автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностики технического состояния

На правах рукописи

/

'ТТ^Г /

'■¡с ■

Щ4

Ярошенко Игорь Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 05.02.05. - «Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2014

Новочеркасск - 2014

005553434

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова» на кафедре «Мехатроника и гидропневмоавтоматика»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Круглова Татьяна Николаевна

Дарьян Леонид Альбертович

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Московский энергетический институт), профессор кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений»

Валюкевич Юрий Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета в г. Шахты, профессор кафедры «Радиоэлектронные и электротехнические системы и комплексы»

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научио-исследователь-скнй институт приборов»

Защита состоится 20 ноября 2014 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова www.npi-tu.ru. .

Автореферат разослан «¿-г » сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного ____-

совета, докт. техн. наук, профессор ^ '' B.C. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность работы промышленных предприятий в значительной степени зависит от состояния высоковольтного электрооборудования, обеспечивающего бесперебойную работу технологической цепочки, внеплановый останов которой может привести к серьезным авариям, влекущим за собой длительные простои и существенные финансовые потери. Следовательно, возникает необходимость повышения эксплуатационной надежности и бесперебойности работы силового электрооборудования. Как правило, такое оборудование является конструктивным объединением высоковольтного электрооборудования, механических или гидравлических элементов с элементами контроля и интеллектуальной системой управления, позволяющей осуществлять их плавный пуск, вывод на заданный режим работы, необходимое управление параметрами и отключение, что, в соответствии с общепринятой классификацией, позволяет отнести их к мехатронным модулям. Одним из перспективных направлений повышения эффективности функционирования таких модулей является управление режимами работы оборудования по их фактическому состоянию. Реализация данного подхода невозможна без разработки методов и средств, позволяющих осуществлять комплексную многопараметрическую диагностику технического состояния и управление режимами работы объекта по его результатам. Реализация полного цикла от получения данных, обработки результатов, выработки командного импульса до перестройки режимов работы объекта и получения обратной связи для коррекции уставок самой системы контроля, позволит повысить ресурс, снизить аварийность, затраты на ремонт и, как следствие, повысить эффективность их функционирования, поэтому разработка таких систем весьма актуальна.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного ученым советом 28.09.2011 г. и соответствует госбюджетным темам П.3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» (28.09.2011 г.), и ПЗ-891 «Теоретические основы и методы построения, надежность и диагностика мехатронных и робототехнических систем» (2014 - 2018 г.г.)

Целью работы является повышение эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей совершенствованием моделей, методов и средств многопараметрического диагностирования.

Идея работы. Применение аппарата нечеткой логики позволяет разработать модели, методы и алгоритмы многопараметрического диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей.

Научные положения, выносимые на защиту: - метод и алгоритм повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей, основанный на нечеткой модели классификации, заключающийся в том, что по результатам измерения электроразрядноГ-

активности и среднеквадратического значения виброскорости, посредством аппарата нечеткой логики, оценивается состояние объекта путем отнесения его к одному из пяти классов;

- метод и алгоритм повышения эффективности функционирования на основе нечеткой модели поиска неисправностей, заключающийся в том, что по относительным отклонениям амплитуд тока и вибрации на характерных частотах, а также температуры в контрольных точках, посредством аппарата нечеткой логики, осуществляется поиск возникших неисправностей высоковольтного мехатронного модуля;

- обоснование структуры устройства, осуществляющего измерение текущих значений диагностических параметров, их усиление и программную обработку согласно разработанной методике диагностирования, реализующей классификацию текущего состояния объекта и поиск возникших неисправностей, а также подачу управляющих сигналов на изменение режима работы объекта.

Научная новизна защищаемых положений заключается в том, что

- метод и алгоритм повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей, основанный на нечеткой модели классификации, отличающийся совместным применением электрического метода контроля электроразрядной активности и неэлектрического метода вибрационной диагностики, позволяет оценить все возможные виды дефектов высоковольтных мехатронных модулей и существенно повысить качество диагноза;

- метод и алгоритм повышения эффективности функционирования на основе нечеткой модели поиска неисправностей, отличающийся совместным использованием спектрального анализа тока, вибрации и тепловизорного контроля корпуса, позволяет найти все возможные неисправности объекта;

- структура устройства, отличающаяся наличием связей с блоком управления модуля и автоматизированной системой управления технологическим процессом, выполняющего обработку диагностической информации с помощью программы, реализующей методику диагностирования, объединяющую нечеткие модели и алгоритмы классификации технического состояния и поиска неисправностей, а также подачу управляющих сигналов на изменение режима работы объекта.

Методы исследований. Для решения поставленных задач, использованы методы мехатроники, робототехники, построения микропроцессорных систем, искусственного интеллекта, теории надежности, технического диагностирования. При разработке и исследовании диагностических моделей, методов, алгоритмов и системы функционального и параметрического диагностирования использованы методы идентификации, компьютерного моделирования, программирования, теории нечетких множеств. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные - на реальных объектах в производственных условиях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований; анализом научно-исследовательских работ по рассматривае-

мому вопросу; применением статистических методов планирования и обработки экспериментов; методами обработки, выполненными с использование современных ЭВМ и программных продуктов для выполнения расчетов и обработки экспериментальных данных; достаточным объемом экспериментальных данных; удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований. Достоверность результатов - 93,2%.

Значение работы. Научное значение работы заключается в развитии теоретических положений, совершенствовании моделей, методов и средств повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей по результатам диагностирования их технического состояния.

Практическое значение полученных в работе результатов заключается следующем:

разработанные методы, и созданный на их основе программно-аппаратный комплекс, позволяют повысить эффективность функционирования высоковольтных мехатронных модулей посредством управления режимами их работы по результатам диагностики технического состояния.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Разработанные методика повышения эффективности функционирования и программа внедрены в ОАО «Концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях» (ОАО «Концерн Росэнергоатом») и в ОАО «Вольский цементный завод».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедрой «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова для студентов, обучающихся по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника»

Апробация работы. Доклады: на втором международном научно-техническом семинаре «Современные методы оценки технического состояния и способы повышения надежности оборудования подстанций» (25-29 октября 2004 г.); на седьмой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» - МНТК-2010 (Москва, 26 - 27 мая 2010 г.); на научных семинарах кафедры «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» и «Сервис транспортных и технологических машин» ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) (2013-2014 г.г.); на XXVII - Международной научной конференции «Математические Методы в Технике.и Технологиях -ММТТ- 27» Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия, 2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (2 из которых без соавторов), в том числе 6 статей, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений; изложена на 171 странице основного текста, содержит 67 рисунков и 14 таблиц.

Автор выражает благодарность профессору, доктору технических наук Аксенову Юрию Петровичу, за оказанную научно-методическую помощь при проведении исследований и подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одной из составляющей повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей за счет разработки методов и средств автоматического управления режимами их работы, является получение исчерпывающих данных о диагностике их технического состояния.

В связи с этим, в первой главе проведен обзор методов и средств диагностирования основных видов высоковольтных электрических вращающихся машин, как одного из элементов мехатронного модуля. Установлено, что они носят разрозненный характер и не приспособлены к современному уровню развития мехатронных объектов.

Анализ основных подходов к разработке методов и средств диагностирования высоковольтных мехатронных модулей показал целесообразность применения принципов многопараметрического функционального диагностирования, совокупность параметров, которого должна быть достаточной для полноты описания всех типов дефектов.

Научно обосновано, что совокупность диагностических параметров должна удовлетворять требованиям полноты описания всех классов дефектов, максимальной чувствительности к изменению значений структурных параметров, минимальности состава, доступности для контроля и измерения, минимума стоимости и времени контроля, достаточной степени разделимости при распознавании отдельных дефектов. Анализ диагностических параметров позволил сформировать эффективную совокупность диагностических параметров, включающую вибрацию, температуру, потребляемый и емкостный токи, а также электроразрядную активность (ЭРА). Для подтверждения сделанных выводов, принято решение о проведении производственных обследований высоковольтных мехатронных модулей по данным параметрам.

Во второй главе произведены производственные исследования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей с помощью контроля, выбранных в первой главе, параметров ЭРА, вибрации, тока и температуры. Установлено, что данные методы исследований наиболее полно и точно позволяют выявить неисправности объекта, и могут быть выбраны в качестве эффективной совокупности диагностических параметров многопараметрической системы функционального диагностирования.

Разработан алгоритм комплексного многопараметрического диагностирования высоковольтных модулей (рис.1).

Контроль ЭРА и среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости позволяют осуществить комплексную оценку текущего состояния, отнеся его к одному из пяти классов: «Норма», «Норма с отклонениями (НСО)», «Норма со значительными отклонениями (НСЗО)», «Ухудшенное», «Предельное». При выявлении первых двух состояний, объект полностью работоспособен, и его можно эксплуатировать в штатном режиме. Если состояние объекта «НСЗО» или «Ухудшенное», то необходим контроль дополнительных параметров, поиск неисправностей и выбор режима работы объекта. В случае предельного состояния выполняется поиск неисправностей и отключение объекта. Таким образом,

процесс диагностирования технического состояния высоковольтных мехатрон-ных модулей включает классификацию технического состояния и поиск неисправностей. Для реализации полученного алгоритма, предложена структура системы многопараметрического диагностирования технического состояния модулей, отличающаяся конструктивной простотой и надежностью, которая достигается применением минимального количества элементов и связей, а также применением электронных и программных средств обработки диагностической информации.

Рис.1. Алгоритм диагностирования технического состояния высоковольтного мехатронного модуля

Исходя из цели, заключающейся в повышении эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей совершенствованием моделей, методов и средств многопараметрического диагностирования, поставлены

следующие задачи: разработать концепцию, модели и методы диагностирования высоковольтных мехатронных модулей; составить модели классификации технического состояния и поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей; разработать алгоритм классификации технического состояния и поиска неисправностей; разработать аппаратно-программные средства диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей; создать инженерную методику повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей по результатам диагностирования его технического состояния; сформулировать и выдать рекомендации организациям, занимающимся наладкой и эксплуатацией высоковольтных мехатронных модулей, по практической реализации полученных результатов.

Большой вклад в развитие теоретических положений и мехатроники внесли ученые И.М. Макаров, К.В. Фролов, Е.П. Попов, Е.И. Юревич, B.C. Кулешов, A.C. Ющенко, A.B. Тимофеев, В.М. Лохин, М.П. Романов, C.B. Манько, Ю.В. Подураев, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляев, Ю.В. Илюхин, H.A. Глебов, А.К.Тугенгольд, А.В.Павленко, Д.Я.Паршин, М.Э.Шошиашвили, Ю.П.Аксенов, Ю.А.Валюкевич, С.Ф. Бурдаков, Е.Д.Теряев и многие другие.

В основу решения поставленных задач положены методы мехатроники, искусственного интеллекта, теории надежности, технического диагностирования. При разработке и исследовании методов и алгоритмов повышения эффективности функционирования использованы методы идентификации, компьютерного моделирования, программирования, теории нечетких множеств. Аналитические исследования выполнены на ЭВМ, а экспериментальные - на реальных объектах в производственных условиях.

Третья глава посвящена разработке моделей, методов и алгоритмов повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования их технического состояния.

В процессе функционирования, на объект оказывают влияние различные внешние и внутренние факторы, приводящие к изменению его состояния, но учесть их в полном объеме при применении стандартных методов моделирования невозможно. Одним из вариантов решения данной проблемы является применение аппарата нечеткой логики, позволяющего, имея нечеткие или неточные данные об объекте, получать адекватный результат. Составлены модели классификации технического состояния и поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей с применением данного математического аппарата.

Согласно разработанному алгоритму диагностирования (рис.1), для решения задачи классификации технического состояния, наиболее применимы методы измерения ЭРА и СКЗ виброскорости, проводимые на рабочем напряжении. Анализ ЭРА позволяет выявить основные электрические дефекты в узлах модуля, вибрационная диагностика - дефекты механического характера. Совместное применение двух этих методов позволит осуществить комплексную оценку технического состояния модуля и отнести его к одному из классов состояний. Задачей диагностики является определение технического состояния объекта по наблюдаемым проявлениям дефектов, следовательно, входными данными модели являются виды дефектов, а выходами — искомое состояние объекта.

По результатам измерения параметра ЭРА можно выявить шесть неисправностей: коронная активность в статорной обмотке, частичные разряды в корпусной изоляции и в кабельной линии, искрения в контактах в районе клеммной коробки, пазовый разряд в обмотке статора, разряды в обмотке ротора, искровые разряды в активной стали.

а)

б)

в)

Рис. 2. Входы по параметру ЭРА (а) и СКЗ виброскорости (б) и выход (в) нечеткой модели оценки технического состояния

Развитие каждого дефекта модуля проходит следующие стадии: появление признаков явления; явление фиксируется устойчиво; имеется динамика развития; переход в предельное состояние, следовательно, в качестве первых шести входов нечеткой модели классификации технического состояния, задаются неисправности, выявляемые по ЭРА с четырьмя функциями принадлежности, характеризующими стадии развития дефекта (рис. 2,а).

Первые две стадии развития дефекта позволяют дальнейшую эксплуата-

цию объекта без ограничений, две другие требуют пристального внимание и, возможно, останова для ремонта. В качестве интервала определения функций принадлежности входов, принимается [-1; 1].Стадии «Появление» и «Фиксация» задаются на интервале [-1; 0), «Динамика» и «Предел» - на интервале [0; 1].

Наиболее удобный способ идентификации технического состояния механических дефектов высоковольтного мехатронного модуля — среднеквадрати-ческое значение (СКЗ) виброскорости, по результатам измерения которого, модуль, принадлежащий одному из четырех классов, может находиться в зоне А, В, С или О. Пример входа нечеткой модели классификации для модуля третьего класса (ГОСТ ИСО 10816-1-97) представлен на рис. 2,6. Функции принадлежности имеют трапециевидную форму и соответствуют зоне вибрации:

А = (0,2.8)0 и (0.28,1.8)х; В = (1.8,4.5)0 и (2.8,4.5)1;

С = (4.5,18)0 и (7.1,11.2)!; О = (11.2,45)0 и (18,45)г.

На вход нечеткой логической системы подается множество неисправностей объекта У = {Ух, У2, У3< У4, У5, Уб, У7}, где У\ - «Коронная активность в ста-торной обмотке»; У2-«Частичные разряды в корпусной изоляции и в кабельной линии»; У3 - «Искрения в контактах в районе клеммной коробки»; У4 - «Пазовый разряд в обмотке статора»; У5 - «Искровые разряды в активной стали»; ¥6 - «Разряды в обмотке ротора»; У7- «СКЗ виброскорости».

По результатам анализа параметров ЭРА и СКЗ виброскорости, модуль может быть отнесен к одному из следующих классов состояний: «Норма » - отсутствие явного дефекта; «Норма с отклонениями (НСО)» - малозначительный дефект; «Норма со значительными отклонениями (НСЗО)» - значительный дефект; «Ухудшенное» - критический дефект; «Предаварийное» - предельное состояние. Поэтому, в качестве функций принадлежности выхода X - «Состояние» нечеткой модели классификации задаются указанные пять видов состояний (рис. 2,в).

При различных уровнях оценки с применением разных методов — итоговая классификация проводится по худшей оценке. Итоговый диагноз по результатам комплексного обследования определяется в соответствии со следующим: если ряд применяемых методов показывает на наличие начальной стадии развивающегося дефекта (оценка - "НСО"), то итоговую оценку технического состояния производить по шкале оценок на ступень выше (оценка - "НСЗО") и т.д.; если все используемые методы дают оценку "НСЗО", то итоговая оценка состояния - "Ухудшенное". Исходя из этих требований, нечеткая база знаний будет иметь следующий вид:

если У/ есть «Появление» и У2 есть «Появление»...иУ6 есть «Появле-ние»иУ7есть «А»то Хесть «НСО»;

Я2: если У/ есть «Фиксация» и У2 есть «Фиксация»...иУ6 есть «Фиксация» иУ7 есть «В» то X есть «НСЗО»;

Я3: если У1 есть «Динамика» и У2 есть «Динамика»...иУ6 есть «Динами-ка»иУ7есть «С» тоXесть «Ухудшенное»;

Я4: если У; есть «Предел» или У2 есть «Предел»...шиУб есть «Предел»иУ7 есть «С» то Хесть «Предаварийное»;

Я;: если У] есть «Появление» или У2 есть «Появление»... илиУ6 есть «Появ-

ление»иУ7есть «А» то Xесть «Норма»;

если )71 есть «Фиксация» илиУ2 есть «Фиксация»...или Уб есть «Фиксация», иУ7есть «В» то X есть«Норма с отклонениями»; Я7: если К/ есть «Динамика» ши У2 есть «Динамика»...или У6 есть «Динамика», иУ7есть «С» то Xесть«Норма со значительными отклонениями»; К8-' если У) есть «Предел» или У2 есть «Предел»...ши У6 есть «Предел»и У у есть «С» то Xесть «Ухудшенное»

Для преобразования четких входных значений в четкие выходные используется п - входной алгоритм нечеткого логического вывода Матс1ат.

Процедура получения логического вывода следующая:

1. Предполагается, что входные переменные приняли некоторые конкретные (четкие) значения - У!0, У20 , Узо, Ум, У50, У60, У7Л,по которым находятся степени истинности уу(У,0), /' е [1,7]для предпосылок каждого из приведенных правил и уровни «отсекания» а,, 1е функций принадлежности дня предпосылок каждого из правил с использованием операций минимум («а»);

«I = У,(Ко) л у,(У20) л у,(Г30) л у,(У40) л У1(У50)лу,(Уй0)л у,(У70);

Я* = л№о) А у,(У20)л л(Г30) л у, (Г40) л л(У30) л у,(У60) л ук(Ут). Затем находятся «усеченные» функции принадлежности х'(Х):

х/(Х) = а, л х^Х);

х'„{Х) = а„ л *„(.?).

2. Производится объединение функций, усеченных на предыдущем этапе логического вывода с использованием операции тах(«ч/»), в результате чего получается комбинированное нечеткое подмножество, описываемое функцией принадлежности /^(А) и соответствующее логическому выводу для выходной переменной:

М^Х) = х(Х) = х!(Х) V х'2(Х) V... V х'„(Х).

3. Нахождение четкого значения выходной переменной определяется как центр тяжести функции принадлежности рЛХ):

¡Х-Мх(Х)с1Х ___

\MzWdX а

В результате компьютерного моделирования нечеткой модели классифи-

кации технического состояния получены поверхности отклика, представленные на рис. 3 и графики зависимостей состояния объекта от уровня развития неисправностей (рис. 4).

Дефект 1 по ЭРА

Дефект 2 по ЭРА

Вибрация

Дефект по ЭРА

а) б)

Рис.3. Поверхности отклика нечеткой модели классификации технического состояния высоковольтного мехатронного модуля: а) при двух дефектах по ЭРА; б) при дефекте по ЭРА и

СКЗ виброскорости

5 4.8 4.6 4.4 4.2 4 3.8 3.6

"ПредаЕарнйное"

"Ухудшенное"

"НСЗО'

5 4.5

"Предав арийное"

ё

2.5

/ "Ухудшенное"

/ "НСЗО"

у "НСО"

-1 -0.5 0 0.5

Дефекты по ЭРА

а)

10 20 30 40 СКЗ виброскорости

б)

50

Рис.4.3ависимости состояния объекта от уровня развития ЭРА (а) и СКЗ виброскорости (б)

Для исследования высоковольтных мехатронных модулей с применением данной модели, необходимо на вход подать относительные значения развития дефектов, выявляемых по ЭРА и абсолютное значение СКЗ виброскорости. Уровню развития «Появление» соответствует значение входа «-1», «Фиксация» - «-0.5», «Появление» - «0.5», «Предел» - «1». На выходе будет получен номер класса технического состояния от 1 до 5. При получении дробного значения состояния, необходимо произвести округление, согласно правилам математики.

Оценка состояния модуля по амплитудным параметрам осуществляется сравнением с аналогичными эталонными характеристиками, следовательно, необходимо произвести нормирование входных параметров моделей. Отклонение текущих значений параметров мехатронного модуля вычисляется по формуле

¿1 = О; - аад/а01 (1)

где а; - текущее значение амплитуды, а01 - соответствующий параметр эталонного модуля.

Если текущие и эталонные значения совпадают, то Л; = 0. Если аI < а(П, то А^ < 0, следовательно, отклонение отсутствует и на вход модели подается А1 = 0.

В случае а; > ам значение Лг покажет превышение текущего значения параметра относительно эталона. Согласно ГОСТ, для параметров амплитуды спектра тока и вибрации данное значение не должно превышать л/2. Превышение данного порога, свидетельствует об отказе объекта. Измерение параметров вибрации осуществляется в трех взаимно перпендикулярных направлениях, поэтому каждая характерная частота, измеренная в этих направлениях должна иметь отдельный вход. Частоты тока также имеют самостоятельные входы.

Тепловизорный контроль состояния модуля осуществляется как по результатам абсолютного значения температуры в контрольных точках (2), так и по абсолютному отклонению параметра.

Дс = а£ - а01, (2)

где - текущее значение амплитуды, а0; - соответствующий параметр эталонного модуля.

Снимаются термограммы статора мехатронного модуля с левой и правой стороны, а также со стороны выхода воздухообдува. При исправном состоянии объекта картина распределения участков с повышенной температурой симметрична и регулярна. Локальный перегрев корпуса, свидетельствует о наличии неисправностей.

В общем случае, мехатронный модуль имеет т неисправностей, которые выявляются измерением п диагностических параметров, п-5 из которых выявляются измерением амплитуд тока и вибрации, четыре — абсолютным отклонением температуры в контрольных точках (температура корпуса со стороны подшипников; температуры воды и воздуха теплообменника; щеточно-коллекторного аппарата; статора; клеммной коробки), и один — по абсолютным значениям температуры корпуса со стороны подшипников.

В качестве входных параметров амплитуд спектров тока и вибрации системы нечеткой логики используется множество: Т,= {«Хорошо», «Допустимо», «Плохо»}. Абсолютное отклонение амплитудного значения не должно превышать эталонное более чем в л/2 раз, следовательно, в качестве интервала входных термов амплитуд целесообразно принять от 0 до 2 (Рис. 5,а).

Абсолютные значения температуры корпуса характеризуют неисправности подшипников и зависят от класса модуля.

Например, для модуля третьего класса они оценивается в пределах от О до110°С, следовательно, при формализации входа необходимо использовать термы {«Хорошо», «80», «100»} (рис. 5,6).

Входы относительных значений температуры в различных точках контроля аналогичны амплитуде спектров тока и вибрации, значения которых зависят от класса модуля. На рис. 5, в-е представлены примеры входных функций принадлежности в различных контрольных точках для модуля третьего класса.

По результатам измерений основных определяющих параметров может выявиться исправное, работоспособное или неработоспособное состояние объекта.

Первые два состояние позволяют дальнейшую эксплуатацию объекта, последнее требует его останова, поэтому, для каждого выхода множества неисправностей модуля В={ВР В2,...Вт) на интервале [-1; 1] задаются значения

функции принадлежности таким образом, что при Е [0; 1] - объект до-

пускается к эксплуатации, е [—1; 0) - объект не допускается к эксплуа-

тации. Взаимосвязь между введенными множествами описываются следующими нечеткими правилами:

|

§0.5

Хореи» Допустимо Плохо

\ \ X/

V У

01 0,6 0.8 5 1.2 1.4 1.6 1 Относительное огиюнекие амплитуда! аврала на характерной частоте

10 20 30 40 Ж «0 "0 50 « 1Ю

Относительное отклонение температуры

В)

6 ! 10 12 14 16 18 20 Относительное отклонение температуры

0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25

Относительное отклонение температуры Относительное отклонение температуры

Д) е)

Рис.5. Функции принадлежности входов нечеткой модели поиска неисправностей ВММ: а) амплитуд вибрации и тока; б) значений температуры корпуса; относительного отклонения температуры: в) теплообменника; г) щеточно-коллекторного аппарата; д) корпуса;

е) клеммной коробки.

/?/.' если А] есть «Хорошо» и........Ап есть «Хорошо», то Ву =//;

И2: если А; есть «Допустимо»......А„ есть «Допустимо», то В) =_/};

Я3: если А / есть «Плохо» и........Ап есть «Плохо», то В) =/2,

где А£, I £ [1, ^-диагностические параметры; В),] Е[1,т\ - неисправности объекта диагностирования; _/}— заключение «объект допускается к эксплуатации»;^ - заключение «объект не допускается к эксплуатации».

Для преобразования четких входных значений в четкие выходные используется п — входной алгоритм нечеткого логического вывода Така%1— Sugeno, который имеет следующий вид:

1. Предполагается, что входные переменные приняли некоторые конкретные (четкие) значения А"...А" и находятся уровни «отсекания» для предпосы-

лок каждого из правил:

а^тах[в(в';)\ уе[1 ,т]

2. Для каждого правила вычисляются индивидуальные выходы

3. Для каждого выхода модели вычисляется агрегатный выход нечеткой логической системы

Ъ* =(а, • В' +...+<*„ ■ В'т)/(а} +...+ат).

Разработанная модель позволяет по результатам анализа спектров потребляемого тока, вида и уровня ЭРА, вибрации высоковольтного мехатронного модуля, а также температуре корпуса найти неисправности объекта и оценить степень их развития.

• Структура реализации нечеткого метода поиска неисправностей мехатронного модуля на основе описанного метода диагностирования приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структура реализации нечеткого метода поиска неисправностей высоковольтного мехатронного модуля

С объекта диагностирования (ОД) с помощью системы датчиков (СД) снимаются текущие значения диагностических параметров, которые передаются в блок вычислений (БВ), переводятся в относительные единицы (А,., / е [1,я]). Эти значения передаются в блок нечеткой логики (БНЛ), где происходит определение коэффициентов развития неисправностей (В*, уе[1,т]). Полученные коэффициенты подаются на вход блока поиска неисправностей (БПН), где выбираются значения. Выявленные неисправности подаются на индикаторный блок (ИБ). В блок управления (БУ) подается сигнал на отключение модуля. Если коэффициенты развития всех неисправностей больше или равны нулю, то на экран ИБ выводится сообщение о работоспособности объекта.

На основе двух разработанных методов, составлены алгоритмы оценки технического состояния и поиска неисправностей высоковольтного мехатронного модуля. В процессе моделирования, каждой из этих стадий были присвоены следующие значение из интервала [—1; 1]: «Появление признаков явления» -«-1», «Явление фиксируется устойчиво» - «-0.5», «Имеется динамика развития» -«0,5», «Переход в предельное состояние» - «1». В процессе диагностирования,

осуществляется измерение текущих значений параметров и их анализ в следующей последовательности. Определяется текущий уровень развития ЭРА для неисправности Уь которому присваивается соответствующее значение и записывается в базу данных (БД). В случае отсутствия признаков неисправности, в базу записывается ^=-1.Аналогичным образом измеряются и анализируются остальные неисправности объекта, идентифицируемые по ЭРА. Параллельно осуществляется измерение СКЗ виброскорости и запись в БД в качестве седьмого входа модели (У7). Сформированные данные У7) подаются на вход разработанной модели классификации технического состояния, вычисляющей текущее состояние объекта. В процессе моделирования, каждому из возможных классов технического состояния был присвоен порядковый номер. Если на выходе модели получено дробное число, то оно округляется до целого, согласно правилам округления. Результат оценки технического состояния интерпретируется, согласно введенным обозначениям: «1» - «Норма»; «2» - «НСО»; «3» -«НСЗО»; «4» - «Ухудшенное»; «5» - «Предаварийное».

Разработанный алгоритм оценки технического состояния позволяет, по результатам измерения ЭРА и СКЗ виброскорости, определить текущее состояние объекта, отнеся его к одному из следующих классов: «Норма», «НСО», «НСЗО», «Ухудшенное», «Предаварийное», а также подать сигнал в блок управления модулем на изменение режимы работы при состоянии «НСЗО» или «Ухудшенное» или на отключение объекта, в случае предаварийного режима. При выявления состояния «НСЗО» или «Ухудшенное» необходимо осуществить поиск возникших неисправностей (Рис.7).

Алгоритм поиска неисправностей реализуется следующим образом. Осуществляется измерение спектров питающего тока и вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях, выделяются амплитуды на характерных частотах. Из БД извлекаются амплитудные значения тока и вибрации на соответствующих частотах и, согласно (1) находятся относительные отклонения параметров, которые заносятся в БД. Далее осуществляется измерение температуры корпуса в районе подшипников, которые также заносится в БД. Измеряется значения температуры в четырех контрольных точках. Из БД извлекаются соответствующие значения температуры эталонного объекта и, согласно (2), рассчитываются абсолютные отклонения. Полученные данные подставляются в модель поиска неисправностей, выходом которой является т неисправностей объекта. Производится оценка полученных коэффициентов развития неисправностей и выбор тех неисправностей, коэффициенты которого отрицательны. Результатом работы алгоритма является перечень возникших неисправностей.

В четвертой главе разработаны аппаратно-программные средства повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования их технического состояния. Показаны результаты их экспериментальных исследований в производственных условиях. Предложено устройство диагностирования высоковольтных мехатронных модулей, осуществляющее измерение текущих значений определяющих параметров, их усиление и обработку согласно разработанной методике диагностирования (рис.8).

Рис.7. Алгоритм поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей

В случае выявления ухудшенного или предельного состояния объекта, устройство подает соответствующий сигнал в блок управления высоковольтного мехатронного модуля и автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУТП), осуществляющий выбор необходимого режима работы модуля и всего технологического процесса.

Предложено программное обеспечение, реализующее разработанные методы и алгоритмы классификации технического состояния и поиска неисправностей высоковольтного мехатронного модуля, сочетая возможности языка программирования Delphi И системы инженерных и научных расчетов MATLAB. Для разработки нечетких моделей классификации и поиска неисправностей использованы приложение Fuzzy Logic Toolbox и технология функ-

ционального программирования в виде М - файлов с кодами на языке МАТЬАВ.

I

§

Но блок упробления

На АСУТП

Устройства диагностирования

1. Канал выделения измерительной информаиш

Щ

£ Мет*. бибрзиий

6 Грр&ыи Р&Щ/ЛЦЗЦ&ЬЯ/

уажет/ь

р^ущ^мш усияшя.

9 втъж ггк»-с (Тяко&ЫР

V. Чеоввраш регущу&ъь*

П Зван»-¡Гептдаэф.1

V. Ятл) усш&яе/ь

и

I

с КйнзЛ

17. Трввыц рег&ъруемыО

(Л^шбой фияыя

И Нсогроюс-{/р&агег&й

Т

Рис.8. Структура устройства диагностирования технического состояния

По результатам исследований, составлена инженерная методика, содержащая рекомендации по использованию методов и средств повышения эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей, опробованная в производственных условиях.

Экспериментальные исследования проводились на трех однотипных синхронных высоковольтных мехатронных модулях (рис.9), участвующих в производстве цемента.

Структурная схема системы автоматизированного управления процессом дробления агломерата для производства цемента представлена на рис. 10.

Анализ технического состояния осуществляется на основе контроля и локации электроразрядных явлений с использованием осциллографирования и измерениями мощности разрядных явлений по многим точкам на корпусе модуля, измерения вибрации, тепловизионного контроля.

Рис.9. Внешний вид модуля СДС317-64-6МУХЛ4

Рис.10. Структурная схема автоматизированного управления высоковольтным мехатронным модулем технологического процесса производства цемента

Для оценки технического состояния модулей разработана нечеткая логическая система, содержащая число входов, равных количеству точек контроля. Выходом нечеткой модели является текущее состояние объекта. Результаты оценки технического состояния с помощью разработанной модели классификации представлены на рис. 11.

В результате оценки технического состояния, установлено, что состояние первого модуля -«Норма», второго — «НСО», третьего - «Ухудшенное». Для конкретизации неисправностей модулей №2 и №3 проведены дополнительные измерения емкостного тока и температуры, а также анализ уже измеренных параметров ЭРА и виброскорости.

В результате поиска неисправностей с помощью предложенного метода, в модуле №2 установлена неисправность ротора, что было подтверждено при его осмотре. Техническое состояние «НСО». Поиск неисправностей модуля №3 показал наличие разрядных явлений в обмотке ротора, ближе к стороне «механизма». На подшипнике №2 сигнал больше по амплитуде. Техническое состояние -«Ухудшенное».

Тепловизорный контроль (рис.12) показал отсутствие тепловых аномалий и избыточных температур. Состояние - «Норма».

Из представленного анализа следует, что состояние модуля №3 по вибрации «НСО», тепловизорный контроль - «Норма», ЭРА -«Ухудшенное». Общее состояние модуля №3 - «Ухудшенное». Неисправности: повреждения подшипников №1 и №2 и обмотки ротора.

Реализованное устройство диагностирования подало управляющее воздействие на блок управления и в систему АСУТП на автоматическую разгрузку второго модуля на 10 %, проконтролировав при этом возвращение параметров к эталонным. Для модуля №3, устройство произвело поиск неисправностей и последующий останов системы с полной ее разгрузкой. Первый модуль, состояние которого «Норма» остался в работе без изменений режима. Таким образом, применение разработанного устройства диагностирования позволяет реализовать интеллектуальное управление высоковольтным мехатронным модулем в зависимости от его текущего технического состояния.

!£ ' V

I» 1

нсзо

1 НСО

■ ■ 1

Норма . ШЖХ

1,1 2,51

• Модуль №1(СД7) Модуль №2(ГО) т Модуль КЗ (СД5)

Рис. 11. Результаты оценки технического состояния с помощью нечеткой модели классификации

Рис. 12. Термограмма корпуса модуля №3

Производственные испытания подтвердили работоспособность предложенной методики повышения эффективности функционирования высоковольтного мехатронного модуля на основе диагностики их технического состояния, правильность теоретических разработок и принятых технических решений.

Применение разработанных методов и средств диагностирования высоковольтных мехатронных модулей позволяет перейти от планово - предупредительного ремонта к обслуживанию по фактическому состоянию, сократив затраты на техническое обслуживает и ремонт оборудования в 8,6 раз, а затраты на ликвидацию аварии в 12,6 раз. Переход к предложенной системе автоматической коррекции режимов работы высоковольтного мехатронного модуля на основании диагностики технического состояния позволяет увеличить ресурс системы в целом за счет выбора оптимальных режимов, тем самым повысить эффективность эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертации дано решение актуальной научно-технической задачи — повышение эффективности функционирования высоковольтных мехатронных модулей на основе диагностирования технического состояния. В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение.

1. Обоснована актуальность разработки системы диагностирования технического состояния высоковольтных мехатронных модулей и целесообразность применения принципов многопараметрического функционального диагностирования.

2. Проведены производственные исследования высоковольтных мехатронных модулей, показавшие целесообразность контроля параметров электроразрядной активности (ЭРА), вибрации, тока и температуры. Разработан алгоритм комплексного многопараметрического диагностирования высоковольтных мехатронных модулей. Предложена структура системы многопараметрического диагностирования технического состояния, позволяющая реализовать разработанный алгоритм и отличающаяся конструктивной простотой и надежностью.

3. Разработана нечеткая модель классификации технического состояния, представленная, позволяющая по результатам измерения параметров электроразрядной активности и среднеквадратического значения виброскорости определить техническое состояние объекта, отнеся его к одному из пяти классов.

4. Предложен метод повышения эффективности функционирования высоковольтного мехатронного модуля, основанный на нечеткой модели классификации, заключающийся в том, что по результатам измерения электроразрядной активности и среднеквадратического значения виброскорости, посредством аппарата нечеткой логики, оценивается состояние объекта путем отнесения его к одному из пяти классов. Приведенный метод отличается совместным применением электрического метода контроля электроразрядной активности и неэлектрического метода вибрационной диагностики, что позволяет оценить все возможные виды дефектов высоковольтных мехатронных модулей и существенно

повысить качество диагноза.

5. Разработана модель поиска неисправностей, реализованная с помощью аппарата нечеткой логики, позволяющая по измеренным значениям амплитуд тока и вибрации на характерных частотах, а также температуры в контрольных точках, выявить неисправности объекта.

6. Предложен метод повышения эффективности функционирования на основе нечеткой модели поиска неисправностей, заключающийся в том, что по относительным отклонениям амплитуд тока и вибрации на характерных частотах, а также температур в контрольных точках, посредством аппарата нечеткой логики, осуществляется поиск возникших неисправностей.

7. Разработан алгоритм оценки технического состояния, позволяющий по результатам измерения параметров электроразрядной активности и СКЗ виброскорости, с помощью аппарата нечеткой логики, определить текущее техническое состояние объекта и подать сигнал в блок управления модулем на изменение режимы работы при состоянии «НСЗО» или «Ухудшенное» или на отключение объекта, в случае предаварийного режима.

8. Разработан алгоритм поиска неисправностей высоковольтного мехатрон-ного модуля, позволяющий по результатам тепловизорного контроля, спектрального анализа питающего тока и вибрации, измеренной в трех ортогональных направлениях, посредством нечеткой логической модели, определить причины отказа объекта.

9. Предложено устройство диагностирования высоковольтного мехатронно-го модуля, осуществляющее измерение текущих значений определяющих параметров, их усиление и обработку согласно разработанной методике диагностирования. В случае выявления ухудшенного или предельного состояния объекта, устройство подает соответствующий сигнал в блок управления модуля и АСУТП предприятия, которые осуществляют выбор необходимого режима работы мехатронного модуля и всего технологического процесса.

10. Разработано программное обеспечение реализации методики диагностирования, объединяющей нечеткую классификацию технического состояния и поиск неисправностей высоковольтных мехатронных модулей.

11. Произведены производственные испытания, подтвердившие работоспособность предложенной методики диагностирования высоковольтных мехатронных модулей, правильность теоретических разработок и принятых технических решений. Достоверность диагностирования - 93,2%.

12. Выполнен анализ эффективности разработанных методов и средств диагностирования состояния высоковольтного мехатронного модуля и управления по его результатам. Применение методов и средств диагностирования позволяет перейти от планово-предупредительного ремонта к обслуживанию по фактическому состоянию, сократить затраты на техническое обслуживание и ремонт оборудования в 8,6 раз, а затраты на ликвидацию аварии в 12,6 раз. Переход к предложенной системе автоматической коррекции режимов работы высоковольтного мехатронного модуля на основании диагностики его технического состояния позволяет увеличить ресурс системы в целом за счет выбора оптимальных режимов, тем самым повысить эффективность эксплуатации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Из списка ВАК

1. Ярошенко И.В. Комплексная диагностика турбогенераторов / Аксенов Ю.П. //Электро -2006 - № 2. - С. 21-24.

2. Ярошенко И.В. Результаты обследования статорных обмоток гидрогенераторов на рабочем напряжении / Д. Ное, М. Гвидо, Ю.П. Аксенов // Электро — 2007 - № 6 - С. 42-46.

3. Ярошенко И.В. Результаты диагностики электродвигателей в эксплуатации для обоснования ремонта по состоянию / Ное Д., Гвидо М., Аксенов Ю.П. // Электро - 2008 - № 3 - С. 30-38.

4. Ярошенко И.В. Применение диагностики для определения объема ремонта турбогенераторов / Аксенов Ю.П., Талапов С.Б.// Электро - 2009 - № 2 -С. 27-36.

5. Ярошенко И.В. Применение нечеткой логики для диагностирования высоковольтных мехатронных модулей на основе анализа электроразрядной ак-тивности/Т.Н. Круглова, И.В. Ярошенко // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. - 2014. - №3,- С. 7 - 11.

6. Ярошенко И.В. Математическая модель и метод классификации технического состояния высоковольтных мехатронный модулей/ И.В. Ярошенко // Инженерный вестник Дона. - 2014. - №2. Режим доступа: littp://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2330 - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Патенты РФ

7. Ярошенко И.В. Патент на полезную модель 69263 Российская Федерация, МПК: G01R. Датчик частичных разрядов / Ю.П. Аксенов, А.П. Прошле-цов, А.Г. Фаробин, А.Г. Ляпин // 2006110075; заявлено 30.03.2006: опубл. 10.12.2007, Бюл.№ 7.

В других изданиях

8. I.V. Yaroshenko. Pattern Analysis of Turbine Generators On-Line Discharges Zone Locations in Winding / Aksenov Y.P., Noe G., Andreev A.V., Arces I. // 2009 IEEE International symposium on diagnostics for electric machines, power electronics and drives. 31 August-3 September2009. Cargese, France. 2009.-P. 164-169.

9.Ярошенко И.В. Нечеткий метод поиска неисправностей высоковольтных мехатронных модулей /И.В. Ярошенко // Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XXVII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т.З. Секции 6, 7, 8 / под. общ. ред. A.A. Большакова. - Тамбов: Тамбовск. гос. техн. ун-т, 2014, стр.113-116.

Ярошенко Игорь Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МЕХАТРОШ1ЫХ МОДУЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Подписано в печать Формат 60x84 '/|б. Бумага офсетная. Ризографня. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,71. Тираж 120экз. Заказ45.

Отпечатано в типографии ИП Бурыхин Б.М. Адрес типографии: 346500 Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко-143