[АЦП]

Модугь аналоговых входов

Промышленный контроллер Ovation

Ethernet

Ethernet

OPC/DDE сервер

DDE

Оценке коэффициентов математических моделей ГЗ и _сервомотора

Расчет контрольных пределов для диагностических коэффициентов

Расчет силы, действующей на сервомотор

S

CJ £

ODE

-------

SCADA Trace MODE 6

Формирование диагностической информации

Рисунок 9 - Макет системы диагностики технического состояния ГЗ и сервомотора

Измерительная информация передается в математический пакет MathCAD по протоколу DDE. В MathCAD предварительно осуществляется фильтрация входной измерительной информации от выбросов и провалов, а так же реализована защита от обрыва (пропажи) сигнала. После прохождения алгоритмов защиты осуществляется оценка коэффициентов моделей ГЗ и сервомотора, расчет усилия действующего на сервомотор со стороны НА, а так же расчет контрольных пределов для диагностических коэффициентов.

Полученные диагностические коэффициенты передаются по протоколу DDE в SCADA систему TRACE MODE для формирования диагностической

13

информации на мониторе реального времени. На основе формируемой информации оператор принимает решение о действиях по информированию служб, ответственных за устранение возникшей неисправности.

Так же в БСАБА системе можно реализовать автоматическое ведение диагностического архива и формирование диагностических отчетов. В будущем, такой архив, позволит улучшить систему диагностики путем корректировки математических моделей и контрольных пределов для диагностических коэффициентов.

Осуществлен метрологический анализ информационно-измерительной системы диагностики. Максимальная погрешность оценки диагностических коэффициентов составила 3,3% для главного золотника и 2,2% для сервомотора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа существующих методов диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора обнаружение отклонений в диагностируемом оборудовании основывается на анализе коэффициентов математических моделей главного золотника и сервомотора, а для диагностирования и локализации применены контрольные карты Шухарта;

2. Разработаны математические модели динамики перемещения штока сервомотора и главного золотника Проверка на адекватность, разработанных математических моделей показала их адекватность, так как множественный коэффициент корреляции равен 1, а максимальная средняя погрешность моделирования не превысила 7,5 %;

3. Для повышения точности математической модели сервомотора был разработан метод для оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата;

4. На основе проведенного статистического анализа были построены базовые контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей перемещения штока сервомотора и главного золотника;

5. На основе полученных базовых контрольных карт диагностических коэффициентов был осуществлен диагностический анализ технического состояния главного золотника и сервомотора однотипных гидроагрегатов, который показал наличие отклонений в функционировании ГЗ и сервомотора направляющего аппарата гидроагрегатов №4, 9 и 22;

6. На базе ПТК "Овация" разработан макет информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора в режиме реального времени;

7. Осуществлен метрологический анализ информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора. Максимальная погрешность оценки диагностических коэффициентов составила 3,3% для главного золотника и 2,2% для сервомотора.

Основные результаты диссертации опубликованы работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ;

1. Савчиц, A.B. Идентификация математической модели главного золотника для системы диагностики и адаптивного управления открытием направляющего аппарата [Электронный ресурс] / С.А. Браганец, A.C. Гольцов, A.B. Савчиц // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1906 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Савчиц, A.B. Повышение надёжности измерительной информации / С.А. Браганец, A.B. Савчиц, Б.Г. Севастьянов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 2. - с. 46 - 49.

3. Савчиц, A.B. Разработка математической модели сервомотора направляющего аппарата гидроагрегата с поворотно-лопастной турбиной / A.C. Гольцов, С.А. Браганец, A.B. Савчиц// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2012. - № 10. - с. 10 - 13.

4. Савчиц, A.B. Система адаптивного управления и диагностики сервомоторов направляющего аппарата гидроагрегата с поворотно-лопастной турбиной [Электронный ресурс] /С.А. Браганец, A.C. Гольцов, A.B. Савчиц // «Инженерный вестник Дона», 2013, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1807 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

5. Савчиц, A.B. Система диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата Волжской ГЭС [Электронный ресурс] / С.А. Браганец, A.C. Гольцов, A.B. Савчиц // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1912 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

Статьи, свидетельства, материалы конференций и учебные пособия:

6. Савчиц A.B., Адаптивное управление и диагностика системы открытия направляющего аппарата гидроагрегата с поворотно-лопастной турбиной / A.C. Гольцов, А.В.Савчиц, С.А. Браганец // Proceedingsof Ith international scientific conference "Applied sciences and technologies in the United States and Europe: common challenges ands cientific findings", June 29, 2013. - New York, 2013,- pp. 178-181

7. Савчиц, A.B. Информационно-измерительная система для диагностики технического состояния сервомоторов направляющего аппарата Волжской ГЭС [Электронный ресурс] / A.B. Савчиц, A.C. Гольцов // 12-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава В ПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 30-31 янв. 2013 г.): сб. матер. / ВПИ

(филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2013.-1 электрон, опт. диск (CD-ROM), с 16-18.

8. Савчиц, A.B. Математическая модель сервомотора направляющего аппарата гидротурбины / С.А. Браганец, A.B. Савчиц, A.C. Гольцов // Сб. тез. науч-практ. конф. мол. учёных по направл.: Химия - наука будущего. Инновации в энергосбережении и энергоэффективности. Информ. технологии -локомотив инновац. развития: в рамках молодёж. конгресса "Интеграция инноваций: регион, аспекты", 19 - 21 апр. 2012 г. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2012. - с. 33 - 35.

9. Савчиц, A.B. Методы диагностики технического состояния сервомоторов направляющего аппарата Волжской ГЭС [Электронный ресурс] / A.B. Савчиц, A.C. Гольцов // 12-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 30-31 янв. 2013 г.): сб. матер. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. -Волгоград, 2013.-1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - с. 19-22.

10. Савчиц A.B. Повышение надежности получаемой измерительной информации / С.А. Браганец, A.B. Савчиц, Б.Г. Севастьянов // Молодой учёный. - 2010. -№11, т. I. - с. 59 - 61.

11. Савчиц A.B. Разработка и исследование математической модели сервомотора привода направляющего аппарата для системы диагностики технического состояния гидроагрегата [Электронный ресурс] / A.B. Савчиц, A.C. Гольцов // 10-я научно-практическая конференция проф.-препод. состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (Волжский, 27 - 28 янв. 2011 г.): сб. матер, [тез. докл.] конф. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - с. 33 - 34.

12. Савчиц, A.B. Разработка и исследование математической модели сервомотора направляющего аппарата для системы диагностики технического состояния гидроагрегата [Электронный ресурс] / A.B. Савчиц, A.C. Гольцов // 11-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ (г. Волжский, 27 - 28 янв. 2012 г.): сб. матер, конф. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - с. 34 - 36.

13. Савчиц A.B. Разработка математической модели сервомотора для систем диагностики и управления направляющим аппаратом гидротурбины [Электронный ресурс] / A.C. Гольцов, A.B. Савчиц, С.А. Браганец // Ш Межрегиональная конференция молодых ученых и инноваторов "ИННО-КАСПИЙ" (Астрахань, 16 - 21 апреля 2012 г.): сб. матер, [тез. докл.] конф. / АГТУ. - Астрахань: Издательство АГТУ, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM)

Подписано в печать 28.03.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 120.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7.

Министерство образования и науки Российской Федерации Волжский политехнический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВПИ (филиал) ВолгГТУ)

СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОТКРЫТИЕМ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА

ГИДРОАГРЕГАТА

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

(в машиностроении)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

04201459450

На писи

Савчиц Артем Вячеславович

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Гольцов Анатолий Сергеевич

Волгоград - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

Глава 1 АНАЛИЗ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРВОМОТОРОВ НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОАГРЕГАТА........13

1.1 Устройство гидроагрегата...............................................................................13

1.2 Система электрогидравлического преобразователя и ее неисправности ...15

1.2.1 Неисправности главного золотника.........................................................16

1.2.2 Неисправности сервомотора.....................................................................17

1.2.3 Неисправности системы питания.............................................................19

1.3 Диагностика технического состояния узлов ЭГП.........................................20

1.3.1 Методы обнаружения неисправностей....................................................22

1.3.2 Методы диагностики неисправностей.....................................................32

1.3.3 Математические модели главного золотника и сервомотора................39

1.4 Выводы по главе...............................................................................................44

Глава 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГЛАВНОГО ЗОЛОТНИКА И СЕРВОМОТОРА..............................................................................46

2.1 Математическая модель главного золотника................................................46

2.1.1 Разработка математической модели золотника......................................46

2.1.2 Идентификация коэффициентов математической модели золотника методом наименьших квадратов.........................................................................49

2.1.3 Идентификация коэффициентов математической модели золотника рекуррентным методом наименьших квадратов................................................51

2.1.4 Анализ математической модели золотника в различных режимах работы гидроагрегата...........................................................................................53

2.1.5 Анализ адекватности математической модели главного золотника.....56

2.2 Математическая модель сервомотора направляющего аппарата................59

2.2.1 Разработка математической модели сервомотора..................................59

2.2.2 Идентификация коэффициентов математической модели сервомотора МНК и РМНК.................................................................................62

2.2.3 Анализ математической модели сервомотора в различных режимах работы гидроагрегата...........................................................................................65

2.2.4 Анализ адекватности математической модели сервомотора.................68

2.3 Определение силы, действующей на шток сервомотора............................69

2.3.1 Угол открытия направляющего аппарата...............................................71

2.3.2 КПД гидротурбины..................................................................................72

2.3.3 Силы, действующие на шток сервомотора.............................................75

2.4 Выводы по главе.............................................................................................84

Глава 3 МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГЛАВНОГО ЗОЛОТНИКА И СЕРВОМОТОРА......................................................86

3.1 Методика обнаружения неисправностей в главном золотнике и сервомоторе.............................................................................................................86

3.2 Методика диагностирования неисправностей в главном золотнике и сервомоторе.............................................................................................................88

3.3 Апробация методики диагностирования......................................................95

3.3.1 Анализ диагностических карт главного золотника в режиме пуска.....95

3.3.2 Анализ диагностических карт главного золотника в режиме регулирования мощности...................................................................................99

3.3.3 Анализ диагностических карт сервомотора в режиме пуска...............103

3.3.4 Анализ диагностических карт сервомотора в режиме регулирования мощности.................................................................................108

3.4 Выводы по главе...........................................................................................113

3.5 Рекомендации...............................................................................................114

Глава 4 МАКЕТ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЕЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.........................................115

4.1 Макет системы диагностики технического состояния ГЗ и сервомотора в режиме реального времени...................................................................................115

4.2 Анализ метрологических характеристик измерительной системы для системы диагностики технического состояния...................................................120

4.2.1 Анализ метрологических характеристик измерительных каналов.....120

4.2.2 Анализ погрешности оценки диагностических коэффициентов математической модели ГЗ..............................................................................123

4.2.3 Анализ погрешностей оценки диагностических коэффициентов математической модели сервомотора.............................................................127

4.3 Выводы по главе...........................................................................................133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Гидроэлектростанции занимают второе место в России по выработке электроэнергии населению и промышленности. Качество и надежность поставляемой электроэнергии является основной целью их деятельности. За время эксплуатации основного электрогенерирующего оборудования - гидроагрегатов, неминуемо развитие износа их основных узлов, несмотря на применяемые износоустойчивые материалы при конструировании гидроагрегата.

Эксплуатационный износ узлов гидроагрегата негативно сказывается на работе всего гидроагрегата, приводя к снижению точности открытия направляющего аппарата и поворота лопастей рабочего колеса, регулированию частоты и активной мощности гидроагрегата, индексного КПД гидроагрегата. Так же чрезмерный износ может привести к возникновению неисправности или к серьезной аварии.

Наличие аварийной ситуации неизбежно влечет за собой останов гидроагрегата для проведения ремонтных работ, которые в зависимости от сложности возникшей неисправности могут занять от 3-х дней до нескольких недель. Останов гидроагрегата повлечет за собой затраты, связанные с ремонтными работами и потерями от недополученной прибыли.

В последние годы широко внедряются подсистемы группового регулирования мощности (ГРАМ) на гидростанциях РФ, не стала исключением и Волжская ГЭС. В связи с этим были разработаны новые стандарты и руководящие документы, устанавливающие повышенные требования к надежности работы оборудования ГЭС, а именно гидроагрегатов.

Одним из способов повышения надежности работы гидроагрегатов является использование систем диагностики технического состояния его узлов. Но система управления гидроагрегатами Волжской ГЭС, на базе программно-технического

комплекса (ЛТК) "Овация", не сможет справиться с такой задачей, так как кроме системы вибродиагностики комплекс не имеет других систем диагностики.

Из всех узлов гидроагрегата можно выделить один из основных - это направляющий аппарат, а точнее система управления его открытием. Направляющий аппарат (НА) позволяет регулировать мощность гидротурбины агрегата, а соответственно и всего гидроагрегата. Основной элемент системы управления открытием НА - электрогидравлический преобразователь (ЭГП), состоящий из главного золотника и сервомотора. Выход из строя или чрезмерный износ одного из элементов ЭГП, может повлечь за собой серьезные последствия, сказывающиеся на точности поддержания полезной мощности гидроагрегата, скорости вращения ротора и соответственно его КПД, а так же может привести к серьезной аварии.

Наличие системы диагностики позволило бы предвидеть возникновение и развитие неисправностей в ЭГП, а так же ликвидировать возникающие неисправности до того момента, когда они станут причинами серьезной аварии.

Вышеизложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку системы диагностики сервомотора и главного золотника системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата Волжской ГЭС.

Степень разработанности темы исследования. В области технической диагностики сервомоторов и золотников наиболее значимы работы авторов: Н.В. Богдан, Т.А. Сырицын, R. Iserman L.Tieying, L.Shiqiang, М. A. Sepasi, Y. Goharrizi, S.X. Ding и многих других.

Существующие методы диагностики технического состояния принято разделять на две категории: обнаружение отклонений в диагностируемом оборудовании и диагностику неисправностей.

Обнаружение неисправностей проводят методами, основанными на анализе пределов, трендов, математических моделей оборудования и (или) измерительного канала. Методы анализа пределов или трендов просты в реализации, но при этом обладают существенным недостатком, связанным с

появлением ложной диагностической информации из-за некорректно установленных пределов. Применение математических моделей позволяет устранить данный недостаток, но не для любого оборудования можно составить математическую модель, которую можно было бы использовать в диагностических целях. Так как для моделей необходимы значения параметров, измерение которых может не осуществляться. В этой области известны работы авторов: Э.П. Сейдж, S.X. Ding, Y.A. Chinniah, R. Iserman, В. Razavi, M. Witczak, F.P. Wijnheijmer.

Наиболее перспективными методами диагностики неисправностей являются методы суждений (умозаключений), аппроксимации, искусственного интеллекта, статистическими подходами (в том числе и контрольные карты) и распознаваниями образов. Они позволяют локализовать неисправность, а именно указать ее тип и место нахождения в оборудовании. Реализация этих методов (методы искусственного интеллекта) сложна и требует обширных знаний (методы суждений) о диагностируемом оборудовании. В этой области известны работы авторов: Ю.В. Царев, Д.Химмельблау, X. Кумэ, В.А. Ogunnaike, D.Montgomery, однако данные исследования ранее не применялись к технической диагностики сервомоторов и золотников.

Объектом исследования является электрогидравлический преобразователь системы управления открытием направляющего аппарата, состоящий из главного золотника и сервомотора.

Целью работы является обнаружение неисправностей на ранних стадиях их зарождения в главном золотнике и сервомоторе электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата за счет разработки автоматизированной системы диагностики их технического состояния.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методов для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического

преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата;

2. Для системы диагностики разработаны математические модели динамики перемещения штока сервомотора и главного золотника. Осуществлена проверка разработанных математических моделей на адекватность;

3. Для повышения точности математической модели сервомотора была предложена методика оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата;

4. На основе проведенного статистического анализа были построены базовые контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей перемещений штока сервомотора и главного золотника;

5. На основе полученных базовых контрольных карт диагностических коэффициентов был осуществлен диагностический анализ технического состояния главного золотника и сервомотора однотипных гидроагрегатов;

6. На базе ПТК "Овация" разработан макет организации информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора.

Методы исследования. Методы оптимизации и теория систем, численные методы, статистические методы, теория механизмов и машин, теория гидравлических систем.

В работе получены результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, отличающиеся тем, что они учитывают нелинейности протекающих в них процессов, и используются в системе диагностики;

2. Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, отличающиеся тем, что учитывают реальные условия работы гидроагрегата и их формируют в реальном масштабе времени;

3. Макет информационно-измерительной системы, отличающейся тем, что осуществляет в реальном масштабе времени диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата.

Достоверность исследования подтверждена математическими выводами и экспериментальными данными.

Практическая ценность состоит в разработке макета информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата. В том числе в разработке методики для оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы в Волжском политехническом институте на кафедре «Автоматика, электроника и вычислительная техника» в госбюджетной НИР № 2/10-Б-13 по теме «Разработка и анализ моделей для систем автоматического управления и диагностики технического состояния технологических процессов» и в учебном процессе в дипломном и курсовом проектировании по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (акт о внедрении прилагается).

Полученные результаты были использованы в обосновании решения НТС «РусГидро» о выполнении НИОКР по разработке адаптивной системы управления гидроагрегатами с поворотно-лопастными турбинами (протокол № 2/13 заседания секции «Системы технологического управления» НТС «РусГидро» от 01.11.2013 г.).

Соответствие паспорту специальности.

Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 5. «Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и управляющих систем»; 6. «Исследование возможностей и путей

совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжского политехнического института (г. Волжский 2011, 2012, 2013); в рамках молодёжного конгресса "Интеграция инноваций: региональные аспекты": Химия - наука будущего. Инновации в энергосбережении и энергоэффективности. Информационные технологии - локомотив инновационного развития (г. Волжский 2012); // III Межрегиональной конференции молодых ученых и инноваторов "ИННО-КАСПИЙ" (г. Астрахань, 2012); Ith international scientific conference "Applied sciences and technologies in the United States and Europe: common challenges and scientific findings"(New York 2013)

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, с помощью которых обнаруживают неисправности в главном золотнике и сервомоторе на основе информации, получаемой от штатных датчиков;

2. Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, которые формируют диагностическую информацию об их текущем техническом состоянии;

3.Макет информационно-измерительной системы, осуществляющий диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печа