CC BY
30
Оригинальная статья / Original article УДК 004.023
DOI: http://dx.d0i.0rg/l0.21285/1814-3520-2018-9-82-90
ПРОЦЕДУРА ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ЛОГИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
© А.М. Дунаев1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Создание оптимального логического алгоритма технического диагностирования промышленных преобразователей частоты, основанного на анализе функциональной схемы. МЕТОДЫ. Осуществляется формулирование аналитического критерия оптимальности диагностического алгоритма как минимальности средних затрат на определение одного технического состояния объекта диагностирования. Производится алгоритмизация решения задачи нахождения удовлетворяющей сформулированному критерию последовательности выполнения элементарных диагностических проверок над функциональными блоками промышленного преобразователя частоты. Выделяются основные этапы решения задачи, в число которых входят: анализ функциональной схемы диагностируемого устройства на предмет целесообразности выполнения диагностических проверок функциональных блоков в различных ситуациях; выбор блока, подлежащего проверке в первую очередь; определение блочных номенклатур ветвей конфигурации; формирование совокупности возможных последовательностей выполнения элементарных проверок в ветвях конфигурации; выявление последовательностей, характеризуемых минимальными показателями средних затрат на выполнение; синтез конфигураций оптимальных алгоритмов из определенных ранее составных частей. Реализация разработанной процедуры осуществляется на языке программирования высокого уровня Object Pascal средствами интегрированной среды Delphi. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Предложена процедура построения конфигурации оптимального логического алгоритма диагностирования электрооборудования. В рамках программной реализации данной процедуры применительно к такому электрооборудованию, как промышленные преобразователи частоты, создано специализированное приложение «FC_OPTIM». Построено две конфигурации логических алгоритмов диагностирования, удовлетворяющих критерию оптимальности. Одна из полученных конфигураций соответствует MPT-алгоритму диагностирования преобразователей частоты, который используется при структурировании базы знаний экспертного комплекса для наладки преобразователей частоты «FC3», разработанного автором настоящего исследования. ВЫВОДЫ. Создан оптимальный логический алгоритм технического диагностирования промышленных преобразователей частоты, основанный на анализе функциональной схемы.
Ключевые слова: промышленный преобразователь частоты, функциональная схема устройства, элементарная диагностическая проверка, оптимальный алгоритм диагностирования, процедура построения алгоритма диагностирования, средние затраты диагностирования, конфигурация алгоритма диагностирования.
Информация о статье. Дата поступления 14 июня 2018 г.; дата принятия к печати 27 августа 2018 г.; дата онлайн-размещения 28 сентября 2018 г.
Формат цитирования. Дунаев А.М. Процедура построения оптимального логического алгоритма диагностирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 9. С. 82-90. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-9-82-90
PROCEDURE OF OPTIMAL LOGICAL DIAGNOSIS ALGORITHM CONSTRUCTION A.M. Dunaev
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to create an optimal logical algorithm based on functional diagram analysis for the technical diagnosis of industrial frequency converters. METHODS. An analytical criterion of diagnostic algorithm optimality is formulated as a minimality of average costs for determining one technical state of the object of diagnosis. An algorithm is developed for the solution of the problem of finding a sequence of elementary diagnostic tests of industrial
1
Дунаев Андрей Михайлович, аспирант, e-mail: [email protected] Andrey M. Dunaev, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
frequency converter functional blocks, which satisfies the formulated criterion. The main stages of solving the problem are identified: the analysis of the functional diagram of the device being diagnosed for the expediency of diagnostic tests of functional blocks in various situations; selection of the block to be tested first, determination of tree parts representatives, formation of possible sequences of elementary test execution in configuration branches, identification of sequences characterized by minimum average costs of implementation; synthesis of the configurations of optimal algorithms from previously determined composite parts. The developed procedure is implemented in the high-level programming language Object Pascal by means of Delphi integrated environment. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The paper presents the procedure of configuration construction for the optimal logical algorithm of electrical equipment diagnosis. A specialized application FC_OPTIM has been created in the framework of this procedure program implementation as applied to industrial frequency converters. Two configurations of logical diagnostic algorithms satisfying the criterion of op-timality have been constructed. One of the received configurations corresponds to the MPT-algorithm of frequency converter diagnosis developed by the author of the present article. The algorithm is used when structuring the knowledge base of an expert complex for adjusting frequency converters FC3. CONCLUSIONS. An optimal logical algorithm has been developed for the technical diagnosis of industrial frequency converters. It is based on the analysis of the functional diagram.
Keywords: industrial frequency convertor, functional diagram of the device, basic diagnostic test, optimal diagnosis algorithm, procedure of diagnosis algorithm construction, average cost of diagnosis, configuration of diagnosis algorithm
Information about the article. Received June 14, 2018; accepted for publication August 27, 2018; available online September 28, 2018.
For citation. Dunaev A.M. Procedure of optimal logical diagnosis algorithm construction. Vestnik Irkutskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2018, vol. 22, no. 9, pp. 82-90. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-9-82-90 (In Russian)
Введение
Достаточное разнообразие заданных допустимых элементарных проверок позволяет получать диагностические алгоритмы различного качества. Представители означенного класса, разработанные и проанализированные автором данной статьи на более ранних этапах исследования, могут быть определены как квазиоптимальные по своему отношению к структуре диагностируемых устройств [1, 2]. При этом следует отметить, что наибольшую практическую значимость имеют задачи построения оптимальных алгоритмов диагностиро-
вания [1, 3], поскольку именно подобные задачи являют собой немаловажный аспект совершенствования средств обслуживания систем в связи с возрастанием сложности последних и повышением требований к эффективности их действия [4-6].
Целью настоящей работы является синтез оптимального алгоритма диагностирования неисправностей преобразователей частоты, основанного на анализе функциональной схемы.
Алгоритмы диагностирования и критерий их оптимальности
Функциональная схема подключения промышленного преобразователя частоты (ПЧ) к электрической сети, представленная на рис. 1, содержит 9 функциональных блоков, а также графическое обозначение передаваемых в системе сигналов [7].
На рис. 1 имеют место следующие обозначения: ВА - вводной автоматический выключатель; ВФ - входной фильтр; НВ - неуправляемый выпрямитель; СФ - сглаживающий фильтр; АИ - авто-
номный инвертор; Н - нагрузка преобразователя; БП - блок питания системы управления; СУ - система управления; ПУ - панель управления; ~ис - напряжение питающей сети переменного тока; иВХ - входное напряжение силовой схемы преобразователя; ивыХ - выходное напряжение преобразователя; иБП - выходное напряжение блока питания; иУ - сигнал задания выходной частоты; 1н - ток нагрузки.
I -Un
BA (1)
ВФ (2)
HB(3)
СФ (4)
БП (7)
СП 1
СУ (8) „
ПУ (9)
ивых
Uy
Рис. 1. Функциональная схема подключения промышленного преобразователя частоты Fig. 1. Functional diagram of industrial frequency convertor connection
Диагностические алгоритмы опираются на функциональную схему диагностируемого устройства и служат для описания порядка проведения элементарных проверок над его функциональными блоками2 [8, 9]. Эффективность указанных алгоритмов определяется средними затратами диагностирования для определения одного технического состояния объекта диагностирования, которые могут быть найдены по выражению
С (^о, ЕТ ) =
^ гг (1)
= (е)],
1=1 ^о
где !0 - первая проверка алгоритма диагностирования; р(в) - вес /-го технического состояния среди других технических состо-
яний; Цв) - время проверки /-го блока; в; - техническое состояние /-го функционального блока; ЕТ - множество технических состояний объекта диагностирования;
е е Е ; (е ) - сумма времен прове-
1
рок алгоритма диагностирования от проверки 20 до проверки 2\2 [2, 9] .
Таким образом, критерием оптимальности алгоритма является минимальность средних затрат диагностирования для определения одного технического состояния объекта диагностирования [10]. Данные, необходимые для вычисления этого показателя, представлены в таблице. К ним относятся значения веса технического состояния и времени проверки /-го функционального блока.
2Дунаев М.П. Методы управления технологическим процессом контроля и наладки промышленного оборудования (промышленность): дис. ... д-ра. техн. наук: 05.13.06. Иркутск, 2004. 330 с. / Dunaev M.P. Methods to control the technological process of monitoring and adjustment of industrial equipment (industry). Doctoral Dissertation of technical sciences: 05.13.06. Irkutsk, 2004. 330 p.
Времявероятностные характеристики функциональных блоков _Time-probability characteristics of functional blocks_
Характеристика Функциональный блок
1 2 3 4 5 6 7 8 9
P(e) 0,01 0,04 0,05 0,02 0,4 0,1 0,14 0,2 0,04
t(e) 0,05 0,05 0,1 0,02 0,07 0,06 0,05 0,5 0,1
Процедура синтеза оптимального алгоритма
Синтез диагностического алгоритма, характеризуемого минимальными затратами, осуществляется согласно предлагаемой методике, включающей следующие этапы:
1. Анализ функциональной схемы диагностируемого устройства на предмет определения целесообразности выполнения проверок конкретных блоков в различных ситуациях.
2. Выбор блока, подлежащего проверке в первую очередь.
3. Построение блочной номенклатуры ветви.
4. Составление полного массива последовательностей выполнения элементарных проверок над блоками ветви.
5. Нахождение оптимальных последовательностей элементарных проверок.
6. Синтез конфигурации (дерева) искомого алгоритма из найденных оптимальных конфигураций его составных частей.
Результатами анализа, проводимого на первом из перечисленных этапов, должны стать два логических массива выполнения проверок (ЛМВП). Один из них формируется на случай получения неисправных выходных сигналов (ЛМВП0), другой - на случай получения исправных выходных сигналов (ЛМВП1).
Второй этап процедуры заключается в выборе блока первой проверки (БПП) по критерию минимальности времени проверки.
Необходимо отметить, что рассматриваемые далее третий, четвертый и пятый этапы выполняются отдельно для каждой из ветвей синтезируемого дерева
алгоритма.
Третий шаг состоит в определении блочной номенклатуры ветви синтезируемого алгоритма на основании результатов выполнения двух предыдущих этапов -данных ЛМВП и информации о БПП.
Четвертая ступень рассматриваемой методики направлена на конструирование всех возможных порядков осуществления элементарных диагностических проверок. По причине наибольшей сложности данной части процедуры для реализации следует продемонстрировать полученное в результате алгоритмизации графическое представление описываемого этапа (рис. 2).
Условием 1 на рассматриваемой схеме обозначен ключевой момент исполнения подпроцедуры, состоящий в сочетании исчерпанности кандидатов младшего уровня с невозможностью формирования из оставшихся представителей такой комбинации, которая являлась бы равномощной номенклатуре ветви без элемента МБНВ [I].
На пятом этапе предполагается выделение из сформированного массива одной или нескольких последовательностей, характеризуемых минимальными затратами на выполнение (в соответствии с критерием оптимальности алгоритма как последовательности элементарных проверок над функциональными блоками диагностируемого устройства).
Шестой шаг процедуры построения конфигурации оптимального алгоритма по причине своей тривиальности в детализированном описании не нуждается.
Заполнение старшей позиции ветви блоком МБНВ[1]
4.3
Подбор кандидатов на прочие позиции
4.4
Попозиционный синтез «от младших к старшим»
Полный массив комбинаций ветви
Рис. 2. Блок-схема подпроцедуры составления полного массива комбинаций Fig. 2. Block-diagram of the subprocedure of complete combination set formation
Работа приложения автоматизированного синтеза оптимального алгоритма
Структура рабочего прототипа <^С_ОРТ1М» представлена на рис. 3, где имеют место следующие обозначения: ТВВХ - таблица времявероятностных ха-
рактеристик; ЛМВП - логические массивы выполнения проверок; ПМК - полный массив комбинаций; ОА - оптимальный алгоритм.
Стартовая процедура
Процедура-построитель
Процедура-расчётчик
CI CL
TBBX ЛМВП ™K
Рис. 3. Структура приложения «FC_OPTIM» Fig. 3. Structure of FC_OPTIM application
Система представления дерева алгоритма в приложении такова: ячейка, содержащая номер блока, который следует проверить при получении исправного выходного сигнала (левая дочерняя позиция), располагается на следующей строке таблицы непосредственно под ячейкой с номером блока произведенной элементарной проверки (родительской позиции); ячейка с номером блока, подлежащего проверке при получении неисправного сигнала (правая дочерняя позиция), находится правее левой дочерней позиции на соответственно 1,
2, 22, ... , 2 п~к ячеек (где п - общее число уровней блоков-кандидатов, к - индекс уровня рассматриваемой материнской позиции, а индекс уровня дочерних позиций БПП принят равным 0).
На рис. 4 проиллюстрировано состояние формы, соответствующее моменту начала работы приложения «FC_OPTIM».
На рис. 5 и 6 зафиксированы результаты работы рассматриваемой программы. Ввиду того что в ходе решения задачи была найдена 1 конфигурация правой ветви и 2 конфигурации левой, возможны две версии дерева алгоритма, отвечающего критерию оптимальности.
Рис. 5 отражает первый вариант представления, соответствующий, как позволяет заключить опыт предыдущих исследований, M1a- и MPO-алгоритмам [7, 8]. На рис. 6 показана конфигурация второго варианта, соответствующего МРТ-алгоритму [8, 10].
Рис. 4. Приложение «FC_OPTIM». Начало работы Fig. 4. FC_OPTIM application. Operation start
Рис. 5. Приложение «FC_OPTIM». Результаты работы. Первая конфигурация Fig. 5. FC_OPTIM application. Operation results. The first configuration
Рис. 6. Приложение «FC_OPTIM». Результаты работы. Вторая конфигурация Fig. 6. FC_OPTIM application. Operation results. The second configuration
Последняя из построенных конфигураций оптимальных логических алгоритмов диагностирования ПЧ соответствует МРТ-алгоритму, в настоящий момент используемому в качестве основы структурирования базы знаний [2, 11, 12] рабочего прототипа экспертного комплекса для наладки преобразователей частоты «РС3» [8]. Граф дан-
ного алгоритма приведен на рис. 7.
Вершины графа обозначают проверки функциональных блоков, дуги графа -результаты этих проверок: 0 - неисправный сигнал, 1 - исправный сигнал [8]. Прямоугольные рамки содержат номера блоков, в которых локализована выявленная неисправность.
Рис. 7. Граф MPT-алгоритма Fig. 7. MPT-algorithm graph
Заключение
В рамках данной работы предложена процедура синтеза оптимального алгоритма диагностирования преобразователей частоты, основанного на анализе функциональной схемы. Разработано приложение «РС_ОРТ1М» для автоматизации построения описанного алгоритма. Получены две
конфигурации алгоритмов, удовлетворяющие критерию оптимальности. Одна из полученных конфигураций соответствует МРТ-алгоритму, в настоящее время используемому для структурирования базы знаний [12] экспертного комплекса «РС3» [6, 13].
Библиографический список
1. Бахвалов С.В., Дунаев А.М. Анализ оптимальных алгоритмов технического диагностирования // Вестник ИрГТУ. 2016. № 7. С. 55-59. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-7-55-59
2. Техническая диагностика: сб. науч. тр. I Всесоюзного совещания по технической диагностике / под общ. ред. П.П. Пархоменко. М.: Наука. 1972, 368 с.
3. Григорьев А.В., Осотов В.Н. Диагностика в технике. Понятия, цели, задачи // Электротехника. 2003. № 4. С. 46-51.
4. Забокрицкий Е.И., Холодовский Б.А., Митченко А.И. Справочник по наладке электроустановок и электроавтоматики. 3-е изд., перераб. и доп. Киев: Наукова думка, 1985. 704 с.
5. Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Костанди Г.Г. Диагностирование электронных систем. Л.: Судостроение, 1984. 224 с.
6. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.
7. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электропривода: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 138 с.
8. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Экспертный комплекс для наладки преобразователей частоты // Информационные и математические технологии в науке и управлении: материалы XX Байкальской Всерос. конф. (Иркутск-Байкал, 29 июня - 07 июля 2015 г.). Иркутск: Изд-во Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 2015. Ч. III. С. 20-28.
9. Mukhopad Yu.F., Dunaev M.P., Mariukhnenko V.F., Skrypnik O.N., Sizykh V.N. Management of technical automation equipment of technological processes // Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017. Vol. 17. No. 5. P. 1021-1028.
10. Бахвалов С.В., Дунаев А.М., Дунаев М.П. Выбор алгоритма для построения базы знаний экспертной системы диагностирования электрооборудования // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2016. № 2. С. 46-51.
11. Дунаев М.П., Дунаев А.М., Каргапольцев С.К., Гозбенко В.Е. Метод структурирования базы знаний экспертной системы для диагностирования электрического оборудования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 1 (53). С. 86-89.
12. Arshinskiy L.V., Arshinskiy V.L., Dunaev M.P., Dunaev A.M., Aslamova V.S. Development of the expert system of electrical equipment setup based on logic with vector semantics // Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017. Vol. 17. No. 5. P. 1119-1125.
13. Dunaev M.P., Daneev A.V., Kargapoltsev S.K., Kashkovsky V.V., Kuznetsov B.F. Creation method of the expert systems for electrical installation // Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017. Vol. 17. No. 5. P. 1011-1019.
References
1. Bakhvalov S.V., Dunaev A.M. Optimal technical diagnosis algorithms evaluation. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 7, pp. 55-59. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-7-55-59. (In Russian)
2. Tekhnicheskaya diagnostika: sbornik nauchnykh trudov I Vsesoyuznogo soveshchaniya po tekhnicheskoi diagnostike, pod obshchei redaktsiei P.P. Parhomenko [Technical diagnostics: Collection of scientific works of I All-Union Meetiing on Technical Diagnostics under general editorship of P.P. Parkhomenko]. Moscow: Nauka Publ., 1972, 368 p. (In Russian)
3. Grigor'ev A.V., Osotov V.N. Diagnosis in engineering. Concepts, goals, tasks. Elektrotekhnika [Electrical Engineering]. 2003, no. 4, pp. 46-51. (In Russian)
4. Zabokritskii E.I., Kholodovskii B.A., Mitchenko A.I. Spravochnik po naladke elektroustanovok i el-ektroavtomatiki [Reference book on electrical installation and electroautomatic equipment adjustment]. Kiev: Naukova dumka Publ., 1985. 704 p.
5. Mozgalevskii A.V., Kalyavin V.P., Kostandi G.G. Di-agnostirovanie elektronnykh sistem [Diagnosis of electronic systems]. Leningrad: Sudostroenie Publ., 1984, 224 p. (In Russian)
6. Osipov O.I., Usynin Yu.S. Tekhnicheskaya diagnostika avtomatizirovannykh elektroprivodov [Technical diagnostics of automated electric drives]. Moscow: Ener-goatomizdat Publ., 1991, 160 p. (In Russian)
7. Dunaev M.P. Ekspertnye sistemy dlya naladki el-ektroprivoda [Expert systems for electric drive adjust-
ment]. Irkutsk, IrSTU Publ., 2004, 138 p. (In Russian)
8. Dunaev M.P., Dunaev A.M. Ekspertnyi kompleks dlya naladki preobrazovatelei chastoty [Expert complex for frequency converter adjustment]. Materialy XX Baikal'skoi Vserossijskoj konferentsii "Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii" [Materials of XX Baikal All-Russian Conference "Information and mathematical technologies in science and management"]. Irkutsk: Melentiev Energy Systems Institute SB RAS Publ., 2015, part III, pp. 20-28. (In Russian)
9. Mukhopad Yu.F., Dunaev M.P., Mariukhnenko V.F., Skrypnik O.N., Sizykh V.N. Management of technical automation equipment of technological processes. Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017, vol. 17, no. 5, pp. 1021-1028.
10. Bakhvalov S.V., Dunaev A.M., Dunaev M.P. The approach to the structuring of knowledge base of expert system for electric equipment diagnosis. Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii [Information and Mathematical Technologies
Критерии авторства
Дунаев А.М. провел исследование, подготовил статью к публикации и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Дунаев А.М. заявляет об отсутствии конфликта интересов.
in Science and Management]. 2016, no. 2, pp. 46-51. (In Russian)
11. Dunaev M.P., Dunaev A.M., Kargapol'tsev S.K., Gozbenko V.E. Method of structuring the expert system's knowledge base for diagnostic of electric equipment. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling]. 2017, no. 1 (53), pp. 86-89. (In Russian)
12. Arshinskiy L.V., Arshinskiy V.L., Dunaev M.P., Dunaev A.M., Aslamova V.S. Development of the expert system of electrical equipment setup based on logic with vector semantics. Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017, vol. 17, no. 5, pp. 1119-1125.
13. Dunaev M.P., Daneev A.V., Kargapoltsev S.K., Kashkovsky V.V., Kuznetsov B.F. Creation method of the expert systems for electrical installation. Far East Journal of Electronics and Communications. Pushpa Publishing House, Allahabad, India. 2017, vol. 17, no. 5, pp. 1011-1019.
Authorship criteria
Dunaev A.M. has conducted the study, prepared the article for publication and bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interest
Dunaev A.M. declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
