CC BY
72
нологический контроль, автоматизация и системы управления.
3. Попкович Г.С., Гордеев М. А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения. М.: Высш. шк. 1986. 237 с.
4. Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии / Под ред. М.Я. Басалыгина, В.С. Копырина. М.: Металлургия. 1991.
193 с.
5. Копырин В.С., Бородацкий Е.Г., Ткачук А.А. Асинхронный частотный электропривод как регулирующий орган насосной станции системы водооборота глинозёмногопроизводства. Труды двенадцатой науч.-техн. конф. «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург. 2001.
Свистунов Владимир Андреевич, студент, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PUMPING STATION AUTOMATION USING VARIABLE FREQUENCY DRIVES
V.A. Svistunov
The advantages of the use of automated variable frequency drives for pump installations , as well as regulation modes pumping systems, the basic functions of automatic control system and the structure of the automated pump station. The examples of the pumping station with automated variable frequency electric drive.
Key words: pumping station, pumping installation, variable frequency drives, automation, pipeline.
Svistunov Vladimir Andreyevich, student, Russia, Tula, Tula State University
УДК 519.1: 621
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Д.М. Шпрехер, Г.И. Бабокин
Показана связь задачи контроля работоспособности электромеханической системы с задачей распознавания вида ее технического состояния. Получено выражение для определения интегрального показателя качества функционирования оборудования.
Ключевые слова: электромеханическая система, контроль работоспособности, качество функционирования.
В процессе эксплуатации электромеханическая система (ЭМС) должна выполнять свои функции в соответствии с предназначением. Для
этого необходимо последовательно управлять оборудованием ЭМС для перевода его в заданные технические состояния (ТС) и режимы работы в соответствии с циклограммой функционирования. Если текущее, распознанное ТС ЭМС не совпадает с ожидаемым ТС (ЭМС функционирует неправильно), то это свидетельствует о возникновении неисправности.
По степени общности различают контроль работоспособности ЭМС и контроль исправности ЭМС.
Контроль работоспособности ЭМС заключается в проверке возможности достижения оборудованием целевых ТС. Поэтому результат проверки на работоспособность зависит от тех целей, которые ставятся при управлении оборудованием ЭМС. Для того чтобы проверить работоспособность ЭМС, необходимо проверить правильность ее функционирования во всех состояниях, которые проходит система при достижении целевых ТС, а также во всех целевых состояниях. Таким образом, многократное решение задачи распознавания вида ТС совместно с моделью управления ЭМС, т.е. многократное решение задачи проверки правильности функционирования оборудования ЭМС, позволяет оценить работоспособность ЭМС.
Контроль исправности ЭМС заключается в проверке нормального функционирования ЭМС во всех возможных состояниях ее оборудования. Таким образом, проверка правильности функционирования в каждом ТС позволяет оценить исправность оборудования ЭМС.
Если в процессе контроля правильности функционирования произошло расхождение между ожидаемым и действительным ТС, то это свидетельствует о возникновении неисправности и необходимости решения задачи поиска мест и причин неисправностей.
Правильное функционирование означает, что применяемое по назначению оборудование ЭМС в текущий момент времени выполняют алгоритм функционирования согласно заданной циклограмме функционирования, заложенной при проектировании и создании ЭМС. Проверка правильности функционирования дает возможность исключить недопустимое для нормальной работы оборудования влияние неисправностей, возникающих в процессе применения ЭМС по назначению. Проверка правильности функционирования оборудования ЭМС менее полна, чем проверка работоспособности ЭМС, так как позволяет убеждаться только в том, что ЭМС правильно функционирует в данном режиме применения по целевому назначению в данный момент времени. Иными словами, в правильно функционирующей ЭМС могут быть неисправности оборудования, которые не позволят ему правильно функционировать в других режимах программы функционирования. Контроль работоспособности позволяет определить с определенной вероятностью, что оборудование ЭМС и ЭМС в целом правильно функционирует во всех возможных режимах функционирования ЭМС и в течение всего времени ее наблюдения. Таким образом,
исправная ЭМС всегда работоспособна и функционирует правильно, а неправильно функционирующая ЭМС всегда неработоспособна и неисправна (рис. 1). На рис.1. приведены только агрегированные классы ТС: работоспособное, неработоспособное, исправное, неисправное
Правильно функционирующая ЭМС может быть неработоспособна, и значит, неисправна. Работоспособная ЭМС также может быть неисправна. Предельное ТС ЭМС - техническое состояние ЭМС, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление ее работоспособного ТС невозможно или нецелесообразно.
При любом виде контроля ТС ЭМС, в том числе при поиске мест и причин неисправностей, осуществляется операция распознавания вида ТС ЭМС. В простейшем случае данная операция сводиться к операции поэлементного сравнения с шаблоном, в том или ином виде характеризующем типовые ТС ЭМС, в более сложном случае используется модель функционирования ЭМС.
Общие требования к моделям функционирования оборудования ЭМС в исправных и неисправных состояниях, а также к моделям неисправностей состоят в том, что они должны с требуемой точностью описывать представляемые ими ТС и позволять локализовать неисправности. Исправная или неисправная ЭМС может быть представлена как динамическая система, состояние которой в каждый момент времени ? определяется значениями факторов внешней среды V (ФВС), управляющих воздействий К (УВ), внутренних (параметров ТС) 2, выходных координат - измеряемых параметров (ИП) У, и множества внеэксплуатационных характеристик (технических описаний) ЭМС. При этом, термин «техническое состояние ЭМС» обозначает агрегированное описание технического состояния ЭМС, например наличие или отсутствие неисправности в ЭМС и не подразумевает «состояние ЭМС» как динамической системы.
Рис. 1. Переходы оборудования ЭМС и ЭМС в целом из одного технического состояния в другое
142
Для обоснования процедур оценки работоспособности ЭМС необходимы:
- математическая модель функционирования ЭМС ¥, которая количественно описывает связи между входными воздействиями и решениями на них;
- показатели качества или эффективности функционирования ЭМС, позволяющие судить о целесообразности применения ЭМС по целевому назначению.
В процессе разработки и проектирования ЭМС и его оборудования синтезируются технические и другие характеристики, обеспечивающие достижение заданных показателей качества оборудования, совокупность которых, в свою очередь, характеризует способность ЭМС выполнять свои функции по предназначению, или иначе определяет обобщенное состояние ЭМС. Поэтому с достаточной для практики точностью состояние ЭМС всегда можно представить конечным множеством технических характеристик, определенных ттехническими параметрами более низкого уровня обобщения. Именно эти технические параметры измеряются при контроле ЭМС. При создании различных подсистем ЭМС нельзя точно реализовать расчетные значения технических параметров ЭМС из-за отклонения технологических режимов производства от требуемых. В нормально спроектированном устройстве разброс технических параметров оборудования ЭМС обычно составляет примерно 10% от номинальных значений. Показатели качества, являющиеся функциями технических параметров, также имеют разброс на множестве реализаций оборудования ЭМС для различных однотипных или подобных ЭМС, т.е. тоже являются случайными величинами. Дополнительно, в процессе применения ЭМС по целевому назначению, особенно при длительных сроках эксплуатации, происходит старение и износ элементов оборудования ЭМС, приводящих к дрейфу технических параметров, снижающий запас их надежности и приводящий к постепенным отказам. В случае достаточного накопления последствий процесса старения возникают скачкообразные изменения технических параметров - внезапные отказы. Доля постепенных отказов элементов современного оборудования ЭМС составляет 70-90%. Процессы старения и износа оборудования приводят к постепенному или скачкообразному изменению показателей качества ЭМС во времени.
Показателем качества ЭМС является действительное число, характеризующее свойство оборудования в соответствующих единицах измерения, например: производительность очистного комбайна (в т/час), коэффициент трения подшипникового узла, и т.д. Соответствующие ИП для приведенных показателей качества, которые могут быть параметрами ТС - напряжение питания, сопротивление обмоток электродвигателей комбайна, температура подшипникового узла редуктора в контрольных точках, и т.д. Показатели качества оборудования ЭМС позволяют судить о целесообраз-
ности применения ЭМС по целевому назначению.
Математическая модель ^ функционирования ЭМС в общем случае имеет вид:
^ (X, 2 ,У, г), (1)
где X = [X1 (г), X2 (г), ..XI (г)] - вектор-функция входных воздействий на ЭМС, включающих в себя множества значений УВ и ФВС;
2 = [ 71 (г), 7 2 (г) ,...г„ (г)] - вектор-функция параметров ТС ЭМС;
У = [ у1 (г), у 2 (г),... ут (г)] - вектор-функция ИП ЭМС.
Интегральный показатель качества функционирования оборудования ЭМС представим векторным функционалом X:
Е = Е[Х, 2 } = Х { X ,У }, (2)
из записи, которого, следуют две возможности его определения:
- вычислить функционал х{Х,2} на множестве входных воздействий и параметров технического состояния, в качестве последних выступают технические характеристики ЭМС;
- вычислить оценку функционала X{X,У} на множестве входных воздействий и выходных реакций ЭМС.
Интегральный показатель качества функционирования оборудования ЭМС на множестве входных воздействий и технических характеристик ЭМС характерен для этапа проектирования, так как в соответствии с логикой создания оборудования ЭМС, в ходе проектирования известны входные воздействия X, определены технические характеристики оборудования ЭМС- 2, известны вид и численные значения математической модели функционирования ЭМС ^ (1). Задание показателя качества функционирования оборудования ЭМС в форме IX{X,У} характерно для случаев, когда
входные и выходные характеристики ЭМС могут быть измерены средствами контроля ЭМС, а относительно технических характеристик оборудования ЭМС- 2, существует неопределенность, связанная с процессами деградации, старения, воздействия преднамеренных и естественных ФВС на
ЭМС. Представление показателя качества в форме X {X ,У}, помимо знания входных воздействий X и выходных реакций - измеряемых параметров У, в общем случае предполагает знание вида модели (1) и наличие однозначного соответствия (при фиксированных значениях X) между техническими характеристиками (параметрами ТС) 2 и выходными реакциями (ИП) У. При выполнении данных условий приведенные способы задания X эквивалентны.
Особенность процедуры контроля таких объектов как ЭМС в процессе применения по целевому назначению состоит в том, что вектор-функцию 2 параметров ТС ЭМС возможно определить лишь косвенно, в
144
форме X {X,У}, на основе вектор-функции У- ИП, вектор-функции входных воздействий X, в качестве которых выступают УВ, ФВС и параметрическое описание режима функционирования ЭМС. При этом ФВС контролируются не полностью. Номинальное значение каждого параметра ТС не остается фиксированным при функционировании ЭМС, и является функцией случайного по своей природе ФВС. Различные входные сигналы X вызывают различную реакцию ЭМС - У в одном и том же ТС - 2. А так как зачастую закон изменения входных сигналов X априорно неизвестен, то затруднительно заранее определить допустимые значения выходных сигналов У для того или иного ТС- 2, которые подлежат определению. Если существует реальная возможность наблюдения и регистрации входных сигналов объекта в натурных условиях его функционирования (или, по крайней мере, воспроизведения их в лабораторных условиях), то и в этом случае мы не можем однозначно предсказать характер изменения входных, а значит и выходных сигналов в моменты времени, последующие за интервалами наблюдения [1].
Фактически, в силу неизвестности большей части ФВС, входящих в вектор-функцию X, неопределенности текущего ТС ЭМС 2 и зашумленности ИП У задача идентификации модели ^ может быть интерпретирована как "некорректно" сформулированная задача по А.Н.Тихонову [2], когда по известным следствиям - У необходимо установить причину - 2У, где V
- вектор-функция ФВС. Необходимо решить приближенное решение уравнения:
У2¥ = У , (3)
где 2 - множество искомых параметров ТС ЭМС; У- приближенное множество частично известных значений ФВС оборудования ЭМС; 'У - множество приближенных значений ИП ЭМС.
На основе отображений множеств входов и выходов модели функционировании ЭМС отобразим теоретико-множественное представление модели ТС ЭМС (рис. 2), где ^ - оператор преобразования искомого вектора ТС в вектор ИП, ¥ - синтезируемый оператор оценки вида ТС по данным ИП, УВ и частично известному вектору ФВС.
Условия корректной постановки требуют выполнения таких достаточно общих свойств как существование, единственность и устойчивость решения Е задачи распознавания вида ТС 2 с помощью модели ^ по данным X и У. Задача определения вида Ъ ТС ЭМС не удовлетворяет, прежде всего, условию устойчивости, т.к. не все параметры внешней среды наблюдаемы. Опыт показывает, что причина нештатного изменения в значениях ИП У не единственная (т.е. зависит и от значений параметров ТС 2 и от значений ФВС У), а также может сводиться к маловероятной цепочке сочетаний возмущающих факторов. Например, коэффициент трения изменяется постепенно, а измерение показывает увеличение температуры на
датчике - ненаблюдаемой причиной служило изменение условий эксплуатации ЭМС, т.е. температуры внешней среды, которая и повлияла на выходное значение датчика температуры).
оценка показателя качества
фун кционироваиия ЭМС
Рис. 2. Множественное представление модели технических
состояний ЭМС
Распространенным способом получения приближенных решений "некорректно" поставленных задач вида (3) является метод подбора, в ходе которого вычисляется левая часть уравнения (3) У2Г для некоторого подмножества О элементов У2, т.е. решается "прямая задача", и в качестве искомого приближенного решения выбирается такой элемент {vz}i для которого ошибка ру(У2Г,У) минимальна на подмножестве О. (О- разница
между выходным значением модели и истинным значением обучающей выборки, т.е. ошибка, которая затем используется для подстройки коэффициентов модели). В качестве О выбирается семейство элементов У2, зависящих от конечного ряда числовых параметров. Очевидно, что для решения указанной задачи подбора на этапе синтеза оператора ¥ необходимо привлечение статистических методов обработки информации с использованием нейросетевых классификационных схем, полученных путем проведения большого числа натурных (или приближенных к ним) экспериментов над реальными ЭМС или их прототипами на протяжении всего жизненного цикла изделий. В ходе этих экспериментов, должен быть многократно реализован процесс функционирования оборудования ЭМС и измерения У в различных известных ТС, причем в условиях ФВС, максимально приближенных к натурным условиям функционирования ЭМС.
Список литературы
1. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980. 280 с.
2. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. 288 с.
Шпрехер Дмитрий Маркович, канд. техн. наук, доц., shpreher-d@yandex.ru, Россия, Новомосковск, Российский химико-технологический университет (Новомосковский филиал) им. Д.И. Менделеева,
Бабокин Геннадий Иванович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, gibabokin-nov@yandex. ru, Россия, Новомосковск, Российский химико-технологический университет (Новомосковский филиал) им. Д.И. Менделеева
EVALUATION OF THE PERFORMANCE OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS WITH THE HELP OF THE INTEGRAL INDEX OF QUALITY OF FUNCTIONING OF THE
D.M.Shprekher, G.I. Babokin
Shows the relationship health tasks of Electromechanical systems with the task of species recognition of its technical status. The expression for definition of the integral index of quality offunctioning of the equipment.
Key words: Electromechanical system, health monitoring, the quality of operation.
Shprekher Dmitry Markovich, candidate of technical science, docent, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev,
Babokin Gennady Ivanovich, doctor of technical science, professor, manager of department, gibabokinnov@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev
