автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления технологическим процессом наладки электрооборудования электровоза

На правах рукописи

Ушаков Константин Юрьевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАЛАДКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск-2013

21 НОЯ 2013

005539298

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Дунаев Михаил Павлович доктор технических наук, профессор

Жирабок Алексей Нилович доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет», зав. каф. ДВФУ, г. Владивосток.

Благодарный Николай Семенович кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия», зав. каф. ATTA, г. Ангарск.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный

университет», г. Иркутск

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Тел.: (8-3952) 63-83-11 e-mail: mail@irgups.ru WWW: http://www.irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «ff » ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета Д218.004.01.

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ученый секретарь совета д.т.н., профессор

Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Согласно статистическим данным, средний износ локомотивов, эксплуатирующихся на железных дорогах России, достиг критической отметки 73 %. Известно, что за 30 - 40 лет службы локомотива затраты на его техническое обслуживание, ремонт и модернизацию в 6 - 7 раз превышают первоначальную стоимость локомотива. К сожалению, на большинстве находящихся в эксплуатации локомотивах недостаточно развита система диагностирования электрооборудования, хотя на неисправности электрической части приходится около 40% поломок локомотивов. Все вышеперечисленное приводит к длительным задержкам движения поездов, сопровождающимися значительными финансовыми потерям для ОАО "Российские железные дороги" (ОАО "РЖД").

Повышение эффективности процесса наладки электрооборудования (ЭО) локомотивов, улучшение качества и сокращение сроков наладки ЭО невозможно без совершенствования методов управления технологическим процессом контроля и наладки.

Под технологическим процессом наладки понимается необходимая последовательность действий персонала, с помощью которых производится доводка состояния оборудования до соответствия паспортным требованиям. Наладочные работы представляют собой совокупность операций по диагностированию, устранению возможных неисправностей и настройке отдельных элементов оборудования, а также всего комплекса в целом.

Совершенствование методов технической диагностики в значительной степени поможет сократить потери от внезапных отказов ЭО локомотивов. Методические основы исследований в области технического диагностирования заложены в работах Д.Вуда, Д.В.Гаскарова, Б.Гласса, Р.Джонсона, В.В.Карибского, Е.Лавлера, А.В.Мозгалевского, Ю.Ф.Мухопада, С.П.Ксендза, В.Д.Кудрицкого, О.И.Осипова, П.П.Пархоменко, Е.С.Согомоняна, Ю.С.Усынина и многих других ученых.

Внедрение на производстве современных информационных технологий, в частности, экспертных систем (ЭС), позволит в значительной степени автоматизировать технологический процесс наладки оборудования. Значительный вклад в развитие теории экспертных систем внесли работы С.Н.Васильева, Т.А.Гавриловой, П.Джексона, Л.В.Массель, В.М.Надточия, С.В.Назарова, С.Осуги, Э.В.Попова, Д.А.Поспелова, Д.Уотермена, Ф.Форсайта, Д.Элти и других ученых.

В связи с этим разработка и исследование автоматизированной

системы управления технологическим процессом наладки электрооборудования электровоза, основанной на применении логических методов технической диагностики и технологии экспертных систем, является актуальной научно-технической задачей.

Объектом исследования является технологический процесс наладки сложного электрооборудования электровоза.

Предметом исследования являются методы разработки интеллектуальных диагностических систем для поиска и устранения неисправностей электрооборудования.

Цель работы и основные направления исследований

Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) наладки электрооборудования электровоза переменного тока, повышающей эффективность процесса поиска неисправностей и организации ремонта электрооборудования.

Дня достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проанализировано современное состояние систем и методов диагностирования электрооборудования, а также приходящихся на долю электрооборудования неисправностей в электровозах переменного тока;

• на основании анализа методов поиска неисправностей предложен новый логический метод диагностирования электрооборудования;

• опираясь на предложенный логический метод диагностирования, были разработаны новые алгоритмы технического диагностирования электрооборудования электровоза;

• руководствуясь разработанными алгоритмами технического диагностирования, были предложены структуры баз знаний экспертных систем для поиска неисправностей электрооборудования электровоза;

• на основе предложенных структур баз знаний были разработаны локальные экспертные системы с последующей интеграцией их в АСУ ТП наладки электрооборудования электровоза переменного тока.

Методы исследования

Для решения вышеприведенных задач применялись математический аппарат булевой алгебры, технологии разработки экспертных систем, методы экспериментального исследования.

Все теоретические положения данной научной работы прошли экспериментальную проверку при наладке электрооборудования электровозов переменного тока.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту

• впервые предложенный логический многошаговый метод диагностирования с учетом характеристик доступности, отличающийся от известных методов половинного деления правилами выбора первой проверки в объекте диагностирования;

• разработанные на основе предложенного метода логические алгоритмы технического диагностирования электрооборудования электровоза, в том числе: двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, электропривода постоянного тока с системой управления;

• структуры баз знаний, разработанные применительно для поиска и устранения неисправностей электрооборудования электровоза;

• полученные формализованные представления баз знаний для поиска и устранения неисправностей электрооборудования электровоза, позволяющие реализовать экспертные системы в различных инструментальных средах;

• разработанные базы знаний для диагностирования электрооборудования электровоза;

• создана АСУ ТП наладки ЭО, интегрирующая экспертные системы для диагностирования и организации ремонта электрооборудования электровоза.

Практическая ценность

Разработанная АСУ ТП наладки ЭО позволяет существенно сократить время поиска неисправностей электрооборудования электровоза переменного тока по сравнению с традиционными методами поиска и устранения неисправностей.

Реализация и внедрение результатов работы

Созданный интеллектуальный диагностический комплекс, входящий в АСУ ТП наладки ЭО, использован в «Иркутском депо по ремонту локомотивов» для диагностирования и организации ремонта электрооборудования локомотивов серии ВЛ85.

Апробация работы. Диссертационные исследования и выводы обсуждались: на Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» в Иркутском государственном техническом университете в 2009-2012 гг., г. Иркутск; на VII Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и студентов «Инноватика-2011» в Томском Государственном Университете, г. Томск, 2011 г.; на Международной научно-практической конференции аспирантов и студентов

«Современные инновации в науке и технике» в Юго-Западном Государственном Университете, г. Курск, 2011 г.; на семинарах кафедры «Электропривод и электрический транспорт» Иркутского государственного технического университета в 2009-2013 гг.

Личный вклад

Результаты исследований, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором. В совместных публикациях результатов исследований автору принадлежат: логический метод диагностирования электрооборудования (многошаговый метод с учетом характеристик доступности); разработка алгоритмов диагностирования электрооборудования и баз знаний экспертных систем электрооборудования электровоза. Также лично автором проведены экспериментальные исследования интеллектуального диагностического комплекса.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций. В работах с соавторами соискателю принадлежит 50 % результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и 2 приложений, содержащих тексты примеров разработанных экспертных систем. Основная часть диссертации содержит 136 страниц текста, 39 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, указаны научная новизна и практическая ценность диссертации, представлены основные положения, выносимые на защиту, а также информация о внедрении и апробации работы.

Первая глава посвящена анализу основных неисправностей электрооборудования электровозов переменного тока; существующих средств технической диагностики электрооборудования; методов технической диагностики, комплексной оценке состояния программных продуктов с искусственным интеллектом.

Износ локомотивов на российских железных дорогах достиг критической отметки. В среднем он равен 73,3 %, а на некоторых дорогах, таких как Куйбышевская, Южно-Уральская, Западно-Сибирская, износ электровозов составляет 73,9 %. Учитывая, что жизненный цикл

эксплуатации локомотива составляет около 30 лет, становится понятным, что основная часть парка локомотивов уже выработала свой ресурс эксплуатации и в такой ситуации становятся неизбежными поломки электрооборудования. В настоящее время идет обновление локомотивного парка на российских железных дорогах, но процесс этот очень дорогостоящий и медленный.

Комплексная оценка состояния программных продуктов с искусственным интеллектом показывает, что системы данного класса нашли применение для мониторинга электрооборудования электровозов новых серий. Современные типы электровозов оснащаются микропроцессорными системами управления, имеющими в своем составе, как правило, автоматические диагностические ЭС. Подобные ЭС работают в режиме реального времени и получают необходимую диагностическую информацию от встроенных в оборудование интеллектуальных датчиков. К сожалению, для диагностирования электрооборудования локомотивов ранних серий, эксплуатирующихся ОАО «РЖД» в филиале Восточно-Сибирской железной дороги, встроенные автоматические диагностические ЭС не применяются вследствие необходимости значительных затрат, требующихся на переоснащение существующего оборудования, в т.ч. встроенными интеллектуальными датчиками.

Эффективность технологического процесса наладки

электрооборудования локомотивов ранних серий может быть повышена за счет разработки и внедрения автоматизированной системы управления технологическим процессом наладки электрооборудования электровозов, основанную на применении логических методов технической диагностики и технологии экспертных систем.

Технологический процесс наладки промышленного оборудования можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1, где: ОН — объект наладки (электровоз); СИ — средства измерения (тестер, осциллограф и др.); ТСН - технические средства наладки (монтажный инструмент, запасные детали и блоки и др.); СН - субъект наладки (человек, специалист по наладке); МН - метод наладки (программа наладки, экспертная система и т.п.); XI... хч , 21... - входные и выходные измеряемые сигналы ОН, по которым производятся непосредственные технологические переходы; у1... у„ - наблюдаемые признаки дефектов ОН, по которым производятся косвенные технологические переходы.

Рис. 1. Схема технологического процесса наладки

Успешность проведения технологического процесса наладки ОН зависит от правильного выбора последовательности при выполнении технологических переходов, т.е. от владения методами поиска дефектов.

Основные результаты первой главы: выполнен анализ существующих экспертных систем для диагностирования электрооборудования; проведенный анализ технологии наладки электрооборудования показал, что эффективность технологического процесса наладки оборудования может быть повышена за счет разработки и внедрения экспертных систем.

Во второй главе работы представлены детализированные автором функциональные схемы электрооборудования электровоза и алгоритмы его диагностирования: схемы электрической части электровоза переменного тока, двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (ДПТ с ПВ) и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД с КЗР), а так же электропривода постоянного тока с управляемым выпрямителем (ЭП ПТ с У В). Данные схемы представлены на рис. 2-5.

Функциональная схема ДПТ с ПВ представлена на рис. 2.

На рис. 2 обозначено: СР (1) - сглаживающий реактор; АЯ и ОВ (2) -высоковольтный автоматический выключатель обмотки якоря и обмотки возбуждения; ОДП (3) - обмотка дополнительных полюсов; ЩА (4) -щеточный аппарат; К (5) - коллектор; ЯО (6) - обмотка якоря; ОВ (7) -обмотка возбуждения; МЧС (8) - механическая часть станины; МЧЯ (9) -механическая часть якоря; Н (10) - нагрузка; Иув - выходное напряжение управляемого выпрямителя; Ф - магнитный поток; 1ув - ток на выходе выпрямителя; ЭДн - частота вращения якоря.

Рис. 2. Функциональная схема ДПТ с ПВ

Функциональная схема АД с КЗР представлена на рис. 3.

На рис. 3 обозначено: КБ (1) - конденсаторная батарея; КМ (2) - силовой электромагнитный контактор; КК (3) - тепловое реле; СО (4) - статорная обмотка; МЧС (5) - механическая часть статора; РО (6) - роторная обмотка; МЧР (7) - механическая часть ротора; Н (8) - нагрузка; ис - напряжение питающей сети переменного тока; Ф - магнитный поток; \¥р - частота вращения ротора.

№ Ф

Рис. 3. Функциональная схема АД с КЗР

Функциональная схема ЭП ПТ с УВ представлена на рис. 4.

На рис. 4 обозначено: СТ (1) - силовой трансформатор; СС (2) -силовая схема преобразователя; ВБ (3) - выключатель быстродействующий; Н (4) - нагрузка преобразователя; ВА (5) - выключатель автоматический; БП (6) - блок питания системы управления; ИСН (7) - источник синхронизирующего напряжения; ГПН (8) - генератор пилообразного напряжения; К (9) - компаратор; УФ (10) - усилитель-формирователь импульсов управления; ГР (11) - устройство гальванической развязки; УО (12) - управляющий орган; ДТ (13) - датчик тока; ФДТ (14) - фильтр датчика

тока; РТ (15) - регулятор тока; 11с - напряжение питающей сети переменного тока; Щт - выходное напряжение датчика тока; ифдт - выходное напряжение фильтра датчика тока; Ш - задающее напряжение; ибп -выходное напряжение блока питания; ирт - выходное напряжение регулятора тока; иуо - выходное напряжение управляющего органа; ик -выходное напряжение компаратора; иуф - выходное напряжение усилителя-формирователя импульсов; игр - выходное напряжение устройства гальванической развязки; ивх - входное напряжение силовой схемы преобразователя; Чвых - выходное напряжение преобразователя; 1н - ток нагрузки.

Рис. 4. Функциональная схема ЭП ПТ с УВ

Функциональная схема электрической части электровоза переменного тока представлена на рис. 5.

На рис. 5 обозначено: Т (1) - токоприемник; ГВ (2) - главный выключатель; СТ (3) - силовой трансформатор; ВУВ (4) - выпрямительная установка, питающая обмотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперации; ВИП (5) - выпрямительно-инверторный преобразователь; ТЭД (6) - тяговый электродвигатель; ВМ (7) - вспомогательные машины (вентиляторы охлаждения ТЭД, маслонасос.); БП (8) - блок питания; ЦУ (9) - низковольтные цепи управления; СИФУ ВИП (10) - система импульсно-фазового управления выпрямительно-инверторного преобразователя;

СИФУ ВУВ (11) - система импульсно-фазового управления выпрямительной установки, питающая обмотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперации; 11с - напряжение питающей сети переменного тока; ивх - входное напряжение силового трансформатора; Ивых - выходное напряжение силового трансформатора; \¥н - частота вращения якоря.

Рис. 5. Функциональная схема электрической части электровоза переменного тока

Исследование известных методов технического диагностирования (использующие N, Р, Т, РТ и S - алгоритмы1) применительно к электрооборудованию электровоза показало, что результаты их работы не в полной мере удовлетворяют требованию минимизации средних затрат на поиск неисправностей. Это послужило основанием для начала разработки нового логического метода диагностирования электрооборудования.

Автором предложен новый логический метод диагностирования электрооборудования - многошаговый метод с учетом характеристик доступности (PTS-метод), отличающийся от известных методов половинного деления правилами выбора первой проверки в объекте диагностирования.

Суть данного метода заключается в том, что первой выполняется проверка того блока, где отношение р(е¡)/ t(e) имеет самое большое числовое значение по сравнению с другими блоками ОД (р(е,) — вес г-го технического

1 Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электропривода. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 138 с.

п

состояния среди других технических состояний, t(e-) - время проверки /-го блока, е,- - техническое состояние г'-го функционального блока, Е ^ -

множество технических состояний объекта диагностирования, ei е Ет ■ Последующие проверки выполняются так, чтобы суммы средних арифметических S(ej веса pfej и доступности d(e\) проверок соответствовали выражению (1):

¿5(е,)«.25(в<)«0,5, (1)

/=1 l-k+l

где S(e,) ~[p(ei) +d(ej)]/2 , d(e) — доступность проверки: величина, зависящая от времени реализации проверки tfej; к — число блоков, для которых справедливо соотношение (1); N - число блоков функциональной схемы. Величины pfej, t(ej), S(eJ и d(ej) нормированы следующим образом:

I'fc-H, id{e,)=\, Г'Ц-)

¿ = 1 / = 1 / = 1 j = i a(ei)~ N

0<p(ei)<l,0<t(ei)<l,0<S(ei)<\,0<d(ei)<l, (ei]

На основе разработанного PTS-метода были построены алгоритмы диагностирования электрической части электровоза переменного тока, двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а так же электропривода постоянного тока с управляемым выпрямителем, показанные соответственно на рис. 6-9, где кружками с цифрами внутри обозначены элементарные проверки функциональных блоков, цифрами 0 и 1 -результаты проверки блоков (неисправен или исправен), прямоугольниками с цифрами внутри обозначены результаты проверок (номер неисправного блока).

Рис. 6. Граф PTS-алгоритма диагностирования АД с КЗР

Рис. 7. Граф РТ8 - алгоритма диагностирования для ДПТ с ПВ

Рис. 9. Граф РТБ-алгоритма диагностирования электрической части электровоза переменного тока

Средние затраты диагностирования для определения одного технического состояния объекта диагностирования2, обозначенные как С(20,Ет), могут быть найдены по выражению (2):

N г,-

С{20,ЕГ) = ]Г [р(.е,)2^ '(£*)]> (2)

<=1 го

где 2а - первая проверка алгоритма диагностирования;

г,

^ г{ек)- сумма времен проверок алгоритма диагностирования от проверки 2Я до проверки

Выражение (2) позволяет определить качество любого алгоритма диагностирования при различных временах элементарных проверок и весах технических состояний ОД и может быть использована как целевая функция оптимизации алгоритмов диагностирования.

Сравнение средних затрат диагностирования для шести исследуемых методов показано в табл. 1.

1 Кудрицкий В.Д., Синица Н.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Советское Радио, 1977.256 с.

Таблица 1

Порядковое место алгоритма диагностирования Наименование электротехнического оборудования

АД с КЗР (рис. 6) ДПТсПВ (рис. 7) ЭП ПТ с УВ (рис. 8) Электрическая часть электровоза переменного тока (рис. 9)

Средние затраты Алгоритм диагностирования Средние затраты Алгоритм диагностирования Средние затраты Алгоритм диагностирования Средние затраты Алгоритм диагностирования

1 0,1387 рте 0,1006 РТБ 0,1404 РТБ 0,1524 РТв

2 0,19 РТ 0,1036 Б 0,1668 N 0,1693 N

3 0,2025 р 0,1038 N 0,2015 Р 0,1979 Р

4 0,2119 N 0,1114 РТ 0,2031 Б 0,2163 Т

5 0,2127 Б 0,258 Р 0,2171 РТ 0,2296 Б

6 0,3101 Т 0,2593 т 0,2674 Т 0,2326 РТ

При построении структур баз знаний экспертных систем для поиска и устранения неисправностей электрооборудования были приняты вышерассмотренные РТБ - алгоритмы, т.к. они имеют минимальные средние затраты диагностирования для рассмотренных объектов.

Основные результаты второй главы: детализированы функциональные и логические схемы электрооборудования, разработан новый метод диагностирования, построены алгоритмы поиска неисправностей для диагностирования электрооборудования; проанализирована эффективность алгоритмов диагностирования.

В третьей главе рассмотрены этапы создания баз знаний ЭС для диагностирования электрооборудования электровоза.

На первом этапе составляется функциональная схема объекта диагностирования. Затем на основе функциональной схемы объекта диагностирования строится логическая схема, в соответствии с которой составляются логические уравнения. Данные логические уравнения показывают, какие входные и выходные параметры определяют исправность каждого конкретного блока в логической схеме.

На втором этапе должна быть выбрана оптимизированная логическая схема поиска неисправности. Во всех рассмотренных объектах диагностирования лучшую эффективность имеет РТБ-алгоритм, т.е многошаговый метод с учетом характеристик доступности.

На третьем этапе производится структурирование базы знаний (БЗ).

На четвертом этапе в соответствии с имеющейся структурой базы знаний последняя наполняется знаниями экспертов о наладке объекта диагностирования. В проектируемую БЗ также включают логические

уравнения, которые отражают знания о функциональной схеме объекта диагностирования.

База знаний структурирована согласно особенностям электрооборудования электровоза и представляет собой наборы правил, каждый из которых обеспечивает проверку функционирования отдельных блоков логической схемы поиска неисправности. На рис. 10 представлена структура базы знаний для наладки электрооборудования электровоза.

Рис. 10. Структура БЗ для наладки электрооборудования электровоза

База знаний ЭС для наладки электрооборудования электровоза формализована логическими выражениями вида (3):

Л. С tUi)=> СНг), .Л C.(;.)^D(r), (3)

где: г = 1, М - номер вопроса системы (М- общее количество вопросов), 1(г) - множество номеров вопросов, составляющих антецедент правила г, Ci(j) -высказывания, образуемые вопросами ЭС и принимающие значения из множества {0,1} (0 - ложь, 1 - истина) в зависимости от ответов пользователя ji е{0,1}\ Ck(r) - промежуточные, а D(r) - окончательные выводы ЭС.

Для объединения баз знаний ЭС и сокращения времени поиска неисправностей был создан интеллектуальный диагностический комплекс (ИДК) для наладки ЭО электровоза переменного тока (рис. 11).

Рис. 11. Структура ИДК для наладки ЭО электровоза переменного тока

Данный комплекс входит в АСУ ТП наладки ЭО электровоза.

Комплекс имеет иерархическую структуру базы знаний, интегрирующую базы знании о неисправностях основных узлов электрооборудования электровоза.

Основные результаты третьей главы: изложена методика построения экспертных систем для наладки электрооборудования; структурированы базы знаний экспертных систем для диагностирования и организации ремонта электрооборудования электровоза; разработаны базы знаний для наладки электрооборудования электровоза, двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, электропривода постоянного тока с управляемым выпрямителем; разработан интеллектуальный диагностический комплекс для наладки электрооборудования электровоза переменного тока.

В четвертой главе произведено описание апробации интеллектуального диагностического комплекса на примере наладки электрооборудования электровоза ВЛ85.

Описаны экспериментальные исследования интеллектуального диагностического комплекса и проведено сравнение со стандартными методиками, используемыми в настоящее время локомотивными бригадами и ремонтным персоналом.

Стандартные методики поиска неисправностей основаны на использовании логических и принципиальных электрических схем электровоза, а так же на рекомендациях завода-изготовителя.

По результатам исследования проведено сравнение эффективности наладки электрооборудования электровоза с помощью традиционных методик и с помощью интеллектуального диагностического комплекса.

Для сравнения были приняты следующие показатели: время поиска неисправности и общее время диагностирования и ремонта электрооборудования электровоза.

В заключительной части четвертой главы были рассчитаны экономические показатели применения интеллектуального диагностического комплекса для наладки электрооборудования электровоза.

По результатам поиска и устранения неисправностей на локомотивах ВЛ85 была составлена итоговая табл. 2.

Таблица 2

Кол-во отказов Наименование объекта Место устранения неисправности Месяц, год наладки Время поиска неисправностей, мин Общее время наладки, мин

СМ ИДК СМ ИДК

I 2 3 4 5 6 7 8

18 Электрооборудование электровоза ВЛ85 Участок «Зима-Слюдянка» 06.2011 12.2011 225,75 93 262,25 129,5

23 Электропривод электровоза ВЛ85 Иркутское депо по ремонту локомотивов 03. 2012 123 38,5 211,5 127

Итоги эксперимента 348,75 131,5 473,75 256,5

В табл. 2 приняты следующие сокращения: ИДК - интеллектуальный диагностический комплекс, СМ - стандартные методики, используемыми в настоящее время локомотивными бригадами и ремонтным персоналом.

Основные результаты четвертой главы: приведены примеры поиска и устранения неисправностей электрооборудования электровоза переменного тока локомотивной бригадой и с помощью - интеллектуального диагностического комплекса; применение интеллектуального диагностического комплекса для наладки электрооборудования электровоза ВЛ85 в среднем в два раза сократило время наладки и обеспечило соответствующее снижение расходов на ее проведение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проанализировано современное состояние систем и методов диагностирования электрооборудования, а также приходящихся на долю электрооборудования неисправностей в электровозах переменного тока.

2. На основании анализа методов поиска неисправностей предложен новый логический метод диагностирования электрооборудования (многошаговый метод метод с учетом характеристик доступности).

3. Опираясь на предложенный логический метод диагностирования, были разработаны новые алгоритмы технического диагностирования, а именно: электрооборудования электровоза переменного тока, двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, электропривода постоянного тока с системой управления.

4. Руководствуясь разработанными алгоритмами технического диагностирования, были предложены структуры баз знаний экспертных систем для поиска неисправностей промышленного электрооборудования.

5. На основе предложенных структур баз знаний были разработаны формализованные представления баз знаний для поиска неисправностей промышленного электрооборудования, позволяющие реализовать экспертные системы в различных инструментальных средах.

6. Создана автоматизированная система управления технологическим процессом наладки электрооборудования электровоза, интегрирующая экспертные системы для диагностирования и организации ремонта электрооборудования электровоза переменного тока.

7. Проведенные экспериментальные исследования разработанного интеллектуального диагностического комплекса, входящего в АСУ ТП наладки ЭО, показали, что его применение позволяет сократить среднюю продолжительность наладки примерно в два раза.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК

¡.Дунаев, М.П. Алгоритмы диагностирования электрооборудования электровозов / М.П. Дунаев, К.Ю. Ушаков // Вестник ИрГТУ. - 2010. -№6 (46).-С.214-219.

2. Ушаков, К.Ю. Алгоритмы диагностирования управляемых выпрямителей / К.Ю. Ушаков Н Вестник ИрГТУ. - 2011. - № 6 (53). - С. 137-141.

3. Дунаев, М.П. Времявероятностный метод для диагностирования электрооборудования электровоза / М.П. Дунаев, К.Ю. Ушаков // Вестник ИрГТУ. -2012. -№ 10 (69). - С.224-233.

В других журналах и изданиях

4. Дунаев, М.П. Проблемы технической диагностики электрооборудования электровозов / М.П. Дунаев, К.Ю. Ушаков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства использования энергии в условиях Сибири». - 2009. - С.88-91.

5. Дунаев, М.П. Экспертная система для технической диагностики электрооборудования электровозов ВЛ85 / М.П. Дунаев, К.Ю. Ушаков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства использования энергии в условиях Сибири». - 2009. - С.92-96.

6. Дунаев, М.П. Основные неисправности электрооборудования электровозов

/ М.П. Дунаев, К.Ю. Ушаков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства использования энергии в условиях Сибири». - 2010. - С.106-108.

7. Ушаков, К.Ю. Экспертная система для диагностирования двигателей постоянного тока последовательного возбуждения / К.Ю. Ушаков // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике». - 2011. - С.127-135.

8. Ушаков, К.Ю. Алгоритмы диагностирования двигателей постоянного тока / К.Ю. Ушаков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства использования энергии в условиях Сибири». - 2011. - С. 11-22.

9. Ушаков, К.Ю. Разработка диагностической экспертной системы для ремонта электрооборудования / К.Ю. Ушаков // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции «Инноватика - 2011». Том 1. — 2011. — С. 167-173.

10. Ушаков, К.Ю. Метод диагностирования неисправностей электрооборудования электровоза / К.Ю. Ушаков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства использования энергии в условиях Сибири». - 2012. - С.62- 65.

Подписано в печать: 05.11.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,27. Тираж 120 экз. Зак. 1135н

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка» БФ Сосновгеология. Юридический адрес: г. Иркутск, ул. Трактовая, дом 9. ИНН 7706042118 Справки и информация: тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Ушаков Константин Юрьевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НАЛАДКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор М.П. Дунаев

Иркутск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ........................................................................................10

1.1. Средства технической диагностики электрооборудования...........................10

1.2. Проблемы наладки электрооборудования.......................................................12

1.3. Анализ методов технического диагностирования..........................................15

1.3.1. Основные понятия технической диагностики...........................................15

1.3.2. Методы технического диагностирования ..................................................19

1.4. Методология эксперных систем.......................................................................21

1.5. Обзор технических эксперных систем.............................................................26

1.5.1. Система управления и диагностики электровоза ЭП10............................28

1.5.2. Система диагностики электровоза 2ЭС5....................................................29

1.5.3.Микропроцессорная система управления и диагностики МПСУ и Д электровоза 2ЭС6....................................................................................................31

1.5.4. Методы тепловизионного контроля подвижного состава........................32

1.5.5. Диагностирование тяговых электродвигателей грузовых электровозов

по параметрам магнитного поля............................................................................33

1.5.6.Оценка технического состояния электромеханических систем на основе сети Петри...................................................................................................34

1.5.7.Аппаратно-программный комплекс диагностирования технического состояния электрических цепей электропоездов.................................................35

1.5.8.Техническая диагностика полупроводниковых преобразователей и

релейно-контакторных устройств электроподвижного состава........................36

1.5.9.0рганизация мониторинга, экспертной диагностики и прогнозирования технического состояния силовых трансформаторов электроснабжения промышленных предприятий...............................................37

1.6. Выводы................................................................................................................39

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ..........................................40

2.1. Алгоритмы диагностирования двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.............................................................................40

2.2.Алгоритмы диагностирования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.....................................................................................46

2.3. Алгоритмы диагностирования электроприводов с управляемыми выпрямителями.........................................................................................................50

2.4. Алгоритмы диагностирования электрооборудования электровозов переменного тока......................................................................................................57

2.5. Многошаговый метод с учетом характеритик доступности (РТБ)...............63

2.5.1. РТ8-алгоритм диагностирования двигателя постоянного тока последовательного возбуждения...........................................................................66

2.5.2. РТ8-алгоритм диагностирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором...................................................................................68

2.5.3. РТБ-алгоритм диагностирования электропривода с управляемым выпрямителем и системой управления.................................................................70

2.5.4. РТБ-алгоритм диагностирования электрооборудования электровоза переменного тока....................................................................................................73

2.6.Эффективность алгоритмов диагностирования...............................................76

2.7. Выводы................................................................................................................77

3. РАЗРАБОТКА БАЗ ЗНАНИЙ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И РЕМОНТА

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ..................................................................................78

3.1. Проблемы разработки баз знаний эксперных систем для наладки электрооборудования................................................................................................78

3.2. Методика разработки баз знаний эксперных систем.....................................79

3.3. Разработка базы знаний для наладки двигателей постоянного тока............80

3.4. Разработка базы знаний для наладки асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.....................................................................................85

3.5. Разработка базы знаний для наладки электропривода постоянного тока с управляемым выпрямителем...................................................................................89

3.6. Разработка базы знаний для наладки электрооборудования электровоза... 93

3.7. Интеллектуальный диагностический комплекс..................................104

3.8. Выводы..............................................................................................................106

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.............................................................107

4.1. Исследование эксперной системы для налаки электрооборудования электровоза..............................................................................................................107

4.2. Тестирование и отладка эксперной системы................................................108

4.3. Апробация эксперной системы......................................................................109

4.4. Примеры поиска и утранения неисправностей электрооборудования электровоза..............................................................................................................110

4.5. Описание работы по поиску и устранению неисправностей локомотивной бригадой в цепях управления силового высоковольного выключателя «ГВ» электровоза ВЛ85....................................................................................................110

4.6. Описание процесса по поиску и устранению неисправностей в цепях управления высоковольтным выключателем «ГВ» электровоза ВЛ85............111

4.7 Примеры диагностирования и ремонта электропривода электровоза ВЛ85 №209 бригадой наладчиков...................................................................................114

4.8 Экономическая эффективность процесса поиска неисправности на

электровозе ВЛ85 эксперной системой................................................................119

4.9.Экономическая эффективность процесса поиска неисправности в электроприводе постоянного тока электровоза ВЛ85 экспертной системой... 121

4.10. Выводы............................................................................................................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................125

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Согласно статистическим данным, средний износ локомотивов, эксплуатирующихся на железных дорогах России, достиг критической отметки 73 %. Известно, что за 30 - 40 лет службы локомотива затраты на его техническое обслуживание, ремонт и модернизацию в 6 - 7 раз превышают первоначальную стоимость локомотива. К сожалению, на большинстве находящихся в эксплуатации локомотивах недостаточно развита система диагностирования электрооборудования, хотя на неисправности электрической части приходится около 40% поломок локомотивов. Наладка сложного оборудования, не снабженного системой автоматического диагностирования [91], представляет собой сложную задачу и требует высокого уровня квалификации обслуживающего персонала. Все вышеперечисленное приводит к длительным задержкам движения поездов, сопровождающимися значительными финансовыми потерям для ОАО "Российские железные дороги" (ОАО "РЖД").

Повышение эффективности процесса наладки электрооборудования (ЭО) локомотивов, улучшение качества и сокращение сроков наладки ЭО невозможно без совершенствования методов управления технологическим процессом контроля и наладки [63].

Под технологическим процессом наладки понимается необходимая последовательность действий персонала, с помощью которых производится доводка состояния оборудования до соответствия паспортным требованиям. Наладочные работы представляют собой совокупность операций по диагностированию, устранению возможных неисправностей и настройке отдельных элементов оборудования, а также всего комплекса в целом [96].

Совершенствование методов технической диагностики в значительной степени поможет сократить потери от внезапных отказов ЭО локомотивов. Методические основы исследований в области диагностирования заложены в работах Д.Вуда, Д.В.Гаскарова, Б.Гласса, Р.Джонсона, В.В.Карибского, Е.Лавлера, А.В.Мозгалевского, Ю.Ф.Мухопада, С.П.Ксендза,

B.Д.Кудрицкого, О.И.Осипова, П.П.Пархоменко, Е.С.Согомоняна, Ю.С.Усынина и многих других ученых.

Внедрение на производстве современных информационных технологий, в частности, экспертных систем (ЭС), позволит в значительной степени автоматизировать технологический процесс наладки оборудования. Значительный вклад в развитие теории экспертных систем внесли работы

C.Н.Васильева, Т.А.Гавриловой, П.Джексона, Л.В.Массель, В.М.Надточия, С.В.Назарова, С.Осуги, Э.В.Попова, Д.А.Поспелова, Д.Уотермена, Ф.Форсайта, Д.Элти и других ученых.

В связи с этим разработка и исследование автоматизированной системы управления технологическим процессом наладки электрооборудования электровоза, основанной на применении логических методов технической диагностики и технологии экспертных систем, является актуальной научно-технической задачей.

Объектом исследования является технологический процесс наладки сложного электрооборудования электровоза.

Предметом исследования являются методы разработки интеллектуальных диагностических систем для поиска и устранения неисправностей электрооборудования.

Цель работы и основные направления исследований.

Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) наладки электрооборудования электровоза (ЭО) переменного тока, повышающей эффективность процесса поиска неисправностей и организации ремонта электрооборудования.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проанализировано современное состояние систем и методов диагностирования электрооборудования, а также приходящихся на долю электрооборудования неисправностей в электровозах переменного тока;

• на основании анализа методов поиска неисправностей предложен новый логический метод диагностирования электрооборудования;

• опираясь на предложенный логический метод диагностирования, были разработаны новые алгоритмы технического диагностирования электрооборудования электровоза;

• руководствуясь разработанными алгоритмами технического диагностирования, были предложены структуры баз знаний экспертных систем для поиска неисправностей электрооборудования электровоза;

• на основе предложенных структур баз знаний были разработаны локальные экспертные системы с последующей интеграцией их в АСУ ТП наладки электрооборудования электровоза переменного тока.

Методы исследования.

Для решения вышеприведенных задач применялись математический аппарат булевой алгебры, технологии разработки экспертных систем, методы экспериментального исследования.

Все теоретические положения данной научной работы прошли экспериментальную проверку при наладке электрооборудования электровозов переменного тока.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту

• впервые предложенный логический многошаговый метод диагностирования с учетом характеристик доступности, отличающийся от известных методов половинного деления правилами выбора первой проверки в объекте диагностирования;

• разработанные на основе предложенного метода логические алгоритмы технического диагностирования электрооборудования электровоза, в том числе: двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, электропривода постоянного тока с системой управления;

• структуры баз знаний, разработанные применительно для поиска и устранения неисправностей электрооборудования электровоза;

• полученные формализованные представления баз знаний для поиска и устранения неисправностей электрооборудования электровоза, позволяющие реализовать экспертные системы в различных инструментальных средах;

• разработанные базы знаний для диагностирования электрооборудования электровоза;

• созданная АСУ ТП наладки ЭО, интегрирующая экспертные системы для диагностирования и организации ремонта электрооборудования электровоза.

Практическая ценность

Разработанная АСУ ТП наладки ЭО позволяет существенно сократить время поиска неисправностей электрооборудования электровоза переменного тока по сравнению с традиционными методами поиска и устранения неисправностей.

Реализация и внедрение результатов работы

Созданный интеллектуальный диагностический комплекс, входящий в АСУ ТП наладки ЭО, использован в «Иркутском депо по ремонту локомотивов» для диагностирования и организации ремонта электрооборудования локомотивов серии ВЛ85.

Апробация работы. Диссертационные исследования и выводы обсуждались: на Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» в Иркутском государственном техническом университете в 2009-2012 гг., г. Иркутск; на VII Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и студентов «Инноватика-2011» в Томском Государственном Университете, г. Томск, 2011 г.; на Международной научно-практической конференции аспирантов и студентов «Современные инновации в науке и технике» в Юго-Западном Государственном Университете, г. Курск, 2011 г.; на семинарах кафедры «Электропривод и электрический транспорт» Иркутского государственного технического университета в 2009-2013 гг.

Личный вклад. Результаты исследований, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором. В совместных публикациях результатов исследований автору принадлежат: логический метод диагностирования электрооборудования (многошаговый метод с учетом характеристик доступности); разработка алгоритмов диагностирования электрооборудования и баз знаний экспертных систем электрооборудования электровоза. Также лично автором проведены экспериментальные исследования интеллектуального диагностического комплекса.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций. В работах с соавторами соискателю принадлежит 50 % результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и 2 приложений, содержащих тексты примеров разработанных экспертных систем. Основная часть диссертации содержит 136 страниц текста, 39 рисунков, 12 таблиц.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ

1.1 Средства технической диагностики электрооборудования

На российских дорогах износ локомотивов достиг критической отметки. В среднем он равен 73,3 %, а на некоторых дорогах, таких как Куйбышевская, Южно-Уральская, Западно-Сибирская, износ электровозов составляет 73,9 %, а тепловозов 84,1 % [2]. Это свидетельствует о том, что поломки электрооборудования локомотивов становятся неизбежными.

Рост грузопотока на железных дорогах в совокупности с высокой изношенностью основных фондов обострил проблему дефицита подвижного состава, прежде всего - тягового подвижного состава [3].

В процессе длительной эксплуатации электровозов состояние электрических тяговых и вспомогательных машин, электроаппаратов, проводов, кабелей, изоляторов, изоляционных монтажных материалов постепенно ухудшается. Это может приводить к отказам в работе электровоза и к вынужденному отключению части его оборудования. Как показывает опыт эксплуатации электровозов, отказы электрооборудования распределяются следующим образом [44]: цепи управления работой электрооборудования - 30%, тяговые двигатели - 21%, управляемый выпрямитель - 17%, система управления электроприводом - 10%, вспомогательные машины - 8%, электроаппараты -5%, сглаживающие реакторы - 3%, индуктивные шунты и провода низковольтных цепей - по 2%, силовой трансформатор и силовые кабели - по 1%. Отказы в процессе эксплуатации отдельного электровоза могут вызвать нарушение работы целого участка дороги на длительное время [1].

Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплутационном уровне, обеспечивающем безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, н