CC BY
34
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 622.532:004.4
В.Г. Каширских, А.Н. Гаргаев
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Существенного повышения надежности главных электроприводов карьерных экскаваторов можно добиться применением системы функционального диагностирования их технического состояния. На основании данных специализированного монтажно-наладочного цеха Нерюнгринского угольного разреза нами был произведен анализ простоев экскаваторов ЭКГ-20, в результате которого выявлено, что наибольшее время простоев вызывают отказы тиристорного преобразователя, на втором месте находятся простои из-за отказов электродвигателей постоянного тока, на третьем - простои из-за отказов системы импульсно-фазового управления [1]. Эта информация была положена в основу построения структуры разработанной нами системы функциональной диагностики электроприводов (рис. 1).
Здесь ПЛК - программно-логический контроллер, БИТ - блок импульсных трансформаторов, СИФУ
- система импульсно-фазового управления, ЩКА - щеточно-коллекторный аппарат электродвигателя. Сигналы от датчиков, расположенных на электрооборудовании экскаватора, подаются на распределенные модули ввода, которые соединены с ПЛК. Применение этих модулей объясняется достаточно большим количеством входных сигналов, а также повышенной помехозащищенностью системы, поскольку сигналы с модулей ввода подаются в ПЛК уже в цифровом виде.
Сигнализация
Модули ввода-вывода
~ггг
Электрооборудование
экскаватора
Рис. 1. Структура системы функциональной диагностики
Информация о техническом состоянии электрооборудования экскаватора выводится на дисплей, который расположен в кабине машиниста. В случае выхода параметров за допустимые пределы на дисплее будет показан вид неисправности и включится звуковая сигнализация. Если сигналы с датчиков соответствуют аварийному режиму, то в ПЛК формируется команда на отключение диагностируемого электропривода. Информация о состоянии электроприводов через в8М-модем передается также диспетчеру, который сможет информировать наладчиков о возникшей неисправности.
Алгоритм диагностирования электропривода экскаватора ЭКГ-20 представлен на рис. 2. Он состоит из трех последовательно выполняемых процедур.
Включение звуковой И визуальной сигнализации
Отключение электропривода
С
Конец
Рис. 2. Алгоритм функционального диагностирования
Принцип диагностирования силовых тиристоров заключается в выявлении неисправного тиристора с помощью анализа его состояния при различных комбинациях тестового и управляющего сигналов (см. рис. 3).
Тестовые сигналы высокой частоты (( > 1 кГц), поступающие на тиристоры, не влияют на их работу, но позволяют определять неисправности [2].
СИФУ хз Система
защиты
Рис. 3. Функциональная схема контроля состояния тиристоров и блока импульсных трансформаторов
Работа отдельных устройств диагностирования, входящих в состав разработанной системы, поясняется графиками, полученными при компьютерном моделировании электроприводов с имитацией некоторых неисправностей.
Напряжение, снимаемое с датчика проводимости тиристора, через усилитель подается в ПЛК. Также в ПЛК подается сигнал с БИТ, который является управляющим.
В случае одновременного наличия обоих сигналов ПЛК формирует сигнал «1». Таким образом, исключается работа сигнализации, когда тиристоры открываются под действием управляющих импульсов. Отсутствие сигнала с БИТ и наличие сигнала с датчика проводимости тиристора указывает на пробой данного тиристора, при этом на выходе ПЛК формируется сигнал «0» и на дисплее указывается номер неисправного тиристора (рис. 4,а). Наличие сигнала с БИТ и отсутствие сигналов с датчика проводимости тиристора свидетельствует об обрыве управляющего электрода. На выходе ПЛК также формируется сигнал «0» и на дисплее указывается номер неисправного тиристора (рис. 4,б).
■ с^нал с БИТ |
,| ! ! - I
0.5 0
Сигнал с датчика проводимости тиристора^
! !
0
і
Выход ной сигнал ПЛЕС ш
!
0
0.17 0. 8 0. 9 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24
а б
Рис. 4. Сигнал с БИТ, сигнал с датчика проводимости тиристора и выходной сигнал ПЛК: а) при пробое тиристора; б) при обрыве управляющего электрода
Данное устройство позволяет также контролировать состояние БИТ. На вход ПЛК подается сигнал с БИТ и с соответствующего канала СИФУ. При наличии обоих импульсов на выходе ПЛК формируется сигнал «1». Для работы данной подсистемы в ПЛК необходимо запрограммировать логическую функцию:
У = х2 • (х1 + х3)+ х2 • (х1 + х3) .
Двигатель постоянного тока является сложной электромеханической системой, поэтому создаваемая для него система диагностирования будет иметь несколько подсистем: контроля щеточно-коллекторного аппарата, контроля подшипников и контроля его электромагнитных параметров, определяемых в процессе работы двигателя на основе динамической идентификации [3].
В общем случае сигналы с датчиков искрения ЩКА [4], датчиков вибрации подшипников, а также вычисленные электромагнитные параметры двигателя постоянного тока сравниваются с заданными их предельными значениями, при достижении которых на выходе ПЛК формируется сигнал «0» (рис. 5), что сопровождается вышеописанными действиями.
Рис. 5. Сигналы, поясняющие работу подсистемы диагностики двигателя постоянного тока
Выходным сигналом СИФУ является шестифазная последовательность положительных импульсов длительностью 120 эл.град. Для контроля последовательности импульсов с помощью ПЛК создана логическая схема (см. рис. 6,а), которая реализует функцию:
У = х1 • х2 • х3 + х4 • х5 • х6 .
Сигналы с трех последовательно по порядку работы выходов ячейки подаются на входы схемы «3И-НЕ» [2]. При нормальной работе СИФУ сигналы на выходах схем не совпадают. В случае нарушения последовательности импульсов, сигналы на входах какой-либо схемы «3И-НЕ» совпадут, на выходе контроллера сформируется «0» (рис. 6,б) и на дисплее машиниста будет указана данная неисправность.
XI
Х2
ХЗ
Х4
Х5
Хб
V" ■ XI ..і -і
ХЗ-
Г"
ХЗ —
- Iті
: ; Выходной сигнал ПЛК —
=—і 1 1 1 [ •••г -
0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12
а б
Рис. 6. Устройство контроля выходных импульсов системы импульсно-фазового управления: а) функциональная схема; б) нормальные импульсы - Х1, Х2, импульс с нарушенной временной последовательностью - Х3 и выходной сигнал ПЛК
Структура данной системы позволяет производить дальнейшее расширение ее функциональных возможностей. Перспективным является создание подсистемы прогнозирования расхода ресурса оборудования экскаватора, информация которой позволит проводить техническое обслуживание экскаватора по фактическому техническому состоянию его оборудования, т.е. устранять отказы на этапе их зарождения.
Применение данной системы позволит сократить время поиска неисправностей в системах главных электроприводов карьерных экскаваторов и сократить время простоев, что приведет к ощутимому экономическому эффекту для горного предприятия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаргаев А.Н. Статистика простоев экскаваторов ЭКГ-20 на разрезе «Нерюнгринский» // Сборник докладов студентов и аспирантов по материалам 53-й научно - практической конференции, 2008. Т1. С.97-100.(Руководитель: Каширских В.Г.)
2. Отчет по НИР, КузПИ, тема №214-82: Испытание и совершенствование тиристорных электроприводов и систем их диагностирования. Научный руководитель канд. тех. наук, доцент Гаврилов П. Д. // Кемерово, 1984.-65с.
3. Каширских В.Г., Анисимов А.Г. Оценка параметров двигателя постоянного тока с помощью метода наименьших квадратов // Вестн.КузГТУ, 2003.-№4. С.70-71.
4. А.с. №2071076 МПК в01Я31/34. Устройство для диагностики работы щёточно-контактного аппарата электрической машины / Бережанский В.Б., Ростик Г.В., Симачев В.Г. (Россия). Опубл. 27.12.1996.
□ Авторы статьи:
Каширских Гаргаев
Вениамин Георгиевич Андрей Николаевич
- докт/ техн/ наук, проф., зав. каф. -студент гр. ЭА-031 (КузГТУ)
электропривода и автоматизации КузГТУ, т. 8(3842)58-33-56, е-шай куа@ки781:и/ги
УДК 6222.621.31-213.34:622.86
Г.И. Разгильдеев, В.М. Друй
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ОПАСНОГО СОСТОЯНИЯ РУДНИЧНОГО ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Многолетняя практика эксплуатации рудничного взрывозащищенного электрооборудования (РВЗЭО) на угольных шахтах свидетельствует об имеющих место фактах повреждения его средств взрывозащиты (СВЗ), что приводит РВЗЭО в опасное для эксплуатации во взрывоопасной среде состояние. Наибольшее число повреждений СВЗ
возникает, как показано в [1], при переносе РВЗЭО на новое место установки при подвигании горных работ.
В [2, 3] показано, что СВЗ РВЗЭО не обладают отказными признаками и поэтому к ним не могут быть применены показатели надежности по ГОСТ 27.002-89.
Обобщающим показателем свойств безопас- При восстановлении работоспособности { -го
ности РВЗЭО является вероятность опасного со- отказавшего элемента возможно повреждение
стояния (ВОС) [2]. Этот комплексный показатель СВЗ с вероятностью Р(ПСЗ/Н1) . Вероятность на-
отражает как частоту повреждений СВЗ, так и рушения СВЗ изделия найдем из формулы полной
длительность пребывания РВЗЭО в неисправном вероятности:
состоянии, т.е. в состоянии, когда его эксплуата- п
ция может привести к взрыву окружающей взры- р(псвЗ) = "V Р(Н ■ )Р(ПСВЗ/Н ■) (4)
воопасной среды или пожару. “ 1 1
Допустим, что РВЗЭО находится в исправном П/Тт^ ^ ~
состоянии при одновременном наступлении двух Вероятности Р(Н1) представляют собой рас-
независимых событий: пределения долей °тказ°в по у™ или элементам
- при восстановлении работоспособности и ^ быть получены в результате обследования
РВЗЭО после отказов не будут допущены ошибки РВЗЭО или при их испытаниях.
или преднамеренные действия персонала, приво- В качестве примера ниже приведены доли от-
дящие его в опасное (неисправное) состояние (ве- казов по узлам автоматов АФВ на шш^ние 660
В, полученные на основе обследования (осмотров)
роятность рово ); этих аппаратов на шахтах Кузбасса:
- при производстве демонтажно-монтажных - подгорание силовых контактов..........0,18
работ (ДМР) при переносе РВЗЭО на новое место - отказ механизмов свободного расцепления
не будут допущены ошибочные или преднамерен- .............................................0,12
ные действия персонала, приводящие РВЗЭО в - пробой изоляторов проходных контактных
неисправное состояние (вероятность Ромд ). зажимов......................................0,23
Считая вероятности этих событий независи- - перегорание отключающих кагушек......0,23
мыми, получим вероятность безопасного состоя- - повреждения рукояток, фланцев кабельных
ния РВЗЭО в виде: вводов.......................................0,06
Рис = Рбс = Рово Ромд (1) - повреждения средств взрывозащиты .....0,14
Тогда вероятность опасного состояния - прочие повреждения...................°,4
Р =1 - Р Р . (2) Как видно отсюда, при повреждениях СВЗ,
*00 ” ГоВо Гомд .
Переходя к противоположным событиям, име- рукояток и фланцев кабельных вводов автоматы
ем: АФВ могли находиться в опасном для эксплуата-
Р =1 (1 р Р = ции состоянии, а доля этих повреждений по отос ( Рово Ромд ) ношению к общему числу повреждений и отказов
= Рово + Ромд - Рово Ромд , составляет 0,06+0,14=0,2.
_ — Вероятность опасного состояния определяют
где Рово и Ромд соответственно вероятности по- по формуле
вреждения СВЗ при устранении отказов и при Рово = Р(ПСВЗ)А^ Тос.ср , (5)
ДМР. где Тос.ср - среднее время пребывания РВЗЭО
Доказано [4], что при идеальных условиях ра- л
1 ^ J ^ в опасном для эксплуатации состоянии, ч; А2 -
боты хорошо обученные операторы делают в
интенсивность отказов, после которых при вос-
среднем одну ошибку на 1000 операций, а при
^ „ становлении работоспособности объекта
стрессовых сшуадих- одну на 10 операций. (РВЗЭО) могут быть повреждены СВЗ, 1/ч.
Применительно к РВЗЭО таких данных пока нет, а ^ Пусть оператор при демонтажно-монтажных
потому оценки Рово и Ромд можно получить работах с РВЗЭО выполняет ш операций с веро-
только на основе специальных исследований. ятностью ошибки р в каждой из них. Появление
Для приближенных расчетов значения этих хотя бы одной ошибки приводит к нарушению
условных вероятностей можно принять в преде- свойств безопасности РВЗЭО. Тогда вероятность
лах 0,02^0,07 и ввиду малости их произведением нарушения СБ при одной операции ДМР, т.е. ве-
пренебрегаем. Тогда вероятность опасного со- роятность того, что будет совершена одна ошиб-
стояния определится из соотношения ка при проведении одной операции, получим из
Р ~ Р + Р (3) соотношения
Рос ~ Рово + Ромд (3) ,
- Р1(НБСМ)= т-р[1-р]ш_1 , (6)
Для расчета вероятности Рово воспользуемся Вероятность же того, что РВЗЭО останется в
следующим приемом. исправном состоянии после проведения одной
Пусть изделие состоит из п элементов, кото- операции ДМР, т.е. ошибка не будет совершена и
рые отказывают с вероятностями Р(Н^, Р(Н2), СБ не нарушатся, будет:
...,Р(Нп) . Допустим, что события Нь Н2, ..., Нп Р(ИБС)=1-Р1(НБСМ) . (7)
несовместимы (каждый раз отказывает только При проведении N операций МДР за время Т
п вероятность нарушения СБ можно определить,
один элемент) и Р(Н1) = 1. предполагая, что для каждой из них исправные
1=1 состояния являются независимыми событиями.
Тогда
N
Р 1(НБСМ ) = 1 -П [1 - Р^НБСМ )], (8)
i=1
Нарушения СБ, допущенные при демонтажно-монтажных работах из-за ошибочных или преднамеренных действий персонала, могут быть обнаружены и устранены либо при еженедельных осмотрах РВЗЭО, либо при проведении предусмотренных ПБ в угольных шахтах периодических ревизий (не реже раза в три месяца ) лицами, назначенными главным энергетиком (главным механиком). В промежутках между еженедельными осмотрами, контрольными осмотрами и ревизиями возможна, как показывает практика, эксплуатация РВЗЭО с нарушенными СБ.
Обозначим периодичность осмотров и ревизий РВЗЭО через M(Tp) , подчеркивая тем самым, что на практике возможны отклонения от установленной графиками периодичности ревизий, а поэтому этот показатель характеризуется математическим ожиданием
1 т
М(Тр ) = -х Тр^
т 1=1
где m - число реализаций; Tpi - i-я фактическая периодичность осмотров и ревизии.
С учетом этих замечаний вероятность Ромд опасного состояния РВЗЭО, вызванная нарушением СБ при производстве МДР будет
Roc = РтМ(ТР) 1 -П1 - mp(1 - p)m-1
где Рт - вероятность опасного состояния из-за ошибок или преднамеренных действий персонала при ДМР, Т- рассматриваемое время.
Зная Рово и Ромд , можно найти вероятность опасного состояния рассматриваемого вида РВЗЭО по формулам (2) или (3). Заметим, что использование формулы (3) возможно, когда
Рово и Р омд имеют порядок менее 10-2.
При оценке СБ РВЗЭО в процессе проектирования важно сравнить его расчетные характеристики, которые могут быть получены по вышеизложенному методу, с фактическими показателями используемого в настоящее время РВЗЭО или его аналогами. Отметим, что вероятность безопасного состояния ЯМС конкретного РВЗЭО определяется по формуле произведения вероятностей ЯИС безопасного состояния отдельных компонентов (средств взрывозащиты), исходя из предположения о том, что безопасные состояния каждого из средств взрывозащиты одного вида электрооборудования являются событиями независимыми:
п
яИС = яИС1 •яИС2 • ■■■■•яИСН =ПЯИСІ- (10)
І=1
где п - число СВЗ на одном конкретном виде электрооборудования; Ямсі -вероятность ис-
правного состояния І -го СВЗ.
Вероятность опасного состояния вида электрооборудования определяется как величина обратная в вероятностном смысле вероятности исправного состояния
Расчет вероятности повреждений СВЗ магнитного пускателя
№ п/п Наименование средств взрывозащиты Обозначение СВЗ Число СВЗ на одном пускателе Кі Общее число СВЗ на N=32 пускателях K х = Ki • N Й е а « « о ^ о « 8 g еС « н % 5 е Вд Вероятность повреждений СВЗ Pki = nki/k І
1 Болты крышки отделения вводов М1 8 256 3 0,012
2 Болты крышки отделениявыводов М2 8 256 3 0,012
3 Охранные кольца крышек М3 14 448 8 0,018
4 Резиновые кольца уплотнения силовых кабелей М4 3 96 11 0,114
5 Резиновые кольца уплотнения контрольных кабелей М5 2 64 4 0,0625
6 Заглушки на неиспользованных силовых вводах Мб 1 32 2 0,062
7 Заглушки на неиспользованных контрольных вводах М7 2 64 3 0,47
8 Элементы крепления штуцеров вводов силовых кабелей М8 8 256 9 0,035
9 Элементы крепления силовых и контрольных кабелей от выдергивания М9 12 384 19 0,05
(11)
Среднее время восстановления исправного состояния Твз можно определить в виде показателя для каждого вида электрооборудования:
- для магнитных пускателей и автоматических выключателей ................... 1,3^1,8 ч;
- для электродвигателей до 160 кВт 1,5^2 ч;
- для высоковольтных комплектных распре-
дустройств ............................ 1,5^2,2 ч;
- для трансформаторных подстанций 1,5^2,2
ч.
Рассмотрим пример расчета показателей свойств безопасности взрывозащищенного магнитного пускателя.
Пусть проведены 32 ревизии (N=32 N = 32) таких пускателей. Установлено М=9 видов повреждений СВЗ, которые не соответствуют чертежу СВЗ завода-изготовителя, т.е. пускатели, у которых выявлены поврежденные СВЗ, являются опасными для эксплуатации во взрывоопасной среде. Число выявленных гипотетических повреждений и расчет вероятности повреждений приведен в таблице.
Общую вероятность исправного состояния СВЗ магнитных пускателей получим как
Ь исо =П (1 - Р к!) = (1 - 0,12)(1 - 0,12) X
(1 - 0,18)(1 - 0,114)(1 - 0,0625)(1 - 0,062) х
(1 - 0,047)(1 - 0,035)(1 - 0,05) = 0,65,
где Рк1 - вероятность повреждения 1 -го вида СВЗ.
Отсюда вероятность опасного состояния СВЗ магнитного пускателя или вероятность пребывания в опасном для эксплуатации во взрывоопасной среде состоянии КоС=1-Рисо=0.35 . Это означает, что на момент проведения ревизии из 32 магнитных пускателей 10 единиц (32х0.35«11) могли эксплуатироваться с поврежденными СВЗ, т.е. находиться в опасном для взрывоопасной среды состоянии.
Если при модернизации магнитного пускателя за счет изменения конструкции или других мер обеспечено сохранение в исправном состоянии охранных колец, резиновых уплотнительных колец силовых и контрольных кабелей, заглушек на неиспользуемых кабельных вводах (как это сделано, например в РВЗЭО, импортируемого из Великобритании и Чехии, то число магнитных пускателей, которые могут эксплуатироваться с поврежденными СВЗ, уменьшится до 5 штук:
[32 • (1 - 0,988 • 0,988 • 0,953 • 0,965 • 0,95)] = 4,7.
Известно, что при производстве работ при первоначальном монтаже магнитного взрывозащищенного пускателя необходимо произвести операции на т = 5 средствах взрывозащиты. Вероятность ошибки персонала при этом р=0.01 (одна ошибка на 100 операций). Вероятность недопущения ошибки составит q=0.99 . При повреждении одного средства взрывозащиты магнитный пускатель должен быть выведен из эксплуатации, поскольку работа с поврежденными СВЗ запрещена, следовательно, к=1 .
По формуле Бернулли получаем:
Р15 = (т!-р • qm-1)/(m-1)!= 0,048.
Следовательно, если будет произведен монтаж 20 пускателей, то один (20 х 0,048 = 0,96 « 1) может пойти в эксплуатации с одним поврежденным СВЗ. Введение дополнительного контроля за состоянием СВЗ перед включением напряжения снижает вероятность ошибки до рпр=р1хр2=0.01х
0.01 =0.0001.
Вероятность повреждения СВЗ снижается до Р1.5Пр=0.00048, т.е возможно повреждение СВЗ на одном пускателе из 2000 смонтированных.
Изложенный метод может найти применение при оценке свойств безопасности РВЗЭО на стадии его разработки и эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разгильдеев Г.И., Ефременко В. М., Друй В. М. Характеристики и причины повреждаемости средств взрывозащиты рудничного взрывозащищенного электрооборудования. / В кн. IX Международная научно-практическая конференция. Энергетическая безопасность России. Тезисы докладов. Кемерово, 2007. - с.74-75.
2. Разгильдеев Г.И., Друй В.М. Показатели безопасного функционирования рудничного врывозащи-щенного электрооборудования. // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив.,, 2008 , №3. С.64-68.
3. Разгильдеев Г.И., Серов В. И. Безопасность и надежность взрывозащищенного электрооборудования. - М.: Недра, 1992. - 207 с.
4. Дружинин Г. В. Анализ эргодигических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - с.328.
□ Авторы статьи:
Разгильдеев Геннадий Иннокентьевич
- докт техн.наук, проф. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ, [email protected]
Друй
Владислав Михайлович - ст. преподаватель каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ, тел.: 8(3842)25-45-69
