Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния автоматизированных систем технической диагностики сложных энергообъектов 15
1.1 Классификация автоматизированных систем технической диагностики 15
1.2 Анализ методов и схем проведения технической диагностики 22
1.3. Обобщенные функциональные схемы основных компонентов автоматизированных систем технической диагностики 26
1.4 Теоретические исследования информационных параметров, наиболее существенно влияющих на эффективность АСТД 38
1.5. Постановка целей диссертационного исследовани 47
Выводы по главе 1 49
Глава 2. Разработка методов повышения достоверности сигналов состояния энергетического оборудования 51
2.1 Исследование теоретических подходов к повышению достоверности автоматизированных
систем технической диагностики 51
2.2. Анализ использующихся методов кодирования информации в системах технической диагностики 58
2.3 Разработка принципа кодирования сигналов состояния энергетического оборудования в процессе технической диагностики 79
2.4 Методика расчета системной достоверности сигналов состояния 84
2.5 Разработка метода повышения быстродействия информационных обменов 88
Выводы по главе 2 93
Глава 3. Разработка способов повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров энергетического оборудования 95
3.1. Анализ основных типов измерительных преобразователей 95
3.2 Разработка методики расчета погрешностей автобалансных мостовых измерителей 100
3.3. Разработка методики компенсации погрешностей компарирующих преобразователей 106
3.4. Разработка высоточного измерительного преобразователя для объектов технической диагностики 117
Выводы по главе 3 121
Глава 4. Экспериментальные исследования эффективности разработанных решений 123
4.1. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по оценке
достоверности телесигнализации автоматизированных систем технической диагностики 123
4.2. Разработка тестовой программы для проведения эксперимента по оценке достоверности ТС 138
4.3 Результаты экспериментальной проверки достоверности телесигнализации 150
Выводы по главе 4 155
Заключение 156
Список литературы
- Обобщенные функциональные схемы основных компонентов автоматизированных систем технической диагностики
- Анализ использующихся методов кодирования информации в системах технической диагностики
- Разработка методики компенсации погрешностей компарирующих преобразователей
- Разработка тестовой программы для проведения эксперимента по оценке достоверности ТС
Обобщенные функциональные схемы основных компонентов автоматизированных систем технической диагностики
В последние годы наметилась тенденция к пространственному рассредоточению и усложнению энергетического оборудования, возрастанию мощности питающих энергосистем и увеличению потоков информации, что вызвало необходимость создания эффективных систем для повышения надежности эксплуатирующегося оборудования . Указанные факторы определяют значительное ужесточение требований к надежности управления и контроля, достоверности и точности измерений, в совокупности с универсальностью по многим параметрам [1,2,3,4].
Определение технического состояния контролируемых энергообъектов в ходе эксплуатации или после ремонта называют техническим диагностированием. С помощью технической диагностики предсказывают возможные отклонения в режимах работы и состояниях машин, аппаратов и устройств, а также разрабатывают методы и средства обнаружения и локализации неисправностей в них. Различным нарушениям работоспособности объектов контроля соответствуют определенные технические состояния, по которыми понимаются совокупность свойств объектов, подверженных изменениям в процессе ее производства или эксплуатации. Эти свойства характеризуются признаками (требованиями, параметрами), устанавливаемыми в стандартах, СНИПах, ГОСТ на функционирование приборов, устройств и систем. Введение переменной состояния функционирования h позволяет каждому значению h ставить в соответствие определенное техническое состояние[5,6,7,8].
Совокупность средств, правил и алгоритмов проведения процесса диагностирования в совокупности образует автоматизированную систему технического диагностирования (АСТД)[9]. Цель технической диагностики заключается в своевременной и достоверной оценке технического состояния приборов, устройств, систем и в обнаружении причины нарушения их работоспособности[10,11,12].
Целью технического контроля является только оценка технического состояния исследуемой системы.
В настоящее время эксплуатирующиеся на энергообъектах автоматизированные системы технической диагностики решают широкий круг задач. К ним в первую очередь относятся:
Необходимо отметить, что все указанные выше задачи должны решаться системами технической диагностики в реальном масштабе времени. Важной характеристикой систем технической диагностики является глубина диагностирования. Эта характеристика определяет уровень проводимой диагностики в соответствии с иерархией объекта контроля. Можно осуществлять диагностирование до уровня отдельных устройств, образующих объект контроля, блоков и элементов[13,14,15,16].
Далее рассмотрим классификацию автоматизированных систем технической диагностики, которая представлена на рисунке 1.1. Системы диагностики
Универсальные системы технической диагностики предполагают возможность оценивания технического состояния различных объектов контроля, включающих большое количество параметров и использование гибких адаптивных алгоритмов.
В зависимости от направленности и функциональности процесса технической диагностики АСТД можно разделить на: контролирующие, диагностирующие и прогнозирующие системы.
Контролирующие системы технической диагностики осуществляют только оценку работоспособности объекта диагностирования. С точки зрения простоты реализации данный вид систем можно отнести к самым простым. Вместе с тем при диагностике объектов, выполняющих жизненно важные функции, например самолет в режиме полета, такой вид диагностики является предпочтительным, поскольку возможна его реализация в реальном масштабе времени и осуществление эффективно схемы резервирования. Поиск же неисправности при этом целесообразно осуществлять уже после посадки самолета[17,18,19].
Диагностирующие системы технической диагностики должны точно указать отказавшее устройство или элемент. Глубина диагностики зависит от степени детализации объекта диагностирования на отдельные устройства и элементы. В частности, при потере мощности карбюраторного двигателя можно указать на неисправность системы питания, а можно и конкретизировать отказ, определив техническую неисправность системы смесеобразования в карбюраторе [20].
Система прогнозирующей диагностики позволяет сделать прогноз технического состояния объекта контроля в будущем с учетом изменений тенденций в контролируемых параметрах и технических характеристиках.
С точки зрения конструктивного исполнения автоматизированные системы технической диагностики могут быть автономными и встроенными. Автономные системы технической диагностики реализуются отдельно от объекта диагностирования. Их связь с объектом диагностирования производится через специальные канала связи. Например, система диагностики ракеты в режиме полета проводится путем соответствующей обработки телеметрической информации, передающейся на землю посредством радиосигналов. Встроенные системы технической диагностики непосредственно интегрируются в объект диагностирования. При этом процесс обработки диагностической информации в таких системах осуществляется непосредственно в пределах объекта диагностирования. Такие системы носят название бортовых[21,22,23].
И, наконец, по форме сигналов и используемого оборудования автоматизированные системы технической диагностики разделяются на аналоговые, аналогово-цифровые и цифровые. В случае, когда процесс диагностики определяется относительно небольшим количеством параметров, представляющих собой непрерывные функции времени и для обработки их используются простые алгоритмы, наиболее рациональным является применение аналоговых систем [24]. Такие системы отличает высокое быстродействие и надежность, однако точность работы аналоговых систем относительно невелика. Если в системе диагностики для реализации алгоритмов диагностирования используется ЭВМ, то ее связь с датчиками, выходные сигналы которых являются, как правило, непрерывными функциями времени, осуществляется посредством аналогово-цифровых преобразователей. Такие системы диагностики являются аналогово-цифровыми. К чисто цифровым системам диагностики можно отнести либо системы с цифровым сигналом, поступающим от датчика непосредственно в ЭВМ, либо системы диагностики самой ЭВМ[25,26].
Анализ использующихся методов кодирования информации в системах технической диагностики
Информация от датчиков на участке от ввода данных до кодера подсистемы передачи подвергается воздействию мешающих факторов -помех ("наводок" по цепям связи модуля с датчиками), сбоев и отказов. Указанные «мешающие» факторы могут привести к обнаруживаемым и не обнаруживаемым искажениям.
С помощью "мощных" помехозащитных кодов можно обнаружить почти все вероятные помехи в канале связи.
Однако представленная на рисунке 2.1 пара ко дер-деко дер не может обеспечить достоверность информации, в случае поступления в кодер информации с необнаруженными ранее искажениями. Таким образом, "стандартные" принципы построения устройств (с акцентом на защиту информации только от искажений помехами в канале связи) не гарантирует достоверный прием данных от датчиков. Более того, к указанным выше возможным причинам ввода недостоверной информации следует добавить: не обнаруживаемые искажения данных во внутренней магистрали подсистемы приема; не обнаруживаемые искажения из-за воздействия помех, сбоев и неисправностей аппаратуры на участке вывода данных из модуля -источника. Следует подчеркнуть, что воздействие «мешающих» факторов, находящихся вне линии связи КП - Ці И 1С, в современных устройствах увеличивается по ряду причин: переходу к использованию микропроцессорных элементов, у которых чувствительность к внешнему воздействию несравнимо выше, чем у релейных или полупроводниковых элементов, увеличению скорости ввода информации от датчиков и снижению соотношения энергии рабочих сигналов и помех, переходу к цифровым каналам связи, в которых воздействие помех ниже, чем у традиционных аналоговых, например, ВЧ уплотненных каналов связи. Очевидно, что с учетом приведенных факторов, для повышения реальной достоверности необходимо принимать дополнительные меры[84,85].
Как правило, помимо использования мощных помехозащитных кодов, для повышения достоверности передачи информации применяются каналы обратной связи. В настоящее время наибольшее распространенными из них являются каналы информационной обратной связи (ИОС) и решающей обратной связи (РОС), схема которых представлена на рисунках 2.2 и 2.3.
Устройствопередачиинформации данные Канал передачи информации данные Устройствоприема информации
В системах с решающей обратной связью приемник на основании анализа поступивших данных принимает решение об отсутствии или наличии ошибок/искажений. В первом случае в направлении передатчика передается «квитанция», подтверждающая неискаженный прием информации. В системах с информационной обратной связью приемник возвращает передатчику принятое сообщение. Решение об отсутствии искажений принимает передатчик, который передает в приемник «квитанцию», по которой приемник реализует ранее принятую информацию[86,87].
Вероятность искажения данных в каналах с РОС выше, поскольку контроль осуществляется только по сообщению от передатчика, а в канале с ИОС контроль осуществляется как по «прямому», так и по «обратному» сообщению. Однако если искажено «прямое» сообщение, даже система с информационной обратной связью не обеспечивает блокировку искажений .
Следовательно, традиционно использующиеся методы построения систем технической диагностики с общими для всех модулей кодером и декодером не обеспечивают достоверный прием данных от датчиков.
Далее рассмотрим зависимость достоверности информации от свойств традиционно используемых кодов[88,89].
Код- это математическая структура (закон) построения комбинации дискретных сигналов, однозначно соответствующей передаваемым сообщениям. Как правило, для построения кодов используются двоичные элементы (биты). Импульсные признаки для передачи двоичных кодов могут быть довольно разнообразными, как видно из рисунка 2.4.
Кодирование-это преобразование сообщений в комбинации из элементарных сигналов в соответствии с заданным кодом, т.е. физический процесс придания абстрактным кодовым комбинациям реальных физических признаков сигнала. Элементы кода существуют независимо от того, какими физическими сигналами они будут передаваться по каналу связи. Разделение понятий "код" и " кодированный сигнал" позволяет анализировать независимо структуру построения сигнала. Кодирование позволяет унифицировать представление различных параметров, сигналов, величин и использовать для их передачи единые каналы связи между передатчиком и получателем [70].
Разработка методики компенсации погрешностей компарирующих преобразователей
Широко использующиеся в настоящее время измерительные преобразователи, как правило значительно отличаются между собой уровнями сигналов, амплитудным характеристикам и другим параметрам [84].
Структурно измерительный преобразователь состоит из совокупности элементов преобразования (ПРЭ), в которых осуществляется одна из последовательных технологических операций преобразования сигнала измерения. Первым в цепочке элементов преобразования, на который влияет величина измерения, называется чувствительным элементом . Измерительный преобразователь отличается от преобразовательного элемента тем, что последний не обладает нормированными метрологическими характеристиками.
В настоящее время существуют две большие группы измерительных преобразователей исходя из принципа их действия:это преобразователи, основанные на методах прямого и уравновешивающего преобразования[85].
Способ прямого преобразования основан на том, что преобразования осуществляются в одном направлении от входной величины и через последовательность элементов преобразования ПЭь ПЭ2, ..., ПЭП к величине v (рисунок 3.1). Данный способ преобразования характеризуется высоким быстродействием и несложной схемной реализации. Недостатком данного метода измерения является относительно невысокая погрешность преобразователя, которая суммируется с погрешностями всех преобразовательных элементов, входящих в схему преобразования.
С помощью ОПЭ создается уравновешивающий сигнал ху =F (у), идентичный входному измеряемому сигналу х, либо неидентичный ему. Вместе с тем эффект воздействия Ху на преобразовательный элемент сравнения (ПЭС) идентичен воздействию х.
На вход первого преобразовательного элемента подается сигнал рассогласования Ах, который определяется или как разность величин х ху, или как функция от разности воздействия этих сигналов. В зависимости от схемы соединения преобразовательных элементов сравнения и преобразующих элементов зависимость между сигналами на входе и выходе может иметь либо линейной (у=кх) или нелинейный (y=F(x)) характер. Точность метода уравновешивающего преобразования определяется степенью уравновешивания х, зависящей от схемы цепочки прямого преобразования. В частности, наличие в данного цепочки суммирующего преобразовательного элемента делает статическую погрешность преобразования практически равной нулю .
Выделяют два основных способа уравновешивающего преобразования: способ, в котором осуществляется разновременное сравнение измеряемой и уравновешивающей величины и способ их одновременного сравнения.
В первом способе элемент сравнения обладает только одним входом, на который попеременно подаеются или входная измеряемая величина х, или компенсирующая величина ху. Данный способ преобразования часто называют способ замещения, так как воздействие на ПЭС входной измеряемой величины х замещается после переключения входа ПЭС регулируемой уравновешивающей величиной ху (рис. 3.3).
Процесс регулирования величины ху осуществляется до тех пор, пока результаты действия данных величин на ПЭС не станут равнозначными.
Поскольку метод замещения базируется на разновременном сравнении, в состав преобразователя вводят элемент коммутации однородных входных воздействий х и Ху — ключ К и оперативное запоминающее устройство ОЗУ —для сохранения результата воздействия входного сигнала х. При этом величина ху формируется с помощью обратного преобразовательного элемента из стабильной величины хс.
Рассмотренный метод замещения обеспечивает снижение погрешности, которая обусловлена неидентичностью эффектов воздействия на чувствительный элемент величин х и Ху , которая характерна для метода одновременного сравнения. Вместе с тем преобразователи, применяющиеся в этом методе, характеризуются значительно меньшим быстродействием и в основном используются только для измерения усредненных или постоянных на определенном интервале времени величин. Наиболее широко данный метод преобразования испольуется при измерении механических параметров, температур, световых потоков и электрических величин [116]. Во методе одновременнного сравнения на ПЭС одновременно воздействуют два взаимоуравновешивающих сигнала х и ху = F1 (у) (рисунок 3.4).
Традиционно в технике измерений, в 3 плеча мостовой схемы включаются сверхстабильные резисторы, которые не изменяют своего сопротивления при воздействии любых внешних и внутренних факторов (I, Т, U, Р), а в четвертое плечо включают терморезистор RT . При подаче напряжение питания Uпит и увеличении его добиваются повышения тока в цепях RjRt и R2R3 до значения, при котором R =Rj =R2 =R3 = Rt, поскольку в процесса нагревания током рабочая точка RT ползет вниз вдоль характеристической кривой RT = f(T). В случае установления равенства на диагонали измерения cd напряжение Uca =0. Такое положения является исходным для измерительного моста. Процесс балансировки автобалансного моста, то есть достижения равенства Rj =Ri =R2 =R3 = R осуществляется автоматически. Однако, при воздействии на терморезистор некоторых внешних факторов (движение воздуха, внешняя мощность и электрические токи, изменения скорости течения любых жидких, газообразных и сыпучих сред) его температура изменяется и возникает разбалансировка, увеличивается Ucd и ток в цепи RjRT И R2R3 . В этом случае RT возвращается к прежнему значению, уже при другом выходном напряжении ивых. На основании изменения выходного напряжения и осуществляется измерение воздействия на RT. Процесс устанавливается через некоторые время Туст = 10 г, при осуществляется баланс мощностей: сум ± ОС 1 среды ±изм- V / где Рсум - суммарная мощность, Р0с - мощность обратной связи, Ризм-измеряемая мощность.
Таким образом, проведенный анализ характеристик и свойств измерительных преобразователей показал, что для применения их в системах технической диагностики наиболее предпочтительны схемы уравновешивания на основе терморезистивных мостовых схем, так как они обеспечивают высокую точность измерения, имеют более широктй диапазон изменения входных сигналов, менее подвержены влиянию различных дестабилизирующих факторов[86].
Наибольшее преимущество использования измерительных преобразователей на основе терморезистивных мостовых схем для их использования в системах технической диагностики заключается в том, что процесс уравновешивания может осуществляться путем введения в контур уравновешивания микроконтроллеров[87,88].
Разработка тестовой программы для проведения эксперимента по оценке достоверности ТС
В случае увеличения количества посылок, в которые не вносилось искусственное искажение, основной акцент делается на проверку надежности работы аппаратуры.
При определении необходимости введения искажения из памяти программы (3) считывается тип ранее введенного искажения. Например, если в предшествующем цикле формирования посылки искажение было введено в координату номера объекта 4, на данном этапе искажение вводится в координату номера объекта5.
После завершения этапов ввода искажения в координату номера объекта, искажения последовательно вводятся в различные координаты номеров группы объекта, а когда этап завершается, то искажение вводится в координату «вид команды управления». По завершении ввода всех типов искусственных искажений программа осуществляет возвращение к искажению, которое было введено первым на предшествующем этапе. Искажения вносятся путем добавления лишнего сигнала «1», либо подавления сигнала «1» в выбранной координате.
После ввода искусственного искажения (4) вновь введенный тип искажения заносится в память и формируется новое сообщение (5). Необходимо отметить, что новое сообщение может быть либо искажено или искажения может не вноситься.
Сформированная посылка передается в устройство приема команд управления через СОМ порт. Для того, чтобы избежать наложения передаваемых сообщений, осуществляется контроль готовности порта к приему нового сообщения (6). Отсутствие готовности в течение заранее определенного времени (7) считается признаком неисправности и в результате формируется признак ошибки (8), эксперимент приостанавливается до проведения процедуры повторного запуска.
В случае необнаружения ошибки (9), то посылка передается через СОМ порт в супервизор внутренней магистрали устройства (10). Далее сформированная посылка через внутренний интерфейс устройства в соответствии с протоколом SPI попадает в устройство приема и вывода команд управления (11). Как было отмечено выше, для увеличения интенсивности приема-передачи команд ТУ и ТС, в стенд вводится три канала приема команды ТУ, каждый из которых осуществляют параллельный прием посылки и автономный контроль отсутствия искажения (12).
В случае обнаружения искажений (15), модули УПВКУ осуществляют формирование диагностического сообщения, в которое вводится не только признак ошибки, но и определяется ее тип, а также координата объекта , на котором была обнаружена ошибка (14).
Факт обнаружения введенного искусственного искажения и является признаком нормальной работы аппаратуры приема и вывода команд управления. Полученные от УПВКУ данные вводятся в ПЭВМ (15). Тестовая программа в процессе подготовки очередного цикла анализирует (1) полученную информацию, то есть проверяет соответствие введенного и полученного диагностического сообщения. В случае их соответствия, текущий цикл эксперимента считается успешным. Запись об этом делается в памяти ПЭВМ, корректируется число проведенных циклов и определяется необходимость продолжения или завершения эксперимента.
Если на этапе (13) искажения УПВКУ не обнаружены, модуль формирует сигналы управления промежуточными реле соответствующих БПР (16), которые собственными узлами проводит дополнительный контроль корректности сигналов управления. Если искажения обнаружены (17), то осуществляется блокирование дальнейших процедур цикла блокируются. В результате ПЭВМ не получает «отклика» на проведенный цикл эксперимента и, как было отмечено ранее, происходит формирование признака отрицательного результата эксперимента для данного цикла.
В случае обнаружения искажений осуществляется формирование сигналов управления промежуточными реле (19), которые используются в качестве датчиков телесигнализации, подключаемых ко входам устройства ввода дискретных сигналов (20). По данным от указанных датчиков УВДС осуществляет формирование стандартного сообщения, которое трактуется как событие для передачи (21). Через внутренний интерфейс и КАМ сформированное сообщение ретранслируется в ПЭВМ (22).
ПЭВМ проводит анализ принятого сообщения, то есть осуществляет проверку соответствия ранее поданной команды ТУ и принятых ТС (23).
Существуют следующие варианты - принятые ТС соответствуют процедуре, реализованной в данном цикле; ТС приняты в цикле, в котором в команду было введено искажение, в результате чего вместо ТС должно было быть принято диагностическое сообщение.
На основании представленных процедур ПЭВМ фиксирует прием ТС (24) и проверяет соответствие процедур ТС (25) в данном цикле. Если ТС соответствуют переданной команде (26), фиксируется удачное завершение цикла, и проводится подготовка к проведению нового цикла, осуществляется расчет времени эксперимента (27).
Если эксперимент завершен (28), то есть проведены все запланированные циклы, то программа осуществляет расчет значений достоверности ТС (29). Если на процедурах (25) или (26) фиксируется несоответствие реакции устройства на поданную команду, то формируется признак неудачного цикла эксперимента (33). Аналогично, если на этапе (30) приняты ТС, которые в соответствии с процедурами не должны формироваться, то ПЭВМ фиксирует неудачный цикл эксперимента.