Алгоритмы диагностирования электрооборудования электровозов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314

АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ М. П. Дунаев1, К. Ю. Ушаков2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведен анализ основных методов технического диагностирования, использующих многошаговый процесс поиска неисправностей. Дан алгоритм диагностирования электрооборудования электровоза, предложен метод автоматизированного человеко-машинного поиска его неисправностей. Ил. 4. Табл.1. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: электровоз; электрооборудование; алгоритмы диагностирования; автоматизация.

DIAGNOSING ALGORITHMS FOR ELECTRICAL EQUIPMENT OF ELECTRIC LOCOMOTIVES M. P. Dunayev, K. Yu. Ushakov

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The authors carry out the analysis of the main methods of technical diagnosing that use a multi-step fault search process. They give the algorithm for diagnosing the electrical equipment of an electric locomotive, propose the method for automated human-computer search of its faults. 4 figures. 1 table. 5 sources.

Key words: electric locomotive; electrical equipment; diagnosing algorithms; automation.

Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплуатационном уровне, обеспечивающем безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, невозможно без объективной информации об их фактическом состоянии.

Одним из важнейших направлений повышения

надежности подвижного состава в эксплуатации на основе организации контроля состояния его основных узлов и деталей является широкое внедрение современных методов и средств технической диагностики и их дальнейшее совершенствование.

К сожалению, на локомотивах слабо развита система диагностирования электрооборудования, хотя на

Секция электровоза

щ

5

6

о И о

н

Силовое электрооборудование

I

л

i

s ft о

о §

«

о и о н S О

§

ю

к ft

I

н

<

(U

H

и

CS

ft

e

^

(U

Я

Рис.1. Структурная схема

1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128.

Dunaev Mikhail Pavlovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128.

2Ушаков Константин Юрьевич, аспирант, тел.: (3952) 405128. Ushakov Konstantin Yurievich, postgraduate student, tel.: (3952) 405128.

неисправности этой области приходится 40% поломок. Вследствие этого возникают длительные задержки поездов, а компании ОАО «РЖД» несут большие финансовые потери [1].

Разработка логической схемы поиска неисправности. При разработке диагностической системы разобьем локомотив на отдельные блоки, выполняющие определенные функции и имеющие между собой прямые или косвенные связи. Секцию электровоза можно разделить на три отдельных функциональных блока: силовое электрооборудование; электропередача; низковольтная часть (рис.1).

В каждом блоке выберем детали и узлы, влияющие на работу локомотива. Количество таких узлов в блоке зависит от сложности и значимости его в общей системе.

На основе структурной составим общую функциональную схему электрической части электровоза, в которой каждый блок связан с другими блоками и занимает по назначению свое место в схеме (рис. 2).

На рис. 3 показана логическая модель электрической части электровоза, построенная в соответствии с общей функциональной схемой.

Входные и выходные сигналы электрической части электровоза представлены вершинами с символами Х, и I, , где / - индекс элемента логической модели, на вход (с выхода) которого поступают (выходят) сигналы.

Входные внешние сигналы Х1, Х2 соответствуют сигналам и е., и ак. на рис.3. Внешний выходной сигнал соответствует выходному сигналу и вых. ско-

рость. Представим логическую модель электрической части электровоза (см. рис.3) в виде системы логических уравнений (1): Z1 = е1 Л X1 Z2 = e2 Л Z1 Z3 = ез Л Z2

Z4 = е4 Л Z3 Л Z10 Л Z12 Z5 = е5 ЛZ3 ЛZ10 ЛZii

Z6 = е6 Л Z4Л Z5Л Z7 у (1)

Z7 = е7 Л Z3 Л Z10 Z8 = е8 Л X2 Z9 = ед Л^3 ЛZ8 Z10 = ею Л Z9

Zii = ец Л Z3 Л Z10 , J

где е, - характеризует внутреннее состояние i-го функционального блока (е, = 0 - неисправен, е, = 1 - исправен).

Выбор метода поиска неисправностей обусловлен структурой объекта диагностирования (ОД) и требуемой глубиной поиска. Качество метода поиска существенно влияет на его эффективность, которая характеризуется различными затратами (временными, материальными, энергетическими и т.п.). Эти затраты могут быть одинаковыми для всех элементарных проверок или отличаться в зависимости от условий проведения проверок при решении задачи диагностирования.

Каждому техническому состоянию е, ОД соответствует некое число р(е), отражающее вес (значимость) данного технического состояния [2]. Как и в

Рис. 2. Общая функциональная схема

г*

х2

г!

г,

г.

г,

0

г, 0-

г7

-0

г,

<43

г4

Рис. 3. Логическая модель в виде ориентированного графа

случае с ценами элементарных проверок, веса технических состояний могут быть одинаковыми или разными. Вероятность, с которой ОД может находиться в некотором техническом состоянии: 0 < р(е) < 1,

е: е Е,

X Р(е>) = 1,

где 1 = 1,2,...Ы - число технических состояний ОД; Е - множество всех технических состояний ОД.

Для уменьшения затрат на программу поиска неисправностей используют оптимизированные способы их построения [3]. При оптимизации программы поиска неисправности решают две задачи:

1) выбора наилучшего набора контролируемых параметров ОД (минимальной совокупности элементарных проверок);

2) определения наилучшей последовательности проверок (алгоритма диагностирования).

Обозначим сумму цен элементарных проверок, входящих в алгоритм диагностирования, как

С( Z 0,Е). Тогда средние затраты на определение одного состояния ОД

С(10,Е) = = Х С(г0,е1) = Х

р(ег)Х С(2к)

(2)

где 10 - первая элементарная проверка алгоритма диагностирования;

X С (I к ) - сумма цен элементарных проверок

алгоритма диагностирования от 10 до 1к.

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

При выборе метода поиска неисправности были просчитаны шесть вариантов алгоритмов диагностирования (У-алгоритм, РТ-алгоритм, Б-алгоритм, Ы-алгоритм, МУ-алгоритм, МБ-алгоритм) и построены их логические графы.

Из произведенных расчетов следует, что лучшую эффективность имеет У-алгоритм (минимальные средние затраты на определение одного состояния электрической схемы электровоза С(10 , Е) = 0,239), на втором месте Б-алгоритм (С(10 , Е) = 0,2448), третье место у РТ- алгоритма (С(10 , Е) = 0, 27295), на четвертом месте МУ-алгоритм (С(10 , Е) = 0,2745), на пятом месте Ы-алгоритм (С(10 , Е) = 0,3625), на шестом -МБ-алгоритм (С(10,Е) =0,38575).

6

1=1

\ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Р(е) 0,12 0,09 0,14 0,09 0,07 0,05 0,1 0,115 0,115 0,03 0,04 0,04

Не) 0,03 0,04 0,07 0,12 0,12 0,07 0,15 0,02 0,04 0,2 0,07 0,07

Ф) 0,09 0,09 0,15 0,05 0,05 0,08 0,07 0,15 0,1 0,09 0,04 0,04

Э(е) 0,105 0,09 0,145 0,07 0,06 0,065 0,085 0,132 0,108 0,06 0,04 0,04

Ще) 0,19 0,11 0,09 0,03 0,028 0,035 0,032 0,281 0,141 0,007 0,028 0,028

Р(еЩе) 4 2,25 2 0,75 0,58 0,71 0,06 5,75 2,87 0,15 0,57 0,57

Данные расчетов сведены в таблицу, где обозначены:

р(е) - вероятность технического состояния элемента (эту вероятность определяет эксперт: чем ближе число к значению 1, тем выше исправность элемента);

1(е) - время реализации элементарных проверок (это время, необходимое для проведения проверки -го элемента);

б(е) - доступность элементарной проверки (доступность проверяемого элемента в объекте диагностирования определяет эксперт);

3(е) - средняя арифметическая вероятность технического состояния элемента, определяется по фор-

муле:

5(е,) = [р(е,) + а(г1)] 2;

У(е) - времявероятностная характеристика элемента, определяемая по формуле

У(е, ) = Р(е< )1Не< )

(3)

£[[р(е,)! 1(е1)\

г -1

Остановимся подробнее на выбранном методе диагностирования (У-алгоритм).

Метод поиска с учетом относительной вероятности (У-алгоритм диагностирования) основан на использовании многошагового алгоритма при поиске

1 УТоЧ^^^Л—12

1 7 1о

Рис. 4. Граф алгоритма диагностирования метода поиска с учетом относительной вероятности

неисправностей. Данный метод является разновидностью метода половинного деления при неравных вероятностях технических состояний элементов и с учетом цен их элементарных проверок [4].

В качестве функции предпочтения при выборе порядка проверок используют относительную времяве-

роятностную характеристику У(е1 ) , определяемую как соотношение вероятности технического состояния элемента р(е1 ) и времени элементарной проверки

t(е1 ) представленной в формуле (3).

Алгоритм диагностирования предполагает, что

первой выполняется проверка Iк , делящая ОД на части таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

к N

ХУ(е,) * ХУ(е,) * 05,

1=1 1=к+1

N

где ХУ(е1) = 1.

1=1

Все следующие проверки выбираются таким же образом. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут найдены все неисправные блоки.

Значение У(е1 ) для электрической схемы электровоза указано в таблице.

Средние затраты на определение одного состояния электрической схемы электровоза по данному методу находим по выражению (1):

С(2а,Е) = 0,239 .

Граф алгоритма диагностирования электрической схемы электровоза по этому методу показан на рис. 4.

Выводы. Таким образом, из рассмотренных алгоритмов диагностирования элементов электрической схемы электровоза наиболее эффективными оказались два алгоритма (У-алгоритм, Б-алгоритм).

Для построения программного комплекса диагностирования электрооборудования электровоза был принят наилучший в нашем случае алгоритм - У-алгоритм.

Разработка и внедрение систем диагностирования электрооборудования тягового подвижного состава являются главными факторами повышения эксплуатационной надежности и снижения затрат на обслуживание и ремонт локомотивов.

Интерес к диагностированию электрооборудования локомотивов связан с тем, что сложность конструкции, интенсивность эксплуатации и повышение требований к надежности и безопасности не позволяют интуитивным и ручным способом определить фактическое состояние электрооборудования [5].

Внедрение систем диагностирования электрооборудования локомотивов существенно экономит денежные средства предприятия, но больший эффект даст внедрение программного диагностического комплекса, который объединит средства диагностирования и экспертную систему, направляющую пользователя и дающую ему подсказки по выявлению и устранению неисправностей.

Библиографический список

1. Быстрицкий Х.Я, Дубровский З.М, Ребрик Б.Н. Устройство и работа электровозов переменного тока. М.: Транспорт, 1998. 420 с.

2. Основы технической диагностики. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / под. ред. П.П. Пархоменко. М.: Энергия, 1976. 464 с.

3. Основы технической диагностики. Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства / под. ред. П.П. Пархоменко. М.: Энергия, 1981. 320 с.

4. Дунаев М.П. Новые логические алгоритмы диагностирования // Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. С. 30-34.

5. Бервинов. В.И Техническое диагностирование локомотивов. М.: Изд-во УМК МПС РФ, 1998. 190 с.