CC BY
43
УДК 681.121.8
О МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЁЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
С.В.Архипов1, С.И.Половнева2, А.В.Баев3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются принципы построения автоматизированной системы коммерческого учета тепловой энергии (АСКУТЭ), наряду с технической надежностью вводится понятие метрологической надежности средств измерения в межповерочном интервале, математическая модель её оценки и прогнозирования метрологических отказов для автоматизированной системы коммерческого учета тепловой энергии. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: метрологическая надежность; автоматизированная система коммерческого учета тепловой энергии (АСКУТЭ); погрешность СИ (системы измерения).
ON METROLOGICAL RELIABILITY OF THE AUTOMATED SYSTEM OF HEAT COMMERCIAL ACCOUNT S.V. Arkhipov, S.I. Polovneva, A.V. Baev
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the construction principles of the automated system of heat energy commercial account. Along with the technical reliability it introduces the concept of metrological reliability of measuring tools in the calibration interval, the mathematical model of its assessment and prediction of metrological failures for the automated system of heat energy commercial account. 5 figures. 1 table. 3 sources.
Key words: metrological reliability; automated system of heat energy commercial account; measurement system error.
Энергоэффективность и энергосбережение являются одним из приоритетных направлений модернизации производства и распределения тепловой и электрической энергии [1]. От надежности и стабильности работы систем автоматизированного учета во многом зависит результат по энергоэффективности и экономии энергоресурсов.
Система АСКУТЭ представляет собой распределенную информационно-измерительную систему, расположенную на территории г. Иркутска (рис. 1). В её состав входят электрокотельные, районные котельные, подкачивающие и тепловые насосные станции (табл. 1). Ввод системы в эксплуатацию начался в 2005 году. В настоящее время продолжается ее развитие, модернизация, расширение функций и повышение надежности. Создание и ввод в эксплуатацию объектов системы теплоучета производилось фирмой ЗАО «Профис». Автоматизированная система коммерческого учета тепловой энергии (АСКУТЭ) УТС НИ ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» предназначена для:
• измерения тепловой энергии, потребленной за установленные интервалы времени на объектах;
• автоматизированного сбора, обработки, хранения, отображения, коммерческого учета полученной информации;
• использования выходных данных для коммерческих расчетов с поставщиками и потребителями энергии;
• оперативного управления потреблением энергии;
• комплексного автоматизированного сбора информации о фактических значениях выработки, транзита и потребления энергии на собственные нужды;
• равноправного доступа к первичной информации о фактических выработках, транзите и потреблении энергии;
• формирования статистической отчетности.
Система АСКУТЭ тепловых сетей г. Иркутска
обеспечивает реализацию следующих функций:
• автоматизацию контроля отклонений договорных параметров теплоносителя;
• автоматизацию расчета параметров теплоносителя, отпускаемой массы и энергии;
• улучшение качества ведения процесса отпуска тепла оперативным персоналом ТЭЦ и тепловых сетей;
• оперативный контроль за ведением процесса отпуска тепла инженерно-техническими службами филиалов;
1Архипов Сергей Владимирович, аспирант, тел.: 89149052032, e-mail: bartbond@yandex.ru Arkhipov Sergey, Postgraduate, tel.: 89149052032, e-mail: bartbond@yandex.ru
2Половнева Светлана Ивановна, кандидат технических наук, доцент, тел.: 89041114727, e-mail: polovneva_si@mail.ru Polovneva Svetlana, Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: 89041114727, e-mail: polovneva_si@mail.ru
3Баев Анатолий Васильевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов, e-mail: baew@istu.edu
Baev Anatoly, Candidate of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automation of Industrial Processes, e-mail: baew@istu.edu
• автоматизацию сбора и архивирования расчетных данных, данных о нештатных ситуациях;
• доступ к архивным данным инженерно-технических служб филиалов;
• удаленный доступ к архивным данным для персонала фирмы энергосбыт, РДУ, ПТС;
• автоматическое формирование и архивирование отчетных документов.
АСКУТЭ УТС Н-И ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» является многоуровневой информационно-измерительной системой с централизованным управлением и распределенной функцией выполнения измерений. Структура АСКУТЭ содержит три уровня:
• первый уровень включает измерительно-информационные каналы (датчики давления, температуры и расхода) и выполняет функцию проведения измерений;
• второй уровень включает информационно-вычислительный комплекс на базе тепловычислите-лей СПТ, ВЗЛЕТ, ТБН (таблица);
• третий уровень - информационно-вычислительный комплекс.
В информационно-вычислительном комплексе можно выделить сервер опроса и сбора данных, а также автоматизированные рабочие места (АРМ) пользователей и специалистов, обеспечивающих их функционирование (рис. 1).
Сервер сбора данных предназначен для опроса объектов, сбора и архивирования данных. Связь между объектами и сервером осуществляется по GSM связи с помощью GSM модемов Siemens TC-35 и его аналогов.
К АРМам АСКУТЭ относятся:
• АРМ оперативного персонала (начальника смены станции или диспетчера тепловых сетей);
• АРМ инженера по учету тепла (АРМ ИТР);
• АРМ инженера АСУТП (инженерная станция).
АРМ оперативного персонала предназначен для
оперативного контроля за параметрами теплоносителя и состоянием технических средств АСКУТЭ.
АРМ ИТР предназначен для анализа ведения технологического процесса отпуска тепла в текущие и предыдущие сутки и формирования отчетных документов по отпуску тепла.
АРМ инженера АСУТП (инженерная станция) обеспечивает инструментальную среду для работы с базами данных теплосчетчиков, настройки АРМов пользователей АСКУТЭ, проверки работоспособности тепловычислителей и подсистем АСКУТЭ.
В системе используется программный комплекс ВЗЛЕТ-СП. Для архивирования данных используется программа Microsoft office Access. Опрос объектов производится по расписанию с помощью планировщика задач.
Программный комплекс ВЗЛЕТ-СП предназначен
для:
• объединения компьютеров и приборов учета в единую информационно-измерительную систему;
• контроля различного назначения;
• обмена данных;
• отображения данных;
• накопления данных;
• передачи данных в другие системы.
Перечень объектов и приборов теплоучета системы АСКУТЭ
№ п/п Название объекта Тип установленного тепловычислителя Тип установленного расходомера
1 ГЩУ РК «Кировская», транзит НИ ТЭЦ ТСРВ-020 Взлёт УРСВ
2 ГЩУ РК «Кировская», коллектор 3,5,6 СПТ-961 ДРК-4
3 ГЩУ РК «Кировская», коллектор 4, 1-2 ТСРВ-022 Взлёт УРСВ
4 ПНС «Лисиха» СПТ-961 ДРК-3
5 ЭК «Байкальская» (ТМ-4) ТСРВ-022 Взлёт УРСВ
6 ЭК «Байкальская» (2-я очередь) ТСРВ-022 Взлёт УРСВ
7 ТНС «Релейная» СПТ-961 Диафрагма, метран 100
8 ЭК «Бытовая» СПТ-961 Диафрагма, метран 150 cd
9 ЭК «Байкал» ТСРВ-024 Взлёт УРСВ
10 ПНС «ТНС-3» НИИФТРИ ТБН КМ5 КМ-5
11 ПНС «ТНС-3» Юбилейный СПТ-961 ДРК-3
12 ПНС «Левобережная» ТСРВ-022 Взлёт УРСВ
13 ПНС «Маршала Конева» СПТ-961 -
14 ПНС «Синюшина гора» СПТ-961 -
15 ЭК «Ново-Ленино» СПТ-961 Диафрагма, метран ДД150
16 КСПУ СПТ-961 ДРК-4
Рис. 1. Структурная схема системы АСКУТЭ на территории г. Иркутска
Таким образом, система АСКУТЭ является сложной многоуровневой системой, содержащей большое количество средств измерений, важнейшими из которых являются расходомеры и термопреобразователи, от точности и метрологической надежности которых зависит точность расчета количества переданного тепла и горячей воды потребителю. Поэтому мониторинг и непрерывная оценка метрологической надежности всех элементов системы является актуальной и экономически обоснованной задачей.
В процессе эксплуатации метрологические характеристики и параметры средств измерений (СИ) пре-
терпевают изменения из-за старения и воздействия внешних факторов. Эти изменения носят случайный монотонный или флуктуирующий характер и приводят к отказам, т.е. к невозможности СИ выполнять свои функции. Отказы делятся на неметрологические и метрологические [2]. Неметрологическими называются отказы, обусловленные причинами, не связанными с изменением метрологических характеристик (МХ) средства измерений. Они носят главным образом явный характер, проявляются внезапно и могут быть обнаружены без проведения поверки.
Метрологическими являются отказы, вызванные выходом МХ за установленные допустимые границы. Как показывают исследования, метрологические отказы происходят значительно чаще, чем неметрологические и подразделяются на внезапные и постепенные. Внезапным является отказ, характеризующийся скачкообразным изменением одной или нескольких МХ. Эти отказы в силу их случайности невозможно прогнозировать. Их последствия (сбой показаний, потеря чувствительности и т.п.) легко обнаруживаются в ходе эксплуатации прибора, т.е. по характеру проявления они являются явными. Особенность внезапных отказов — постоянство во времени их интенсивности. Это дает возможность применять для анализа этих отказов классическую теорию надежности. Постепенный отказ характеризуется монотонным изменением одной или нескольких МХ. По характеру проявления постепенные отказы являются скрытыми и могут быть выявлены только по результатам периодического контроля СИ.
Способность СИ сохранять его метрологическую исправность в течение заданного времени, т.е. состояние, при котором все нормируемые МХ соответствуют установленным требованиям при определенных режимах и условиях эксплуатации, называется метрологической надежностью. Постепенное изменение погрешности СИ - основной его метрологической характеристики - позволяет ввести сколь угодно много работоспособных состояний с различным уровнем эффективности функционирования, определяемым степенью приближения погрешности к допустимым граничным значениям. Поэтому современная теория надежности, оперирующая только двумя характерными состояниями: работоспособное и неработоспособное - неприменима для оценки метрологической надежности: проблема оценки и прогнозирования метрологической надежности СИ, в том числе и при измерении тепловой энергии, имеет свою специфику.
Задача, решаемая при определении метрологической надежности СИ, состоит в нахождении начальных изменений МХ и построении математической модели,
экстраполирующей полученные результаты на большой интервал времени. Если проследить изменение основной погрешности во времени эксплуатации как одной из главных МХ СИ, то можно отметить следующую закономерность (рис.2,а): изменение погрешности СИ во времени представляет собой случайный нестационарный процесс. Множество его реализаций можно рассматривать (рис. 2) в виде кривых А, модулей погрешности. В каждый момент они характеризуются некоторым законом распределения плотности вероятности р(А, у (кривые 1 и 2 на рис. 2,а). В центре полосы, кривая Аср (О, наблюдается наибольшая плотность появления погрешностей, которая постепенно уменьшается к границам полосы, теоретически стремясь к нулю при бесконечном удалении от центра. Верхняя и нижняя границы полосы погрешностей СИ могут быть представлены лишь в виде некоторых квантильных границ, внутри которых заключена большая часть погрешностей, реализуемых с доверительной вероятностью Р.
Метрологическая надежность характеризуется распределением моментов времени наступления метрологических отказов. Метрологический отказ наступает при пересечении кривой А, прямых ± Апр. Отказы могут наступать в различные моменты времени в диапазоне от до ¿тах (рис. 2,а), причем эти точки являются точками пересечения 5- и 95%-ного квантилей с линией допустимого значения погрешности. При достижении кривой А0,э5(0 допустимого предела Апр у 5% приборов наступает метрологический отказ. В качестве модели нестационарного случайного процесса изменения во времени модуля погрешности СИ целесообразно использовать зависимость изменения во времени 95%-ного квантиля этого процесса.
В общем виде модель погрешности А0,д5(0 может быть представлена в виде А0,д5(0 = А0 + Е(1), где А0 -начальная погрешность СИ; - случайная для совокупности СИ данного типа функция времени, обусловленная физико-химическими процессами постепенного износа и старения элементов и блоков. Получить точное выражение для функции Е(1) исходя из физиче-
Рис. 2. Изменение основной погрешности (а) и частоты метрологических отказов СИ (б) от времени
ских моделей процессов старения практически не представляется возможным. Поэтому, основываясь на данных экспериментальных исследований изменения погрешностей во времени, функцию Е(1) аппроксимируют той или иной математической зависимостью (рис.3).
Простейшей моделью изменения погрешности является линейная:
До,95(0 = Ад + vt,
(1)
где А0 - начальная погрешность СИ; V - скорость изменения погрешности.
ношению к фактическому значению погрешности средства измерений А0 на момент изготовления или окончания ремонта прибора. Запас погрешности для первого межремонтного интервала определяется решениями, принятыми производителем СИ, а для всех последующих межремонтных интервалов - качеством ремонта и эксплуатации службы пользователя. Если метрологическая служба предприятия обеспечивает при ремонте погрешность СИ, равную погрешности А0 на момент изготовления, то частота метрологических отказов будет малой. Если же при ремонте обеспечивается лишь выполнение условия А0 = (0,9,...,0,95) Апр, то погрешность может выйти за пределы допустимых
Виды математических моделей A =f(t)
Линейная | Авторегрессионная \ Полиномиальная
Экспоненциальная Логистическая
Рис.3. Возможные варианты математических моделей изменения основной погрешности СИ во времени
Как показали проведенные исследования [3], данная модель удовлетворительно описывает старение СИ в возрасте от одного до пяти лет. Метрологические отказы возникают периодически. Механизм их периодичности иллюстрирует рис. 4, где прямой линией 1 показано изменение 95%-ного квантиля при линейном законе.
Рис. 4. Линейный закон изменения погрешности
При метрологическом отказе погрешность А0,д5(0 превышает значение Апр = А0 + Аз, где Аз - значение запаса нормируемого предела погрешности, необходимого для обеспечения долговременной работоспособности СИ. При каждом таком отказе производится ремонт прибора и его погрешность возвращается к исходному значению А0. По прошествии времени Тр = - ¿и опять происходит отказ (моменты 11, 12, 13 и т.д.), после которого вновь производится ремонт. Следовательно, процесс изменения погрешности СИ описывается ломаной линией 2 (рис.4) , которая может быть представлена уравнением
Ао,9в(0 = Ао + п Аз, (2)
где п - число отказов (или ремонтов) СИ; Аз - запас нормируемого значения погрешности.
Частота метрологических отказов увеличивается с ростом скорости V. Она столь же сильно зависит от запаса нормируемого значения погрешности Аз по от-
значений уже в ближайшие месяцы эксплуатации СИ и большую часть межповерочного интервала (МПИ) оно будет эксплуатироваться с погрешностью, превышающей допускаемую. Поэтому основным практическим средством достижения долговременной метрологической исправности средства измерений является обеспечение достаточно большого запаса Аз, нормируемого по отношению к пределу Апр.
На основе экспоненциальной модели (см. рис.3) частота метрологических отказов описывается уравнением
w(t) = ш0е ,
(3)
где ш0 - частота метрологических отказов на момент изготовления средства измерений (т.е. при t = 0), год-1;
а - положительное ускорение процесса метрологиче-
-1
ского старения, год-1.
Число отказов n(t) определяется через частоту отказов шЩ и при ее экспоненциальном изменении согласно формуле (3) и рассчитывается как t t — n(t) = J -(tJdz = J -0eatdr = -0(eat -1). 0 0 a
Тогда изменение во времени погрешности СИ с учетом формулы (2) имеет вид
495(t) = 4 + n(t)A3 = 4 +4 —(eat -1). (4)
a
Практическое использование формулы (4) требует знания четырех параметров: начального значения погрешности А0, абсолютного запаса погрешности (Аз), начальной частоты метрологических отказов (ш0) при t = 0 и ускорения (а) процесса старения, что существенно затрудняет их применение.
Расчет времени наступления метрологического отказа сводится к определению моментов пересечения кривой A0 95(t) постоянных уровней А0 + Аз, А0 + 2Аз, ..., А0 + пАз. Они могут быть найдены путем совместного решения уравнений (2) и (4). Момент наступления n-го отказа и соответственно длительность межремонтных периодов можно определить по формулам
t = — ln
n
a
^ an У — +1
T = - ln
n
a
1 + -
a„ /a + n
/
Экспоненциальная модель процесса старения позволяет описать изменения погрешности СИ при увеличении его возраста от года и практически до бесконечности. Однако данная модель имеет ряд недостатков. Для СИ с отрицательным ускорением процесса старения она прогнозирует при t ^ <» стремление погрешности к предельному значению. В то же время для СИ с положительным ускорением модель прогнозирует неограниченное возрастание погрешности с течением времени, что противоречит практике.
Некоторые недостатки экспоненциальной модели старения удается устранить при использовании так называемой логистической модели, а также полиномиальными и диффузионными марковскими моделями или моделями на основе процессов авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего.
В технике используется большое число показателей надежности, которые приведены в стандарте ГОСТ 27.002-89. Основные из них находят применение и в теории метрологической надежности. Знание показателей метрологической надежности позволяет потребителю оптимально использовать СИ, планировать мощности ремонтных участков, размер резервного фонда приборов, обоснованно назначать межповерочные интервалы и проводить мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту СИ.
Библиографический список
Метрологические отказы при эксплуатации СИ составляют более 60% на третьем году эксплуатации и (5) достигают 96% при работе более четырех лет.
В качестве показателей ремонтопригодности используются вероятность и среднее время восстановления работоспособности СИ. Вероятностью восстановления работоспособного состояния называется вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния СИ не превысит заданное значение. Она представляет собой значение функции распределения времени восстановления при f = Тзад, где Тзад - заданное время восстановления. Средним временем восстановления работоспособного состояния называется математическое ожидание времени восстановления, определяемое до его функции распределения.
Для оценки показателей метрологической исправности, стабильности и безотказности, характеризующих метрологическую надежность средств измерений, необходимо в дальнейшем выяснить характер изменения во времени метрологических характеристик АСКУТЭ и описать ее математическую модель. Данная метрологическая оценка и математическая модель приведут к более эффективному распределению затрат на обслуживание и поверку средств измерений системы АСКУТЭ, а также позволят прогнозировать метрологические отказы, что приведет к более экономически эффективной работе системы.
1. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федер. закон Рос. Федерации от 23.11.2009 г. № 261.
2. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология,
стандартизация, сертификация: учеб. пособие. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Логос, 2005. 560 с. 3. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец В.С. Динамика погрешностей стредств измерений. М.: Энергоатомиздат, 1995. 300 с.
1
УДК 658.512.4.011
КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РАЗГОННО-БАЛАНСИРОВОЧНЫМ СООРУЖЕНИЕМ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ РОТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Ю.Ф.Рубцов1
ОАО «Научно-исследовательский институт управляющих машин и систем», 614990, г. Пермь, ул. Ленина, 66.
Рассмотрены вопросы модернизации и реконструкции испытательных стендов в ОАО «Привод». Предложена концепция построения автоматизированной системы управления разгонно-балансировочным сооружением (АСУ РБС) при испытаниях роторов СДГ-12500 электрических машин ТТК-110-2У3-Г с использованием современных специализированных средств вычислительной техники. Определена структура системы автоматического регулирования технологического оборудования автоматизированной системы испытаний (АСИ) роторов электрических машин, вес которых до 18 тонн и частота вращения 7500 оборотов в минуту. Ил. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: автоматизация; контроль; привод; разгонно-балансировочное сооружение; концепция; испытания; моделирование.
1Рубцов Юрий Фёдорович, кандидат технических наук, заместитель заведующего отделом, профессор кафедры информационных технологий и информационных систем Пермского национального исследовательского политехнического университета, тел.: (342) 2772888, e-mail: rehino@permlink.ru, niiumc@permlink.ru
Rubtsov Yury, Candidate of technical sciences, Deputy Head of the bureau, Professor of the Department of Information Technologies and Information Systems of Perm National Research Technical University, tel.: (342) 2772888, e-mail: rehino@permlink.ru, niiumc@permlink.ru
