Разработка экспертной системы для наладки преобразователя частоты Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Таким образом, меняя различные значения параметров процесса капсулирования, о которых говорилось в данной статье (температура нагрева ИК-излучателя, угол его поворота относительно сегмента лобовой части обмотки, расстояние от ИК- излучателя

до сегмента лобовой части обмотки, осцилляция режима ИК-энергоподвода и т.д.), можно осуществлять моделирование различных режимов ИК-энергоподвода, в зависимости от требуемой в процессе ремонта ТД задачи.

Библиографический список

1. Худоногов А.М., Лыткина Е.М., Дульский Е.Ю. Инновационная технология повышения надёжности и продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. №4(36). С.102-108.

2. Дульский Е.Ю. Анализ пространственного распределения инфракрасного излучения в процессе капсулирования

изоляции электрических машин тягового подвижного состава // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. №7(78). С.132-136.

3. Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC.Patran-Nastran: учебное пособие. М., 2003. Ч.1. 130 с.

УДК 63-83-52:519.768.2

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАЛАДКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

© М.П. Дунаев1, А.М. Дунаев2

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обсуждены основные логические методы технического диагностирования для наладки электрооборудования. Описан новый логический времявероятностный метод диагностирования для наладки преобразователя частоты. Построены графы алгоритмов технического диагностирования для наладки преобразователя частоты. Показана эффективность нового логического метода технической диагностики для наладки преобразователя частоты.

Ил. 7. Табл.1. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: метод; диагностика; алгоритм; экспертная система; наладка; преобразователь частоты.

EXPERT SYSTEM DEVELOPMENT FOR FREQUENCY CONVERTER DEBUGGING M.P. Dunaev, A.M. Dunaev

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article discusses basic logical troubleshooting methods for electrical equipment debugging. It describes a new logical time-probable diagnostic method for frequency converter debugging. The authors graph the troubleshooting algorithms and show the efficiency of the new logical technical diagnostic method for frequency converter debugging.

7 figures. 1 table. 9 sources.

Key word: method; trouble-shooting; algorithm; expert system; adjusting, frequency converter.

Введение. Бурное развитие силовой электроники в 90-х годах двадцатого века, давшее толчок для создания новых полупроводниковых силовых приборов и модулей, таких как GTO, ЮВТ, ЮСТ, MOSFIT, 1РМ и другие, привело к массовому переходу промышленности на использование частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Основой такого электропривода являются преобразователи частоты различных модификаций. Очевидно, что какими бы совершенными ни являлись современные полупроводниковые преобразователи частоты, проблемы их диагностирования и наладки остаются актуальными. В настоящей статье рассмотрены этапы создания консультирующей экспертной системы для наладки преобразователя частоты (ПЧ).

Основы комплексного метода контроля и

наладки. Наладка оборудования, сущность которой заключается в доведении выходных параметров объекта наладки (ОН) до паспортных значений, может рассматриваться как совокупность частных задач, самой сложной из которых обычно является диагностирование ОН.

В настоящее время можно выделить два подхода к диагностированию.

Первый подход отражает методы классической технической диагностики (ТД), основанной на математических моделях объектов и специальных алгоритмах диагностирования. Это направление детально рассмотрено в [1, 2].

Второй подход связан с использованием методов искусственного интеллекта и применением диагностических экспертных систем, основанных на знаниях

1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: [email protected]

Dunaev Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: [email protected]

2Дунаев Андрей Михайлович, студент, тел.: (3952) 410619, e-mail: [email protected] Dunaev Andrei, Student, tel.: (3952) 410619, e-mail: [email protected]

специалистов-экспертов. Этот подход рассмотрен в [3,

4].

Каждый из перечисленных подходов имеет свои сильные и слабые стороны. Так, например, классическая ТД предполагает предварительное глубокое изучение объекта диагностики (ОД), в процессе которого составляется в том или ином виде его математическое описание (математическая модель). В конечном итоге, опираясь на модель ОД и используя различные алгоритмы поиска дефектов, удается гарантированно определить (локализовать) неисправность при минимальном количестве шагов поиска или с минимальным количеством затрат на этот поиск. Однако подробное изучение каждого конкретного ОД требует значительных затрат времени и сил; применение методов классической ТД достаточно сложно для неспециалистов; к тому же при разработке математических моделей обычно делается ряд допущений, неотвратимо отдаляющих модель от реального объекта.

С другой стороны, применение технологии экспертных систем (ЭС) позволяет напрямую, без упрощений, использовать эмпирические знания и эвристические методы специалистов-экспертов, что приводит к значительному сокращению времени поиска неисправностей ОД. Использование готовых экспертных систем вполне доступно даже неспециалисту по искусственному интеллекту, а круг решаемых экспертной системой диагностических задач не ограничивается конкретным ОД, охватывая обычно целый класс технических объектов. Однако методика создания диагностических экспертных систем разработана недостаточно полно; а существующие диагностические ЭС, как правило, не отличаются глубиной знаний и не дают полной гарантии нахождения дефекта.

В связи с этим представляется перспективным новый диагностический метод [5], основанный на технологии экспертных систем с использованием алгоритмов классической технической диагностики. Полученный на основе данного синтеза диагностический метод позволяет сохранить такие достоинства двух вышеозначенных подходов, как глубину математической модели ОД, минимальное количество шагов поиска неисправности, широкое использование эмпирических знаний экспертов, возможность решения диагностических задач целого класса технических объектов. В то же время новый метод значительно снижает трудоемкость и число допущений при разработке математической модели ОД, а также позволяет эксплуатировать готовую диагностическую ЭС значительному кругу неспециалистов.

Определим основные этапы данного диагностического метода.

Синтез алгоритма диагностирования. На этом этапе разрабатывается функциональная модель объекта диагностирования и определяется наиболее перспективный порядок проведения элементарных проверок (алгоритм диагностирования) с учетом имеющейся об объекте диагностирования информации. Данный этап может быть разбит на следующие шаги:

1) Составляется математическая модель (функциональная схема) объекта диагностирования с уче-

том допущений, перечисленных в [2], и условий реализуемости метода, перечисленных выше, для которой являются справедливыми перечисленные ниже выражения:

- модель ОД можно представить в виде конечного частично упорядоченного множества АМ , состоящего из элементов а, (¡=1,2,...М), где М - показатель мощности множества, М <ж;

- для любого элемента аі модели АМ имеется конечное множество входных сигналов іу , где V > 1, и множество Іі выходных сигналов 1ц с показателем мощности і=1: V аі є АМ =? (іу є ZV) л (іі є іі );

- для любого элемента а, модели АМ известны зависимости между входными ііу и выходными сигналами іі , а также множества их допустимых значений и 2Ш : Va¡ є Ам => (іу іі);

- внешние входные сигналы х элемента а, всегда

относятся к множеству допустимых значений Хо: V

хі є Хй;

- если выходной сигнал і^ элемента а{ является

входным сигналом іду для элемента уд , то множества допустимых значений этих сигналов и совпадают: іі = іду ^ Іро = Іво;

- если входной сигнал іу элемента а, находится за пределами допустимых значений , то на выходе этого элемента появляется недопустимый сигнал: іу & Іуй ^ ііі & Іій ;

- элемент аі принадлежит к множеству неисправных элементов А|д/, если при допустимых входных сигналах іу на выходе элемента появляется недопустимый сигнал ііі: (іу єІуо) л (ііі &Іі0) =$ а, є Ащ ;

- модель ОД АМ считается исправной, если все

ее элементы аі принадлежат к множеству исправных элементов Ао: а,єАо .

2) Математическая модель (функциональная схема) объекта диагностирования преобразуется в логическую модель в форме ориентированного графа, т.к. для решения задачи диагностирования объекта обычно достаточно сделать заключение по результатам оценки входных и выходных сигналов типа «в норме - не в норме» (в пределах паспортных значений или нет).

3) Логическая модель объекта диагностирования представляется в виде системы логических уравнений вида

Іі= Єї л Хі л ...л Хц ,

І2= Є2 ЛІі ,

Єн лІн -і .

-У

4) Проводится процедура построения графов алгоритмов диагностирования ОД, использующих бинарные единичные выборы и соответствующих основным диагностическим методам, рассмотренным в [5].

5) Выбирается такой алгоритм диагностирования ОД, который приводит к минимальным средним затратам, определенным по выражению

с (г0, ет ) = ^Т [Р(Єі) ¡Т с (К )], (2)

і=1 ==1

где 20 - первая элементарная проверка алгоритма диагностирования; ) - сумма цен элемен-

к = 1

тарных проверок алгоритма диагностирования от 10 до 1к .

Структурирование базы знаний (БЗ). На данном этапе происходит формирование базы метаправил10 ЭС с учетом выбранного алгоритма диагностирования. Этот процесс можно реализовать с помощью следующих шагов:

1) Формируется общий список диагностируемых экспертной системой неисправностей ОД О(б1, б2

дь; О1, О2,... Ос). Список диагностируемых неисправностей разбивается на две части: промежуточные Ов (б1, б2дь) и окончательные ОО (О1, О2 ,...Ос) диагнозы. В данном случае под окончательным диагнозом ОС понимается выявление конкретной неисправности при достижении глубины диагностирования ОД с локализацией до функционального блока; под промежуточным диагнозом ОВ будем понимать сообщение о предварительной локализации неисправности в некой структурной части ОД, состоящей из нескольких функциональных блоков.

2) Диагностируемые неисправности О1, О2,...Ос из списка окончательных диагнозов ОС требуется расположить в соответствии с путем обхода графа алгоритма диагностирования, которому было отдано предпочтение при синтезе алгоритма диагностирования. Действия, предпринятые выше, позволят желаемым образом сформировать структуру базы знаний ЭС.

Формирование базы знаний. На этом этапе структура БЗ ЭС наполняется теоретическими и практическими знаниями о наладке ОД и происходит окончательное структурирование БЗ ЭС. Этот процесс реализуется путем выполнения следующих шагов:

1) На основе логических уравнений вида (1) формулируются первичные правила для базы знаний ЭС и оформляются в виде продукций (правил) типа «ЕСЛИ А, ТО В». Эти правила описывают функциональную модель ОД.

2) Практические знания специалистов по наладке (экспертов) также оформляются в виде правил «ЕСЛИ А, ТО В».

3) База знаний формируется в виде совокупности первичных правил и правил, отражающих практические знания экспертов.

4) Все правила базы знаний формализуются в виде выражений

т п (3)

Л С, = > И или V С = > V ( ) і = 1 і і = 1 і

п т

где Сс ' Лс - дизъюнкт и конъюнкт относительно і = 1 і = 1 О, ; Сі - условия выполнения действия О].

Совокупность логических выражений вида (3) представляет собой компактную форму записи базы знаний о наладке ОД.

10 Метаправило - правило, определяющее порядок применения правил в экспертной системе.

Модель наладки M(R1t R2, Rk) согласно принципу суперпозиции образована двумя логическими подмоделями:

- подмодель исправного состояния Mu(Ru1, Ru2

■■■, Rum);

- подмодель дефектного состояния Md(Rd1, Rd2, ..., Rdn), где Rb R2, ..., Rk - полный набор правил системы; Ru1, Ru2 ..., Rum - набор правил исправного состояния системы; Rd1, Rd2, ..., Rdn - набор правил дефектного состояния системы.

Подмодели Mu и Мд также могут быть заданы с помощью логических выражений вида (3), при этом число выражений будет определяться количественными параметрами подмножеств.

Данные подмножества составляют открытое множество элементарных правил, описывающих поведение системы (устройства) как в нормальных, так и в ненормальных режимах функционирования.

Разработанная таким образом БЗ обладает знаниями общего характера, т.е. структурирована без учета особенностей конкретных моделей преобразователей частоты, а именно последнее важно при наладке промышленного оборудования. Но в случае, когда наладчик недостаточно опытен, ему придется уточнять, например, какие именно значения выходных сигналов системы управления преобразователем соответствуют фигурирующим в правилах «паспортным значениям», а, возможно, и точки измерения этих параметров, воспользовавшись документацией к той модели преобразователя, с которой он работает в данный момент. Для увеличения практической значимости вышеописанной ЭС полезно предоставить наладчику более детальную информацию вышеописанного типа, а также уточнить некоторые диагнозы, если это возможно и целесообразно.

Рассмотрим процесс разработки экспертной системы на конкретном примере.

Разработка алгоритма диагностирования преобразователя частоты. Эффективность наладки электрооборудования (ЭО) во многом зависит от качества методов диагностирования. Существующие алгоритмы диагностирования [1, 2], на которых основаны методы половинного деления в известных модификациях, а также времявероятностный метод, не являются оптимальными. Эффективность их применения в значительной степени зависит от разных факторов. Вследствие этого представляется важным модифицирование известных алгоритмов диагностирования, позволяющих повысить эффективность наладки ЭО. Рассмотрим новый метод диагностирования (метод поиска по критериям времявероятностной оценки и относительной вероятности или PTV-алгоритм) на примере поиска неисправностей в схеме ПЧ. Этот метод отличается от известного метода поиска с учетом относительной вероятности (V-алгоритма диагностирования) стратегией выбора первой элементарной проверки Z0. Эта проверка должна обладать наибольшим значением времявероятностной оценки p(e)/t(e), а при равенстве времявероятностных оценок p(e)/t(e) элементарных проверок в качестве первой следует выбирать такую проверку, которая контролирует

функциональный элемент, расположенный ближе к центральной части функциональной схемы ОД. Порядок остальных элементарных проверок данного метода соответствует V-алгоритму [5].

Функциональная схема ПЧ представлена рис.1, где обозначено: ВА - вводной автоматический выключатель, ВФ - входной фильтр, В - силовой выпрямитель, СФ - сглаживающий фильтр, СС - силовая схема преобразователя, Н - нагрузка преобразователя, БП - блок питания системы управления, ЗГ - задающий генератор импульсов, УО - управляющий орган, РИ - распределитель импульсов по каналам управления, УФ - усилитель-формирователь импульсов управления, ГР - устройство гальванической развязки, ~Ус - напряжение питающей сети переменного тока,

вателя, ивых - выходное напряжение преобразователя, ибп - выходное напряжение блока питания, иу -выходное напряжение управляющего органа, из -задающее напряжение.

На рис.2 показана логическая модель ПЧ, построенная по функциональной схеме рис.1 в соответствии с принятыми допущениями [1]. Входные и выходные сигналы ПЧ представлены вершинами с символами X, и I, где / - индекс элемента логической модели, на вход (с выхода) которого поступают (выходят) сигналы. Элементы ПЧ представлены вершинами с индексами /, соответствующими номерам элементов на схеме рис.1.

Входные внешние сигналы Х1, Х2 соответствуют сигналам ис, из на рис.1. Внешний выходной сигнал

Увых

Рис. 1

Граф алгоритма, построенный по этому методу (РТУ-алгоритм), показан на рис.3. Кружками с цифрами внутри обозначены элементарные проверки I (¡=1,

2..М), цифрами 1 и 0 - результаты проверок блоков (исправен - неисправен), прямоугольниками - итоги диагностирования (цифра внутри прямоугольника означает номер неисправного блока).

Исходя из вышеизложенного, в качестве первой элементарной проверки выбираем проверку 15 . Далее в зависимости от ее результатов производится проверка 17 и т.д.

Время доступа (цена проверки) ((в), относительная времявероятностная характеристика элементарных проверок /(в) и значение р(в)Л(в) для элементов ПЧ указаны в табл.1.

Данный алгоритм диагностирования ПЧ нашел применение в консультирующей экспертной системе для наладки ПЧ на кафедре электропривода и электротранспорта Иркутского государственного технического университета.

Таблица 1

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

p(e) 0,01 0,04 0,05 0,02 0,4 0,1 0,06 0,05 0,07 0,02 0,04 0,14

t(e) 0,05 0,05 0,02 0,1 0,07 0,06 0,15 0,15 0,15 0,05 0,1 0,05

P(e) t(e) 0,2 0,8 2,5 0,2 5,71 1,67 0,4 0,33 0,47 0,4 0,4 2,8

V(e) 0,014 0,056 0,176 0,014 0,282 0,118 0,028 0,023 0,033 0,028 0,028 0,2

Разработка эксперной системы. В качестве объектов диагностирования были выбраны ПЧ трёх достаточно распространённых типов: Schneider

ATV28, Siemens SINAMICS G110 и Danfoss FC-302.

Для построения ЭС «FC1» (экспертная система для наладки преобразователей частоты) была использована интегрированная инструментальная среда EXSYS Professional, обладающая дружественным интерфейсом и логичной, интуитивно понятной организацией.

Процесс создания ЭС «FC1» включал в себя четыре основных этапа [6]:

а) извлечение знаний (сначала производилось текстологическими методами - через детальное изучение технической документации о ПЧ выбранных моделей [7-9], затем активными коммуникативными: проводилось интервью с экспертом, потребность в котором возникла при извлечении знаний об общих, т.е. не зависящих от модели ПЧ, неисправностях);

б) определение структуры базы знаний;

в) формирование базы знаний;

г) тестирование и отладка экспертной системы.

Общая структура БЗ разработанной ЭС представлена на рис. 4. Объём базы знаний составляет 101 правило.

Принцип работы системы «Р01» таков:

• используется обратная стратегия вывода;

• пользователь отвечает на вопросы экспертной системы, выбирая из двух вариантов - «Да» и «Нет»;

• при осуществлении диалога с пользователем ЭС сначала предполагает наличие общих неисправностей, затем - специфических, характерных для ПЧ определённых моделей;

• учитывается возможность и такого исхода, как полная исправность преобразователя.

Далее будет приведён небольшой пример работы ЭС. Пусть при эксплуатации ПЧ Siemens С110 на дисплее появилось символьное сообщение «Р0001».

На рис.5 показаны ключевые моменты диалога системы с пользователем, обратившимся за консультацией. В рассматриваемой ситуации пользователь сначала дал ответы на вопросы системы, заданные с целью выявить общие неисправности. Однако ответы указали на то, что неисправность лежит глубже. Тогда ЭС выяснила тип используемого преобразователя и появившееся кодовое сообщение. Но для постановки «диагноза» полученной информации было по-прежнему недостаточно, поскольку к появлению некоторых сообщений на самом деле могут привести несколько разных специфических неисправностей. Заключительный этап диалога проводился для установления специфической неисправности.

Рис. 4

ок |1

ок 2

Рис. 5

Результат работы «Р01» приведён на рис. 6. Системой выявлена конкретная специфическая неисправность ПЧ и рекомендованы меры по её устранению.

После получения описанного результата пользователь обратился к подсистеме объяснения с целью узнать, на каких основаниях системой было сделано данное заключение. Правило, использованное ЭС для вывода в данном случае, представлено на рис. 7.

нием алгоритмов диагностики ПЧ и расширения множества типов диагностируемых ПЧ.

Заключение. Разработанная экспертная система «FC1» является работоспособной и может быть использована при наладке преобразователей частоты, причём как профессионалами, так и неспециалистами. Она позволяет находить основные неисправности преобразователей частоты трёх типов - Schneider ATV28, Siemens SINAMICS G110 и Danfoss FC-302,

Рис. 6

Rule 17 : TRUE П

IF: Вы работаете с преобразователем марки G110? Да ■

and Появилось сообщение "F0001"? Да

and Мощность двигателя (Р0307) не превышает мощности преобразователя (Ю206)? Нет

THEN:

Мощность двигателя (Р0307) не соответствует мощности преобразователя (гО206). Увеличьте время разгона (Р1120). - Confidence^

and STOP

Рис. 7

Планируется дальнейшая работа в выбранном направлении, связанная с исследованием интеллектуальных методов и алгоритмов диагностирования неисправностей ПЧ, а также модернизацией ЭС <^С1» в целях организации её работы с использова-

информирует о возможных причинах возникновения неисправностей и даёт рекомендации по их устранению. ЭС <^С1» позволяет сократить время поиска неисправности по сравнению с традиционными методами на 50-60%.

Библиографический список

1. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиз-дат, 1991. 160 с.

2. Кудрицкий В.Д., Синица Н.А., Чинаев П.И. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское Радио, 1977. 256 с.

3. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2000. 384 с.

4. Джексон П. Введение в экспертные системы / пер. с англ. М.: Вильямс, 2001. 624 с.

5. Дунаев М.П. Новый метод диагностирования электро-

привода // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2004. № 2. С.6-10.

6. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам.

М.:МИР, 1989. 388 с.

7. Руководство по эксплуатации «АКмаг 28 Telemecanique» (www.schneider.com/drives).

8. Руководство по эксплуатации <^ап^^ РС-302»

(www.danfoss.ru/drives).

9. Руководство по эксплуатации «Siemens SINAMICS

G110» (www.siemens.com/drives).