CC BY
5П.А. Будко
доктор технических наук, профессор, ПАО «Интелтех»
А.И. Литвинов
кандидат технических наук, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
ТОКОКИНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
АННОТАЦИЯ. В статье рассматриваются основные подходы, связанные с разработкой тококинетиче-ского метода идентификации технического состояния электрооборудования систем электроснабжения военной техники связи. Указанны основные ограничения и недостатки действующих систем контроля и диагностики, связанные с тем, что по мере возрастания сложности контролируемых систем функции контроля также значительно усложняются. В результате возникает целый ряд специфических проблем, связанных с организацией обслуживания и обеспечением высокой эффективности эксплуатации электрооборудования. Сущность этих проблем определяется тем, что развитие электрооборудования в направлении усложнения схемного построения и функциональных связей порождает значительные трудности для обеспечения необходимой надежности, а также сопровождается резким увеличением временных, материальных и трудовых затрат на обслуживание, вследствие чего возросшие потенциальные возможности электрооборудования не могут быть полностью реализованы. Проведен анализ существующего научно-методического аппарата диагностирования электрооборудования. Недостатком существующего научно методического аппарата является его низкая производительность. Классические методы параметрического контроля и диагностирования для оценки технического состояния объектов не удовлетворяют требованиям систем управления по временным показателям.Определенны пути решения указанного противоречия, на основании которых предложен тококинетический метод контроля и диагностики электрооборудования систем электроснабжения промышленных объектов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электрооборудование, контроль и диагностика, техническое состояние, ток, кинетика, идентификация.
Введение
Усложнение схемного построения и функциональных связей в разрабатываемом электрооборудование (ЭО) систем электроснабжения (СЭС) военной техники связи (ВТС)порождает значительные трудности для обеспечения необходимой надежности. В результате возникает целый ряд специфических проблем, связанных с организацией технического обслуживания и обеспечением высокой эффективности эксплуатации ЭО.Сущность этих проблем определяется тем, что развитие ЭО в указанном направлении сопровождается резким увеличением временных, материальных и трудовых затрат на техническое обслуживание, вследствие чего возросшие потенциальные возможности ЭО не могут быть полностью реализованы.
Известно [1], что основным направлением разрешения возникшего противоречия, наряду с повышением надежности ЭО, является совершенствование организации обслуживания в сочетании с комплексной автоматизацией всех процессов эксплуатации ЭО. В связи с этим, вопросы всестороннего совершенствования системы технического обслуживания, важнейшими элементами которой являются постоянный мониторинг, а также контроль идентификация технического состояния (ТС), приобрели важное практическое значение и объективно становятся все более актуальными по мере развития ЭО [2—4].
Целью статьи является разработка теоретических положений направленных на повышение оперативности оценки технического состояния ЭО СЭС ВТС.
МЕАП ОБ СОММИШСАТЮМ ЕСДЯРМЕШ: Iss. 4 (144). 2018
Анализ существующего научно-методического аппарата оценки технического состояния электрооборудования
Результаты и решения научных исследований, проводимых в рамках научно-методического аппарата (НМА) технической диагностики, можно условно разделить на две группы [2, 5—7]:
в первой группе научных результатов, рассматривается параметрический подход, в основу которого входят три выработанные практикой способа поиска: пробных замен, физического исключения, промежуточных измерений;
во второй группе научных результатов, исследуется функциональный подход, в основу которого входит идентификация ТС объекта контроля по выходному сигналу.
Несмотря на несомненные преимущества параметрического метода, связанные, в первую очередь, с качеством (глубиной) диагностирования, он обладает и рядом недостатков: при большом числе средств измерений каждое из них дополнительно вносит погрешности при измерении; при большом числе контролируемых точек измерение каждой требует определенного количества времени.
Несовершенством второй группы научных результатов [2, 5, 6], основанных на функциональном диагностировании, является тот факт, что измерение осуществляется в одномерном метрическом пространстве, в котором сигналы различных классов во многих точках могут пересекаться, что в свою очередь ведет к снижению достоверности и повышению времени исследования в точках пересечения различных классов.
Недостатком существующего НМА является его низкая производительность. Классические методы параметрического контроля и диагностирования ТС ЭО не удовлетворяют требованиям современных систем управления по временным показателям. Существующий НМА оценки ТС ЭО, который основывается на использовании методов параметрического диагностирования, не позволяет решить задачу сокращения числа диагностических признаков при сохранении глубины поиска отказов и полноты диагностирования, и поэтому не может быть применен для достижения поставленной цели [2].
Идентификация технического состояния электрооборудования по выходному сигналу
Анализ существующего НМА позволил выделить направление повышения производительности систем контроля при диагностике ЭО по функциональному признаку, в основу которого входит идентификация ТС ЭО по выходному сигналу. На этой основе рассмотрен новый подход к оценке ТС ЭО [8—11].
Сущность предлагаемого метода состоит в представлении диагностического пространства, содержащего информационные признаки отказов ЭО в виде векторов цифровой последовательности из которых формируют матрицу технического состояния (МТС). Идентификацию ТС и места отказа в ЭО осуществляют на основании анализа изменений в цифровых последовательностях сформированных МТС. При этом идентификация ТС ЭО осуществляется в два этапа (обучения и распознавания): на первом этапе формируют библиотеку эталонных описаний возможных ТС ЭО (информационных признаков отказов) преобразуя измеренный сигнал в МТС gl...gмразмерностью NхN, которую запоминают, а на втором — поэлементно сравнивают полученную МТС с эталонными МТС, идентифицируют ТС ЭО по наибольшему числу совпадений элементов сравниваемых матриц.
На рисунке 1 а и б представлен алгоритм реализации предлагаемого метода [12]. Первым этапом метода является этап обучения (рис. 1 а), на котором:
на шаге 1 определяют исходные данные, ограничения и допущения;
на шаге 2 с помощью модели динамических процессов в цепи питания (ДПЦП) контролируемого ЭО [12], формируют библиотеку описаний возможных технических ситуаций в ЭО и запоминают их в виде эталонных МТСgm, размерностью ИхИ, где т = 1, 2, ..., М — число возможных технических ситуаций в ЭО. Пример библиотеки см. на рис. 2 а—д, М = 5 (цифровые последовательности МТС представлены в виде фигур для наглядности).
Генерируют совокупность ^стробирующих импульсов через интервалы времени А ^ = Т/И, где Тпериод измеренного сигнала, N> 2, число измерений в интервале Т. Количество измерений в интервале Т должно удовлетворять условиям теоремы Котельникова ^дИскр> 2 FнаИв.гарм.,
а)
С
НАЧАЛО
3
Определение исходных
данных, множества допущений и ограничений
СП Запоминание полученных векторов цифровой последовательности в виде матрицы технического состояния Я, размерностью N х N
б)
1
Выбор элемента ¿ = 1 ] = \ матрицы ё
1
Щ Формирование эталонных МТС с помощью модели ДПЦП ЭО, Генерирование совокупности N стробирующих импульсов
1
Измерение сигнала с выхода датчика напряженности магнитного поля (/днмп(/)
т г
-2-1 Фазовый сдвиг измеренного сигнала на Ар, получение сигнала 1)ю(/)
г
Измерение мгновенных значений сигналов Е/дщнДОи через интервалы времени Д1
г
Оцифровывание измеренных мгновенных значений сигналов [/пннп(кД/)и ит(г?Д/)
1
Выбор эталонной и матрицы
а = 1,М
Нет
Сумма совпадений^
Ха = х„ - I /
/+]
к V
4= =/+1
= [
!11Вывод количества совпадений
исследуемой матрицы с набором _эталонных матриц_
ИГ
Определение исследуемой матрицы
т— Идентификация
технического состояния и места отказа в ЭО
С
I
КОНЕЦ
Рис. 1. Алгоритм, реализующий двухэтапный методидентификации ТС ЭО: а — этап обучения; б — этап распознавания
МЕАП ОБ СОММиШСЛТЮМ ЕСДЛРМЕШ: Iss. 4 (144). 2018
Анализ существующего научно-методического аппарата оценки технического состояния электрооборудования
Результаты и решения научных исследований, проводимых в рамках научно-методического аппарата (НМА) технической диагностики, можно условно разделить на две группы [2, 5—7]:
в первой группе научных результатов, рассматривается параметрический подход, в основу которого входят три выработанные практикой способа поиска: пробных замен, физического исключения, промежуточных измерений;
во второй группе научных результатов, исследуется функциональный подход, в основу которого входит идентификация ТС объекта контроля по выходному сигналу.
Несмотря на несомненные преимущества параметрического метода, связанные, в первую очередь, с качеством (глубиной) диагностирования, он обладает и рядом недостатков: при большом числе средств измерений каждое из них дополнительно вносит погрешности при измерении; при большом числе контролируемых точек измерение каждой требует определенного количества времени.
Несовершенством второй группы научных результатов [2, 5, 6], основанных на функциональном диагностировании, является тот факт, что измерение осуществляется в одномерном метрическом пространстве, в котором сигналы различных классов во многих точках могут пересекаться, что в свою очередь ведет к снижению достоверности и повышению времени исследования в точках пересечения различных классов.
Недостатком существующего НМА является его низкая производительность. Классические методы параметрического контроля и диагностирования ТС ЭО не удовлетворяют требованиям современных систем управления по временным показателям. Существующий НМА оценки ТС ЭО, который основывается на использовании методов параметрического диагностирования, не позволяет решить задачу сокращения числа диагностических признаков при сохранении глубины поиска отказов и полноты диагностирования, и поэтому не может быть применен для достижения поставленной цели [2].
Идентификация технического состояния электрооборудования по выходному сигналу
Анализ существующего НМА позволил выделить направление повышения производительности систем контроля при диагностике ЭО по функциональному признаку, в основу которого входит идентификация ТС ЭО по выходному сигналу. На этой основе рассмотрен новый подход к оценке ТС ЭО [8—11].
Сущность предлагаемого метода состоит в представлении диагностического пространства, содержащего информационные признаки отказов ЭО в виде векторов цифровой последовательности из которых формируют матрицу технического состояния (МТС). Идентификацию ТС и места отказа в ЭО осуществляют на основании анализа изменений в цифровых последовательностях сформированных МТС. При этом идентификация ТС ЭО осуществляется в два этапа (обучения и распознавания): на первом этапе формируют библиотеку эталонных описаний возможных ТС ЭО (информационных признаков отказов) преобразуя измеренный сигнал в МТС gl...gмразмерностью NхN, которую запоминают, а на втором — поэлементно сравнивают полученную МТС с эталонными МТС, идентифицируют ТС ЭО по наибольшему числу совпадений элементов сравниваемых матриц.
На рисунке 1 а и б представлен алгоритм реализации предлагаемого метода [12]. Первым этапом метода является этап обучения (рис. 1 а), на котором:
на шаге 1 определяют исходные данные, ограничения и допущения;
на шаге 2 с помощью модели динамических процессов в цепи питания (ДПЦП) контролируемого ЭО [12], формируют библиотеку описаний возможных технических ситуаций в ЭО и запоминают их в виде эталонных МТСgm, размерностью ИхИ, где т = 1, 2, ..., М — число возможных технических ситуаций в ЭО. Пример библиотеки см. на рис. 2 а—д, М = 5 (цифровые последовательности МТС представлены в виде фигур для наглядности).
Генерируют совокупность ^стробирующих импульсов через интервалы времени А ^ = Т/И, где Тпериод измеренного сигнала, N> 2, число измерений в интервале Т. Количество измерений в интервале Т должно удовлетворять условиям теоремы Котельникова ^дИскр> 2 FнаИв.гарм.,
на шаге 19 идентифицируют ТС и место отказа в ЭО по результатам анализа числа совпадений исследуемой и эталонной матрицами (шаг 18).
На рисунке 3 приведены результаты математического моделирования, выполненного с использованием компьютерных технологий (MathCAD 14, Workbench 9) [14].
В ходе исследований были синтезированы два негармонических сигнала Uj (t) и u2(t) (рис. 3, а и б соответственно), отличие которых друг от друга заключалось в наличии в спектре второго из них 9-й гармонической составляющей (рис. 3, в и г), амплитуда которой составляла 2...3 % от амплитуды первой гармонической составляющей. Технически такая ситуация соответствует, например, исправному трансфор-
матору и трансформатору, имеющему два-три короткозамкнутых витка одной из обмоток. Сформированные диаграммы состояний (ДС) [10], представлены на (рис. 3, д и е). МТС сформированные путем преобразования модели ДПЦП контролируемого ЭО, представлены на (рис. 3, ж и з). Полученные результаты показывают, что ни в форме сигнала, ни в его спектре характерных анализируемых отличий нет, тогда как форма ДС и цифровые последовательности полученных МТС различаются существенно [7].
Проведенное компьютерное моделирование [14] и экспериментальные исследования [15] информационного содержания кинетики (формы) ДПЦП типового ЭО показали, что модель ДПЦП контролируемого ЭО, преобразованная
д)
е)
з)
N
0 0 (1 0 о (1 (1 0 1 (|
0 (1 и 0 0 (1 1 1 (1
0 <) (1 0 1 1 1 1 о 1
о 0 и 1 1 0 0 1 (1 1
о 0 1 II 0 (1 0 1 1 ||
о 1 1 I) 0 0 и 1 0 0
1 (1 1 0 0 1 1 0 0 II
1 (1 1 1 1 1 и 0 0 II
о 1 1 0 0 « и 0 0 1)
0 1 о 0 0 0 0 0 0 0
I
N
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования: а и б — синтезированные сигналы и1 ({) и м2(0; в и г — спектры сигналов и1 ({) и м2(0; д и е — диаграммы состояний; ж и з — матрицы технических состояний
МЕАП ОШ СОММИШСАПОМ ЕОШРМЕОТ. Iss. 4 (144). 2018
к виду векторов цифровой последовательности, информативна и чувствительна к изменению ТС ЭО. Таким образом, в качестве источника диагностической информации в системах контроля и идентификации ТС ЭО могут быть эффективно использованы закономерности изменения кинетики выходного сигнала, сопровождающего процессы функционирования контролируемого ЭО.
Заключение
Благодаря новой совокупности существенных признаков разработанного метода и введенной последовательности действий, основанной на применении двухэтапной процедуры идентификации, обеспечивается повышение оперативности оценки ТС ЭО СЭС ВТС при соблюдении ограничений на другие показатели эффективности систем контроля и идентификации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудрицкий В. Д., Синица М. А.и др. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Сов.радио, 1977. —256 с.
2. Литвинов А. И. Анализ научно-методического аппарата контроля и диагностирования электрооборудования систем военного назначения // Научно-технический сборник Труды Военной академии Генерального штаба.— Москва: ВАГШ, 2014. — С. 162-173.
3. Будко П. А., Винограденко А. М., Литвинов А. И., Юров А.С. Способ мониторинга предаварийного состояния контролируемых объектов // Датчики и системы / Sensors&Systems. № 9, 2014.С.
4. Будко П. А., Литвинов А. И. Метод бесконтактного мониторинга технического состояния электрооборудования систем электроснабжения промышленных комплексов/ XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. (Москва, ИППУ РАН им. Трапезникова, 16-19.06.2014 г.). М.
5. Бритов Г. С., Мироновский Л. А. Автоматизированное проектирование устройств функционального диагностирования // Информационно — управляющие системы. 2010. №2. — С. 55-61.
6. Мироновский Л. А., Соловьева Т. Н. Диагностирование систем с фазовращательными и бисингуляр-ными передаточными функциями // Информационно-управляющие системы. 2012. №6. -С. 60-66.
7. Лоскутов А. И., Вечеркин В. Б., Шестопа-лов О. Л. Автоматизация контроля состояния сложных технических систем на основе использования конечно автоматной модели и нейросетевых структур // Информационно-управляющие системы. 2012. №2. — С.74-81.
8. Будко П. А., Литвинов А. И. Бесконтактный контроль и идентификации технического состояния электрооборудования систем электроснабжения промышленных комплексов // Датчики и системы. 2014. №8. — С. 5-11.
9. Будко П. А., Литвинов А. И. Модель выходного сигнала электрооборудования систем электроснабжения военного назначения при формировании диа-
граммы состояний / Сборник материалов Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» и Четвертой молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». — Таганрог: Изд-во ЮФУ,2014.
10. Абайулы Б., Будко П. А., Литвинов А. И., Тка-ченко В.Ю. Модель неразрушающего контроля технического состояния радиоэлектронной аппаратуры. / В сборнике научно-практической конференции «Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях» (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 09 февраля 2016 г.). — СПб.: Изд. «Наукоемкие технологии», 2016. — С. 92-96.
11. Будко П. А., Литвинов А. И. Кинетический метод контроля и диагностики технических средств // Мехатроника, автоматизация, управление № 7, 2014.
12. Будко П. А., Винограденко А. М., Литвинов А. И. и др. Способ и устройство контроля технического состояния электрооборудования Патент РФ №2548602. МПК G01R19/00. Опубликовано 29.04.2015 г. бюл. №11. — 24 с.
13. Литвинов А. И. Модель динамических процессов в цепи питания контролируемого электрооборудования // Сборник трудов всеармейской научно-практической конференции «Инновационная деятельность в Вооруженных Силах Российской Федерации». — СПб.: ВАС, 2014. — С.192-197.
14. Литвинов А. И., Баринов М. А., Николаев В. А., Дорошенко Г. П., Чихачев А. В. Программный комплекс мониторинга технического состояния электронного оборудования по дисциплине «Техническое обеспечение связи и автоматизации» Свидетельство ОФЭРНИО о регистрации электронного ресурса №20346 от 25.08.2014 г.
15. Будко П. А., Винограденко А. М., Литвинов А. И. Экспериментальные исследования по применению кинетического метода контроля и диагностики технических средств //Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 9. — С. 53-58.
