CC BY
46
УДК 519.1: 621
Д.М. Шпрехер, канд. техн. наук, доц., (848762) 6-13-83, shpreher-d@yandex. ги
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ОБОБЩЕННЫЕ СХЕМЫ СРЕДСТВ НЕЙРОСЕТЕВОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Предложена структурная схема для реализации диагностики электромеханических систем. Основным элементом такой системы является нейросетевой блок, с выхода которого снимаются интерпретации (выходные реакции нейронной сети) диагностических решений относительно технических состояний электромеханических систем.
Ключевые слова: электромеханическая система, диагностика состояния, ней-росетевой контроль.
Диагностика технического состояния электромеханических систем (ЭМС) на практике представляет собой нейросетевой контроль ЭМС и всех ее подсистем для получения информации о фактическом и прогнозном значениях параметров, характеризующих техническое состояние ЭМС, сопоставление результатов с заранее установленными требованиями в технических условиях (ТУ) на изделие, эксплуатационной и ремонтной документации и определение вида технического состояния нейросетевыми средствами и алгоритмами.
Переход ЭМС из одного технического состояния в другое может осуществляться скачкообразно вследствие повреждения или отказа или постепенно вследствие износа, старения, т. е. постепенного или параметрического отказа. Правильно и своевременно организованный контроль и прогнозирование исключают постепенные отказы подсистем ЭМС в процессе их применения по целевому назначению. Для этой цели при эксплуатации ЭМС необходимо использовать две основные группы приборов аппаратных средств нейросетевой диагностики:
1) аппаратуру сбора, кодирования, формирования группового диагностического сигнала и его передачи по проводным или беспроводным каналам связи. Фактически, в основе аппаратуры данной группы приборов лежат всевозможные реализации телеметрических систем [1], т.е. систем, непосредственно монтируемых на изделии - ЭМС;
2) аппаратуру приема группового диагностического сигнала, его первичной обработки, распаковки и нейросетевого анализа аппаратными нейро- транспьютерными средствами. Аппаратура данной группы может быть смонтирована как непосредственно на объекте (в случае встроенного контроля и самодиагностики), так и на удалении от объекта (в случае невозможности, из-за агрессивных условий среды или иных причин, размещения непосредственно на изделии).
Рассмотрим обобщенные структурные схемы данных групп приборов подробнее.
В состав аппаратуры сбора, кодирования, формирования группового диагностического сигнала и его передачи по проводным или беспроводным каналам связи входят первичные источники измерительной информации (датчики) и аппаратура формирования и передачи группового диагностического сигнала ЭМС (рис.1).
Рис. 1. Функциональная схема аппаратуры сбора и передачи диагностического сигнала ЭМС
С помощью датчиков Di,^ = 1,...N, устанавливаемых в различных точках контролируемого объекта - ЭМС, производится преобразование физических величин Xi,i = 1,...Ы, подлежащих контролю в ЭМС, в электрические сигналы si, I = 1,...N, которые подаются на входы информационных каналов устройства формирования группового диагностического сигнала ЭМС. Состав датчиков системы электроприводов может быть различным. При этом типовыми измеряемыми физическими величинами могут быть не только ток, напряжение, частота, но и температура, давление, уровень шума и т.д.
Ввиду того, что для реализации нейросетевой парадигмы диагностирования необходим полный вектор измеряемых параметров одновременно (и опрашиваемый периодически), аппаратура сбора и передачи данных является многоканальной аппаратурой. Количество каналов данной аппаратуры определяется числом независимых информационных входов.
Первичные сигналы si^),I = 1,...N с выхода датчиков одновременно подаются на входы информационных каналов формирователя группового диагностического сигнала (рис.1). Под групповым диагностическим сигналом в случае временного представления измерений подразумевается временная последовательность отсчетов измеряемых параметров, т.е. после-
довательность интервалов измерений следующих друг за другом. Между датчиками и входами систем сбора и передачи данных ЭМС в ряде случаев целесообразно устанавливать согласующие устройства, предназначенные для нормализации сигналов и согласования сопротивлений входа канала и выхода датчика. Под нормализацией подразумевается преобразование различных электрических сигналов в напряжение постоянного тока, пределы изменения которого составляют строго заданную для всех величину, например от 0 до 5 В. Структура устройства формирователя группового диагностического сигнала ЭМС зависит от метода разделения каналов.
Разделение каналов si, г = 1,...Ы может быть частотным, временным, нелинейным или адресным. При частотном разделении каналов общая полоса частот делится на неперекрывающиеся полосы, ширина которых определяется спектрами диагностируемых параметров и видом модуляции. В пределах данных полос производится одновременная и непрерывная передача измерительной информации. В системах с временным разделением каждому каналу (или датчику) периодически предоставляется временной интервал, называемый канальным интервалом, в пределах которого осуществляется передача значения соответствующего параметра Хг, г = 1,...М. При адресном разделении каналам приписываются адреса (коды), по которым при приеме осуществляется селекция сигналов. Нелинейное разделение каналов реализуется по системе базисных ортогональных функций. Примером нелинейного разделения каналов может служить разделение по уровню [1].
В системах с частотным разделением каналов в состав указанного формирователя входят генераторы поднесущих колебаний с модуляторами, количество которых равно числу информационных каналов, и устройство объединения канальных модулированных сигналов. В аппаратуре с временным разделением каналов формирователь включает в себя коммутатор каналов и импульсный модулятор (в аналоговых вариантах) или кодирующее устройство (в цифровых реализациях). С помощью коммутатора на вход импульсного модулятора (кодирующего устройства) последовательно на время канального интервала подаются сигналы датчиков Хг,г = 1,...Ы. Здесь формируется последовательность импульсов (кодовых групп), несущих сведения о значениях измеряемых параметров. Основной задачей указанного формирователя является образование группового диагностического сигнала ЭМС.
Сформированный групповой диагностический сигнал ЭМС, представляющий собой последовательность отсчетов (модулированных импульсов или кодовых групп) всех каналов за один цикл измерения без совокупности синхронизирующих и служебных сигналов назовем исходным входным образом нейросетевых диагностических устройств.
С выхода формирователя исходный входной образ $е(/) поступает
на вход передающего устройства, где производится модуляция одного из параметров несущего (высокочастотного) колебания.
Наряду с перечисленными элементами в состав аппаратуры сбора и передачи диагностической информации должно входить устройство масштабирования. В отличие от систем передачи речевой информации и телевидения, где потребителя, как правило, не интересуют абсолютные величины звукового давления на мембрану и освещенности объекта, в системе диагностики таких сложных, разнородных систем как ЭМС имеют важное значение абсолютные величины измеряемых физических параметров с их привязкой ко времени. Иными словами, распознаваемый образ должен быть масштабирован. Масштабирование должно осуществляться по уровню и по времени.
Для масштабирования по уровню система нейросетевого распознавания "должна знать" тарировочную характеристику датчика, т.е. зависимость выходного напряжения от величины физического параметра si = ф(Х 1),г = 1,...N, а также калибровочную характеристику информационного канала диагностической системы ЭМС. Калибровочная характеристика при регистрации данных в виде графиков должна представлять собой зависимость ординаты от напряжения на входе информационного канала: у1 = ф(si), г = 1,...N, и может сниматься заранее на этапе проектирования
системы диагностики ЭМС. Однако из-за нестабильности параметров измерительной системы приходится периодически передавать заранее известные значения эталонных уровней сигнала. Обычно калибровка производится с периодом соизмеримым с временем возможных изменений технического состояния ЭМС путем подачи на входы информационных каналов сигналов, соответствующих 0, 50 и 100 % напряжения питания датчиков.
Масштабирование по времени осуществляется путем формирования сигналов времени в пункте приема или передачи этих сигналов вместе с данными диагностических измерений, а также путем передачи сведений о значениях характерных моментов времени и информации о величине временной задержки. При незначительных задержках сигналов в тракте передачи для большинства измеряемых параметров достаточна привязка к сигналам времени, формируемым в приемно-регистрирующей аппаратуре. При значительных задержках требуется передача дополнительной информации о величине задержки относительно моментов измерений.
На этапе проектирования аппаратуры сбора и передачи диагностических данных с ЭМС и создании ее программно-алгоритмического обеспечения решаются следующие сопутствующие задачи:
- выбор точек контроля или выбора измеряемых параметров в ходе функционального диагностирования ЭМС [2];
- оптимизация программ поиска неисправностей ЭМС [3];
- определение дисциплин опроса и выбор частот опроса электромеханических параметров;
- определение конфигурации и точек размещения коммутаторов в местах скопления датчиковой аппаратуры ЭМС;
- запись программ поиска неисправностей элементов ЭМС на базе иерархической информационной структуры;
- согласование и сопряжения системы сбора и передачи диагностических данных с системой выработки управляющих воздействий на ЭМС и систему диагностики ЭМС;
- оптимизация массогабаритных, стоимостных, технологических и других характеристик аппаратуры.
Структурно техническая реализация диагностической оснастки на самой ЭМС может выглядеть следующим образом (рис.2).
Рис.2. Примерная схема реализация диагностической оснастки
на самой ЭМС
Коммутатор измерительных каналов производит циклический опрос всей совокупности диагностических параметров с максимальной частотой опроса. Для этого, в соответствии с программой синхронизации, формируемой распределителем импульсов, каждый канальный элемент осуществляет выдачу (через АЦП - аналогово-цифровой преобразователь) цифрового отсчета каждого параметра на блок селекции измеряемых параметров ЭМС. С выхода АЦП на блок нейросетевой селекции и далее в блок нейросетевой адаптации частоты опроса, передача отсчетов осуществляется по высокоразрядным шинам данных, одновременно передающим отсчеты всех измеряемых параметров ЭМС. Блок нейросетевой селекции в реальном масштабе времени осуществляет изменение перечня наиболее
информативных параметров ЭМС (информативных с точки зрения синтезированных критериев по алгоритму, предложенному в [2]). Далее отсчеты селектированных параметров подвергаются прореживанию в блоке нейро-сетевой адаптации частоты опроса, причем оба нейросетевых блока функционируют в соответствии с единой моделью и могут быть соединены обратными связями, по которым передаются результаты выполнения соответствующих диагностических процедур. Т.е. на выбор оптимального состава диагностических параметров может опосредованно влиять интенсивность динамики параметров, а на селекцию существенных отсчетов состав диагностических параметров Буферное запоминающее устройство позволяет осуществлять адаптацию потока диагностических сообщений с ЭМС к состоянию канала связи (пропускной способности - загруженности). С выхода структурной схемы оснастки снимается групповой диагностический сигнал $ ), передаваемый в диспетчерский центр для анализа
посредством решения диагностических задач контроля, прогноза, поиска мест и причин неисправностей. Непременным атрибутом любой схемы сбора и передачи данных является аппаратура синхронизации, основным назначением которой является синхронизация работы канальных элементов коммутатора и привязка отсчетов каждого параметра в групповом диагностическом сигнале к своей, поименованной временной меткой, позиции.
Аппаратура приема группового диагностического сигнала ЭМС, его первичной обработки, распаковки и нейросетевого анализа аппаратными нейро- транспьютерными средствами (рис.3), предназначена для решения следующих основных задач:
- получения и селекции диагностических параметров ЭМС;
- первичной обработки, очистки от шума диагностических параметров ЭМС;
- решения задач вторичной обработки диагностической информации ЭМС нейро-транспьютерными средствами и алгоритмами (контроля работоспособности, прогнозирования технического состояния ЭМС, поиска мест и причин неисправностей в ЭМС);
- управления сбором информации на ЭМС в зависимости от меняющейся ситуации;
- согласования производительности измерительной системы с пропускной способностью каналов связи и др.
Периодически принимаемые реализации группового диагностического сигнала ЭМС после усиления, преобразования по частоте и детектирования поступают на вход устройства селекции и декодирования, где производится очистка от шума и отбраковка аномальных измерений. Туда же поступают синхронизирующие сигналы временной привязки измерений.
Рис.3. Функциональная схема аппаратуры приема диагностического
сигнала ЭМС
В системе с частотным разделением каналов групповой сигнал подается параллельно на входы информационных каналов, каждый из которых представляет собой последовательно включенные полосовой канальный фильтр, демодулятор и фильтр нижних частот. В аппаратуре с временным разделением каналов из полного диагностического видеосигнала, снимаемого с выхода приемника, выделяются синхронизирующие и служебные сигналы, необходимые для управления работой приемно-регистрирующей аппаратуры и используемые при обработке данных.
Разделенные сигналы датчиков / = с выходов информа-
ционных каналов поступают на входы аппаратуры выделения абсолютных значений диагностируемых параметров ЭМС, где содержатся данные о та-рировочных характеристиках датчиков, информация о калибровочных характеристиках информационных каналов, а также программы обработки измерительной информации.
Периодически поступающие в режиме реального масштаба времени векторы \it\i = поступают на вход буфера формирования обучаю-
щих и рабочих выборок. Алгоритмы формирования данных выборок функционируют в соответствии с видом решаемой задачи: контроль и распознавание текущего технического состояния или прогнозирование параметров технического состояния ЭМС.
Блоки управления техническими средствами контроля, выдачи априорной информации о классах и словарях измеряемых признаков, а также нейросетевой блок (см. рис.3) реализуют, собственно решение нейросете-вых диагностических задач.
Пространственно две группы аппаратуры (аппаратура сбора, кодирования, формирования группового диагностического сигнала ЭМС, его
60
передачи и аппаратура приема группового диагностического сигнала ЭМС, первичной обработки, распаковки и нейросетевого анализа) могут быть разнесены в две зоны: рабочую зону контроля электромеханического оборудования и центральный пост (диспетчерская зона). Однако в ряде случаев, когда помеховая обстановка в зоне функционирования электрооборудования ЭМС (вблизи частотных преобразователей, датчиков) или характер перемещения механических элементов ЭМС, их труднодоступ-ность создают сложности в организации каналов связи, две группы аппаратуры могут быть размещены - совмещены непосредственно в рабочей зоне "на изделии". В данном случае получаем систему встроенной диагностики ЭМС, включенной в контур управления электромеханическим оборудованием.
Выводы
Предложенная структура нейросетевой системы диагностирования ЭМС требует конструктивного исполнения в виде отдельных подсистем: аппаратуры сбора, кодирования, формирования группового диагностического сигнала ЭМС, его передачи в канал связи и аппаратуры приема группового диагностического сигнала ЭМС, первичной обработки, распаковки и нейросетевого анализа. Основным элементом аппаратных средств нейросетевой системы диагностирования ЭМС является нейросетевой блок, с выхода которого снимаются интерпретации (выходные реакции НС) диагностических решений относительно технических состояний ЭМС.
Список литературы
1. А.В. Назаров [и др]. Современная телеметрия в теории и на практике /А.В. Назаров/ под ред. Г.И. Козырева. СПб.:, Наука и Техника, 2007. 672 с.
2. Бабокин Г.И., Шпрехер Д.М. Алгоритмы выбора измеряемых параметров при диагностике электромеханических систем горных машин //Известия ТулГУ. Технические науки, 2010. Вып.3. Ч. 1. С. 109-114.
3. Шпрехер Д.М. Поиск неисправностей электромеханических систем на основе моделей карт Кохонена //Вестник ТулГУ. Сер. Проблемы управления электротехническими объектами. 2010. Вып. 5. С. 68-70.
D.M. Shprekher
GENERALISED SCHEMES OF THE FACILITIES NEYROSETEVOY SYSTEMS DIAGNOSTICSES ELECTROMECHANIC SYSTEMS
The structured scheme is offered for realization of the diagnostics of the electrome-chanic systems. The main element of such system is an neyrosetevoy block, with output which leave interpretation (the output reactions neuron's network) of the diagnostic decisions for technical conditions of the electromechanic systems.
Key words: the electromechanic system, diagnostics of the condition, neyrosetevoy checking.
Получено 24.12.11
