автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математические модели и алгоритмы диагностирования автоматических выключателей в автоматизированных системах пожарной безопасности

На правах рукописи

МОРЩИНОВ ЕВГЕНИЙ ДМИТРИЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизированные системы

управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском институте пожарной безопасности МВД России

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Топольский Н. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Деев В.В .

кандидат технических наук старший научный сотрудник Пехотиков В. А.

Ведущая организация - Факультет подготовки сотрудников ГПС СП Университета МВД России

Защита состоится 27 октября 1998 г в 1400 часов на заседани: диссертационного совета Д052.03.02 в Московском институте пожарно безопасности МВД России по адресу: 129366, Москва, ул. Борис Галушкина, дАзад Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИПБ МВ^ России.

Автореферат разослан //г- 1998 г., исх. №

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью проси? направить в МИПБ МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок: 283 19 05

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Т. Г. Меркушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизированные системы пожарной безопасности (АСПБ) применяются для защиты высокорисковых объектов, в состав которых, как правило, входят электрические установки, элементами которых являются автоматические выключатели (АВ), представляющие собой аппараты защиты этих установок.

За последние 80 лет развитие автоматических выключателей стимулировалось возрастающими требованиями к их массе, габаритам, быстродействию, надежности, коммутационной способности, универсальности, энергопотреблению и регулируемости параметров. В 70 - е годы появились новые требования, связанные с использованием автоматических выключателей в автоматизированных системах управления. Возникла проблема обмена информацией между автоматическими выключателями и другими элементами систем.

Известны три основных направления решения этой проблемы:

- получение, обработка и выдача информации о режиме работы электроустановки;

- управление алгоритмом функционирования автоматического выключателя с помощью команд, задаваемых системой;

- диагностирование автоматического выключателя во время функционирования системы.

В работах, посвященных этой проблеме, предлагаются новые элементы и алгоритмы функционирования автоматических выключателей для построения их нового поколения. Методы построения аппаратов защиты электроустановок остаются прежними, основанными на интуитивных подходах, которые не обеспечивают информационной совместимости с АСУ и диагностирование этих аппаратов.

Поэтому разработка методов диагностирования автоматических выключателей на основе их математических моделей является весьма актуальной задачей, включенной в план научной деятельности МИПБ МВД России.

Цель работы состоит в создании математического описания и алгоритмов диагностирования автоматических выключателей, которые можно реализовать с использованием современной вычислительной техники.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований разработаны:

- теоретически обоснованая функционально полная система конечных автоматов для построения математических моделей автоматических выключателей;

- гомоморфные конечные автоматы для автоматических выключателей;

- диагностические модели для полной системы функциональных частей автоматических выключателей;

- конечные автоматы и диагностические модели автоматических выключателей для рабочих режимов функционирования;

- алгоритмы диагностирования для полной системы функциональных частей автоматических выключателей;

- алгоритмы диагностирования автоматических выключателей для рабочих режимов функционирования

Методы исследования. В работе использованы методы теории конечных автоматов, технической диагностики, алгебры логики, теории гра-•фов.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований позволяют: создавать автоматические выключатели из определенного набора их функциональных частей, описываемых конечными детерминированными автоматами; синтезировать математическую модель любого аппарата защиты электроустановок из набора конечных автоматов, входящих в полную систему; строить диагностические модели и алгоритмы диагностирования для любой композиции автоматического выключателя; создавать новое поколение аппаратов защиты электроустановок на основе математического описания; разрабатывать средства диагностирования для новых и модернизируемых автоматических выключателей; повысить надежность этих аппаратов и обеспечить совместимость их с другими элементами системы управления; снизить трудозатраты при эксплуатации и повысить достоверность проверок.

Реализация результатов работы. Методика диагностирования автоматических выключателей с полупроводниковым расцепителем принята для использования в технической документации по наладке и эксплуатации автоматических выключателей серии А3700 на электростанциях и подстанциях АО МОСЭНЕРГО.

Результаты диссертационной работы приняты НПО ХИМТЕХНИКА для использования в разработках по созданию систем диагностирования объектов в химической промышленности, Институт "НИИ ГРАФИТ" использует результаты, полученные в диссертационной работе для обеспече-

ния противопожарных режимов электроаппаратуры в производственных помещениях.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 4 - й Международной конференции "Информатизация систем безопасности" в Высшей инженерной пожарно - технической школе МВД России в 1995 г; на 5 - й и 6 - й Международных конференциях "Системы безопасности" в Московском институте пожарной безопасности в 1996, 1997 гг. и на Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" в Академии МВД России в 1996 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в б печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 64 отечественных и 17 зарубежных наименований, приложения. Объем диссертации 332 стр., в том числе, 149 стр. основного текста, 89 рисунков, 91 таблица.

На защиту выносятся следующие положения:

- полная система конечных автоматов для построения логических сетей АВ;

- гомоморфные конечные автоматы для основных классов автоматических выключателей;

- диагностические модели и алгоритмы диагностирования функциональных частей для композиции АВ;

- диагностические модели и алгоритмы диагностирования АВ для рабочих режимов функционирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Анализ автоматических выключателей как объектов диагностирования" исследованы основные типы этих аппаратов защиты и признаки их классификации. Выявлено семь классификационных признаков и на их основе разработана единая классификация, включающая 16 классов и 34 подкласса. Проведен анализ каждого из классов и выбрана совокупность наиболее широко применяемых классов для дальнейших исследований.

Разработана структурная схема АСПБ электрической установки (ЭУ) (рис. 1), включающей электросеть (ЭС), внешнее устройство управления (ВУ), привод (П), автоматический выключатель (АВ), защищаемую электрическую цепь (ЭЦ), систему пожарной сигнализации (СПС), автоматизированную установку пожаротушения (АУЛ) и окружающую среду (ОС).

Определены внешние связи этой системы и внутренние связи между элементами системы. Рассмотрены нештатные режимы работы объекта защиты (03) и функции, реализуемые АВ в этих режимах.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы пожарной безопасности электроустановки

Исследована структура сигналов, поступающих на входы АВ. Сигнал Хзц представлен тремя двоичными переменными: проводимостью перегрузки, проводимостью короткого замыкания и проводимостью максимальной нагрузки. Сигнал Хэо также представлен тремя двоичными переменными: напряжением питания, напряжением защиты при включении и напряжением защиты при отключении. Сигнал Хп представлен двумя двоичными переменными: силой включения и силой отключения. Каждый из сигналов Хэу, Хспс представлен одной двоичной переменной - напряжени-ем.Рассмотрена структура дополнительных входных сигналов Хэ, Хв, первый из которых используется для регулировки электрических уставок, а второй - для регулировки уставок времени.

В работе рассматривался сложный АВ, синтезированный в результате композиции из множества АВ, выбранных для анализа. Исследована структура выходного сигнала Ъи АВ. Этот сигнал представлен 9 двоичными переменными: выходным напряжением, током перегрузки, током короткого замыкания, максимальным током, проводимостью размыкающих контактов, проводимостью замыкающих контактов, координатой индикатора отключенного состояния, координатой индикатора включенного состояния и координатой индикатора расцепленного состояния. Для каждой двоичной переменной определены области физических значений, соответствующие логическим значениям из множества {0,1}. Построены графики физических переменных, иллюстрирующие области значений их двоичных отображений. Исследованы внутренние состояния АВ. Установлено, что сложный АВ имеет 7 внутренних состояний: включенное, отключенное, расцепленное, перегрузки, короткого замыкания, максимального тока и минимального напряжения.

Исследованы рабочие алгоритмы функционирования автоматических выключателей и сделан анализ возможных переходов их из одного внутреннего состояния в другое под воздействием внешних и внутренних сигналов. Установлено, что электрические уставки и уставки времени являются исходными данными, влияющими на алгоритм функционирования АВ. Каждая из этих уставок разбивает значение физической переменной на две области и определяет зависимость между этой переменной и ее логическим отображением.

Результаты исследований, проведенных в первой главе, позволили сделать вывод о том, что АВ являются логическими устройствами и к ним можно применять теорию конечных автоматов. В соответствии с этой теорией проведена классификация АВ и выбран тип их математических моделей в виде асинхронных конечных детерминированных автоматов.

Во второй главе "Синтез конечных автоматов для композиции автоматических выключателей" проведен синтез конечных автоматов для полной композиции исследуемых АВ и выполнен блочный синтез гомоморфного автомата, содержащего все те и только те блоки, которые имеются в любом АВ, входящем в композицию. Блоки синтезированы по видам и характеру преобразования входных сигналов.Определено четыре блока автомата: главная цепь вщ, контактная система Окс, механизм управления Ому и блок расцепителей С6р (рис. 2). Для каждого блока установлены реализуемые функции, вид входных и выходных сигналов, внешние и внутренние связи.

!эсП1х?сГ~

■___1 I

! П К^-Ь

!___I !

бмз

Ума

У*

5-Р

гкс

Г"1

1 ва

; У

'ЕР

АВ

И

"ги,

эц

Хэц

83

I___I

ГЦ

Рис. 2. Блок - схема гомоморфных автоматов для автоматических выключателей

По алгоритму функционирования все АВ разделены на два класса: самовзводные и несамовзводные, каждый из которых включает два подкласса: с минимальным расцепителем и без минимального расцепителя. Для каждого класса построена функциональная схема с полным набором функциональных частей.Для несамовзводных АВ определено 10 функциональных частей: главная цепь, главные контакты, вспомогательные контакты, механизм управления, расцепитель тепловой, расцепитель полупроводниковый, расцепитель независимый, расцепитель минимальный, блок электромагнитных расцепителей и блок токоограничивающих устройств, из которых главная цепь входит в блок Ога, главные контакты и вспомогательные контакты - в блок Окс, механизм управления - в блок Ому, а остальные функциональные части - в блок йбр. Проведено сравнение функциональных схем для самовзводных и несамовзводных АВ и установлено, что они содержат одни и те же функциональные части, но различаются принципами построения и алгоритмами функционирования механизмов управления. Поэтому в блок Ому была включена вторая функциональная часть - механизм управления для самовзводных АВ. Полученные 11 функциональных частей образуют полную систему, на основе которой можно построить любой АВ из выбранных классов.

Проведен абстрактный синтез конечного детерминированного автомата для каждой из 11 функциональных частей. В результате установлено, что математическими моделями механизмов управления, теплового, полу-

проводникового и минимального расцепителей являются конечные автоматы с памятью, а остальных функциональных частей - комбинационные схемы. Алгоритмы функционирования автоматов с памятью описаны таблицами переходов-выходов, формулами булевой алгебры и графами переходов-выходов, а автоматов без памяти - таблицами истинности и формулами булевой алгебры. При описании алгоритмов функционирования автоматов использовалась единая методика, которая для устройств с памятью проиллюстрирована на примере несамовзводного механизма управления.

Вначале математическая модель механизма была представлена в виде схемы (рис. 3) с множествами {хв, х0, урн, Урм, УРэ. Урт}, { Утр, Ую-, Утг. Утв> гив, гт, 2Ир}, {узе, У™} соответственно входных, выходных и внутренних переменных.

Рис. 3. Схема автомата для несамовзводного механизма управления

По вычисленным значениям функций я ^+1), у(1:) построена таблица переходов-выходов автомата Омн (табл. 1) и граф переходов-выходов этого автомата (рис. 4).

Таблица1

Таблица переходов-выходов автомата Омн

Ч(1+1), уф Входные наборы

ач1 аЧ2 а„з аЧ4 | ам5 амб 1 ам7

Ямо Ямо,VI Ямв^2 Ямо,VI

Ямв Ям„,У2 Ямо,VI Ямо^З

Ямо 1 Ямо,VI Ямс^з

По схеме (рис.3) путем разрыва обратных связей построен комбинационный эквивалент автомата Ом„ (рис. 5), а по табл.1 - описание этого эквивалента в виде таблицы истинности (табл. 2), где

Ут — Утр — Утг ~ Утв

О-мз А*, ам&/7Г3

Рис. 4. Граф переходов-выходов автомата в мн для несамовзводного механизма управления

Рис. 5. Эквивалентная схема автомата в,

Таблица 2

Таблица истинности автомата Очн

Входные переменные Выходные переменные

Ут У3С Хо хв Уоц Ут ^ио ^из ^У.О Укт у'пк У'зс

0 1 ~ 0 0 0 1 0 0 1 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1

1 1 0 ~ 0 1 0 1 0 0 1 1

1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1

1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 ~ ~ 0 0 0 1 0 0 0

0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1

0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1

На основании табл. 2 была выведена следующая система булевых формул:

Ут =*о(УзсУрц ^упкХо)(Хв Ч/Упк); (!)

Узе =УзсУрц ^^УпкХо; (2)

Упк ~ Ут

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

2ио ~ УпкУзс 2ир = УпкУзс

устанавливающая зависимость выходных переменных {утр> ует, утг, утв, гт, 2И0, 2ир, УзС, Упк ) комбинационного эквивалента от входных переменных {хв, Х0) Урн, Урм> Урэ, Урт, узс, Упк}.

Построенные 11 абстрактных автоматов образуют полную систему элементарных логических моделей, из которых можно синтезировать математические модели (автоматы), описывающие алгоритмы функционирования отдельных АВ, входящих в композицию.

Проведен структурный синтез и построена логическая сеть для каждой функциональной части. При структурном синтезе использовались булевы формулы, полученные при абстрактном синтезе, функциональные схемы частей, логические элементы И, ИЛИ, НЕ и запоминающие элементы, входящие в реальные устройства. При этом каждому логическому элементу сети поставлены в соответствие определенные компоненты функциональной части.

Исследовано четыре типа АВ. Установлено, что каждый можно описать одним гомоморфным автоматом, отличающимся от гомоморфных автоматов для других классов входным и внутренним алфавитами и алгоритмом функционирования.

Проведен абстрактный синтез гомоморфного автомата Ош для подкласса несамовзводных АВ с минимальным расцепителем. Получено математическое описание алгоритма функционирования автомата Оан в виде таблиц переходов-выходов и графа переходов-выходов (рис. 6).

Аналогично проведен абстрактный синтез гомоморфного автомата О'ан для подкласса несамовзводных АВ без минимального расцепителя.

Проведен структурный синтез гомоморфных автоматов вщ, и 0'а„. Для них построена единая логическая сеть из автоматов десяти функциональных частей. Показано, что по этой сети можно получить математическое описание любого несамовзводного АВ. При этом описание может быть представлено в аналитической, табличной или графической форме.

Установлено также правило получения по построенной логической сети математических описаний для самовзводных АВ. Для этого в сети не-

обходимо поменять соответствующие автоматы механизмов управления и исключить из нее ненужные связи.

Рис.б. Граф переходов-выходов гомоморфного автомата О^, где {аь..., а18} - входной алфавит, {^,...^1} - выходной алфавит; {я0, Ъ > Яр. Ямн, Чд, Як, Ямт} - внутренний алфавит.

Результатом исследований, проведенных в этой главе, являются конечные автоматы для полной системы функциональных частей и гомоморфные автоматы для композиции АВ. Полученные данные необходимы для построения диагностических моделей и алгоритмов диагностирования этих аппаратов.

В третьей главе "Построение диагностических моделей и алгоритмов диагностирования для автоматических выключателей" определены две задачи диагностирования объектов: проверка работоспособности и поиск неисправностей. В качестве объектов диагностирования выбраны функциональные части, входящие в полную систему, и шесть композиций из этих частей, используемых в рабочих режимах функционирования АВ.

Для композиций определены две глубины поиска дефекта. Первой глубине соответствует разбиение композиции на функциональные части, а

аф. а,/15

0а/щ

второй глубине - разбиение каждой из функциональных частей на элементы логической сети. Первая глубина позволяет определить любую из неисправных функциональных частей композиции, а вторая - дает возможность определить место дефекта в функциональной части с точностью до элемента логической сети.

В целом принятое разбиение композиций на компоненты определяет максимальную глубину поиска дефекта, которая может быть достигнута в алгоритме диагностирования, построенном на основе логических моделей.

Исследованы различные формы представления диагностических моделей объектов и на основании этих исследований приняты для использования в работе модели в виде таблиц функций неисправностей (ТФН).

Проведен анализ функционального и структурного математического описания функциональных частей, выполненного во второй главе. Показано, что функциональные модели не могут обеспечить выбранную глубину поиска дефекта, а структурные - позволяют производить поиск неис-•правностей с точностью до элемента логической сети. Поэтому в качестве исходных математических моделей при построении таблиц функций неисправностей для всех объектов диагностирования приняты логические сети, полученные во второй главе.

Построены диагностические модели для шести комбинационных функциональных частей: главных контактов, вспомогательных контактов, главной цепи, блока электромагнитных расцепителей, независимого рас-цепителя и блока токоограничивающих устройств.

Для каждой из этих частей по функциональной схеме задано множество наиболее вероятных физических неисправностей, определены логические модели неисправностей и выявлены соответствующие неисправные элементы исходной логической сети. Определено множество технических состояний функциональных частей и для каждого состояния вычислена таблица истинности, входящая в таблицу функций неисправностей.

Диагностическая модель для главных контактов содержит пять таблиц истинности, для независимого расцепителя - семь, а для каждой из остальных функциональных частей - шесть.

Построены диагностические модели для четырех функциональных частей с памятью: минимального расцепителя, теплового расцепителя, полупроводникового расцепителя и механизма управления.

Исследован алгоритм функционирования минимального расцепителя и установлено, что это устройство функционирует в двух различных режимах: притяжения и отпускания, каждому из которых соответствует

своя логическая сеть и свой входной алфавит. Выявлено также, что в этих режимах минимальный расцепитель описывается не автоматом с памятью, а двумя комбинационными автоматами. Поэтому для этого объекта построены две диагностические модели: одна для режима притяжения, а другая для режима отпускания. Каждая из этих моделей содержит исправное состояние и четыре неисправных состояния, соответствующих неисправностям, заданным по функциональной схеме.

Исследованы механизм управления и тепловой расцепитель. Для этих функциональных частей определено по восемь неисправных состояний. Каждое состояние описано таблицей переходов - выходов, вычисленной по исходной логической сети.

Исследован алгоритм функционирования полупроводникового рас-цепителя. Установлено, что это устройство функционирует в четырех режимах: идентификации, перегрузки, короткого замыкания и максимального тока.

Каждому режиму соответствует своя часть исходной логической сети, и входной, выходной и внутренний алфавиты. Поэтому для этой функциональной части построено четыре диагностические модели.

Для режимов идентификации и максимального тока диагностические модели построены в виде совокупности таблиц истинности, а для режимов перегрузки и короткого замыкания - в виде совокупности таблиц переходов-выходов.

Построены алгоритмы диагностирования для комбинационных функциональных частей.

Исследованы и минимизированы диагностические модели для главных контактов, блока электромагнитных расцепителей и блока токоогра-ничиваюших устройств. Для этих частей определены полные неизбыточные совокупности элементарных проверок, на основе которых построены алгоритмы диагностирования.

Алгоритмы представлены графами и блок-схемами. Они обеспечивают поиск любой единичной неисправности, заданной в диагностической модели.

Проведен анализ таблицы функций неисправностей (ТФН) для главной цепи. Определена полная неизбыточная совокупность элементарных проверок для обнаружения трех одиночных и четырех кратных неисправностей, входящих в эту таблицу. На основе минимизированной таблицы построены граф и блок-схема алгоритма диагностирования.

Исследована и минимизирована таблица функций неисправностей для независимого расцепителя. Получена неизбыточная совокупность из двух элементарных проверок, позволяющих обнаружить четыре одиночные неисправности и подмножество из трех неразличимых неисправностей. На основе минимизированной совокупности построены граф и блок-схема алгоритма диагностирования.

Проведен анализ диагностической модели для вспомогательных контактов. Установлено, что две элементарные проверки, входящие в эту модель, образуют полную неизбыточную совокупность. Построен граф и блок-схема алгоритма диагностирования для этой функциональной части. Граф содержит 6 возможных реализаций.

Построены алгоритмы диагностирования для четырех функциональных частей с памятью.

Проведен анализ таблицы функций неисправностей минимального расцепителя для режимов притяжения и отпускания. Определены полные неизбыточные совокупности элементарных проверок для каждого режима и на их основе построены граф и блок-схема алгоритма диагностирования.

Исследована и минимизирована диагностическая модель для теплового расцепителя, на основе которой построено диагностическое дерево. С целью достижения требуемой глубины поиска дефекта в алгоритме используются четыре копии расцепителя. Построена блок-схема алгоритма.

Проведен анализ таблицы функций неисправностей для механизма управления. Таблица содержит девять состояний, из которых два состояния являются эквивалентными, неразличимыми на выбранном множестве элементарных проверок.

На основе четырех входных наборов, имеющихся в таблице функций неисправностей, построена минимальная отличительная входная последовательность из девяти наборов, которая позволяет различать восемь состояний механизма.

Алгоритм диагностирования механизма представлен диагностическим деревом и блок-схемой.

Исследованы диагностические модели полупроводникового расцепителя для режимов идентификации, перегрузки, короткого замыкания и максимального тока.

Установлено, что в режиме идентификации и максимального тока этот расцепитель описывается комбинационными схемами, а в двух других режимах - автоматами с памятью.

Получены полные неизбыточные совокупности входных наборов для автоматов без памяти и на их основе построены графы алгоритмов диагностирования. Оба алгоритма позволяют обнаружить любую из заданных неисправностей.

Построено диагностическое дерево полупроводникового расцепите-ля для режима перегрузки. Дерево имеет две входные последовательности, одна из которых, включающая два входных набора, является минимальной. Минимальная входная последовательность позволяет различить любое из пяти состояний расцепителя, заданных в таблице функций неисправностей. Построено диагностическое дерево полупроводникового расцепителя для режима короткого замыкания. Две входные последовательности дерева, состоящие из трех входных наборов, являются эквивалентными и минимальными. Любая из этих последовательностей позволяет различить каждое из заданных состояний расцепителя.

На основании проведенного анализа рабочего алгоритма функционирования автоматического выключателя установлено, что этот аппарат является многорежимным объектом. Его рабочий алгоритм состоит из нескольких подалгоритмов, в реализации которых участвуют разные совокупности функциональных частей и связей. Определено шесть режимов функционирования автоматического выключателя: коммутации, минимального напряжения, идентификации, перегрузки, короткого замыкания и максимального тока.

Для режима коммутации построены логическая сеть, граф переходов-выходов, диагностическая модель в виде таблицы функций неисправностей, диагностическое дерево и граф алгоритма диагностирования. Логическая сеть построена на основе единой сети для класса несамовзводных автоматических выключателей. Она содержит автоматы для механизма управления, главных контактов, вспомогательных контактов, главной цепи и независимого расцепителя. Построенная сеть является структурным описанием автомата Орк для этого режима. Алгоритм диагностирования автомата Орк представлен диагностическим деревом и графом. Алгоритм позволяет проверить работоспособность автоматического выключателя в режиме коммутации и определить любую из неисправных функциональных частей, используемых в этом режиме, а также обнаружить большинство заданных для функциональных частей неисправностей.

Для режима минимального напряжения построены логическая сеть, граф переходов-выходов, таблица функций неисправностей, диагностическое дерево и граф алгоритма диагностирования. Логическая сеть пред-

ставляет собой композицию из автоматов для механизма управления и минимального расцепителя.

Граф переходов-выходов описывает алгоритм функционирования работоспособного автоматического выключателя, а таблица функций неисправностей - алгоритмы функционирования работоспособного автоматического выключателя и всех его неисправных модификаций. Алгоритм диагностирования, представленный деревом и графом, позволяет проверить работоспособность автоматического выключателя в режиме минимального напряжения, определить неисправную функциональную часть и обнаружить неисправности функциональной части. Для режимов идентификации, перегрузки, короткого замыкания и максимального тока построена единая логическая сеть, представляющая собой композицию из автоматов для механизма управления, главных контактов, главной цепи, вспомогательных контактов, независимого расцепителя и полупроводникового расцепителя. В эту сеть входит также средство диагностирования, используемое в трех последних режимах. Кроме того, для каждого из этих режимов построены таблица функций неисправностей, диагностическое дерево и граф алгоритма диагностирования. Каждый из алгоритмов позволяет проверить работоспособность автоматического выключателя в соответствующем режиме функционирования, определить любую из неисправных частей и обнаружить одиночную неисправность неисправной функциональной части.

Результатами исследований, проведенных в третьей главе, являются диагностические модели и алгоритмы диагностирования, которые необходимы для разработки средств диагностирования.

В четвертой главе "Экспериментальные исследования математических моделей и алгоритмов диагностирования АВ" определены и обоснованы следующие задачи экспериментальных исследований:

- реализация построенных алгоритмов диагностирования на реальных автоматических выключателях;

- построение по результатам, полученным в процессе реализации алгоритмов, ТФН для каждого объекта диагностирования;

- сравнение соответствующих ТФН, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований;

- формулировка заключения о соответствии математических моделей и алгоритмов диагностирования реальным объектам.

С целью решения поставленных задач запланировано 17 экспериментов, для каждого из которых определены исходные данные и порядок

реализации. Для запланированных экспериментов выбран минимальный набор из двух серийных автоматических выключателя типов А3716 и А3734, которые в совокупности включают все функциональные части, входящие в полную систему, и все композиции из этих частей, используемых в рабочих режимах функционирования исследуемых аппаратов.

Проведена проверка математических моделей и алгоритмов диагностирования автоматического выключателя типа А3716. В качестве объектов диагностирования использовались шесть функциональных частей: главные контакты, главная цепь, блок электромагнитных расщепителей, блок токоограничиваюших устройств, тепловой расщепитель, механизм управления и композиция из этих частей, действующая в режиме коммутации. Проведена проверка математических моделей и алгоритмов диагностирования автоматического выключателя типа А3734. В качестве объектов диагностирования использовались 4 функциональные части: вспомогательные контакты, независимый расщепитель, минимальный расщепитель, полупроводниковый расцепитель и три композиции, действующие в режимах минимального напряжения, идентификации, перегрузки и короткого замыкания. По результатам экспериментальных проверок построены таблица функций неисправностей для исследуемых объектов диагностирования. Каждая из построенных таблиц состоит из набора математических моделей, одна из которых описывает диагностируемый объект в исправном состоянии, а все остальные - его неисправные модификации, образованные во время эксперимента в соответствии с диагностической моделью. В качестве иллюстрации ниже приведена таблица функций неисправностей (табл. 3), построенная по результатам исследования главной цепи, где Тгц = {Ть Т2, Т3} - множество элементарных проверок; {а3.ь ..., аз.з} - множество входных наборов; ега - исправное состояние главной цепи; {Е], ..., Е1.2.3} - множество неисправных состояний главной цепи; Я = ={уи,у2.з} - множество выходных наборов.

Таблица 3

Т - таблица функций неисправностей для главной цепи

Я Е, Е2 Е3 Е,.2 Е..З Е 23 Е1.2.Э

1 2 о 4 5 6 7 8

т, а3.1 Ъл VI.! VI. 1 ^2.1 VI.! VI.! VI.!

т Т2 а3.2 у2.г У7.2 V2.2 у 1.2 У2.2 ^1.2 VI .2

Тз аз.з у2.3 ^2.3 У2.3 Vl.3 У2.Ъ VI .3 У1.3

Проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, которое подтвердило адекватность математических моделей и алгоритмов диагностирования реальным объектам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При теоретических исследованиях автоматических выключателей как объектов диагностирования получены следующие основные результаты:

1. Доказано, что в рабочих режимах автоматические выключатели функционируют как дискретные устройства, входные и внутренние переменные которых являются двоичными. Отсюда сделано заключение, что к ним можно применять теорию конечных автоматов и математические модели логического типа.

2. Определена полная система функциональных частей, из которых можно синтезировать структуру любого автоматического выключателя;

3. Для каждой функциональной части, входящей в полную систему автоматического выключателя, построены в виде конечных автоматов абстрактные и структурные математические модели, позволяющие методом композиции получать математические модели любого автоматического выключателя.

4. По видам алгоритмов функционирования определены четыре класса автоматических выключателей и установлено, что все аппараты, входящие в один класс описываются одним гомоморфным автоматом. Построены гомоморфные автоматы для двух наиболее широко применяемых классов и единая логическая сеть для всех четырех классов. Показано, как по этой логической сети получить математическую модель автоматического выключателя любого класса.

5. Для функциональных частей полной системы автоматического выключателя определены множества технических состояний и построены диагностические модели в виде таблицы функций неисправностей, на основе которых можно синтезировать диагностическую модель композиции из любого набора частей, разрабатывать алгоритмы диагностирования и физические модели для средств диагностирования.

6. Построены логические сети и диагностические модели автоматического выключателя для рабочих режимов их функционирования, необходимые при разработке алгоритмов диагностирования.

7. Разработаны алгоритмы диагностирования для функциональных частей полной системы автоматического выключателя и композиций из этих частей, используемых в рабочих режимах.

При экспериментальных исследованиях проверены разработанные математические модели и алгоритмы диагностирования на реальных автоматических выключателях. Получены следующие результаты:

1. Построены таблицы функций неисправностей для полной системы функциональных частей и композиций частей, используемых в рабочих режимах функционирования автоматического выключателя.

2. Путем сравнения результатов, полученных при экспериментальных и теоретических исследованиях, установлена полная адекватность проверяемых математических моделей и алгоритмов диагностирования реальным аппаратам.

Полученные в диссертации результаты исследований могут быть ис-■пользованы:

- при разработке нового поколения автоматических выключателей и средств их диагностирования;

- при модернизации выпускаемых аппаратов, разработке средств и методик их диагностирования;

- при построении математических моделей и алгоритмов диагностирования других электромеханических устройств.

Использование указанных результатов работы позволит:

- повысить надежность автоматических выключателей в системах пожарной безопасности;

- обеспечить совместимость автоматических выключателей с автоматизированной системой пожарной безопасности;

- повысить достоверность и снизить трудозатраты диагностических проверок автоматических выключателей.

Методика диагностирования автоматических выключателей с полупроводниковым расцепителем принята для использования в технической документации по наладке и эксплуатации автоматических выключателей серии А3700 на электростанциях и подстанциях АО МОСЭНЕРГО.

Результаты диссертационной работы приняты НПО ХИМТЕХНИКА для использования в разработках по созданию систем диагностирования объектов в химической промышленности. Институт "НИИ ГРАФИТ" использует результаты, полученные в диссертационной работе для обеспечения противопожарных режимов электроаппаратуры в пожаро-взрывоопасных производственных помещениях.

Основные результаты диссертации нашли свое отражение в следующих работах:

1. Морщинов Е.Д. Диагностирование защитной и пожарно-сигнальной электроаппаратуры // Исследование пожарной опасности металлов, конструкций, промышленных объектов. Проблемы противопожарной защиты: Сб. науч. тр. -М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990. -с. 80 - 82.

2. Морщинов Е.Д. Выбор метода диагностирования автоматических выключателей в системах пожарной безопасности // Четвертая Международная конференция "Информатизация систем безопасности": Тезисы докладов. -М.: ВИПТШ МВД России, 1995. -с. 145 - 148.

3. Морщинов Е.Д. Абстрактный синтез математической модели автоматического выключателя // Пятая Международная конференция "Информатизация систем безопасности": Тезисы докладов. -М.: МИПБ МВД России, 1996. -с. 202 - 203.

4. Топольский Н.Г., Морщинов Е.Д. Повышение эффективности функционирования аппаратов защиты систем безопасности на основе методов математического моделирования // Международная конференция "Информатизация правоохранительных систем": Тезисы докладов. -М.: Академия МВД России, 1996. -с. 284 - 286.

5. Морщинов Е.Д. Математическое моделирование теплового расце-пителя автоматического выключателя // Шестая Международная конференция "Системы безопасности": Тезисы докладов. -М.: МИПБ МВД России, 1997. -с. 63 - 65.

6. Морщинов Е.Д. Разработка полной системы элементарных автоматов для выключателя // VI - Международная конференция "Системы безопасности": Тезисы докладов. -М.: МИПБ МВД России, 1997. -с. 66 -68.

МИПБ МВД России. Тираж 75 экз. Зак. № 20В



МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МВД РФ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Специальность: 05.13.06 "Автоматизированные

На правах рукописи

Морщинов Евгений Дмитриевич

системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, академик РАЕН

Н.Г. Топольский

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение......................................................................................... 5

Глава 1. Анализ автоматических выключателей как объектов

диагностирования................................................................8

1.1. Разработка единой классификации автоматических выключателей ......................................................................................... 8

1.2. Определение внешних связей автоматических выключателей в системах защиты и пожарной безопасности электрических установок........................................................................ 14

1.3. Анализ структуры входных сигналов.................................... 18

1.4. Анализ структуры выходных сигналов................................. 26

1.5. Исследование рабочих алгоритмов функционирования автоматических выключателей...................................................... 32

1.6. Определение типа математических моделей для автоматических выключателей.............................................................. 36

Глава 2. Синтез конечных автоматов для композиции автоматических выключателей................................................. 41

2.1. Блочный синтез гомоморфных автоматов............................ 41

2.2. Разработка полной системы элементарных автоматов для построения логических сетей................................................. 44

2.3. Синтез автоматов для главных контактов, вспомогательных контактов и главной цепи............................................... 64

2.4. Синтез автомата для теплового расцепителя........................ 75

2.5. Синтез автомата для полупроводникового расцепителя..... 85

2.6. Синтез автоматов для блока электромагнитных расцепителей, блока токоограничивающих устройств, независимого и минимального расцепителей.................................................. 95

2.7. Синтез автомата для несамовзводного механизма управления ........................................................................................104

2.8. Синтез автомата для самовзводного механизма управления............................................................................................120

2.9. Синтез гомоморфных конечных автоматов..........................128

Глава 3. Построение диагностических моделей и алгоритмов диагностирования для автоматических выключателей.................................................................................149

3.1. Определение множества технических состояний и выбор глубины поиска дефекта.........................................................149

3.2. Выбор вида и определение метода построения диагностических моделей автоматических выключателей и их функциональных частей.........................................................152

3.3. Построение диагностических моделей комбинационных функциональных частей.........................................................155

3.4. Построение диагностических моделей функциональных частей с памятью.....................................................................169

3.5. Построение алгоритмов диагностирования для комбинационных функциональных частей.........................................194

3.6. Построение алгоритмов диагностирования для функциональных частей с памятью.............................................................218

3.7. Построение диагностических моделей и алгоритмов диагностирования автоматических выключателей для рабочих режимов функционирования..................................................249

Глава 4. Экспериментальные исследования.................................294

4.1. Планирование экспериментов................................................294

4.2. Выбор набора автоматических выключателей для проведения экспериментов...............................................................304

4.3. Экспериментальная проверка математических моделей и алгоритмов диагностирования автоматического выключателя типа А3716................................................................... 306

4.4. Экспериментальная проверка математических моделей и алгоритмов диагностирования автоматического выклю-

чателя типа А3734................................................................... 314

4.5. Результаты экспериментальных исследований.....................321

Заключение.....................................................................................321

Литература......................................................................................324

Приложение....................................................................................325

Введение

Автоматизированные системы пожарной безопасности (АСПБ) применяются для защиты многих объектов, в состав которых входят электрические установки. В данной диссертации исследуются автоматические выключатели (АВ), являющиеся элементами АСПБ электроустановок напряжением до 1 кВ.

За последние 80 лет развитие АВ стимулировалось возрастающими требованиями к их массе, габаритам, быстродействию, надежности, коммутационной способности, универсальности, энергопотреблению и регулируемости параметров [31]. В 70 - е годы появились новые требования, связанные с использованием АВ в автоматизированных системах управления, в том числе в системах пожарной безопасности. Возникла проблема обмена информацией между этими аппаратами защиты и другими элементами системы.

Известны три основных направления исследования этой проблемы:

- получение, обработка и выдача информации о режиме работы электроустановки;

- управление алгоритмом функционирования АВ с помощью команд, задаваемых системой;

- диагностирование АВ во время функционирования системы.

В известных работах, посвященных этой проблеме, посвященных этой проблеме, предлагаются новые элементы и алгоритмы функционирования для построения нового поколения АВ. Методы построения аппаратов защиты остаются старые, основанные на интуитивных подходах, которые не обеспечивают информационной совместимости с АСУ и диагностирование аппаратов защиты [26, 27].

Поэтому разработка методов диагностирования АВ на основе их математических моделей является актуальной задачей, включенной в план научной деятельности МИПБ МВД РОССИИ.

Цель работы состоит в создании математического описания и алгоритмов диагностирования АВ, которые можно реализовать современными средствами вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана и теоретически обоснована полная система конечных автоматов для построения математических моделей АВ;

- построены гомоморфные конечные автоматы для АВ;

- построены диагностические модели для полной системы функциональных частей АВ;

- построены конечные автоматы и диагностические модели АВ для рабочих режимов функционирования;

- построены алгоритмы диагностирования для полной системы функциональных частей;

- построены алгоритмы диагностирования АВ для рабочих режимов функционирования

Методы исследования. В работе использованы методы теории конечных автоматов, технической диагностики, алгебры логики, теории графов.

Практическая ценность. Полученные результаты исследований позволяют: создавать АВ из определенного набора функциональных частей, описываемых конечными детерминированными автоматами; синтезировать математическую модель любого аппарата из набора конечных автоматов, входящих в полную систему; строить диагностические модели и алгоритмы диагностирования для любой композиции АВ; создавать новое поколение аппаратов на основе математического описания; разработать средства диагностирования для новых и модернизируемых АВ; повысить надежность этих аппаратов и обеспечить совместимость их с дру-

гими элементами системы управления; снизить трудозатраты при эксплуатации и повысить достоверность проверок.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в данной работе, приняты для использования следующими организациями: АО МОСЭНЕРГО, НПО ХИМТЕХННКА, НИИ ГРАФИТ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 4 - й Международной конференции "Информатизация систем безопасности" в Высшей инженерной пожарно - технической школе МВД РФ в 1995 г; 5 - й и 6 - й Международных конференциях "Системы безопасности" в Московском институте пожарной безопасности в 1996, 1997 гг. и на Международной конференции "Информатизация правоохранительных систем" в Академии МВД России в 1996 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 - и печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 64 отечественных и 17 зарубежных названий, приложения. Общий объем работы 332 стр., в том числе: 149 стр основного текста. Работа содержит 89 рисунков, 91 таблицу и 46 формул.

Автор защищает:

- полную систему конечных автоматов для построения логических сетей АВ;

- гомоморфные конечные автоматы для основных классов автоматических выключателей;

- диагностические модели и алгоритмы диагностирования функциональных частей для композиции АВ;

- диагностические модели и алгоритмы диагностирования АВ для рабочих режимов функционирования.

Глава 1. Анализ автоматических выключателей как объектов диагностирования

1.1. Разработка единой классификации автоматических выключателей

Для построения математических моделей объектов диагностирования необходимо знать физические свойства и характеристики этих объектов. При этом полезна классификация объектов по назначению, принципу действия, структуре, энергетическим признакам [34].

Известно много типов серийных АВ общепромышленного применения [32, 46, 53] и специального назначения [18, 26, 27,31, 46]. Принципы построения, структура и алгоритмы функционирования этих групп АВ существенно различаются.

Анализ показал, что объединение их в один объект исследования настолько усложнит математическое описание объекта, что сделает его малопригодным для практического использования. Независимые же исследования указанных групп АВ представляют собой самостоятельные работы. Поэтому дальше рассматриваются только серийные АВ общепромышленного применения, составляющие подавляющее большинство в электрических установках [32].

Известны классификации АВ по отдельным признакам, но единой классификации не выявлено. По назначению АВ делятся на максимальные по току, минимальные по току, минимальные по напряжению, обратного тока и с комбинированной защитой -максимальной по току и минимальной по напряжению [28, 53]. Приведенная классификация отражает только защитные функции АВ. Современные же аппараты защиты используются также для дистанционного отключения защищаемой цепи по командам, поступающим от внешних устройств, например реле защитного от-

ключения [29]. Для этого они снабжаются независимыми разделителями.

Для выполнения указанных функций промышленность выпускает два класса АВ: максимальные токовые и многофункциональные (табл. 1.1). Причем максимальные токовые АВ выпускаются двух подклассов - для защиты при токах короткого замыкания (ТК), например А3771БР, и для комбинированной защиты при токах короткого замыкания и токах перегрузки (ТП), например АЕ2020.

АВ, предназначенные для совместного выполнения максимальной токовой защиты (МТЗ), защиты при недопустимом снижении напряжения (НН) и дистанционного отключения (ДО), а также для выполнения любой комбинации этих функций будем называть многофункциональными. Серийно выпускается шесть подклассов многофункциональных АВ: 1. ТК, НН; 2. ТК, ТП, НН; 3. ТК, ТП, НН, ДО; 4. ТК, ДО; 5. ТК, НН, ДО; 6. ТК, ТП, ДО, каждый из которых реализуется в виде отдельного типоисполнения [32].

По принципу коммутации главной цепи АВ делятся на контактные, бесконтактные и гибридные. В контактных АВ замыкание и размыкание главной цепи происходит между подвижными и неподвижными (малоподвижными) контактами [18]. Благодаря малой потере мощности и небольшим габаритам контактные АВ нашли преобладающее применение [32].

В бесконтактных АВ функции главных контактов выполняют тиристоры [26, 31]. Благодаря большему быстродействию по сравнению с контактными бесконтактные АВ позволяют значительно ограничить последствия аварийных режимов. Однако тиристоры сами нуждаются в защите при протекании токов перегрузки и короткого замыкания, которая существенно усложняет конструкцию этих аппаратов. Поэтому бесконтактные АВ

Таблица 1.1

Классификация автоматических выключателей

№ п/п Признаки классификации Классы Подклассы

1 Назначение Максимальные токовые ГТК; 2.ТК, ТП; 3. ТК, ТП, ТМ.

Многофункциональные ГТК, НН; 2.ТК, ТП, НН; 3. ТК, ТП, НН, ДО; 4.ТК, ДО; 5. ТК, НН, ДО; 6. ТК, ТП, ДО.

2 Принцип коммутации главной цепи Контактные Бесконтактные Гибридные

3 Алгоритм функционирования МТЗ Нетокоограни-чивающие Неселективные Селективные

Токоограничи-вающие

4 Принцип построения механизма управления Небыстродействующие Несамовзводные Самовзводные

Быстродействующие

Продолжение табл. 1.1

5 Типы расцепителей Электромеханические 1.РЭ; 2. РЭ,РТ; 3. РЭ, РН; 4. РЭ, РМ 5. РЭ, РН, РМ; 6. РЭ, РТ, РН; 7. РЭ, РТ, РМ; 8. РЭ, РТ, РН, РМ.

Полупроводниковые Переменного тока Постоянного тока

Комбинированные РП, РЭ, РН; 2. РП, РЭ, РН, РМ;3. РП, РН; 4. РП, РН, РМ.

6 Типы уставок Регулируемые Аналоговые Дискретные

Нерегулируемые

7 Род тока Переменного тока Однополюсные Двухполюсные Трехполюсные

Постоянного тока Однополюсные Двухполюсные

имеют ограниченное применение. Их целесообразно использовать в электроустановках, требующих высокого быстродействия защиты, например в преобразовательных установках, установках специального назначения. Серийно этот класс АВ не выпускается [32].

В гибридных АВ замыкание и размыкание главной цепи выполняется главными контактами, но в момент коммутации цепи

ток направляется не через контакты, а через параллельно включенные тиристоры [27]. По техническим показателям гибридные АВ превосходят контактные, но по массогабаритам и экономическим показателям уступают им. Область применения гибридных АВ ограничена. Серийно они не выпускаются [32].

Алгоритм функционирования максимальной токовой защиты определяется защитной характеристикой АВ, которая устанавливает зависимость между силой тока в главной цепи АВ и продолжительностью включения цепи в ненормальном режиме работы [18, 28]. По алгоритму функционирования МТЗ АВ делятся на два класса: токоограничивающие и нетокоограничивающие. Причем нетокоограничивающие АВ подразделяются на селективные и неселективные [32].

При этом в селективных АВ сигнал на отключение цепи проходит через задержку времени, а в неселективных он сразу воздействует на элементы отключения цепи.

По принципу построения механизма управления, АВ делятся на два класса: небыстродействующие и быстродействующие. При этом небыстродействующие подразделяются на АВ с самовзводом и без самовзвода механизма.

Если собственное время отключения АВ не менее 10 мс, то АВ называется небыстродействующим, а если меньше, то быстродействующим. В небыстродействующих АВ всегда применяются механизмы управления с защелкой. Собственное время срабатывания таких АВ колеблется от 10 до 100 мс.

В быстродействующих АВ, вся конструкция которых подчинена повышению быстродействия, механизмы управления с защелкой обычно не применяются, а используются другие принципы их построения. Это является наиболее характерным конструктивным отличием быстродействующих и небыстродействующих АВ [18].

Автоматическое отключение небыстродействующих АВ всегда происходит путем расцепления механизма управления, а возврат механизма в сцепленное состояние может осуществляться либо с помощью привода, либо автоматически самим механизмом. АВ, имеющие первый тип механизма управления, будем называть несамовзводными, а имеющие второй тип механизма - самовзводными.

По типам расцепителей АВ делятся на электромеханические, полупроводниковые и комбинированные. При этом электромеханические подразделяются на АВ с электромагнитными (РЭ), тепловыми (РТ), независимыми (РН) и минимальными (РМ) разделителями, а полупроводниковые (РП) - на АВ с расцепителями постоянного и переменного тока. В АВ с комбинированными расцепителями используются совместно электромеханические и полупроводниковые расцепители.

В серийно выпускаемых АВ используется восемь типонабо-ров электромеханических расцепителей: 1. РЭ; 2. РЭ, РТ; 3. РЭ, РН; 4. РЭ, РМ; 5. РЭ, РН, РМ; 6. РЭ, РТ, РН; 7. РЭ, РТ, РМ; 8. РЭ, РТ, РН, РМ, четыре типонабора комбинированных расцепителей: 1. РП, РЭ, РН; 2. РП, РЭ, РН, РМ; 3. РП, РН; 4. РП, РН, РМ и два типа полупроводниковых расцепителей: РП переменного тока, РП постоянного тока.

По типу уставок АВ делятся на два класса: регулируемые, у которых в процессе эксплуатации уставки могут регулироваться и нерегулируемые, у которых уставки, заданные изготовителем, не изменяются. При этом регулируемые уставки могут быть аналоговые и дискретные.

АВ с полупроводниковыми расцепителями имеют регулируемые уставки номинального рабочего тока, тока короткого замыкания, времени перегрузки, времени короткого замыкания и нерегулируемую уставку тока перегрузки. АВ