автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств

На правах рукописи

ЮМАГУЗИН УРАЛ ФАТИХОВИЧ

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7n ¿пг 7015

005561519

Уфа-2015

005561519

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Баширов Мусса Гумерович

Официальные оппоненты: 'Гагирова Клара Фоатовна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» / кафедра «Техническая кибернетика», профессор

Глухов Алексей Владимирович

кандидат технических наук, ООО «Волго-Уральский научно-исследовательский и проектный институт нефти и газа» / ведущий специалист технического отдела

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Российский государственный

университет нефти и газа имени И. М. Губкина», г. Москва

Защита диссертации состоится 25 сентября 2015 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net.

г

Автореферат диссертации разослан « Ь » августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В условиях продолжающегося износа оборудования предприятий нефтегазовой отрасли все большее значение приобретает необходимость решения задач, связанных с предупреждением возможных аварийных ситуаций, минимизацией технологических, экологических и социальных рисков. Машинные агрегаты, составляющие 35 % от всего установленного технологического оборудования, являются одной из основных причин высокого уровня аварийности и травматизма. Вопросы разработки и применения методов оценки состояния сложных технических систем в задачах обеспечения их безопасной эксплуатации рассмотрены в работах таких зарубежных и российских исследователей как Altug S., Bayir R., Karwowski W., Marques Cardoso A. J., A6-драхманов H. X., Баширов M. Г., Болотин В. В., Вахапова Г. М., Глухов А. В., Глу-хов С. В., Давиденко И. В., Заварихин Д. А., Закирничная M. М., Клюев В. В., Козли-тин П. А., Кузеев И.Р., Махутов Н. А., Миронова И. С., Оськин А. А., Переездчиков И. В., Прахов И. В., Самородов А. В., Тляшева Р. Р., Хуснияров M. X., Шику-нов В. Н., Чиркова А. Г. и др. Но вопросы комплексной оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов, учитывающей влияние большого количества различных по своей природе воздействующих факторов, исследованы недостаточно полно. Это связно с тем, что при описании машинных агрегатов часто возникают сложности, связанные с неполнотой необходимой статистической информации, неточностью имеющихся данных, необходимостью одновременного учета количественной и качественной информации, в том числе в форме оценок экспертов. В связи с этим становится актуальной разработка научно-методического аппарата, позволяющего оценить опасность эксплуатации машинных агрегатов в условиях многофакторности и нечеткости входных данных.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03—Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6. Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 13. Разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств сложных технических систем опасных производственных объектов.

Целыо работы является повышение безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли на основе использования теории нечетких мно-

жеств для оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с учетом влияния технического, технологического и человеческого факторов.

Реализация цели диссертационной работы осуществлялась путем постановки и решения следующих основных задач:

- анализ основных факторов, оказывающих влияние на опасность эксплуатации машинных агрегатов;

- анализ существующих методов оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов;

- анализ особенностей применения теории нечетких множеств для решения задач оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов;

- разработка метода оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств, учитывающего влияние технического, технологического и человеческого факторов;

- разработка программно-аппаратного комплекса для оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов.

Научная новнзна

1 Установлена нелинейная зависимость между опасностью эксплуатации машинных агрегатов и совокупностью технического, технологического и человеческого факторов, для описания которой использована теория нечетких множеств, позволяющая учитывать многофакторность и нечеткость входных параметров.

2 Установлено, что применение теории нечетких множеств совместно с вероятностной нейронной сетью позволяет уменьшить ошибку распознавания повреждений и режимов работы при оценке технического состояния машинных агрегатов на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с 16%до7%и тем самым повысить достоверность оценки опасности эксплуатации.

Методы исследования

В процессе выполнения работы использовались аналитические, экспериментальные методы исследования и статистический метод обработки данных.

На защиту выносятся

1 Установленные нелинейные зависимости между опасностью эксплуатации машинных агрегатов и совокупностью технического, технологического и человеческого факторов.

2 Метод оценки технического состояния машинных агрегатов на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с использованием теории нечетких множеств и вероятностной нейронной сети.

3 Метод повышения безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли на основе оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов.

Практическая ценность

Для реализации метода повышения безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли разработан программно-аппаратный комплекс для оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013618055 и № 2012615158, патент на полезную модель № 147268). Разработанные алгоритмы и программные продукты для оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов приняты к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используются в учебном процессе в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка» (г. Уфа, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2012 г.); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010, 2011, 2013, 2015 гг.); Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения» (г. Москва, 2011 г.); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2011, 2012 гг.); отраслевой научно-производственной конференции «Интеграция науки и производства» (г. Салават, 2011 г.); Международной научно-методической конференции «Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего» (г. Салават, 2012, 2014 г.г.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2014 г.); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технология. Производство» (г. Салават, 2013, 2014 г.г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 публикаций в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 1 патент на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 175 наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 47 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения промышленной безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли при эксплуатации машинных агрегатов.

Проведен анализ статистической информации о степени износа, коэффициенте обновления, а также доле полностью изношенных основных фондов предприятий нефтегазовой отрасли. Проанализированы данные о динамике аварийности и производственного травматизма. Приведено распределение количества аварийных ситуаций по видам технологического оборудования.

Проведен анализ существующих методов оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов, который показал, что на данный момент отсутствуют подходы, одновременно учитывающие нестационарный характер технологических процессов, изменение технического состояния рассматриваемого оборудования, а также влияние ошибок персонала. Для комплексной оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов необходимо учитывать совокупность количественных и качественных параметров, отражающих технический, технологический и человеческий факторы. Важность учета данных факторов при разработке методов обеспечения безопасности технологических процессов подтверждается проведённым анализом причин возникновения аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли.

Сделан вывод, что в наибольшей степени решению цели диссертационного исследования соответствуют методы, основанные на использовании теории нечетких множеств, позволяющие учитывать нечеткость входных параметров, а также отразить

сложные причинно-следственные связи между опасностью эксплуатации машинных агрегатов и техническим, технологическим и человеческим факторами.

Во второй главе рассмотрены вопросы применения теории нечетких множеств в задачах оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов.

Согласно теореме о нечеткой аппроксимации любая сложная техническая система может быть аппроксимирована системой, основанной на математическом аппарате теории нечетких множеств. Данная теория позволяет на основе продукционных правил вида «Если-То» достаточно точно отразить существенно-нелинейную зависимость опасности эксплуатации машинных агрегатов от значений технического, технологического и человеческого факторов без использования математического аппарата дифференциального и интегрального исчислений. В отличие от формальной логики, оперирующей точными и четкими понятиями истинности (да или нет, истина или ложь, ноль или единица и т.д.), теория нечетких множеств имеет дело с неопределенностью, касающейся принадлежности входных значений к нечеткому множеству.

Нечетким множеством А на универсальном множестве и называется совокупность упорядоченных пар

А={цА(и),и}, (1)

где Ца(ч) — функция принадлежности, отражающая степень принадлежности параметра иеи к нечеткому множеству А и принимающая значение в диапазоне [0; 1].

Нечетким логическим выводом называется аппроксимация зависимости опасности эксплуатации .у от воздействующих факторов х„ вида у - / {ухгх2,...,хп^с помощью нечеткой базы знаний и операций над нечеткими множествами. Степень принадлежности определенного входного вектора факторов X' = {х[, х'2, —х'п} нечетким термам с^ из базы знаний определяется системой нечетких логических уравнений

(2)

где V - операция максимума; а - операция минимума; ц'р(х-) - функция принадлежности значения фактора х] нечеткому терму а"; 1=1, п ;]=1,гп; р=1,к^.

Нечеткое множество у, отражающее опасность эксплуатации и соответствующее входному вектору воздействующих факторов X", определяется согласно выражению

у = и}тт(^(Х')УЧу)>У' (3)

.И,ту

где I) - операция объединения нечетких множеств; ц*1' (у) - функция принадлежности опасности эксплуатации нечеткому терму с1,.

Четкое значение опасности эксплуатации у, соответствующее входному вектору факторов А", определяется в результате дефаззификации нечеткого множества у. Наиболее распространённым методом дефаззификации является метод центра тяжести, описываемый выражением

и

|и-цА(и)с1и

-. (4)

|рА(и)с1и

и

где и, й - значения, задающие область определения.

На основе проведенного анализа научных трудов, описывающих применение теории нечетких множеств в задачах повышения промышленной безопасности предприятий нефтегазовой отрасли, определены основные этапы разработки метода оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов. Проведен сравнительный анализ программного обеспечения, необходимого для построения математических моделей оценки опасности эксплуатации на основе теории нечетких множеств. Рассмотрены методы оценки количественных и качественных параметров, отражающих влияние технического, технологического и человеческого факторов на опасность эксплуатации машинных агрегатов.

При оценке технического фактора необходимо использовать наиболее перспективный метод оценки технического состояния машинных агрегатов, основанный на анализе гармонического состава токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. Вопросам оценки технического состояния машинных агрегатов с использованием данного метода, учитывающего асимметрию электрической или магнитной цепей, посвящены научные работы следующих авторов: Яа\У1ск1 8., Низек }., БоЬсгук Т., Баширов М.Г., Шикунов В. Н., Прахов И. В., Самородов А. В., Миронова И. С., Андреева О. А., Волохов С. А., Гаджиев Г. А. Но вопросы оценки технического состояния машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств

являются малоизученными, что обуславливает необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования метода оценки технического состояния машинных агрегатов на основе совместного использования теории нечетких множеств и искусственных нейронных сетей, исследованы методы прогнозирования технического состояния машинных агрегатов, рассмотрены вопросы разработки экспериментальной установки, метрологического обеспечения результатов измерений, методики экспериментальных исследований.

Параметры гармонических составляющих токов и напряжений (амплитуда, частота, углы сдвига по фазе), генерируемых двигателем электропривода, использовались для оценки технического состояния машинных агрегатов в работах Шику-нова В. Н., Заварихина Д. А., Прахова И. В., Самородова А. В., Мироновой И. С. Практическая реализация разработанных методов выявила недостаток, связанный с недостаточной достоверностью результатов распознавания искусственной нейронной сетью повреждений и режимов работы машинных агрегатов на основе данных о гармоническом составе токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, температуре подшипников, а также температуре изоляции обмотки статора. Разработанные методы также требуют наличия большой обучающей выборки данных для нейронной сети, осуществляющей количественную оценку технического состояния всего машинного агрегата. В данной работе предлагается совместно использовать теорию нечетких множеств, позволяющую по результатам экспериментальных исследований разработать нечеткие правила, устанавливающие зависимость технического состояния от различных повреждений и режимов работы, и искусственные нейронные сети, что позволит повысить достоверность оценки технического состояния машинных агрегатов за счет учета сложных причинно-следственных связей и нечеткости входных диагностических параметров. С целью разработки нечетких правил, позволяющих оценить техническое состояние машинных агрегатов, были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых осуществлено создание различных повреждений и режимов работы машинных с последующей регистрацией изменений гармонического состава токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.

В качестве объектов исследования выбраны машинные агрегаты с асинхронными электродвигателями. Для проведения экспериментальных исследований по оценке технического состояния машинных агрегатов на предприятии ОАО «Газпром

нефтехим Салават» и в филиале ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате разработаны экспериментальные установки в соответствии с требованиями следующих нормативных документов: «Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок», «Правила устройства электроустановок», «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (рисунки 1 -2). Перечень приборов, используемых при проведении экспериментальных исследований, а также их назначение приведены в таблице 1. В ходе экспериментальных исследований проводилась имитация различных повреждений и режимов работы (таблица 2). Степень искажения формы кривых токов и напряжений гармоническими составляющими при различных повреждениях и режимах работы машинного агрегата оценивалась коэффициентами n-ых гармонических составляющих тока К]п, напряжения KUn и углами сдвига по фазе cpuj(„) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов и напряжений U„.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка в производственных условиях в ОАО «Газпром нефтехим Салават»

Рисунок 2 - Экспериментальные установки в лаборатории филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате

Для фильтрации гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, анализируются значения углов сдвига по фазе (ри|(п). Если угол сдвига меньше

(+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из дальнейшего анализа исключалась.

Таблица 1 - Перечень приборов, используемых при проведении экспериментальных исследований

Наименование прибора Назначение

Pecypc-UF2M-3T52-5-100-1000 Измерение гармонического состава токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода машинного агрегата, а также соответствующих им углов фазового сдвига

ИДО-05 Выявление дефектов трехфазной обмотки двигателя электропривода машинного агрегата напряжением до 1000 В

ИДВИ-03 Выявление дефектов распределенной обмотки статора или ротора двигателя электропривода машинного агрегата напряжением до 1000 В

ИДП-03 Контроль подшипников качения машинного агрегата

Виброметр Fluke 805 Измерение общего уровня вибрации машинных агрегатов по стандартам ISO 2372 и ISO 1081

Leonova Infinity

Таблица 2 - Повреждения, режимы работы машинных агрегатов и способ их имитации при проведении экспериментальных исследований

Виды повреждений и режимов работы Процедура имитации повреждений и режимов работы при проведении экспериментальных исследований

Дисбаланс ротора Крепление специальных грузов к ротору и валу

Ухудшение сопротивления изоляции Увлажнение обмотки статора двигателя электропривода

Повреждение обмоток ротора Высверливание стержня обмотки ротора от 20 до 100% от площади поперечного сечения

Ослабленное крепление к фундаменту Уменьшение крутящего момента при затяжке болтов крепления машинного агрегата

Изношенность подшипников Установка подшипников с различным уровнем изношенности

Короткие замыкания Изменение значения активного сопротивления, подключенного к выводам обмотки статора

Обрыв фаз обмоток статора Преднамеренный разрыв выводов

Перегрузка Открытие (закрытие) задвижек на нагнетательной и всасывающей линии

Повреждения рабочего колеса Установка рабочих колес с разной степенью изношенности

Для оценки состояния электрической и механической частей машинного агрегата использовались наиболее информативные диагностические параметры - амплитуды нечетких гармонических составляющих токов и напряжений с 3 по 11 включительно и соответствующие им углы сдвига по фазе. Методика обработки результатов экспериментальных исследований разработана в соответствии с ГОСТ 33073-2014 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Контроль и мониторинг качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и РД 153-34.0-15.502-2002 «Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения». Метрологическое обеспечение результатов экспериментальных измерений выполнялось согласно ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия», ГОСТ 14014-91 «Приборы и преобразователи измерительные цифровые напряжения, тока, сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний», стандарту организации СТО УГНТУ 005-2013 «Диагностирование асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором по значениям параметров высших гармоник токов и напряжений», а также руководствам по эксплуатации средств измерений. Степень изношенности рабочих колес и подшипников определялась на предприятии , ООО «Ремонтно-механический завод», согласно РД 153-39.4.Р-124-02. На рисунке 3 представлены изменения гармонического состава тока фазы А, соответствующие различным степеням изношенности подшипников насоса К80-50-200, на рисунке 4 - изменение гармонического состава напряжений фазы С при межвитковом замыкании в фазе обмотки статора двигателя электропривода.

6 4 2 0

8

«ва» 8з

3

5

7

9

11

Номер гармонической составляющей

Рисунок 3 - Изменения гармонического состава тока фазы А, соответствующие различным уровням поврежденности подшипника насоса К80-50-200

3 5 7 9 11

Номер гармонической составляющей

и Исправное в Межвитковое замыкание в фазе С обмотки статора

Рисунок 4 - Изменение гармонического состава напряжений при межвитковом замыкании в фазе С обмотки статора двигателя электропривода

Для определения характера зависимости гармонического состава токов и напряжений от различных повреждений и режимов работы машинных агрегатов был проведен множественный регрессионный анализ, который показал, что исследуемые модели являются значимыми по критерию Фишера и объясняют 71,95% дисперсии зависимой переменной. Сделан вывод, что в качестве входных параметров при оценке технического состояния машинных агрегатов на основе теории нечетких множеств необходимо использовать результаты распознавания искусственной нейронной сетью различных повреждений и режимов работы на основе данных об амплитудах нечетных гармонических составляющих токов и напряжений с 3 по 11 включительно, генерируемых двигателем электропривода. Для решения задачи распознавания повреждений и режимов работы машинного агрегата были исследованы следующие типы искусственных нейронных сетей, обладающие различным количеством элементов во входных, выходных и скрытых слоях: сеть многослойного персептрона, линейная и вероятностная нейронные сети, сеть радиально-базисных функций. В работе использован метод планирования эксперимента (патент РФ на изобретение № 2431152 «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом»), позволяющий при заданной достоверности результата распознавания уменьшить на 2 порядка число обучающих опытов. В результате сравнительного анализа был сделан вывод, что наибольшими значениями производительности и наименьшими показателями ошибки среди исследуемых сетей обладает вероятностная нейронная сеть архитектуры «ВНС 22:22-161-27:1», которая анализирует гармонический состав токов и

напряжений, генерируемых двигателем электропривода, и выдает результат - код режима работы и поврежденности элементов машинного агрегата Оп

®т = ^(К,„Л,КипА>РиЗДА ' К[пВ, КипВ,<Ра/я)а I К,1|С, КПпС,|}С1ц;(п)С ,Тшдш,Т1Ш,) =

5

= {"(Л(УУ1ап+1)лКк2п+ПЛ + WU{^n+|)лKU(2n+I)A + \Уи|(2п + пл1?>ш(2п+1)л + ^<2п+1)В ^Н2п + 1)В +

п=| (5)

+ УУи(2п+1)В^и(2п+1)В +УУи1(2п+))В^ш(2п+1)В + УУ1(2п+1)С^1(2п+1)С + ^(гп+^К-ирп+ЦС +

где w — весовые коэффициенты вероятностной нейронной сети архитектуры «ВНС 22:1:22-56:1» для соответствующих диагностических параметров.

Использование вероятностной нейронной сети «ВНС 22:22-161-27:1» повысило достоверность результатов распознавания повреждений и режимов работы машинных агрегатов по сравнению с результатами распознавания сетью многослойного персептрона «МП 30:30-10-27:1», предложенной в работах предыдущих исследователей (таблица 3).

Таблица 3 — Сравнительный анализ результатов распознавания искусственными

нейронными сетями повреждений и режимов работы машинного агрегата

Ошибка Ошибка

Повреждения и режимы работы распознавания МП 30:30-10-27:1, % распознавания ВНС 22:22-161-27:1, %

Витковое замыкание фазы А и В 8,6 8,9

Витковое замыкание фазы А и С 8,7 8,6

Витковое замыкание фазы В и С 8,2 9,7

Дисбаланс вала насоса 25,4 10,5

Дисбаланс ротора электродвигателя 17,7 10,7

Задний подшипник насоса 19,1 10,8

Задний подшипник электродвигателя 15,8 10,9

Замыкание фазы А на корпус 14,2 8,1

Замыкание фазы В на корпус 13,5 7,7

Замыкание фазы С на корпус 9,2 6,4

Кавитационный режим 19,4 11

Нарушение центровки 20,5 10,7

Перегрузка 19,7 5,6

Передний подшипник насоса 25,3 9,9

Передний подшипник электродвигателя 24,8 8,7

Повреждение короткозамкнутого витка ротора 22,4 9,8

Повреждение рабочего колеса 9,1

Средняя ошибка распознавания вероятностной нейронной сетью архитектуры «ВНС 22:22-161-27:1» повреждений и режимов работы машинных агрегатов на основе

анализа гармонического состава токов и напряжений, генерируемых двигателей электропривода, составила 9,24 %, сетью многослойного персептрона архитектуры «МП 30:30-10-27:1»- 16,72 %. Входными параметрами при оценке технического состояния всего машинного агрегата на основе теории нечетких множеств являются результаты распознавания вероятностной нейронной сетью повреждений и режимов работы От. Проведена фаззификация входных и выходных параметров. На основе разработанных нечетких правил производится оценка технического состояния машинных агрегатов. По аналогии с ГОСТ Р 53565-2009 «Контроль состояния и диагностика машин. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Вибрация центробежных насосных и компрессорных агрегатов» установлены следующие оценки технического состояния: «отлично», «хорошо», «допустимо», <сгребует проведения мероприятий» и «недопустимо». Алгоритм оценки технического состояния па основе использования вероятностной нейронной сети и теории нечетких множеств представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 — Алгоритм оценки технического состояния машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств и вероятностной нейронной сети архитектуры «ВНС 22:22-161-27:1»

Результаты оценки технического состояния машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств и вероятностной нейронной сети архитектуры «ВНС 22:22-161-27:1» сопоставлялись с результатами вибрационного контроля с применением приборов Fluke 805 и Leonova Infinity. Сравнительный анализ продемонстрировал высокую корреляцию результатов оценки технического состояния при наличии повреждений только в механической части машинного агрегата и несовпадение результатов оценки при наличии как электрических, так и механических повреждений. В случае наличия виткового замыкания и повреждении заднего подшипника результаты вибрационного контроля соответствовали оценке «Допустимо», в то время как результаты оценки с использованием теории нечетких множеств и вероятностной нейронной сети на основе анализа гармонического состава токов и напряжений соответствовали оценке «Требует принятия мер».

Проведен анализ методов прогнозирования технического состояния машинных агрегатов с использованием искусственных нейронных сетей, а также моделей авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС). Задача исследования состояла в поиске оптимального метода прогнозирования технического состояния на основе имеющейся ретроспективной выборки данных об изменении составляющих виброскорости машинных агрегатов за период с 2008 по 2014 г.г. (данные «Производственно-диагностического управления» ОАО «Газпром нефтехим Салават»). Проведен анализ линейной, обобщенно-регрессионной нейронных сетей, а также сетей радиально-ба-зисных функций и многослойного персептрона. Сравнительный анализ нейронных сетей показал, что наибольшей производительностью и наименьшей ошибкой обучения обладает нейронная сеть многослойного персептрона. На основании анализа временного ряда изменения составляющих виброскорости с использованием периодограмм, автокорреляционных и частных автокорреляционных функций были определены параметры моделей АРПСС (р - параметр, определяющий порядок авторегрессионной составляющей, d — порядок разности, q - параметр скользящего среднего). Выбраны, следующие модели прогнозирования технического состояния, машинных агрегатов: АРПСС (0,0,2) и АРПСС (1,0,1). Для оценки качества прогнозирования использовались критерий Акаике AIC (Akaike information criterion), критерий Шварца BIC (Bayesian information criterion) и значение средней абсолютной ошибки (таблица 4). Сравнительный анализ различных методов прогнозирования технического состояния машинных агрегатов на основе анализа временных рядов изменения составляющих виброскорости показывает, что использование нейронных сетей многослойного

персептрона позволяет получить прогнозируемые значения с меньшей ошибкой по сравнению с моделями АРПСС. Разработанные подходы применимы для прогнозирования технического состояния машинных агрегатов на основе анализа гармонического состава токов и напряжений при наличии большой ретроспективной выборки данных об изменении диагностического параметра.

Таблица 4 - Оценка качества прогнозирования технического состояния машинных агрегатов с использованием искусственных нейронных сетей и моделей АРПСС

Исследуемая модель прогнозирования Критерий А1С Критерий В1С Средняя абсолютная ошибка, %

АРПСС (0, 0, 2) 3,234 3,256 19,4

АРПСС (1,0, 1) 3,199 3,203 17,3

Линейная нейронная сеть 3,092 3,102 13,1

Сеть многослойного персептрона 3,054 3,099 12,9

Сеть радиально-базисных функций 3,101 3,112 13,5

Четвертая глава посвящена разработке метода оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств, позволяющего повысить безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли.

Входными параметрами при оценке опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств являются результаты количественной оценки технического, технологического и человеческого факторов.

Входными параметрами при оценке технического фактора являются:

- категория опасности машинного агрегата, определяемая согласно ГОСТ Р 53563-2009 «Контроль состояния и диагностика машин. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Порядок организации»;

- вероятность взрыва и пожара, оценка которого производится согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования»;

- техническое состояние машинного агрегата, определяемое с использованием теории нечетких множеств и вероятностной нейронной сети на основе анализа гармонического состава токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.

На основе результатов оценки входных параметров с использованием теории нечетких множеств определяется показатель ви характеризующий степень влияния технического фактора на опасность эксплуатации машинных агрегатов. Значение показателя 81 находится в интервале от 0 до 1. Разработаны нечеткие правила, определяющие зави-

симость технического фактора от категории опасности машинного агрегата, технического состояния, а также вероятности взрыва и пожара. Проведена фаззификация входных и выходных лингвистических переменных. При оценке технического фактора используется алгоритм нечеткого логического вывода Мамдани, при дефаззификации применяется метод центра тяжести.

При оценке технологического фактора используются значения технологических параметров р1 (температура перекачиваемой среды, давление на нагнетании, температура подшипников, перепад давления). Первоначально значения р| нормируются согласно выражению

1,прир( <р" 1

Р; - Р( н 1

—-¡¡-,прир; <Р1 <Р;

норм _ I | ь .

Р| -10,прир( <р( <Р; , (6)

|1

- Р; ь ьь

—-<Р;<Р1

Р; -Р;

. ьь

1,прир; >р;

где р!юрм - значение нормированного 1-го технологического параметра; р, - фактическое значение ¡-го технологического параметра; р-1*1, р'1 - предельно допустимые значения 1-го технологического параметра; р-1, р| - предупредительные значения ¡-го технологического параметра.

Показатель Бг, характеризующий степень влияния технологического фактора на опасность эксплуатации машинных агрегатов, определяется согласно выражению

82 = 1-П(1-рГРМ)' (7)

¡=1

где п - количество технологических параметров, участвующих при оценке технологического фактора.

Значение показателя Бг находится в интервале от 0 до 1.

При оценке человеческого фактора учитываются следующие параметры: профессионализм обслуживающего персонала, личностные и психофизиологические качества. Профессионализм обслуживающего персонала определяется на основе экспертных оценок. При оценке личностных качеств учитываются эмоциональная устойчивость и ответственность, которые оцениваются с использованием теста Кеггела (анализ факторов С и О). При оценке психофизиологических качеств учитываются внимание (тест

«Расстановка чисел»), кратковременная память (тест «Воспроизведение фигур»), долговременная память (тест «Память на числа»), технический интеллект (тест механической понятливости Беннета). Для каждого исследуемого параметра на основе экспертного опроса определены весовые коэффициенты к*. Согласованность мнений экспертов оценивалась при помощи коэффициента вариации. Результаты экспертного опроса приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Результаты экспертного опроса по определению весовых коэффициентов для параметров, используемых при оценке человеческого фактора

Наименование Весовой Коэффициент

параметра коэффициент к,- вариации, %

1 Профессионализм персонала (ХО 0,432 5,5

2 Личностные качества 0,337 7,7

2.1 Эмоциональная устойчивость (Х2) 0,144 9,9

2.2 Ответственность (Хз) 0,192 6,9

3 Психофизиологические качества 0,231 7,4

3.1 Внимание (Х4) 0,077 6,8

3.2 Кратковременная память (Х5) 0,055 9,9

3.3 Долговременная память (Хб) 0,046 9,1

3.4 Технический интеллект (Х7) 0,054 11,2

После проведения процедур тестирования и экспертного опроса определяется индивидуальная степень влияния обслуживающего персонала на опасность эксплуатации машинных агрегатов

¡=1 Х1

Показатель 8з, характеризующий степень влияния человеческого фактора на опасность эксплуатации машинных агрегатов, определяется согласно выражению

1 т

83=—1&, (9)

т

где т — количество обслуживающего персонала, участвующего в проведении оценки технического фактора.

Разработаны нечеткие правила, отражающие существенно-нелинейную зависимость опасности эксплуатации машинных агрегатов от технического, технологического и человеческого факторов. При оценке опасности эксплуатации на основе теории нечетких множеств используется алгоритм нечеткого логического вывода Мамдани, при деффаззификации применяется метод центра тяжести. Алгоритм оценки опасности эксплуатации представлен на

рисунке 6. Система оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств реализована с использованием пакетов Fuzzy Logic Tollbox и Simulink программного комплекса Matlab (рисунок 7).

Ввод данных о категории опасности, техническом состоянии,вероятности взрыва и пожара машинного агрегата

Ввод данных о значениях технологических параметров

Ввод экспертных оценок профессионализма и данных о результатах тестирования

Математический аппарат теории нечетких множеств с базой правил нечеткого вывода

Приведение к нечеткости входных переменных (фаззификация)

Агрегирование подусловий

Активация подзаключений

Аккумулирование заключений

Приведение к четкости (дефаззификация)

Нормирование входных данных

X

Расчет человеческого фактора

Расчет технологического фактора

Ввод значения технического фактора S,

Ввод значения технологического фактора S

Ввод значения человеческого фактора S

X

Математический аппарат теории нечетких множеств с базой правил нечеткого вывода

Приведение к нечеткости входных переменных (фаззификация)

Агрегирование подусловий

Активация подзаключений

Аккумулирование заключений

Приведение к четкости (дефаззификация)

L

Вывод количественной информации об уровне опасности эксплуатации машинного агрегата

Низкий уровень опасности эксплуатации

Средний уровень опасности эксплуатации

Высокий уровень опасности эксплуатации

Рисунок 6 — Алгоритм оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов

Рисунок 7 - Программная реализация метода оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием пакетов Fuzzy Logic Tollbox и Simulink программного комплекса Matlab

Предложен интегральный параметр Son, характеризующий уровень опасности эксплуатации машинных агрегатов. ГОСТ Р ИСО/МЭК 31010-2011 «Менеджмент риска. Методы оценки риска» при оценке риска устанавливает следующие уровни: «высокий», «средний» и «низкий». На основе данного подхода установлены следующие уровни опасности эксплуатации машинных агрегатов: «высокий уровень опасности эксплуатации», «средний уровень опасности эксплуатации» и «низкий уровень опасности эксплуатации». На основе экспертного опроса определены диапазоны изменения интегрального параметра Son, характеризующие различные уровни опасности эксплуатации машинных агрегатов. Значение Son в интервале (0-0,3] соответствует «низкому уровню опасности эксплуатации», в интервале [0,31~Ю,7] - «среднему уровню опасности эксплуатации», в интервале [0,71-И) - «высокому уровню опасности эксплуатации».

Разработанный метод оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов апробирован на действующем оборудовании цеха пиролиза производства ЭП-300 завода «Мономер» ОАО «Газпром нефтехим Салават». Согласно проведенному исследованию 13 % машинных агрегатов характеризуются низким уровнем опасности эксплуатации, 30 % - средним уровнем опасности эксплуатации, 57 % - высоким уровнем опасности эксплуатации.

Разработаны алгоритмы выбора и оценки эффективности мероприятий, направленных на снижение уровня опасности эксплуатации машинных агрегатов. Разработан программно-аппаратный комплекс оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов, в состав которого входят программы оценки технического состояния (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618055 и № 2012615158), а также устройство дистанционной диагностики двигателя электропривода машинных агрегатов (патент на полезную модель № 147268).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработан метод повышения безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли, основанный на оценке опасности эксплуатации машинных агрегатов с учетом влияния технического, технологического и человеческого факторов.

2 Анализ статистической информации об аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли показывает, что при оценке опасности эксплуатации машинных агрегатов необходимо учитывать совокупность количественных и качественных параметров, отражающих нестационарный характер Технологических процессов, изменение технического состояния, а также влияние ошибок персонала.

3 Анализ существующих методов оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов показал, что в наибольшей степени решению данной задачи соответствуют методы, основанные на использовании теории нечетких множеств, позволяющие учитывать многофакторность и нечеткость входных параметров.

4 Экспериментальные исследования показали, что применение теории нечетких

множеств совместно с вероятностной нейронной сетью позволяет уменьшить ошибку распознавания повреждений и режимов работы при оценке технического состояния машинных агрегатов на основе анализа параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с 16 % до 7 % и тем самым повысить достоверность оценки опасности эксплуатации.

5 Разработан метод количественной оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств и интегрального параметра, учитывающего влияние технического, технологического и человеческого факторов.

6 Разработан программно-аппаратный комплекс для реализации метода количественной оценки опасности эксплуатации машинных агрегатов и повышения безопасности технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618055 и № 2012615158, патентна полезную модель № 147268).

7 Разработанный метод оценки опасности эксплуатации, основанный на использовании теории нечетких множеств, принят к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе:

В рецензируемых журналах in списка ВАК

1 Юмагузин, У. Ф. Оценка безопасности эксплуатации машинных агрегатов с использованием теории нечетких множеств / У. Ф. Юмагузии, Баширов М. Г., Маликов С. В., Маликов А. В., Максютов И. Н. // Современные проблемы науки и образования: элеюр01гаый научный журнал. -2014. -№ 6. - URL: http://www.science-education.ru/ 120-16412.

2 Баширов, М. Г. Оценка технического состояния оборудования предприятий нефтегазовой отрасли на основе применения техноценологичесхого метода / М. Г. Баширов, У. Ф. Юмагузии, В. Л. Талаев//Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». -2012. - №5.-С. 293-302. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Bashirov/Bashirov_5.pdf.

3 Юмагузии, У.Ф. Повышение безопасности эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли / У.Ф. Юмагузии, М.Г. Баширов // Современные проблемы науки и образования: электронный научный журнал. —2014. - № 1. — URL: http://www.science-education.ru/ 115-11869.

4 Юмагузин, У.Ф. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования предприятий нефтегазовой отрасли/У.Ф. Юмагузин, М.Г. Баширов//Фундаментальные исследования, — 2014. -№3.-С. 277-280.

5 Баширова, Э. М. Ранжирование нефтегазового оборудования при переходе на систему обслуживания и ремонта по техническому состоянию / Э. М. Баширова, У. Ф. Юмагузин, Р.Т. Юлбер-дин // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2014. - № 1. - С. 27 - 31.

Патент на полезную модель

6 Патент на полезную модель № 147268. Устройство дистанционной диагностики асинхронных электродвигателей / Прахов И. В., Юмагузин У. Ф., Баширова Э. М., Миронова И. С. (Россия). -№2014117451; заязл. 29.04.2014; опубл. 27.10.2014. Бюл. №30.

Программы для ЭВМ

7 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615158. Оценка техническсго состояния электрооборудования на основе интегральных параметров / Баширов М.Г., Миронова И.С., Юмагузин У.Ф., Акчулпанов В.Г. (Россия). - № 2012615158; опубл. 08.06.2012.

8 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614081.

Оценка технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом / Баширов М.Г., Самородов А. В., Прахов И. В., Миронова И. С., Чурагулов Д. Г., Камалетдинов Р. А., Хафизов А. М. (Россия). -№2014614081; опубл. 15.04.2014.

В других изданиях

9 Юмагузин, У. Ф. Оценка технического состояния и прогнозирование ресурса электрооборудования на основе использования техноценологического метода / У.Ф. Юмагузин, М.Г. Баширов // Материалы Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка -2010». - Уфа: Изд-во ГУП ИНХП РБ, 2011. - С. 223.

10 Юмагузин, У. Ф. Ценологический подход к оценке технического состояния прогнозированию ресурса электрооборудования / У.Ф. Юмагузин, М. Г. Баширов// Интеграция науки и производства: тезисы И73 докладов отраслевой научно-производственной конференции / редкол.: Н. Г. Евдокимова и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - С. 68 - 69.

11 Миронова, И. С. Использование интегральных критериев и техноценологического метода в задачах обеспечения промышленной безопасности нефтегазовой отрасли / И. С. Миронова, У. Ф. Юмагузин, Е. С. Ломинский // Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего: материалы Международной научно-методической конференции. - Уфа: Изд. УГНТУ, 2012. - С. 294 - 297.

12 Баширов, М. Г. Формирование единого подхода к обеспечению энергосбережения и энергобезопасности предприятий нефтегазовой отрасли / М. Г. Баширов, И.С. Миронова, У. Ф. Юмагузин, А. В. Самородов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов IV Международной научно-технической конференции (24 - 25 апреля 2012 г.). - Тольятти: ТГУ, 2012. - Ч. 1. - С. 252 - 257.

13 Юмагузин, У. Ф. Техническое диагностирование насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / У. Ф. Юмагузин, Р. М. Куглумухаметов, М. Р. Вагапов // Наука. Технология. Производство-2013: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / редкол.: Евдокимова Н.Г. и др. - Уфа: Изд-во Уфимского государственного нефтяного технического университета, 2013. - С. 123 - 125.

14 Юмагузин, У. Ф. Оценка технического состояния и ресурса оборудования предприятий нефтегазовой отрасли с использованием интегральных критериев / Э. М. Баширова, И. С. Миронова,

A. Е. Устимов // Наука. Технология. Производство-2013: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / редкол.: Евдокимова Н.Г. и др. — Уфа: Изд-во Уфимского государственного нефтяного тех1шческого университета, 2013. -С. 97 - 99.

15 Юмагузин, У. Ф. Методика повышения безопасности эксплуатации оборудовшшя предприятий нефтегазовой отрасли // Сборник тезисов докладов X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» / Под общ. ред.

B.Г. Мартынова. - М. 2014. - С. 237.

16 Юмагузин, У. Ф. Прогнозирование остаточного ресурса электрооборудования на основе анализа гармонического состава токов и напряжении /У.Ф. Юмагузин, Л. Г. Хуснутдинова // Наука. Технология. Производство-2014: тезисы докладов Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / редкол.: Евдокимова Н.Г. и др. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014.-С. 77-79.

Подписано в печать 21.07.2015 г. Печать трафаретная. Усл.п.л. - 1,5 Заказ № 982 Тираж: 100 экз. Типография «Знак» г. Уфа, ул. Космонавтов, 3 тел.: (347) 240-56-24

e-mail: ufaznak@mail.ru