CC BY
20
- © Т.А. Ткачева, 2014
УДК 622.014.2
Т.А. Ткачева
МЕТОДОЛОГИЯ ПРЕЦИЗИОННОСТИ ОЦЕНКИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ (ИИС) НАНОРАЗМЕРНОГО ДИАПАЗОНА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НАДЕЖНОСТЬ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Приведены модели, позволяющие оценивать информационную полноту и точность оценки и ведения основных технологий сбора и использования данных по горному оборудованию. Дан анализ проблем решаемых в новых технологиях энергетики по обеспечению безопасности и надежности горного оборудования. Наибольший эффект следует ожидать от реализации оптимизационных задач технологического управления. Их информационно-метрологическую основу составляют разработанные математические модели технологического управления процессами обеспечения повышенной безопасности и надежности горного оборудования с использованием цифровых контрольно-измерительных технологий. Приведен сравнительный анализ разработанных методов по обеспечению наблюдениями, контролем и измерениями показателей надежности горного оборудования. Ключевые слова: горное оборудование, нанотехнологии, режимы эксплуатации, цифровые контрольно-измерительные технологии, математические модели.
Технологический процесс повсеместного размещения рассредоточенного на больших площадях горного оборудования (ГО) ставят и новые задачи в проведении массовых измерений большого числа различных величин, в т.ч. и малых, размерностью 10-9-10-12 и менее (при нанотехнологиях).
Теории рассредоточенных производственных структур посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых, научно-исследовательских и учебных институтов и университетов [1]. Такой природно-техногенный процесс, как качественные: эксплуатация, сервисное и ремонтно-профилактическое обслуживание (СРПО) ГО, требует повышенной надежности как многих видов основного уникального оборудования, так и ИИС и С. А это затруднено ввиду наличия скрытых дефектов, невыявляемых ни при эксплуатации, ни при СРПО, из-за:
• незнания фактических условий эксплуатации современного территориально рассредоточенного ГО и ИИС и С, и более того, изменчивости влияющих факторов действующих по-разному на каждую единицу ГО и измерительных устройств, при этом постоянно происходит усиление влияния техногенных факторов, что ведет ко многим видам отказов и нарушений;
• отсутствия необходимых методов и средств измерений, контроля, регулирования и управления техническим состоянием ГО, несмотря на имеющиеся технические достижения;
• ограниченных ресурсов, выделяемых на эксплуатацию и СРПО ГО и ИИС и С.
Все это и определяет изменения в современных требованиях по управлению и нормированию режимов эксплуатации ГО, которые могут быть следу-
ющие: развитие активного оперативного информационного обеспечения; повышение уровня: точности режимов функционирования и контроля всех подсистем ГО, безопасности, надежности и экономичности; расширение аспектов унификации технических решений по управлению и точному нормированию рабочих режимов работы ГО и при его перегрузке. Здесь необходимо реа-лизовывать комплексный подход в решении проблем: технических - «введение цифровой прецизионной обработки возможно полного объема данных», технологических - «обеспечение повышенной безопасности и надежности ГО, экологических - «возобновляемых источников энергии» и т.д. Т.е. должен осуществляется индивидуальный технологический выход на каждую единицу ГО с учетом изменчивости всех влияющих на него факторов.
Эксплуатация современного ГО, связана с процессами измерений и контроля, которые осуществляются, но не в полном объеме из-за недоступности к информации по: теоретическим (например, если оценка информационной достаточности осуществляется из положений теорем К. Геделя «О неполноте» [2]), техническим, метрологическим (в частности, должен использоваться критерий прослеживаемости измерений [3, 4]), технологическим, экономическим (индивидуальное планирование) и др. причинам. ГО всегда работает в экстремальных условиях, а это требует точного измерения изменений многих физических величин с резко отличающейся размерностью результатов измерений как самих величин, так и их градиентов различного порядка.
Вся информация по техническим, технологическим, экономическим, экологическим и т.д. данным функционирования ГО имеет разную точность, достоверность и полноту представления. Поэтому возникающие метрологические, технологические, экономические и др. противоречия не всегда разрешимы. По каждому виду производственных показателей нужны образцы для сравнения. Обобщенно их информационную оценку имеющую абсолютную - и относительную - погрешности, которые можно представить моделями вида
[ Аппго ^) = ¡ппфго ^) - ¡ппиго ^)
[уппго С) = Аппго v) / ппфго С) • 100%, (1)
|Аппго v ± т) = 1ппфго v ± т) - ппиго v ± т)
[тппго ± т) = Аппго ± т) / ¡ппфго ± Т • ^^ (2)
где ^ППФГО№, /ППИГО№ - информационная оценка фактических и истинных производственных показателей, соответственно; t, т - текущее время и временное опережение или запаздывание, соответственно.
Модели (1-2) позволяют оценивать информационную полноту и точность оценки и ведения основных технологий сбора и использования данных по ГО. Включение цифровых технологий съемок - оперативно, местными техническими средствами и по особому регламенту спутниковыми системами, существенно поможет в решении многих технологических задач для ГО. Отметим, что цифровые контрольно-измерительные технологии (ЦКИТ) дают возможность создавать и моделировать виртуальные эталонные системы сбора и использования энергии с минимальными потерями и более широкими возможностями по оценке обеспечения энергией регионов. ЦКИТ охватывают также процессы измерений, контроля и наблюдений, аналитического накопления информации,
Эталонные данные по ресурсам
для ГО
ДХ(ЬЬт
ДХ'(ЬЬт) Корректировка
1нор(1±т) -►
А'э(1±т}
Эталонные эначення режимов работы ГО
ГО, работающее в различных регионах
Результаты СРПО и эксплуатации ГО
ММ ТУ БнНГО
АХсрпо(Ц--т)
<8*
ХэСргга(У=т)
1ф(!±т)
I
ДХжсп(ИЫ)
Информационно-метрологическая оценка погрешностей
Схема эволюции ММ ТУ Б и Н ГО: !ф^±т) - фактические данные об изменении показателей надежности ГО; I ^±т) - нормативные данные по эксплуатации РЭО АИМ
имеющие высокие метрологические показателями и характеристиками (МП и X). Кроме того, ценным, но мало используемым источником технической и технологической информации являются традиционные и новые аспекты экономических данных, которые существенно дополняют информацию о фактических показателях работоспособности ГО. ЦКИТ - это комплексное и эффективное направление в получении новых данных для реализации системного, аналитического и статистического управления (рисунок) и прогнозирования некоторых показателей: производительности; нагруженности; наработки; текущего, технического состояния ГО, экскаваторов и т.д.
Математические модели управления процессами обеспечения безопасности и надежности ГО с использованием ЦКИТ
Из проблем решаемых в новых технологиях энергетики по обеспечению безопасности и надежности ГО наибольший эффект следует ожидать от реализации оптимизационных задач технологического управления (ТУ). Их информационно-метрологическую основу составляют разработанные математические модели технологического управления (ММ ТУ) процессами обеспечения повышенной безопасности и надежности (Б и Н) ГО (например, системные, аналитические и статистические) с использованием ЦКИТ, т.к. в сравнении с другими отраслями - в горном производстве условия всегда экстремальные и есть специфические трудности разработки таких ММ Б и Н ГО. Схематично, эволюцию ММ ТУ можно представить как показано на рисунке.
На рисунке показана схема эволюции ММ ТУ Б и Н ГО, используемая для ГО, на основе которой исследуются показатели эксплуатации и СРПО ГО, контролируемые в используемых ЦКИТ и описывающиеся своими законами распределения. Каждый из элементов схемы представляется определенными моделями и алгоритмами. Эталон или базовые значения режимов работы ГО в технологии энергетики несут прогнозирующую функцию, т.е. временного опережения. Основными МП и X ЦКИТ являются: многодиапазонность измеряемых и контролируемых величин, чувствительность, погрешности и т.д. Причем в ЦКИТ обеспечивается требуемая техническая и эксплуатационная точность по любым технологическим параметрам.
В ЦКИТ ведется системно-оперативная, аналитическая обработка данных, их представление в наглядной иллюстративной, отчетной или любой другой
форме. Т.е. реализуется системное, аналитическое и статистическое слежение и моделирование основных режимов работы ГО, что определяет необходимую прецизионную информационную точность по всем технологическим параметрам (кл. точн. 0,1;0,05 и выше). Логической, алгоритмической, метрологической и информационной основой моделирования показателей надежности и производительности ГО и его технико-технологических и экономических параметров служат системы активного моделирования МиЦПБМ, БШБ и др.
В системном моделировании АИМ выделяются несколько основных принципов:
• единства, который определен взаимосвязанными процессами технологии эксплуатации и СРПО ГО, и контролируется ЦКИТ - МГО. Сущность его, как реализующего принцип единства, обобщенно представляется некоторой общей моделью
МГО = {ГО, РГО, гГО: единая система эксплуатации и СРПО ГО}, (3)
где РГО - факторы, определяющие и влияющие на показатели надежности КО; гго - взаимосвязи факторов;
• целостности оценки параметров и характеристик теоретической, технической и эксплуатационной надежности, определяемой коэффициентом готовности - КгГО, потребляемой мощностью - РГО, эффективности и производительности ГО, определяемой в виде модели
{КГгот ^ КГГОтх ^ КГГОэ {РгГО ^ РГО ^ РГО
I гоТ гоТХ гоЭ (4)
где КГгоР КгГОТХ, КГГОЭ, РГОТ, ^О^ РГОЭ, ^ГОТ ^ГО^ ^ГОЭ - т^ретт^™^ технические и эксплуатационные Кг ГО, потребляемой мощностью и эл. энергией, соответственно.
• деталлизированности циклов или периодов работы ГО;
• дифференцированности, предусматривающей специфику работы ГО на различных территориях;
• индивидуальности, учитывающей особенности каждой единицы ГО.
В точном аналитическом моделировании введен расчет заданных и истинных значений режимных показателей и характеристик надежности, потребляемой эл. энергии и производительности ГО; комплексного коэффициента - , учитывающего влияние фактических территориальных производственно-технологических и синоптических условий.
Статистическое моделирование предусматривает оперативный расчет эталонных и фактическихрежимных систем уравнений регрессии и полной совокупности точечных количественных оценок показателей и характеристик мощности, производительности и надежности ГО, определение экономических закономерностей изменения показателей (таблица) при функционировании. ЦКИТ предусматривают: оперативную метролого-статистическую обработку данных, а оперативное использование только показателя асимметрии нормального закона распределения затрат эл. энергии уточняет существующую оценку на 5-7%. Кроме того, закон распределения показателей может быть не только одно-, но и многомодальным; учет распределения всех видов используемых ресурсов; исследование и анализ конкретных условий эксплуатации и ремонта
Сравнительный анализ разработанных методов по обеспечению наблюдениями, контролем и измерениями показателей надежности ГО
Сравниваемые процессы, % от общих показателей объектов 1, 2 Традиционный (кл. точн. 1,0) На базе ЦКИТ (кл. точн. 0,5;0,2)
Увеличения объемов контроля и измерений (%) Объем в (%) системного контроля и измерений Увеличения объемов контроля и измерений (%) Объем в (%) аналитического контроля и измерений с учетом их прослеживаемости
Эксплуатация СРПО Эксплуатация СРПО
Потребление эл.энергии ГО 1 - 65,1% 2 - 62,7% 5,21* 5,63 4,58 4,76 3,17 3,34 4,36 4,18 2,17 2,74 1,57 1,38
Природо-охранные 1 - 16,5% 2 - 15,4% 6,14 6,37 7,43 7,62 5,81 5,43 5,19 5,37 5,68 5,81 4,19 4,26
* Указанные значения объемов в (%) изменяются.
ГО. Развитие в применении ЦКИТ особенно важно в условиях наблюдающегося повышения интенсивности нагруженности ГО.
Разработка методологии прецизионных ЦКИТ (таблица) улучшает и развивает основные технологии - эксплуатацию ГО и его СРПО (именно новые технологии в СРПО способствуют в восстановлении промышленности в производственных округах, улучшает социальную ситуацию за счет создания новых рабочих мест, способствует развитию средне-технического и высшего образования) в процессе эксплуатации новых видов ГО.
На базе ЦКИТ представляется возможным создавать виртуальные эталонные системы разработки ГО с минимальными потерями и более широкими возможностями. При постоянном сравнении фактической ситуации потребления ГО с эталонами даст возможность правильного корректирования всей системы в целом. Выпускаемые промышленностью цифровые средства измерений, контроля, наблюдений и информационно-измерительные системы и что особенно важно - сети (ЦИИС и С) для этих горных объектов, работающих в различных, сложных метрологических условиях требуют адаптации. Они имеют и характеризуются некоторыми малоизученными свойствами. И здесь необходимы новые, нетрадиционные разработки и методология пространственно-временных исследований метрологических показателей этого нового класса ЦИИС и С: их основных параметров и характеристик, таких как расширенные диапазоны измеряемых величин, чувствительность (10-6-10-7) и погрешности при прецизионных измерениях, контроле и инструментальных наблюдениях. Кроме того, сейчас возникают проблемы в решении важнейшей метрологической задачи, а именно, поверке СИ такого, нового класса ЦИИС и С. Это связано с тем, что цифровые средства измерений имеют не только различные классы точности (например, 0,1; 0,05 и др.), но и поверяются в различных эталонных системах. А эти проблемы носят как теоретический (разработка собственного метрологического обеспечения ГО, обеспечивающего его эффективность, и согласованное функционирование с существующей глобальной энергосистемой), так и практический (необходимо создание в регионах новых территориальных поверочных лабораторий, участков, а возможно и цехов с высокоточным повероч-
ным оборудованием для нано-, пико- , фемто и аттометровых метрологических структур) и социальный (появляются новые рабочие места и центры обучения и переподготовки кадров) характер. И разумеется, развитие всего этого должно носить значительно опережающий характер в сравнении с самим ГО, разработка которых должна обязательно включать активное моделирование на базе систем - МиЦПБМ, БШБ и др.
Отметим, что основные индивидуальные для каждой ЦИИС и С метрологические показатели: расширенные диапазоны измеряемых величин - Оциис(£), высокая чувствительность - 5ЦИИС(^ и малые погрешности: ДШИС№ - абсолютные и относительные - уЦИИС№. Они по каждой из измеряемых физических величин различны и находятся в определенной, всегда требующей дополнительных исследований, корреляционной связи, например,
где г , rs_D и rD - соответствующие коэффициенты корреляции.
Измеряемые в' ЦИИС и С показатели нового класса АИМ - это абсолютные пространственно-временные отклонения (изменчивость) физических величин - ДФB1(x, y, z, t), ... , ДФBn(x, y, z, t), в т.ч. и наноразмерного диапазона, изменяющиеся из-за влияния множества различных факторов, - это величины высшего порядка малости. Их математическое определение таково:
Определение.
Если отношения ДФB1(x, y, z, t)/ ФB1(x, y, z, t),..., ДФBn(x, y, z, t),/ ФBn(x, y, z, t) бесконечно малы, т.е.
lim ДФB1(x, y, z, t)/ ФB1(x, y, z, t)=0; ... ;
lim ДФBn(x, y, z, t)/ ФBn(x, y, z, t) =0, (5)
то величины абсолютных отклонений физических величин, измеряемых в производственных условиях - ДФB1(x, y, z, t), ... , ДФBn(x, y, z, t) есть величины высшего порядка малости относительно величин - ФB1(x, y, z, t), ... , ФBn(x, y, z, t).
Разработка этой методологии, использующей понятия б.м.в. [5], в настоящее время актуальна, важна и перспективна, т.к., во-первых, это математическая основа метрологического обеспечения наноразмерных измерений и контроля всех величин в сетях, контролирующих работу ГО. Во-вторых, это -их более точная пространственно-временная метризация, в-третьих, развитие общей теории измерительных технологий. А это создает новые возможности: для эффективного использования высокочувствительных и точных ЦИИС и С; получения полной информации, повышающей точность нормирования всех метрологических показателей, а значит создаются условия новых подходов и новой высоко точной энергетики. А прецизионность измерений, контроля и наблюдений при эксплуатации ГО расширяет возможности уже существующих технологий горного, энергетического и др. производств.
И, наконец, развитие новых ЦКИТ и ЦИИС и С для ГО, перспективная работа для специалистов, развитие образовательной системы, т.к. уже сейчас необходимы новые специальности и специализации подготовки кадров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерения. - М.: Высшая школа. - 1982.
2. Теоремы Гёделя о неполноте. Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция». 2009.
3. ИСО 10012:2003 «Системы менеджмента измерений».
4. Совместная декларация по метрологии. Париж. 23 января 2006.
5. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. - М.: Гос. издательство Физмат литературы. - 1963.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Ткачева Т.А. - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный открытый университет, e-mail: msou_energy@list.ru.
UDC 622.014.2
METHODOLOGY PRECISION METROLOGICAL EVALUATION OF INDICATORS OF INFORMATION AND MEASUREMENT NETWORKS (IMS) NANOSCALE RANGE, ENSURING RELIABILITY OF MINING EQUIPMENT
Tkacheva T.A., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Moscow State Open University, e-mail: msou_energy@list.ru.
The given mode¡ allows to estimate information completeness and accuracy of the evaluation and management of key technologies of data collection and use for mining equipment. The analysis of the problems to be solved in the new technologies of energy security and reliability of mining equipment. The greatest effect should be expected from the implementation of optimization problems of technological management. Their information metrological based on mathematical models of technological processes management enhanced security and reliability of mining equipment with the use of digital control and measuring technologies. The comparative analysis of the methods developed to ensure the observation, control and measurement of parameters of reliability of mining equipment.
Key words: mining equipment, nanotechnology, modes of operation, digital control and measuring technologies, mathematical model.
REFERENCES
1. Il'in V.A. Teleupravlenie i teleizmereniya (Telecontrol and telemetry), Moscow, Vysshaya shkola, 1982.
2. Teoremy Gëdelya o nepolnote. Material iz svobodnoi russkoi entsiklopedii «Traditsiya» (Godel incompleteness theorems. Information from the free Russian encyclopedia «Tradition»), 2009.
3. ISO 10012:2003 «Sistemy menedzhmenta izmerenii» (ISO 10012:2003. Measurement management system).
4. Sovmestnaya deklaratsiya po metrologii (Joint declaration on metrology), Parizh, 2006.
5. Piskunov N.S. Differentsial'noe i integralnoe ischisleniya (Differential and integral calculations), Moscow, Gos. izdatel'stvo Fizmat literatury, 1963.
