автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса стареющего оборудования с использованием обобщенных показателей

АВТОМАТИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАРЕЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОБЩЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск-2007

003059443

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление» Южно-Уральского государственного университета

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Казаринов Лев Сергеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Ширяев Владимир Иванович,

кандидат технических наук,

доцент Евдокимов Сергей Алексеевич.

Ведущее предприятие - филиал «УралВТИ - Челябэлектросетьпроект» ОАО «Инженерный центр энергетики Урала», г Челябинск

Защита состоится « 16 » мая 2007г на заседании диссертационного совета Д 212 298 03 при Южно-Уральском государственном университете по адресу 454080, г Челябинск, пр им В И. Ленина, 76, ауд 1001/главный корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета

Автореферат разослан «// » 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

АМ Коровин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Оценка текущего состояния оборудования в составе сложных технологических комплексов (ТК) и прогноз его состояния в рамках АСУ ТП является в настоящее время одной из приоритетных задач при построении автоматизированных систем Имеющийся опыт показывает, что проблема оценки остаточного ресурса стареющего оборудования является комплексной, включающей технический, технологический, управленческий, экономический и организационный аспекты, а также требует разработки методов и алгоритмов автоматизации процессов мониторинга и прогнозирования технического состояния контролируемого оборудования в реальном времени

Сложность решения данной задачи состоит в том, что для реальных ТК число контролируемых параметров оборудования, влияющих на возникновение и развитие аварийных ситуаций, весьма велико, и организовать оперативный контроль всех необходимых параметров, как правило, невозможно Поэтому для оценки текущего состояния оборудования в составе сложных ТК целесообразно использовать обобщенные оценки остаточного ресурса, которые позволяют прогнозировать возникновение аварийных ситуаций до уровня отдельных агрегатов (а не узлов агрегата) ТК и являются относительно доступными для расчета и контроля по данным текущей эксплуатации и технических обследований оборудования

На сегодняшний день существует множество методов контроля и диагностики технического состояния оборудования. Эти методы, в основном, направлены на выявление наиболее проблемных узлов контролируемого агрегата с целью предупреждения или устранения аварийных ситуаций на данном оборудовании Такой подход для отдельных агрегатов, безусловно, является оправданным, т к позволяет одновременно решать задачу диагностики состояния оборудования и предупреждать возникновение аварий на основе целенаправленных профилактических ремонтов, что, в свою очередь, повышает надежность и безопасность эксплуатации этого оборудования

Существенный вклад в развитие работ по надежности, устойчивости, живучести и безопасности энергетического оборудования внесли Дьяков А Ф , Воропай Н И , Савельев В А , Таджибаев А И , Тевяшев А Д, Чукреев Ю Я , Канцедалов В Г, Берлявский Г П , Злепко В Ф, Пампуро В И , Болотин В В , Ушаков И А , Данюшевский И А , Барков А В , Карандаев А С , Резинский В Ф , Цапко Г Г1 и др

Однако, на практике, зачастую не представляется возможным производить диагностику всего имеющегося парка контролируемого оборудования одновременно Более того, некоторые методы диагностики требуют вывода оборудования из эксплуатации В связи с этим, актуальной является задача автоматизированного мониторинга текущего обобщенного технического состояния оборудования в составе сложного ТК в реальном времени, с целью выявления отдельных агрегатов, требующих проведение более детальных обследований и, при необходимости, проведение ремонтно-профилактических

работ Здесь знание обобщенного технического состояния оборудования позволяет оценить надежность всего ТК в целом и правильно распределить ресурсы на проведение ремонтно-профилактических работ по видам оборудования

Поэтому задача разработки методов и алгоритмов автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса стареющего оборудования по текущему состоянию с использованием обобщенных показателей является актуальной Данная задача в настоящее время решена не полностью и является предметом исследований в данной работе

Целыо диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям работоспособности, а также разработка подхода к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию оборудования

Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследовательского, методического и прикладного характера

1) разработка методики мониторинга и прогнозирования остагочного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям на основе данных текущей эксплуатации в реальном времени,

2) разработка алгоритма оперативного распознания предаварийных ситуаций контролируемого оборудования на основе оценок его текущего состояния,

3) разработка подхода к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих и прогнозных оценок остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям,

4) разработка специализированной программы для ЭВМ «Автоматизированная информационная система «Ресурс» (АИС «Ресурс»), предназначенной для решения задач мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования, а также ведения информационной базы данных по энергооборудованию электрических станций и сетей,

5) внедрение разработанного программного обеспечения в практику контроля технического состояния энергетического оборудования металлургического производства в рамках задачи оперативного планирования ремонтно-профилактических работ на ОАО «ММК», г Магнитогорск

Объектом исследования работы является стареющее энергетическое оборудование электрических станций, рассматриваемое с точки зрения оценки и прогнозирования его остаточного ресурса по текущему состоянию

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и модели оценки и прогнозирования остаточного ресурса оборудования в рамках автоматизированных систем управления планирования ремонтно-профилактических работ

Методика исследования

Основу методики исследования в диссертационной работе составляют методы математического и статистического анализа, методы обработки информации в АСУ, методы оптимизации, методы математического программирования,

теоретические и методологические основы построения АСУ ТП, имитационного моделирования с применением инструментальных средств автоматизации математических и инженерных вычислений

Проверка изложенных в работе методов проводилась с использованием компьютерного моделирования и экспериментально

Научная новизна

1 Предложена методика оперативной оценки (мониторинга) и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования на основе обобщенных показателей, представляющих собой агрегированные показатели текущего технического состояния оборудования

2 Предложен алгоритм оперативного распознания предаварийной ситуации на контролируемом оборудовании

Практическая ценность

1 Предложенная методика оперативной оценки остаточного ресурса позволяет производить мониторинг и прогнозирование технического состояния контролируемого оборудования в реальном времени, что, в свою очередь, способствует повышению безопасности и экономичности (с точки зрения ремонтно-профилактических мероприятий) эксплуатации оборудования

2 Разработанный алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании позволяет предупреждать возможные отказы и непредвиденные аварийные ситуации, что, в свою очередь, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации данного оборудования

3 Предложенный подход приоритетного планирования ремонтно-профилактических работ позволяет осуществлять обоснованное планирование ремонтно-профилактических работ и снабжение запасными частями по текущему состоянию контролируемого оборудования, повышая тем самым эффективность использования дефицитного ремонтного фонда предприятия

4 Созданная программа для ЭВМ АИС «Ресурс» позволяет производить оценку и мониторинг остаточного ресурса оборудования в реальном времени, а также осуществлять прогноз его технического состояния Кроме того, основываясь на текущем или прогнозном значении остаточного ресурса, программа АИС «Ресурс» позволяет судить о степени необходимости проведения ремонтно-профилактических работ, а также установить численную очередность их проведения при рассмотрении парка оборудования

Реализация работы

Разработанное методическое и профаммное обеспечение АИС «Ресурс» прошло апробацию и внедрено на ЦЭС ОАО ММК в составе АСУ ТП турбогенератора ст №8 и используется для мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса агрегата в реальном времени, что подтверждено соответствующим актом

Удельный экономический эффект при прогнозировании одной аварийной ситуации на турбогенераторе ст№8 ЦЭС ОАО «ММК» мощностью 40МВт составляет 0 5 млн руб за сутки внепланового простоя

Апробация работы

Основные результаты исследования, изложенные в диссертации, докладывались на научно-практической конференции XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий, г Миасс, 27-28 июня 2006 г, на Всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», 15-30 октября 2006 г, на X Всероссийском научно-практическом семинаре «Информатизация и системы управления в органах исполнительной власти», г Челябинск, 18-19 октября 2006г

Результаты работы также нашли отражение в отчете по научно-исследовательской работе Государственный контракт № 02 442 11 7322 по теме шифр 2006-РИ-19 0/001/330 «Проведение научных исследований молодыми учеными» (IV очередь), НИР «Разработка методического обеспечения прогнозирования остаточного ресурса стареющего энергетического оборудования на основе интеллектуального анализа данных», выполняемые в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 20022006 гг

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 работы в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК

Положения, выносимые на защиту

1 Методика оперативной оценки остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям на основе статистических и текущих данных эксплуатации

2 Алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций контролируемого оборудования на основе оценок его текущего состояния

3 Подход к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих и прогнозных оценок остаточного ресурса контролируемого оборудования

4 Специализированная программа для ЭВМ ведения информационной базы данных по энергооборудованию электрических станций и сетей «Автоматизированная информационная система «Ресурс» (АИС «Ресурс»), предназначенная для решения задачи мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования, а также для осуществления поддержки в задачах оперативного планирования ремонтно-профилактических работ

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постановка базовых задач исследования

Характерной особенностью эксплуатации энергетического оборудования электрических станций многих промышленных предприятий Российской Федерации является то, что по многим позициям оборудования сроки эксплуатации значительно превышают парковый ресурс Поэтому подобное оборудование необходимо относить к классу стареющего оборудования Для

такого оборудования обычные подходы к оценке ресурса и планированию ремонтных работ для интервала эксплуатации в пределах паркового ресурса являются неэффективными и требуют существенной доработки

Практически все стареющее оборудование эксплуатируется на своей заключительной стадии - стадии предразрушения На данной стадии механизм повреждаемости и, как следствие, механизм исчерпаемости рабочего ресурса основных элементов энергооборудования сильно отличаются от стадии эксплуатации в пределах паркового ресурса Все больше начинает преобладать спонтанность, чем строгая закономерность Все чаще наблюдаются пороговые изменения как свойств материала, так и временных показателей развития опасных дефектов На рис 1 показана схема вероятности отказов энергооборудования ТЭС в различные периоды его эксплуатации

Н11Н1Я пик 1Ь Шк.НОВ

Рис 1 Схема вероятности отказов энергооборудования ТЭС в различные периоды эксплуатации

Оценка надёжности сложного технического объекта основывается на том, что все происходящие на контролируемом оборудовании технологические нарушения и связанные с ними отказы рассматриваются во времени, как поток событий Эксплуатация сложного энергооборудования характеризуется потоком неисправностей и отказов, для устранения которых проводятся ремонтно-профилактические работы Различают текущие и капитальные ремонты В соответствии с этим потоки событий можно разделить на два потока поток неисправностей и поток полных отказов

При нормальной эксплуатации поток полных отказов сведен к минимуму за счет профилактических работ и капитальных ремонтов Поэтому статистика эксплуатации отражает в основном поток неисправностей, который в дальнейшем и будем рассматривать

Поток неисправностей характеризуется следующими интегральными показателями параметром потока Ан(/) (для однородного потока -

интенсивность событий) и временем между событиями ти (/) (обратная величина

Я/Л'))

Потоки неисправностей и отказов отражают внешнюю сторону эксплуатации Внутренняя сторона характеризуется глубинными процессами, связанными со снижением ресурса оборудования в процессе эксплуатации, в частности, параметрических ресурсов, которые отражают запас изменения параметров объекта контроля до критической границы

1/7"" -ПЛ1)I

' п"« _ п >

|"а,„ "'Н

где Я, - текущее значение /-ого параметрического показателя работоспособности, П""т - предельное (аварийное) значение /7,, /7„„„ -номинальное (рабочее) значение Я,, >, - частный параметрический ресурс контролируемого агрегата по П,

Общее состояние объекта контроля характеризуется также режимными факторами, учитывающими условия и режимы эксплуатации технического объекта, превышение установленных значений которых ухудшает состояние объекта Действие режимных факторов носит, как правило, интегральный характер, поэтому нормируются их интегральные величины

I

р1{1)=\-Ь\(р1(т^т, (2)

¡р* _ р I Ра | р~ р* 1

Г Они 1 / ' ] \. ООП' ООП J '

<Р,=\ г _ + 1 (3)

О, Р, е [Р,)оп, Р,)оп \,

где - у-ый режимный показатель работоспособности, ру - частный режимный ресурс контролируемого агрегата по показателю Р/, <р/ - функция отклонения Р]

от диапазона допустимых значений Ь - нормирующий коэффициент,

[4, /] - интервал времени с момента окончания к-го рассматриваемого ремонта до текущего момента времени

Таким образом, объект контроля характеризуется набором частных ресурсов (см рис 2), число которых для сложных технических объектов может быть велико

(4)

где /?,(/) - частный ресурс агрегата по /-му показателю работоспособности, /Л -индексное множество частных ресурсов

Рис 2 Графическое представление рассматриваемого оборудования {/?,} -множество частных ресурсов, %(/) — время между событиями внешнего потока

текущих неисправностей

Типовым подходом к оценке обобщенного ресурса агрегата в настоящее время является выявление «узких» мест, т е выявление таких показателей работоспособности, по которым частный ресурс контролируемого агрегата является минимальным Аналитически данный подход можно записать в следующем виде

/?,„■„(') = Р'п {Л, (/)}, (5)

Мл)

где /?,„„,(') — оценка критического ресурса агрегата, Л, — все рассматриваемые частные ресурсы без градации на параметрические и режимные показатели

Преимуществом данною подхода является возможность оценки полного отказа оборудования, а также его диагностические свойства, т е всегда можно локализовать «наихудший» показатель работоспособности

Однако наряду с задачей оценки внутреннего технического состояния агрегата существует задача внешней оценки его технического состояния, необходимой для рассмотрения надежности всего технологического комплекса в целом, элементом которого является данный агрегат Типовым подходом обобщенной внешней оценки агрегата является оценка параметра потока неисправностей Ля и связанной с ним оценкой времени между событиями этого потока тн В общем случае параметры Лн и тн являются случайными величинами, имеющими нестационарный характер

Ставятся две основные задачи

1) задача оперативного распознания предаварийной ситуации,

2) оценка текущего остаточного ресурса стареющего оборудования Рассмотрим постановку задачи оперативного распознания предаварийной

ситуации на контролируемом оборудовании

Необходимо найти решающую функцию

/?„({«, },/)</?„ //(I), (6)

где ¡¡о - обобщенный параметрический ресурс оборудования, - значение предаварийной границы для обобщенного параметрического ресурса, //(/) -индикаторная функция

Решающая функция (6) описывает два основных состояния контролируемого оборудования

а) если неравенство (6) выполнено, то для контролируемого оборудования прогнозируется аварийная ситуация на ближайшем интервале времени А1Р,

б) невыполнение неравенства (6) свидетельствует о том, что аварийная ситуация для контролируемого оборудования в ближайшее временя не прогнозируется

Возможны следующие ошибки решения неравенства (6)

1) решающей функцией прогнозируется нормальная работа оборудования, а в действительности произошел отказ — ситуация пропуска аварийной ситуации

М „,'{()= I,

2) решающей функцией прогнозируется аварийная ситуация на оборудовании, а в действительности отказа не было - ситуация возникновения ложной тревоги /<;«(')= 1

Запишем относительные частоты возникновения указанных ошибок решения

(7)

где N - общее число рассматриваемых отказов

В данной работе предлагается обобщенный параметрический ресурс оборудования рассчитывать по формуле

МО = П «,"'(<). (9)

а, >0, X«, =1, ' = й, (10)

/

где а, - удельные весовые коэффициенты частных параметрических ресурсов в составе обобщенного, п - общее число рассматриваемых частных ресурсов

Из определения обобщенного ресурса (9) и накладываемых ограничений (10) видно, что он отражает аварийные ситуации для сложного агрегата, т к если по какому-либо частному параметрическому показателю возникла аварийная ситуация (/?,(/) = 0), то /?0(г) также покажет аварийную ситуацию (/?,_,(/)=0) И наоборот, если все параметрические частные показатели находятся в области своих рабочих значений (/?,(/) =1,/ = 1,я), то и обобщенный ресурс покажет нормальное рабочее состояние оборудования в целом (Л0(/)=1) При этом, если один из весовых коэффициентов частных ресурсов равен 1 (а, =1), то

обобщенный ресурс будет равен значению соответствующего частного ресурса

Следовательно, данная оценка может быть использована в решении задачи

оперативного распознания предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании

В итоге, ставится задача найти оптимальные значения а, и с точки зрения минимума пропусков аварийных ситуаций и возникновения ложных тревог Формализованная постановка задачи

тт(Р/7/,+/'„,) (П)

к).",/

Далее рассмотрим постановку задачи оценки текущего параметрического остаточного ресурса стареющего оборудования

Для оценки текущего остаточного ресурса оборудования, выраженного в единицах времени, необходимо найти функциональную зависимость

г/Л') =ЛсЛ; ({*,}><). (12)

где ти - оценка времени между отказами рассматриваемого потока, я0 -масштабный коэффициент (а0 >0)

Для оценки остаточного ресурса в относительных единицах (0 1 или 0 100%) предлагается производить расчеты по следующей формуле

(13)

»■/ДО

где Игх I - остаточный ресурс оборудования, I - текущее время с момента окончания последнего текущего ремонта

Функциональную зависимость (12) предлагается определять по следующей формуле

г„(/)=/ + Дг(/) КО. (14)

М')=ЯоПЯ,СТ'(')> О5)

а, >0, =1, 1 = \,п, (16)

1=1

где Л г - выработка

интервала времени между отказами сх1 — удельные весовые коэффициенты рассматриваемых частных ресурсов оборудования в составе Дг, а0 - масштабный коэффициент, у(/) - индикаторная функция ошибок

В этом случае возможны ошибки, аналогичные рассмотренным ранее, а именно

1) V ni.it)- пропуск аварийной ситуации, те тн (?) свидетельствует о том, что в ближайшее время на оборудовании отказов не предвидится, а фактически отказ был,

2) у ,и (/) = 1 - возникновение ложной тревоги, т е тн (/) свидетельствует о том, что на оборудовании в ближайшее время ожидается отказ, которого в действительности нет

Относигельные частоты возникновения указанных ошибок запишем по аналогии с формулами (7) и (8)

1 ^

РпМ=^т>М

5 = 1

(17)

(18)

где N - общее число рассматриваемых отказов

В итоге ставится задача найти оптимальные значения а, и а0 с точки зрения минимума пропусков аварийных ситуаций и возникновения ложных тревог Формализация поставленной задачи

гшп (Рт, + Р,п ) (19)

& I "и

Методика оперативной оценки остаточного ресурса контролируемого оборудования

Задача оперативного распознания предаварииной ситуации Принятие решений о предаварийном/аварийном состоянии по контролируемым частным ресурсам агрегата осуществляется согласно решающему правилу (6)

Для оперирования линейными выражениями производятся следующие преобразования

1п Пк/ЧО ¿ЦяД

Ч 1=1 )

I п(Я,)=*,.

-1п(/?(/)=ог0,

а,

— = а, «о

С учетом (20) - (23) и (9) перепишем (6) в виде

¿оЛ +1<0

(20)

(21) (22)

(23)

(24)

При такой постановке задачи всю статистическую информацию можно представить в виде следующей системы линейных неравенств

/ = I

П

(25)

где - статистическое значение 1-го параметрического частного ресурса для л'-го

события из потока тн (.5 = 1 N - общее число событий в потоке), ¡„,1р -

индексные множества предаварийных ситуаций и ситуаций нормальной работы соответственно

Ставится задача, найти такие значения коэффициентов о, (< = 1,и), при которых подсистема неравенств (25) была бы максимально совместной Минимизируемая целевая функция имеет следующий вид

где а, = б,3 - искомые коэффициенты, я - индекс статистических данных, знаки 'Ч" и "-" указывают, что рассматриваются соответственно только положительные и отрицательные значения выражения, приведенного в скобках

Для решения поставленной задачи оптимизации рассматривались несколько известных методов метод простого покоординатного спуска (ППС), метод градиентного поиска (ГП), метод поиска глобального экстремума с использованием генетических алгоритмов (ГА) При решении относительно простых (унимодальных) задач использовались методы ППС и ГП, которые дают практически идентичные результаты (при всех прочих одинаковых условиях) Однако методу ППС для функций с большим числом искомых параметров (координат) требуется в несколько раз больше времени для проведения расчетов, чем методу ГП Для сложного энергетического оборудования подобные оптимизационные задачи являются, как правило, многопараметрическими и неунимодальными В связи с этим, в работе был использован подход к оценке индивидуальных весовых коэффициентов при помощи ГА, позволяющих находить глобальный экстремум

В результате минимизации полученной функции (26) методом ГА находятся такие значения параметра Ь,, при которых риски пропуска аварийной ситуации и возникновения ложной тревоги минимальны Далее для нахождения индивидуальных коэффициентов влияния а, и текущего значения предаварийной границы необходимо произвести обратные (20) - (23) преобразования

На практике возможна ситуация, когда объем имеющейся статистической информации является недостаточным для решения указанной выше оптимизационной задачи В этом случае, весовые коэффициенты а, невозможно определить из условия минимума ошибок принятия решения, и они используются лишь в роли весовых коэффициентов, с помощью которых осуществляется свертка частных показателей ресурсов агрегата в один обобщенный показатель ресурса контролируемого агрегата в целом Подобная свертка осуществляется экспертной оценкой - оценкой влияния1 частных показателей ресурса на общее

1={{-у)Е1+уЕ1=\г (1-г)1:{{±ЬХ+\) ) >

(26)

состояния оборудования Для этого каждый из коллектива экспертов Э)

оценивает каждый из рассматриваемых частных ресурсов Л, в баллах

(например, от 0 до 10) с точки зрения значимости данного ресурса в общем состоянии агрегата Формируется таблица экспертных оценок

Экспертные оценки частных ресурсов

~ перт Ресурс Э, Э2 Эн,

Л, А. Ри Дм,

Л, А. А. А«.,

Л„ А,. А| Аы,

После этого для каждого из частных ресурсов Л, производится нормировка бальных оценок с учетом ограничений (10) по формуле

N >

ЕД,

(27)

' п N,

114,

Затем решается та же оптимизационная задача (11), но уже относительно одного неизвестного параметра ^ Следует отметить, что при полном отсутствии статистики потока текущих неисправностей (например, контролируемый агрегат только вышел из очередного капитального ремонта), значение предаварийной границы обобщенного параметрического ресурса приравнивается нулю Л<( = 0

Далее, на основании найденных и нормированных весовых коэффициентов «,, рассчитывается обобщенный параметрический ресурс по формуле (9) Оценка текущего параметрического остаточного ресурса (мониторинг) Для расчета неизвестных коэффициентов а0 и <т, используется следующее решающее правило

Дг/,(/)=Дгф(/), (28)

где Ат,,(/), Атф(г) - расчетное и фактическое значение выработки тИ соответственно

Рассматриваемая оптимизационная задача, как и большинство прикладных задач, решается с заданной точностью, определяемой дискретностью интервала времени локализации аварийной ситуации Применительно к рассматриваемой задаче точность или, другими словами, доверительный интервал полученного решения будет выражен соответственно в единицах времени (например, в сутках) Под пропуском аварийной ситуации понимается такое расчетное значение тн, которое превышает фактическое значение с учетом заданной точности

Соответственно под возникновением ложной тревоги понимается такое расчетное значение тн, которое меньше фактического значения с учетом заданной точности При этом точность или допустимый интервал пропуска аварийной ситуации и возникновения ложной тревоги в общем случае могут быть различные Аналитическая запись описанных двух случаев представлена в виде следующей системы

(29)

где йт,, с( ,п - заданная точность пропуска аварийной ситуации и возникновения ложной тревоги соответственно

Сформулируем задачу оптимизации Для оперирования линейными выражениями проведем следующие преобразования неравенств системы (29)

= -1п(ДгФ-ЫПР), йщ, = -1п(Дгф +ЫЛ1), £Г0 = Цег0), х, = 1п(Л,) (30) С учетом преобразований (30) перепишем систему неравенств (29) в следующем линейном виде

(31)

Запишем минимизируемую функцию

Г, ч-\2 Г'

N

(!-/?)£ <т0+Х<7Л(+О7

■Г "ч

О"о + + °П

(32)

Для учета ограничений (16) введем в функцию (32) следующие величины

(33)

В итоге получим следующую целевую функцию

' N

РЪ

О-

Л

(34)

\ ( я \

+ Л 2>М

) у- II

где ц - коэффициент штрафной функции IV

В результате минимизации функции (34) и с учетом преобразований (30), (33) находятся такие удельные весовые коэффициенты сг, и масштабный коэффициент

а0, которые, минимизируя риски пропуска аварийной ситуации и возникновения ложной тревоги, однозначно определяют выражения (15) и (14) для расчета ти

После определения решения уравнения (14) для расчета времени между событиями в рассматриваемом потоке неисправностей, оценка величины остаточного ресурса контролируемого оборудования производится по формуле

Как уже отмечалось ранее число контролируемых показателей для сложного энергоагрегата велико, поэтому при решении конкретных практических задач не всегда представляется возможным учесть влияние каждого из рассматриваемых параметров на величину тн в отдельности Поэтому, в работе предлагается дополнительно вводить некоторые агрегированные показатели, включающие в себя различные частные показатели При этом целесообразно, чтобы число нормируемых показателей надежности было минимально, они имели простой физический смысл, допускали возможность получения расчетной оценки на этапе проектирования и получения статистической оценки по результатам испытаний или данным эксплуатации В общем случае, количество обобщенных показателей может быть различно Основными ограничениями при выборе числа обобщенных показателей являются, во-первых, объем имеющейся статистики, во-вторых, физический смысл группировки частных показателей Процедуру агрегирования можно представить в виде древовидной структуры, представленной на рис 3

Рис 3 Процедура агрегирования пр < (/V -1) - число обобщенных показателей, N -число рассматриваемых статистических событий

В данной работе в качестве агрегированных показателей предлагается использовать следующие

1 Обобщенный диагностический ресурс га(() - свертка из всех рассматриваемых частных диагностических ресурсов

где г, - частный параметрический ресурс контролируемого агрегата по Я,, п -общее число г,, я, - индивидуальные коэффициенты влияния частных параметрических ресурсов в составе обобщенного

2 Обобщенный режимный ресурс /?«(/) - свертка из всех рассматриваемых режимных показателей работоспособности

(13)

П

(35)

1=1

где р/ - частный режимный ресурс контролируемого агрегата по показателю Р ,

т - общее число рассматриваемых режимных показателей, Д; - индивидуальные

коэффициенты влияния частных режимных ресурсов в составе обобщенного В этом случае выражение (15) примет следующий вид

МО = «оП = «с'<? (')Ро1 (0>

1=1 (Л)

Далее решается задача (19) Следует отметить, что в случае недостатка выделенных степеней свободы (в данном случае 3 степени свободы) для решения поставленной задачи с требуемой точностью, можно увеличить число агрегированных показателей Л0,(/) при условии достаточного объема статистики для решения оптимизационной задачи (19)

Описанная методика мониторинга остаточного ресурса стареющего оборудования лежит в основе разработанной программы для ЭВМ АИС «Ресурс»

Прогнозирование значений остаточного ресурса оборудования с расчетом достоверности прогнозных значений

При решении практических задач помимо мониторинга текущего состоянии технического объекта, необходимо формировать прогнозную оценку его состояния на определенный интервал времени В данной работе прогнозирование остаточного и обобщенного параметрического ресурсов технического объекта производится на основе экстраполяции соответственно зависимостей (9) и (13), рассчитанных для текущего момента, на заданный временной интервал (рис 4)

Т I 1 01

¿т! Уда

Рис 4 Остаточный ресурс контролируемого оборудования тнф,тнр~ фактическое (статистическое) и расчетное (прогнозное) значения тн соответственно, с/ш>, - заданная точность пропуска аварийной ситуации и возникновения ложной тревоги соответственно, , — прогнозное на текущий

момент значение остаточног о ресурса оборудования, Д1П - прогнозное на текущий момент время ожидания наступления очередного события

Основываясь на текущих или прогнозных значениях обобщенного параметрического и остаточного ресурсов, можно выделить три основных состояния контролируемого агрегата рабочее, предаварийное и аварийное Рабочим является состояние агрегата, при котором Ятт{1к)> 0, Яос ,(/*)> 0 и Я0(/к)> 0, предаварийным - при котором Лт1„(/^)> О, (¡к)>0 и /?0(/4) = О, аварийное состояние - отказ агрегата, при котором Ятт(1к) = 0, Ка(7 (//.) = О и

При решении практических задач прогноза, важным аспектом является достоверность полученных прогнозных значений, расчет которой осуществляется по известным законам теории вероятности и математической статистики В работе было принято, что оцениваемые величины (прогнозируемые значения остаточного и обобщенного параметрического ресурсов объекта контроля) распределены согласно гамма-функции, которая является наиболее общим случаем распределения случайных величин Плотность гамма-распределения рассчитывается по формуле

где а, Ь - параметр формы и масштаба соответственно, М , И - математическое ожидание и дисперсия оценки остаточного ресурса соответственно

Описанный способ прогнозирования остаточного ресурса и оценка достоверности прогнозных значений использовались при разработке АИС «Ресурс»

Алгоритм оперативного распознания предаварийных/авярийных ситуаций на контролируемом оборудовании

Основываясь на текущих оценках остаточного и обобщенного параметрического ресурсов контролируемого оборудования, решается задача оперативного распознания предаварийных/аварийных ситуаций на объекте контроля Алгоритм решения данной задачи следующий

1° Измерение и накопление данных по текущим показателям работоспособности агрегата

2° Используя предложенную методику оперативной оценки остаточного ресурса оборудования, оценить текущие значения остаточного (13) и обобщенного параметрического (9) ресурсов контролируемого агрегата 3° Оценить значение критического ресурса агрегата по формуле (5) 4° Сопоставить полученные текущие значения ресурсов с пороговым уровнем - нулем

Ло(0 = о

(38)

М2 , О

-г-. о = —

4 1) выполнение условий Ят1П(О>0, Лос/('*)>0 и /го('*)>0 свидетельствует о нормальном рабочем состоянии контролируемого агрегата,

4 2) выполнение условий Ятш(/*)>0, и

свидетельствует о предаварийном состоянии контролируемого агрегата, выносится решение о необходимости проведения профилактических работ, при этом необходимо рассчитать вероятность возникновения аварийной ситуации по формуле (38), основываясь на статистике предшествующей эксплуатации,

4 3) выполнение условий Ятш('*)= °> ^сх/СО^0 и = °

свидетельствует об аварийном состоянии контролируемого агрегата, выносится решение о выводе агрегата из эксплуатации и необходимости проведения срочных ремонтных работ

Предложенный алгоритм оперативного распознания

предаварийных/аварийных ситуаций на контролируемом оборудовании по его текущему состоянию позволяет предупреждать возможные отказы и непредвиденные аварийные ситуации, что, в свою очередь, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации данного оборудования Алгоритм реализован в АИС «Ресурс»

Подход к приоритетному планированию ремонтио-профилактических работ

Полученные в результате решения поставленной задачи объективные значения текущего или прогнозного состояния оборудования способствуют решению задачи оперативного планирования ремонтных работ, путем расстановки ремонтных приоритетов, которые позволяют установить численную очередность проведения ремонтно-профилактических работ, а анализ критического и остаточного ресурсов - необходимость их проведения на момент принятия решения при дефиците материальных ресурсов Расстановку ремонтных приоритетов предлагается производить, исходя из выработки остаточного ресурса контролируемого однотипного оборудования1

^(0 = (1-4/(')) '00%, (39)

где 1к - выработка остаточного ресурса к-го оборудования, - остаточный ресурс к-го оборудования на момент принятия решения

Расстановку ремонтных приоритетов /*(') можно провести путем ранжирования полученных значений контролируемого парка однотипного оборудования в порядке убывания и присвоения каждому из агрегатов соответствующего номера (1,2, )

При рассмотрении прогнозных значений обобщенных ресурсов контролируемого оборудования на заданный отрезок времени, механизм расстановки ремонтных приоритетов аналогичен, но при принятии решения необходимо также учитывать и достоверность полученного прогноза

Таким образом, предложенный метод оценки остаточного ресурса может быть использован в задаче оперативного планирования ремонтно-профилактических

работ для различного оборудования промышленных предприятий энергетической инфраструктуры Расстановка приоритетов позволяет установить численную очередность проведения ремонтно-профилактических работ, а анализ критического и остаточного ресурсов — необходимость их проведения на момент принятия решения при дефиците материальных ресурсов

Предложенный подход используется в АИС «Ресурс» при назначении ремонтных приоритетов контролируемого оборудования

Автоматизированная информационная система «Ресурс» С целью автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования была разработана программа для ЭВМ «Автоматизированная информационная система «Ресурс», в основе которой лежат полученные научные результаты АИС «Ресурс» предназначена для автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования, а также для ведения информационной базы данных по энергетическому оборудованию

АИС «Ресурс» обеспечивает выполнение следующих функций

- оценка и графическое отображение критического и остаточного ресурсов оборудования,

- прогнозирование остаточного ресурса оборудования на заданный интервал времени,

- расчет и графическое отображение вероятностных оценок возникновения аварийных ситуаций на контролируемом оборудовании,

- расчет и графическое отображение ремонтных приоритетов оборудования,

- ведение информационной базы данных показателей работоспособности и ремонтной статистики оборудования

Пример главного окна приложения анализа и прогноза ресурсов агрегатов приведен на рис 5 Пример главного окна модуля расстановки ремонтных приоритетов приведен на рис б

Автоматизированная информационная система «Ресурс» состоит из 7 основных модулей информационной базы данных, модуля автоматизированного ввода данных, модуля расчета обобщенного, частного и критического ресурсов, программного обеспечения (ПО) операторов производственно-технических отделов (ПТО), ПО технических экспертов и ПО администрирования

В информационной базе данных хранятся сведения о структуре станций, информация об основных эксплуатационных характеристиках агрегатов, параметрах расчета обобщенного и критического ресурса

Поддержка ведения базы данных в АИС «Ресурс» реализуется посредством системы управления базами данных (СУБД) ЬЦегЬаБе

Модуль автоматизированного ввода данных позволяет вводить текущие значения контролируемых показателей работоспособности в электронную базу данных из существующей АСУ ТП в автоматическом режиме При отсутствии на контролируемом оборудовании АСУ ТП данный модуль позволяет оператору осуществлять ручной ввод в базу данных значений показателей эксплуатации

11ри каждом добавлении в базу данных новой записи о параметрах эксплуатационных характеристик а ¡регата активизируется модуль расчета обобщенного, криз ического и частных ресурсов. Данный модуль работает на сервере постоянно, в фоновом режиме ожидания добавления новой записи или изменения уже существующей записи.

Вйццдщрв

сыгн^икл

^ищ™^ обобщенногоц ч.у-г 1'рссурсоп

Рис. 5. Главное окно приложения анализа и прогноза ресурсов агрегатов

Рис. 6. Внешний вид диаграммы выработки остаточного ресурса агрегатов

1'..'!Г'1:.М ч: Г алнрокси-

Настройка параметров работы системы осуществляется посредством программного обеспечения администрирования Здесь редактируются структурные элементы станций, задаются граничные значения эксплуатационных характеристик, вносятся сведения об авариях и ремонтах

ПО операторов производственно-технических отделов предназначено для ввода статистических и текущих значений эксплуатационных характеристик контролируемых агрегатов

ПО технических экспертов обеспечивает расчет и графическое отображение критического и остаточного ресурсов оборудования, графическое отображение частных ресурсов по рассматриваемым показателям работоспособности, расчет и отображение прогнозных значений остаточного ресурса оборудования, вероятностных оценок возникновения аварийных ситуаций на контролируемом оборудовании, а также графиков ремонтных приоритетов

Таким образом, разработанное программное обеспечение является инструментальным средством, осуществляющим поддержку в задачах мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования, а также в задаче оперативного планирования ремонтно-профилактических работ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 В результате анализа особенностей эксплуатации энергетического оборудования электрических станций и сетей многих промышленных предприятий Российской Федерации было установлено, что одним из приоритетных направлений по повышению промышленной безопасности является задача мониторинга и прогнозирования текущего технического состояния контролируемого оборудования Решение этой задачи целесообразно осуществлять на основе внедрения автоматизированных информационных систем, осуществляющих оценку и прогноз остаточного ресурса агрегатов по данным эксплуатации в реальном времени

2 Предложена методика оценки текущего остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям в реальном времени на основе данных эксплуатации, позволяющая автоматизировать мониторинг и прогнозирование остаточного ресурса оборудования

3 Разработан алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании, основанный на оценке остаточного ресурса по статистическим и текущим значениям рассматриваемых обобщенных показателей работоспособности, позволяющий предупреждать возможные отказы и непредвиденные аварийные ситуации, что, в свою очередь, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации оборудования

4 Предложен подход к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих или прогнозных значений оценки остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям, позволяющий обоснованно установить очередность проведения

ремонтно-профилактических работ для парка контролируемого оборудования с целью минимизации риска возникновения аварийных ситуаций

5 Создана программа дня ЭВМ «Автоматизированная информационная система «Ресурс», предназначенная для автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования по текущему состоянию в реальном времени, а также ведения информационной базы данных по данному оборудованию

6 Разработанное программное обеспечение АИС «Ресурс» внедрено в практику мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования ЦЭС ОАО "ММК", что подтверждается соответствующим актом внедрения результатов диссертационной работы

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ВЕДУЩЕМ РЕЦЕНЗИРУЕМОМ ЖУРНАЛЕ, ОПРЕДЕЛЕННОМ ВАК

1 Хасанов, АР Метод гибкого приоритетного планирования ремонтных работ / А Р Хасанов, JI С Казаринов, Д А Шнайдер // Вестник ЮУрГУ Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» -2004 -ВыпЗ, №9(38) -С 98-103.

2 Хасанов, А Р Метод оценки текущего состояния контролируемого оборудования в задаче оперативного планирования ремонтно-профилактических работ /АР Хасанов, J1С Казаринов, Д А Шнайдер // Вестник ЮУрГУ Серия «Компьютерные технологии, управление,радиоэлектроника» -2006 -Вып4,№14(69) -С 84-87

ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хасанов, А Р Подход к оперативной оценке остаточного ресурса энергетического оборудования на основе использования генетического алгоритма /АР Хасанов, Д А. Шнайдер // XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий Краткие сообщения - Екатеринбург УрО РАН, 2006 - 392 с

2 Хасанов, А Р Экспертное нормирование показателей частных ресурсов энергоагрегатов с использованием нечеткой логики /АР Хасанов, Д А Шнайдер // XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий Тезисы докладов - Миасс МСНТ, 2006 - 82 с

3. Хасанов, АР Алгоритм расчета обобщенного показателя состояния контролируемого энергооборудования на основе нечеткой логики /АР Хасанов, О В Попова, ДА Шнайдер // Материалы Всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» - Пермь Изд ПГТУ 2006 - С 252-257

4 Хасанов, А Р Подход к оценке и прогнозированию текущего состояния контролируемого оборудования в задаче оперативного планирования ремонтно-профилактических работ /АР Хасанов, Л С Казаринов, Д А Шнайдер // Материалы Всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» - Пермь- Изд ПГТУ 2006 — С 257-265

Формат 60x84 1/16 Бумага ВХИ 80 гр Объем 1,4 уел п л Тираж 100 экз

Изготовлено в полном соответствии с качеством предоставленных оригиналов заказчиком в ООО «Издательство «РЕКПОЛ»

Государственная лицензия на полиграфическую деятельность ПД № 11-0029 от 18 02 2000 года. 454048, т Челябинск, пр Ленина, 77 тел (351)265-41-09

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1. Общие положения.

1.2. Обзор современных методов диагностики оборудования.

1.3. Обзор научно-технической литературы.

1.4. Обзор патентной литературы (охранные документы).

1.5. Технический уровень развития решения проблемы оценки остаточного ресурса стареющего оборудования.

1.6. Постановка целей и задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОБОБЩЕННОГО ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СТАРЕЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1. Методика оперативной оценки обобщенного остаточного ресурса контролируемого оборудования.

2.2. Прогнозирование значений текущего остаточного ресурса оборудования с расчетом достоверности прогнозных значений.

2.3. Алгоритм оперативного распознания предаварийных/аварийных ситуаций на контролируемом оборудовании.

2.4. Подход к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ.

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА «РЕСУРС» (АИС «РЕСУРС»).

3.1. Общая структура АИС «Ресурс».

3.2. Ведение информационной базы данных показателей работоспособности и ремонтной статистики оборудования.

3.3. Программное обеспечение анализа и прогнозирования остаточного ресурса оборудования.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ОБОБЩЕННОГО

ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЕСУРСА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЦЭС ОАО «ММК»

Актуальность работы

Оценка текущего состояния оборудования в составе сложных технологических комплексов (ТК) и прогноз его состояния в рамках АСУ ТП является в настоящее время одной из приоритетных задач при построении автоматизированных систем. Имеющийся опыт показывает, что проблема оценки остаточного ресурса стареющего оборудования является комплексной, включающей технический, технологический, управленческий, экономический и организационный аспекты, а также требует разработки методов и алгоритмов автоматизации процессов мониторинга и прогнозирования технического состояния контролируемого оборудования в реальном времени.

Сложность решения данной задачи состоит в том, что для реальных ТК число контролируемых параметров оборудования, влияющих на возникновение и развитие аварийных ситуаций, весьма велико, и организовать оперативный контроль всех необходимых параметров, как правило, невозможно. Поэтому для оценки текущего состояния оборудования в составе сложных Ж целесообразно использовать обобщенные оценки остаточного ресурса, которые позволяют прогнозировать возникновение аварийных ситуаций до уровня отдельных агрегатов (а не узлов агрегата) ТК и являются относительно доступными для расчета и контроля по данным текущей эксплуатации и технических обследований оборудования.

На сегодняшний день существует множество методов контроля и диагностики технического состояния оборудования. Эти методы, в основном, направлены на выявление наиболее проблемных узлов контролируемого агрегата с целью предупреждения или устранения аварийных ситуаций на данном оборудовании. Такой подход для отдельных агрегатов, безусловно, является оправданным, т.к. позволяет одновременно решать задачу диагностики состояния оборудования и предупреждать возникновение аварий на основе целенаправленных профилактических ремонтов, что, в свою очередь, повышает надежность и безопасность эксплуатации этого оборудования.

Существенный вклад в развитие работ по надежности, устойчивости, живучести и безопасности энергетического оборудования внесли Дьяков А.Ф., Воропай Н.И., Савельев В.А., Таджибаев А.И., Тевяшев А.Д., Чукреев Ю.Я., Канцедалов В.Г., Берлявский Г.П., Злепко В.Ф., Пампуро В.И., Болотин В.В., Ушаков И.А., Данюшевский И.А., Барков A.B., Карандаев A.C., Резинский В.Ф., Цапко Г.П. и др.

Однако, на практике, зачастую не представляется возможным производить диагностику всего имеющегося парка контролируемого оборудования одновременно. Более того, некоторые методы диагностики требуют вывода оборудования из эксплуатации. В связи с этим, актуальной является задача автоматизированного мониторинга текущего обобщенного технического состояния оборудования в составе сложного ТК в реальном времени, с целью выявления отдельных агрегатов, требующих проведение более детальных обследований и, при необходимости, проведение ремонтно-профилактических работ. Здесь знание обобщенного технического состояния оборудования позволяет оценить надежность всего ТК в целом и правильно распределить ресурсы на проведение ремонтно-профилактических работ по видам оборудования.

Поэтому задача разработки методов и алгоритмов автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса стареющего оборудования по текущему состоянию с использованием обобщенных показателей является актуальной. Данная задача в настоящее время решена не полностью и является предметом исследований в данной работе.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям работоспособности, а также разработка подхода к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ по текущему состоянию оборудования.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследовательского, методического и прикладного характера:

1) разработка методики мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям на основе данных текущей эксплуатации в реальном времени;

2) разработка алгоритма оперативного распознания предаварийных ситуаций контролируемого оборудования на основе оценок его текущего состояния;

3) разработка подхода к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих и прогнозных оценок остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям;

4) разработка специализированной программы для ЭВМ «Автоматизированная информационная система «Ресурс» (АИС «Ресурс»), предназначенной для решения задач мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования, а также ведения информационной базы данных по энергооборудованию электрических станций и сетей;

5) внедрение разработанного программного обеспечения в практику контроля технического состояния энергетического оборудования металлургического производства в рамках задачи оперативного планирования ремонтно-профилактических работ на ОАО «ММК», г. Магнитогорск.

Объектом исследования работы является стареющее энергетическое оборудование электрических станций, рассматриваемое с точки зрения оценки и прогнозирования его остаточного ресурса по текущему состоянию.

Предметом исследования являются методы, алгоритмы и модели оценки и прогнозирования остаточного ресурса оборудования в рамках автоматизированных систем управления планирования ремонтно-профилактических работ.

Методика исследования

Основу методики исследования в диссертационной работе составляют методы математического и статистического анализа, методы обработки 7 информации в АСУ, методы оптимизации, методы математического программирования, теоретические и методологические основы построения АСУ ТП, имитационного моделирования с применением инструментальных средств автоматизации математических и инженерных вычислений.

Проверка изложенных в работе методов проводилась с использованием компьютерного моделирования и экспериментально.

Научная новизна

1. Предложена методика оперативной оценки (мониторинга) и прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования на основе обобщенных показателей, представляющих собой агрегированные показатели текущего технического состояния оборудования.

2. Предложен алгоритм оперативного распознания предаварийной ситуации на контролируемом оборудовании.

Практическая ценность

1. Предложенная методика оперативной оценки остаточного ресурса позволяет производить мониторинг и прогнозирование технического состояния контролируемого оборудования в реальном времени, что, в свою очередь, способствует повышению безопасности и экономичности (с точки зрения ремонтно-профилактических мероприятий) эксплуатации оборудования.

2. Разработанный алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании позволяет предупреждать возможные отказы и непредвиденные аварийные ситуации, что, в свою очередь, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации данного оборудования.

3. Предложенный подход приоритетного планирования ремонтно-профилактических работ позволяет осуществлять обоснованное планирование ремонтно-профилактических работ и снабжение запасными частями по текущему состоянию контролируемого оборудования, повышая тем самым эффективность использования дефицитного ремонтного фонда предприятия.

4. Созданная программа для ЭВМ АИС «Ресурс» позволяет производить оценку и мониторинг остаточного ресурса оборудования в реальном времени, а 8 также осуществлять прогноз его технического состояния. Кроме того, основываясь на текущем или прогнозном значении остаточного ресурса, программа АИС «Ресурс» позволяет судить о степени необходимости проведения ремонтно-профилактических работ, а также установить численную очередность их проведения при рассмотрении парка оборудования.

Реализация работы

Разработанное методическое и программное обеспечение АИС «Ресурс» прошло апробацию и внедрено на ЦЭС ОАО ММК в составе АСУ ТП турбогенератора ст.№8 и используется для мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса агрегата в реальном времени, что подтверждено соответствующим актом.

Удельный экономический эффект при прогнозировании одной аварийной ситуации на турбогенераторе ст.№8 ЦЭС ОАО «ММК» мощностью 40МВт составляет 0.5 млн. руб. за сутки внепланового простоя.

Апробация работы

Основные результаты исследования, изложенные в диссертации, докладывались на научно-практической конференции XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий, г. Миасс, 27-28 июня 2006 г.; на Всероссийской научно-практической Интернет-конференции

Автоматизирован-ные системы управления и информационные технологии», 15-30 октября 2006 г.; на X Всероссийском научно-практическом семинаре «Информатизация и системы управления в органах исполнительной власти», г. Челябинск, 18-19 октября 2006г.

Результаты работы также нашли отражение в отчете по научно-исследовательской работе: Государственный контракт № 02.442.11.7322 по теме: шифр 2006-РИ-19.0/001/330 «Проведение научных исследований молодыми учеными» (IV очередь), НИР «Разработка методического обеспечения прогнозирования остаточного ресурса стареющего энергетического оборудования на основе интеллектуального анализа данных», выполняемые в рамках федеральной целевой научно-технической программы

Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 работы в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика оперативной оценки остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям на основе статистических и текущих данных эксплуатации.

2. Алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций контролируемого оборудования на основе оценок его текущего состояния.

3. Подход к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих и прогнозных оценок остаточного ресурса контролируемого оборудования.

4. Специализированная программа для ЭВМ ведения информационной базы данных по энергооборудованию электрических станций и сетей «Автоматизированная информационная система «Ресурс» (АИС «Ресурс»), предназначенная для решения задачи мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования, а также для осуществления поддержки в задачах оперативного планирования ремонтно-профилактических работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате анализа особенностей эксплуатации энергетического оборудования электрических станций и сетей многих промышленных предприятий Российской Федерации было установлено, что одним из приоритетных направлений по повышению промышленной безопасности является задача мониторинга и прогнозирования текущего технического состояния контролируемого оборудования. Решение этой задачи целесообразно осуществлять на основе внедрения автоматизированных информационных систем, осуществляющих оценку и прогноз остаточного ресурса агрегатов по данным эксплуатации в реальном времени.

2. Предложена методика оценки текущего остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям в реальном времени на основе данных эксплуатации, позволяющая автоматизировать мониторинг и прогнозирование остаточного ресурса оборудования.

3. Разработан алгоритм оперативного распознания предаварийных ситуаций на контролируемом оборудовании, основанный на оценке остаточного ресурса по статистическим и текущим значениям рассматриваемых обобщенных показателей работоспособности, позволяющий предупреждать возможные отказы и непредвиденные аварийные ситуации, что, в свою очередь, способствует повышению надежности и безопасности эксплуатации оборудования.

4. Предложен подход к приоритетному планированию ремонтно-профилактических работ на основе текущих или прогнозных значений оценки остаточного ресурса контролируемого оборудования по обобщенным показателям, позволяющий обоснованно установить очередность проведения ремонтно-профилактических работ для парка контролируемого оборудования с целью минимизации риска возникновения аварийных ситуаций.

5. Создана программа для ЭВМ «Автоматизированная информационная система «Ресурс», предназначенная для автоматизации мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования по текущему состоянию в реальном времени, а также ведения информационной базы данных по данному оборудованию.

6. Разработанное программное обеспечение АИС «Ресурс» внедрено в практику мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса энергетического оборудования ЦЭС ОАО "ММК", что подтверждается соответствующим актом внедрения результатов диссертационной работы. Удельный экономический эффект при прогнозировании одной аварийной ситуации на турбогенераторе ст.№8 ЦЭС ОАО «ММК» мощностью 40МВт составляет 0.5 млн. руб. за сутки внепланового простоя.

1. Алексеев, C.B. Диагностика рабочих лопаток турбомашин / C.B. Алексеев, В. А. Смирнов // http://www.vibration.ru/dturbomashin.shtml.

2. Алексеев, Б.А. Старение гидрогенераторов и оценка их работоспособности / Б.А. Алексеев // Энергетик. 1999. - №9. - С.25.

3. Барков, A.B. Диагностическое обслуживание предприятий основа перевода оборудования на ремонт по состоянию / A.B. Барков. - СПб.: Изд-во ПЭИПК, 2000.

4. Барков, A.B. Возможности нового поколения систем мониторинга и диагностики / A.B. Барков // «Металлург». 1998. -№11.- С.24.

5. Барков, A.B. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации / A.B. Барков, H.A. Баркова, А.Ю. Азовцев. СПб.: Изд. СПбГМТУ, 2000.

6. Болотин, В.В. Ресурс машин и конструкций / В.В. Болотин. М.: Машиностроение, 1990.-448 с.

7. Болотин, В.В. Распределение времен до разрушения при случайных нагрузках / В.В. Болотин // Журнал прикладной механики и технической физики. -1980.-№5.-С. 149-158.

8. Болотин, В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений / В.В. Болотин. -М.: Стройиздат, 1982. 351 с.

9. Власов, А.Б. Определение гамма процентных показателей надёжности контактных соединений на основе тепловизионной диагностики / А.Б. Власов // Промышленная энергетика. - 2003. - №2. - С.11.

10. Гайдук, Д.В. Разработка инновационной системы управления ремонтами / Д.В. Гайдук // Сталь. 2004. - №10. - С.62.

11. Данюшевский, И.А. Оценка остаточного ресурса и продление срока службы основных элементов котлов, трубопроводов и вспомогательного оборудования / И.А. Данюшевский. Санкт-Петербург: АООТ «НПО ЦКТИ», 1998.

12. Дубов, A.A. Оценка ресурса энергооборудования с использованием метода магнитной памяти металла / A.A. Дубов // Энергетик. 2005. - №11. -С.18.

13. Дьяков, А.Ф. Новые подходы к оценке ресурса стареющего энергооборудования электростанций и модульные принципы создания диагностической аппаратуры / А.Ф. Дьяков, В.Г. Канцедалов, Г.П. Берлявский, В.Ф. Злепко, Е.А. Гринь. Электрические станции, 2004, №4.

14. Дьяков, А.Ф. Производство энтропии и бифуркационная модель усталости металла энергооборудования, вырабатывающего физический ресурс / А.Ф. Дьяков, В.Г. Канцедалов, Г.П. Берлявский // Энергетик. 2004. - №2. - С.7.

15. Дьяков, А.Ф. Техническая диагностика, мониторинг и прогнозирование остаточного ресурса паропроводов электростанций / А.Ф. Дьяков, В.Г. Канцедалов, Г.П. Берляевский / под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Издательство МЭИ, 1998.- 176 с.

16. Дюк, В. Data mining: учебный курс / В. Дюк, А. Самойленко. СПб.: Питер, 2001.-368 с.

17. Журнал уставок предупредительной и аварийной сигнализации. ОАО «ММК». Центральная электростанция. Участок тепловой автоматики и измерений. -2004.

18. Земзин, В.Н. Жаропрочность сварных соединений / В.Н. Земзин. М., Машиностроение, 1972.

19. Израилев, Ю.Л. Живучесть паропроводов стареющих тепловых электростанций / Ю.Л. Израилев, Ф.А. Хромченко, А.П. Ливинский и др./ под. ред. Ю.Л. Израилева, Ф.А. Хромченко. М.: Изд-во «ТОРУС ПРЕСС», 2002. - 616 с.

20. Канцедалов, В.Г. Новые аспекты в теории и практике надежности энергооборудования ТЭС, вырабатывающего физический ресурс / В.Г. Канцедалов, Г.П. Берлявский, В.Ф. Злепко и др. // Электрические станции. 2000. -№3.

21. Канцедалов, В.Г. Индивидуальный оперативный контроль и диагностика металла паропроводов ТЭС, выработавших парковый ресурс / В.Г. Канцедалов, В.Ф. Злепко, Г.П. Берлявский и др. // Электрические станции. 1996. -№4.

22. Канцедалов, В.Г. Комплексная система оперативного ультразвукового контроля и диагностики энергооборудования / В.Г. Канцедалов, Г.П. Берлявский, В.В. Гусев // Электрические станции. 1998. - №3.

23. Качанов, Л.М. Теория ползучести / Л.М. Качанов. М.: Машиностроение, 1960.

24. Коверженко, Г.Г. Мониторинг как средство повышения надёжности электрического оборудования / Г.Г. Коверженко, A.B. Хохлов // Энергетик. -№11. -2004.-С.36.

25. Косинов, Ю.П. О новой системе технического обслуживания и ремонта ТЭС / Ю.П. Косинов // Энергетик. 1997. - №1. - С.23.

26. Лыско, В.В. Ресурс и надежность металла теплосилового оборудования ТЭС / В.В. Лыско, В.Ф. Злепко, В.Ф. Резинских // Энергетик. 1996. -№6. - С.18.

27. Методические указания о порядке проведения работ при оценке индивидуального ресурса паровых турбин и продлении срока их эксплуатации сверх паркового ресурса (РД 34.17.440-96). М.: АООТ ВТИ, 1996.

28. Методы оптимизации в теории управления: учебное пособие / под. ред. И.Г. Черноруцкого. СПб.: Питер, 2004. - 256 с.

29. Надежность технических систем: Справочник / под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985,608 с.

30. Назарычев, А.Н. Обоснование сроков эксплуатации оборудования / А.Н. Назарычев, А.И. Таджибаев // Промышленная энергетика. 2005. -№4. - С.20.

31. Новое в технологии контроля и продления срока службы металла поверхностей нагрева котлов тепловых электростанций // Энергетик. 1998. - №9. -С.36.

32. Отраслевая система «Живучесть стареющих ТЭС» (элементов теплоэнергетического оборудования) (РД 153-34.0-17.456-98). М.: АООТ ВТИ, 1998.

33. Пампуро, В.И. Основные положения теории структурного анализа машин / В.И. Пампуро. Киев: ИЭД АН УССР, 1988, препринт №558.

34. Пампуро, В.И. Надежность комбинированных энергетических систем с подсистемами диагностирования и контроля. Проблемы создания и использования возобновляемых источников энергии / В.И. Пампуро. Киев: АН Украины, Институт электродинамики, 1991.

35. Пампуро, В.И. Структурная информационная теория надежности ситем / В.И. Пампуро. К.: Наукова думка, 1992.

36. Пат. 2215280 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 3/00. Способ оценки остаточного ресурса деталей / А.В. Котелкин, А.Д. Звонков, А.В. Лютцау, Д.Б. Матвеев, В.Я. Маклашевский, В.Н. Середа. 2002113318/28; заявл. 21.05.02; опубл. 27.10.03.

37. Пат. 2187101 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 29/00, G 01 N 29/18. Способ оценки состояния металла ротора турбины и прогнозирование его остаточного ресурса / B.C. Пермикин. 2000100761/28; заявл. 10.01.00; опубл. 10.08.02.

38. Пат. 2004133495 Российская Федерация МПК7 G 05 В 23/02. Устройство контроля технического состояния объекта диагностики по остаточному ресурсу / Б.С. Старшинов, Н.И. Романюк, М.В. Фролов. 2004133495/09; заявл. 17.11.04; опубл. 20.04.06.

39. Паули, В.К. Возможности и резервы снижения аварийности / В.К. Паули // Энергетик. 1997. -№4. - С. 12.

40. Петреня, Ю.К. Моделирование рассеяния характеристик жаропрочности материалов / Ю.К. Петреня // «Труды ЦКТИ». 1990. - вып. 260.

41. Повышение надежности и эффективности работы теплотехнического оборудования ТЭС: сборник научных трудов УралВТИ / под ред. А.Н. Алехновича. Челябинск: ТОО «РИКО», 1996,240 с.

42. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. -М.: Омега-JI, 2004,256 с.

43. Работнов, Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. -М.: Машиностроение, 1966.

44. Разрушение. Т.2. Математические основы теории разрушения, (пер. с англ.) / под. ред. Г. Либовиц. М.: Мир, 1975, 764 с.

45. РД 153-34.0-17.464-00. Методические указания по контролю металла и продлению срока службы трубопроводов II, III и IV категорий.

46. РД-50-476-84. Методические указания. Надежность в технике. Интервальная оценка надежности технического объекта по результатам испытания составных частей. Общие положения. -М.: Изд-во стандартов, 1985.

47. Резинских, В.Ф. Диагностика и контроль состояния роторов и турбин /

48. B.Ф. Резинских, В.И. Гусев // Энергетик. 1996. - №7. С.9.

49. Резинских, В.Ф. Ресурс и надежность металла паровых турбин тепловых электростанций / В.Ф. Резинских, В.И. Гладштейн // Теплоэнергетика. -2004.-№4.

50. Резинских, В.Ф. Концепция продления ресурса металла оборудования ТЭС / В.Ф. Резинских, Е.А. Гринь, В.Ф. Злепко // Международная конференция «Эффективное оборудование и новые технологии в российскую энергетику». -М.:ВТИ, 2001.

51. Ростик, Г.В. Организация ремонта генераторов по техническому состоянию / Г.В. Ростик // Энергетик. 1997. - №1. - С.22.

52. Система гибкого планирования ремонтно-профилактических работ в энергетическом комплексе ОАО «ММК» с использованием оценок текущего состояния оборудования. Заключительный отчет / Договор УНИ ЮУрГУ №132133 от 28.03.2005.

53. Типовая инструкция по контролю металла и продлению срока службы основных элементов котлов, турбин и трубопроводов тепловых электростанций (РД 10-577-03). М.: АООТ ВТИ, 2003.

54. Фролов, В.П. Оценка остаточного ресурса нефтегазопромыслового оборудования статистическим методом / В.П. Фролов, В.М. Стояков, В.В. Воробьёв // Промышленная энергетика. 1999. - №5. - С. 11.

55. Хазов, Б.Ф. Эффективность функционирования и надёжность машин ремонтируемого класса / Б.Ф. Хазов // Вестник машиностроения. 1998. - №12.1. C.18.

56. Хасанов, А.Р. Метод гибкого приоритетного планирования ремонтных работ / А.Р. Хасанов, Л.С. Казаринов, Д.А. Шнайдер // Вестник ЮУрГУ. Серия142

57. Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2004. - Вып.З, №9(38).-С. 98-103.

58. Хасанов, А.Р. Экспертное нормирование показателей частных ресурсов энергоагрегатов с использованием нечеткой логики / А.Р. Хасанов, Д.А. Шнайдер. // XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий. Тезисы докладов. -Миасс: МСНТ, 2006. 82 с.

59. International electrotechnical vocabulary. Chapter 191. Reliability, Maintainability and Quality of Service. Geneva: International Electrotechnical Commission. 1987. 75 p.

60. Generic Guidelines for the Life Extention of Fossil Fuel Power Plants. EPRI CS-4778, Project 2596-1, Final Report // November. 1986. Palo-Alto. California 94 304.