Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Обзор методов и средств автоматизации контроля параметров и диагностики состояния аккумуляторных батарей 15
1.1. Обзор основных составляющих корабельной энергетической системы 15
1.2. Электрохимические характеристики и процессы в аккумуляторных батареях 20
1.2.1. Конструкция АБ 21
1.2.2. Электрические характеристики АБ 23
1.2.3. Режимы АБ 25
1.3. Анализ существующих методов и средств контроля и диагностики АБ 35
1.3.1. Диагностика АБ по разрядно-зарядному циклу 36
1.3.2. Диагностика АБ по внутренним параметрам батареи 37
1.3.3. Диагностика АБ на форсированном температурном цикле 38
1.3.4. Контроль заряженности по напряжению АБ 38
1.3.5. Контроль заряженности АБ при помощи импульсного разряда 39
1.3.6. Учет полученного и отданного батареей количества электричества 40
1.3.7. Поэлементный контроль состояния АБ 40
1.3.8. Комбинированный метод контроля параметров АБ 41
1.4. Постановка задач автоматизации процесса эксплуатации свинцово- кислотных АБ ДЭПЛ 45
Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2. Компыотерное моделирование АБ 48
2.1. Анализ существующих моделей АБ 48
2.2. Синтез компьютерной модели АБ 53
2.3. Математическое описание компьютерной модели АБ 60
2.4. Методика автокоррекции канала определения плотности 62
2.5. Методика имитационного моделирования режимов работы АБ 68
2.5.1. Имитация режимов работы АБ - заряд, разряд, хранение 68
2.5.2. Имитация нештатных ситуаций 69
2.5.3. Имитация влияния работы системы механического перемешивания электролита на АБ 70
2.5.4. Моделирование влияния работы системы водяного охлаждения на АБ 70
Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Методы контроля параметров и диагностики состояния аб. уточнение компьютерной модели АБ 73
3.1. Математический аппарат статистической обработки данных в системе контроля параметров и диагностики состояния АБ 73
3.1.1. Предварительная обработка данных 74
3.1.2. Дисперсионный анализ и гистограммы распределения AU 79
3.1.3. Корреляционный анализ процессов заряда и разряда 88
3.1.4. Сравнение параметров отдельных элементов 93
3.1.5. Сравнение ЭДС элементов при холостом ходе 94
3.2. Уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ 99
3.3. Адаптация метода оценки плотности электролита аккумулятора и уточнение компьютерной модели АБ 102
3.3.1. Определение плотности электролита аккумулятора в процессе разряда АБ 103
3.3.2. Адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению для режима заряда АБ 103
3.4. Модифицированный метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений 107
Выводы по главе 3 ПО
ГЛАВА 4. Реализация информационных цифровых систем реального времени мониторинга и имитации АБ 112
4.1. Реализация автоматизированной системы контроля параметров и диагностики состояния АБ 112
4.1.1. Проектирование многоуровневой архитектуры системы 112
4.1.2. Разработка канала измерения тока 115
4.1.3. Создание программного обеспечения 119
4.2. Создание компьютерной обучающей программы СКД АБ 124
4.3. Разработка тренажера СКД АБ и имитационное моделирование АБ 127
4.3.1. Имитация устройства контроля уровня и температуры АБ 129
4.3.2. Имитация системы механического перемешивания электролита АБ 129
4.3.3. Имитация системы водяного охлаждения АБ 130
4.3.4. Имитация устройств контроля параметров аккумуляторов 130
4.3.5. Программное обеспечение управления тренировкой 131
4.3.6. Межуровневый обмен данными в тренажере 137
Выводы по главе 4 138
Заключение 140
Литература 143
Приложения 158
Приложение 1. Алгоритмы электронной вычислительной
- Обзор основных составляющих корабельной энергетической системы
- Методика автокоррекции канала определения плотности
- Дисперсионный анализ и гистограммы распределения AU
- Проектирование многоуровневой архитектуры системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим аспектом в эксплуатации дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) является контроль параметров аккумуляторной батареи (АБ), а также диагностирование и прогнозирование ее состояния [1]. Эксплуатация АБ ПЛ, питающих новые мощные корабельные электронные комплексы, предполагает широкое использование систем автоматизации технологического процесса эксплуатации этих АБ. Это приводит к необходимости внедрения системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей (СКД АБ) в состав современных корабельных электроэнергетических комплексов.
Впервые работы по автоматизации контроля параметров АБ были выполнены специалистами ФГУП «НПО «Аврора» [2]. Мониторинг состояния АБ осуществлялся частично по четырем аккумуляторам из группы АБ и не позволял объективно оценить состояние всей АБ. При этом автоматизированным был только контроль напряжения аккумуляторов и температуры электролита, а остальные параметры необходимо было контролировать вручную. В ходе выполнения этих работ функция контроля параметров была возложена на комплексную систему управления техническими средствами (КСУ ТС), что резко ограничивало процесс автоматизированного мониторинга АБ, как по быстродействию, так и по объемам обрабатываемой статистической информации об АБ. Создать насыщенную по функциональности систему, удовлетворяющую широкому ряду технологических требований, представлялось весьма проблематичным, так как для этого требовались высокоинтегри-рованная элементная база и новые программно-инструментальные средства проектирования программного обеспечения (ПО) [3-4, 35-42], отсутствующие в то время. Необходимо отметить также, что существующие математические модели электрохимических процессов, протекающих при различных режимах работы АБ [5-10], носят в большей степени качественный характер. На их базе невозможно с необходимой точностью прогнозировать ресурс корабельной АБ, а, тем более, автоматизировать процесс контроля ее парамет ров. Этим определяется необходимость создания компьютерной модели (КМ) реального времени для свинцово-кислотной АБ и методов диагностирования ее состояния.
На современном этапе постановка задачи автоматизации контроля параметров и диагностики корабельных АБ была сформулирована специалистами ФГУ «1ЦНИИ МО РФ» [11] и ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин» [16]. Большой вклад в решение указанной проблемы как научно-технического направления внесли ЗАО «Электротяга» [12] и Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) -ЮРГТУ (НИИ) [13]. При этом с развитием методов интеграции [14] стало возможным и признано целесообразным возложить задачи контроля и диагностики состояния АБ непосредственно на СКД АБ в составе КСУ ТС.
Свинцовые аккумуляторы были и остаются основными химическими источниками питания ДЭПЛ. От энергоемкости АБ зависит длительность пребывания ДЭПЛ в подводном положении, минимальное время нахождения ее в надводном положении при проведении заряда батареи, скрытность ПЛ как в режимах переходов, так и боевого патрулирования, а также дальность плавания. Поэтому согласно эксплуатационным требованиям АБ возникает объективная необходимость в периодических проверках обслуживающим персоналом состояния АБ. Это приводит к необходимости постоянного присутствия человека в непосредственной близости к батарее, определяя существенную роль человеческого фактора в надежности всей бортовой системы питания. В свою очередь, обслуживание и оперативный контроль состояния АБ затруднены ввиду особенностей ее компоновки и ограниченности свободного пространства аккумуляторной ямы [1]. Таким образом, снижение трудоемкости и влияния человеческого фактора при эксплуатации АБ на ДЭПЛ представляется важной задачей, которая может быть решена созданием автоматизированной СКД АБ. Поэтому тема диссертационной работы «Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных лодок» является актуальной.
Цель диссертационной работы - совершенствование методов построения СКД АБ, обеспечивающих автоматизацию эксплуатации АБ ДЭПЛ, а также практическая реализация СКД АБ и ее ПО с применением результатов исследования.
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи. 1 Анализ существующих методов и средств контроля параметров и диагностики состояния АБ.
2. Создание компьютерной модели АБ с уточненным математическим описанием взаимосвязи основных параметров АБ для применения в СКД АБ.
3. Развитие существующих и создание новых методов контроля параметров и диагностики состояния АБ.
4. Разработка функционально-алгоритмической структуры СКД АБ и создание программного обеспечения СКД АБ реального времени.
5. Синтез новых технических решений в проектировании, реализации и сопровождении многоуровневых систем мониторинга АБ.
6. Имитационное моделирование АБ и создание компьютерной обучающей программы.
Объектом исследования в работе является свинцово-кислотная аккумуляторная батарея в составе информационной системы контроля параметров и диагностики состояния аккумуляторных батарей, интегрированной в систему верхнего уровня.
Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:
1. Компьютерная модель АБ, включающая уточненное математическое описание взаимосвязи основных параметров АБ для различных эксплуатационных режимов, отличающаяся наличием программных средств статистической обработки данных за весь период эксплуатации АБ для выявления тенденций изменения свойств элементов АБ, а также наличием встроенного анализатора состояний АБ, выполняющего функцию самонастройки канала определения плотности электролита.
2. Методы контроля параметров АБ, позволяющие проводить мониторинг, исключив дорогостоящие ненадежные аппаратные датчики плотности, и прогнозировать состояние АБ:
- уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ;
- адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению его для режима заряда АБ;
- модифицированный метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений.
3. Трехуровневая функционально-алгоритмическая структура СКД АБ с иерархическим подчинением каждого уровня, позволяющая автоматизировать процесс эксплуатации АБ в режиме реального времени и интегрировать СКД АБ в комплексную систему управления техническими средствами (КСУ ТС) ДЭПЛ.
4. Схемотехнические и алгоритмические решения построения токового канала, позволяющие определять значение тока в эксплуатационном диапазоне его изменения с требуемой точностью в условиях электромагнитных помех, созданных корабельными комплексами.
5. Методика имитационного моделирования режимов работы АБ, позволяющая моделировать значения контролируемых параметров АБ в соответствии с их изменениями, происходящими в реальных аккумуляторах, с учетом введенного инструктором при обучении режима эксплуатации АБ, коэффициента ускорения процесса и наличия нештатных ситуаций.
Методы исследования. В работе используются методы системного анализа, математического моделирования, математической статистики, теории вероятностей и надежности, теории свинцового аккумулятора, схемотехники, теории алгоритмов и языков программирования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием анализа результатов исследований опытных и поставочных образцов СКД АБ в лабораторных условиях и на ДЭПЛ. Достоверность полученных автором результатов подтверждается: - корректным использованием апробированных методов, а также сов падением результатов расчетов с данными, полученными при натурных экспериментах;
- сертификатом (ФГУ «32 ГНИЙ МО РФ») утверждения типа средств измерения военного назначения и соответствием требованиям технических условий на продукцию, испытательное оборудование и методы испытаний.
Практическая ценность работы. Практическое значение работы определяется результатами, достигнутыми при разработке и совершенствовании многоуровневых систем мониторинга АБ. Внедрение СКД АБ реального времени позволило обеспечить постоянный и непрерывный сбор информации по основным параметрам (напряжение, ток, ёмкость, уровень электролита, температура, плотность) каждого элемента аккумуляторной батареи, сократить ручной сбор информации и численность обслуживающего персонала, облегчить эксплуатацию аккумуляторных батарей.
Внедрение результатов работы. На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, получены следующие практические результаты:
1. Разработана и внедрена система контроля и диагностики аккумуляторных батарей (ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», ФГУП «Адмиралтейские верфи», СПб., 2005 г.).
2. Разработана и реализована компьютерная обучающая программа «Система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования АБ. Устройство, принцип работы и управление» (ООО «Центр тренажеростроения и подготовки персонала», М., 2004 г.).
3. Выполнен технический проект и реализован макетный образец тренажера «Система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования АБ» (ФГУП «СПМБМ «Малахит», СПб., 2006 г.).
4. Создан универсальный комплекс, предназначенный для проведения испытаний различных информационно-цифровых систем. Он был использован для испытаний опытных и поставочных образцов СКД АБ (Филиал ФГУП «ПКП «Ирис», г. Новочеркасск, 2005 г.).
5. Получен на СКД АБ сертификат (ФГУ «32 ГНИЙ МО РФ») утверждения типа средств измерения военного назначения.
Разработки автора и выполненные с их использованием промышленные образцы СКД АБ впервые освоены ФФГУП «ПКП «Ирис», г. Новочеркасск, 2005-2006 гг. в серийном производстве в отечественной промышленности и имеют высокий экспортный потенциал.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) в курсах лекций для специальности «Электрооборудование и автоматика судов» [17, 21, 22].
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- научно-техническом семинаре «Электропитание», Зеленоград, Ассоциация разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания, 2003 г.;
- межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах», посвященном 40-летию совместной научной технической деятельности РСПКБ-ПКП «Ирис» и ФГУП «НПО «Аврора», Ростов-на-Дону, 2003 г.;
- VII международной научно-практической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2004 г.;
- межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов», Новочеркасск, Филиал ФГУП «ПКП «Ирис», 2005 г.
Публикации, патенты. Основное содержание работы отражено в двенадцати научных трудах: в восьми печатных работах (одна статья в журнале из перечня ВАК и семь тезисов докладов конференций), одном патенте РФ на изобретение и свидетельствах о регистрации трех программ.
Объем и структура работы (рис. 1): введение, четыре главы, заключение, четыре приложения, количество страниц - 180, рисунков - 55, таблиц -10, число наименований используемой литературы-159.
В первой главе определена роль АБ в составе корабельной энергетической системы. Проведен обзор основных параметров, характеризующих электрохимические процессы в свинцово-кислотной АБ ДЭПЛ, для различных режимов ее работы. Проанализированы существующие методы и средства контроля параметров и диагностики состояния АБ, выполнен обзор научно-технической литературы. На основе проведенного анализа определена необходимость развития существующих и создания новых методов контроля и диагностики состояния АБ, что впервые стало возможным только при реали зации современной системы реального времени для автоматизации процесса эксплуатации свинцово-кислотных АБ ДЭПЛ. Для достижения этой цели автором сформулированы и обоснованы задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена развитию методов компьютерного моделирования свинцово-кислотных АБ ДЭПЛ. На основе анализа существующих моделей приведена классификация этих моделей. В ней используется компьютерная модель АБ, как совокупность моделей различного рода. Проведенный обзор публикаций показал, что модели, ориентированные на исследование параметров АБ с учетом влияния внешних воздействий на внутренние электрохимические и технологические процессы, которые связаны с эксплуатационным обслуживанием, в настоящее время развиты недостаточно для использования в цифровых системах контроля и диагностирования состояний АБ в режиме реального времени. Тем самым определена необходимость создания компьютерной модели свинцово-кислотной АБ. Предложенная автором компьютерная модель АБ является результатом синтеза математической и физической моделей и включает в себя уточненное математическое описание взаимосвязи основных параметров АБ для различных эксплуатационных режимов. Кроме этого, в главе раскрыта методика имитационного моделирования режимов работы АБ, позволяющая моделировать значения контролируемых параметров АБ в соответствии с их изменениями, происходящими в реальных аккумуляторах, используемая в компьютерной обучающей программе СКД АБ при подготовке специалистов электромеханической боевой части экипажа ПЛ.
Третья глава посвящена развитию существующих и созданию новых методов контроля параметров и диагностики состояния АБ и вопросам экспериментальной проверки компьютерной модели на адекватность реальному объекту, и ее последующему уточнению. Выработаны основные аспекты статистической обработки данных в процессе разряда и заряда АБ, применяемые в анализаторе состояний КМ АБ, для определения остаточного ресурса и диагностика состояния АБ. На основе данных экспериментальной проверки КМ АБ автором предложены уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ, адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению для режима заряда АБ и метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений.
Четвертая глава посвящена программной реализации компьютерной модели АБ, методов контроля ее параметров, проектированию первичных преобразователей и основных узлов СКД АБ, а также созданию компьютерной обучающей программы и тренажера СКД АБ для экипажа ПЛ. Автором предложены схемотехнические и алгоритмические решения построения токового канала, позволяющие определять значение тока в эксплуатационном диапазоне его изменения с требуемой точностью в условиях электромагнитных помех, созданных корабельными комплексами. Приведена трехуровневая функционально-алгоритмическая структура СКД АБ с иерархическим подчинением каждого уровня, позволившая автоматизировать процесс эксплуатации АБ в режиме реального времени и интегрировать СКД АБ в КСУ ТС «Лена».
Алгоритмическая насыщенность программного обеспечения СКД АБ, обусловленная технологическим процессом эксплуатации АБ, требует от оператора ЭВМ верхнего уровня достаточно глубоких знаний в области эксплуатации АБ, пользовательского интерфейса и алгоритмических особенностей программного обеспечения СКД АБ. В связи с этим в конце главы рассмотрены основные аспекты связанные, с созданием компьютерной обучающей программы и тренажера СКД АБ, в которых реализована предложенная автором методика имитационного моделирования АБ.
В заключении приведены основные выводы по диссертации.
В приложениях представлены алгоритмы работы ЭВМ, БОИ, УКПА, свидетельства о регистрации ПО, патент и сертификат на СКД АБ.
Обзор основных составляющих корабельной энергетической системы
Проект первой в мире дизельной лодки «Минога» выполнен И.Г. Бубновым в начале 1905 г. Энергоустановка ПЛ, спущенной на воду в 1908 г., состояла из двух дизелей, изготовленных на заводе Нобеля в Петербурге, электродвигателя и аккумуляторной батареи. Дизели и электродвигатель были установлены в линию и работали на один гребной винт. Все моторы соединялись с гребным валом с помощью разобщительных муфт, поэтому по желанию капитана вал мог подключаться к одному-двум дизелям или электромотору. Электродвигатель мог работать как генератор, приводимый во вращение одним из дизелей, и заряжать АБ.
В конце 30-х годов построены экспериментальные ПЛ с единым двигателем для подводного и надводного хода, но прообраз электроэнергетических систем современных ДЭПЛ сложился в России уже в начале XX в. Корабельная энергетическая система (КЭС) является важнейшей составной частью ПЛ и ее надежное функционирование обеспечивает большинство тактико-технических характеристик ПЛ, а также решение боевых задач [23]. Назначение КЭС ДЭПЛ заключается в достижении: - максимальной дальности плавания в подводном положении как результат эффективности (экономичности) электрооборудования; - высокого качества и непрерывности электропитания для большой группы потребителей, определяющих немедленную готовность оружия, высокой надежности и живучести. С постоянным ростом энерговооруженности кораблей происходит увеличение мощности основных источников электроэнергии, разветвленности сетей, и, соответственно, все острее ставятся задачи по практическому обеспечению живучести и пожаробезопасности КЭС и решаются по следующим направлениям: - совершенствование структурных и схемных решений; - улучшение характеристик электрозащиты; - повышение защищенности электрооборудования к аварийным воздействиям. КЭС ДЭПЛ третьего поколения. ЩАБ 1,2- щиты батарейных автоматов, ДГ 1,2- дизель-генераторы; ЩЦГ 1, 2 - щиты дизель-генераторов; АБ 1,2- аккумуляторные батареи; ГГЭД - главный гребной электродвигатель; ДЭХ - ЭД экономического хода; Ян, Як - носовой и кормовой якорь ГГЭД; ШПМ - шинно-пневматическая муфта; ЩР 1, 2 - распределительные щиты питания, ППС - переключатель параллельно-последовательного соединения Переход ДЭПЛ на полное электродвижение [24] (первичные двигатели не имеют механической связи с гребными винтами) был предопределен следующими преимуществами: снижением частоты вращения линии гребного вала, повышением частоты вращения дизель-генератора (ДГ) и снижением его массогабаритных параметров, сокращением длины линии вала, простым и быстродействующим реверсированием, повышением экономичности на частичных режимах работы. В надводном положении и режиме заряда АБ основными источниками электроэнергии являются ДГ. На российских ДЭПЛ традиционно устанавливались электрогенераторы постоянного тока с аппаратурой управления и защиты, работающие в режимах: основного источника, работы одного генератора в буфер с АБ и в буфер с АБ совместно с другим генератором, заряда АБ при одиночной работе и параллельно с береговым источником или генератором противоположного борта [23]. Схемы сетей распределения электроэнергии выполняются по магист-рально-фидерному принципу, что обеспечивает живучесть и минимальную массу кабельных связей. Наряду с основной сетью постоянного тока 175— 320 В используется целый набор вторичных сетей 50 Гц 380, 220, 127, 24 В, специальных сетей освещения, сети 24 В, а также 1ф 400 Гц 220 В со значительным числом различных преобразовательных устройств. Четвертое поколение ДЭПЛ. К началу 90-х гг. все острее обозначалась неконкурентность отечественных АБ с зарубежными по ресурсным показателям, проявлялась недостаточная надежность генераторов постоянного тока, требовалось иметь более компактную, малошумящую систему электродвижения. Бурный прогресс в микроэлектронике и других областях техники позволил совершенствовать элементы и саму КЭС. При современном проектировании необходимо знать характеристики статических и динамических режимов работы КЭС, качество вырабатываемой электроэнергии, устойчивость в предельных динамических режимах, соотношение между токами электрических машин и сетей в нормальных и аварийных режимах и т.д. Прежде решение этих вопросов при внедрении в КЭС принципиально новых образцов техники требовало натурного моделирования, что вело к чрезмерному удорожанию проекта.
Экономически, а также с учетом временного фактора, более целесообразно было разрабатывать алгоритмы моделирования режимов работы КЭС при различных комбинациях элементов на основе математического описания. Специалистами Санкт-Петербургского государственного технического уни 18 верситета и Военно-морской академии им. Н.Г. Кузнецова совместно с ЦКБ МТ «Рубин» в 70-80-х гг. предложено имитационное моделирование КЭС с любой степенью идеализации и методика макромоделирования. Вычислительный комплекс представлял собой библиотеку стандартных модулей — функционально завершенную базу данных по КЭС с возможностью ее пополнения при появлении новых компонентов.
Все вышеизложенное предопределило процесс эволюции составляющих КЭС изделий на протяжении последних 10-15 лет. Высокое качество современных кораблей определяет, в первую очередь, жесткие требования, предъявляемые к их энергетическим системам, которые образованы совокупностью взаимосвязанных источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств, соединительных кабелей и потребителей, объединенных процессом производства, преобразования, распределения и потребления электроэнергии [25]. Ужесточение требований к системам электроснабжения определяет повышение их функциональности, точности, быстродействия, надежности, КПД, качества выходных параметров (стабильность характеристик, бесперебойность работы, отсутствие шумов, вибрации и радиопомех), а также способность их работы в условиях экстремального воздействия внешних факторов, электромагнитной совместимости и т.п.
Методика автокоррекции канала определения плотности
Изменение концентрации и, соответственно, плотности зависит от объема электролита в каждом аккумуляторе, что необходимо учитывать при расчете плотности при разряде. Кроме этого плотность изменяется не только из-за исчезновения кислоты при разряде. В реальных условиях эксплуатации имеется еще ряд факторов, влияющих на плотность электролита как непосредственно, так и косвенно при изменении концентрации не из-за реакции (10). К ним относятся: изменение температуры при работе батареи, капельный унос электролита в процессе подзаряда батарей, потеря воды при испарении и при электрохимической реакции разложения воды в процессе заряда батарей в походных условиях.
Температура может изменяться как из-за изменения внешних условий, так и при работе АБ в процессе разряда за счет прохождения тока (тепло Джоуля-Ленца) через электролит и электрод (за счет перенапряжения электродной реакции), а также за счет прохождения химической реакции (10) и реакции разложения воды в процессе заряда. Капельный унос всегда имеет место при заряде из-за выделения газа. Кроме этого на последней ступени заряда происходит разложения воды с выделением водорода и кислорода.
Наконец, на изменение концентрации электролита и, соответственно, плотности раствора оказывают влияние такие процессы, как саморазряд АБ, сульфатация электродов аккумулятора и коррозия решетки. Их также необходимо учитывать при расчете зависимости степени заряда от плотности электролита.
Перечисленные выше факторы, влияющие на концентрацию электролита и его плотность, описаны в литературе [120-122]. Вполне возможно, что в настоящее время выявлены далеко не все процессы, влияющие на разряд (и заряд) аккумуляторов. Так, хорошо известно, что разрядная кривая сильно зависит от тока разряда и, соответственно, оказывает влияние на снимаемую емкость. Причина этого состоит в том, что при больших токах поверхность пористой матрицы электрода быстро разряжается, тогда, как в глубине заряд сохраняется. Если в такой системе отключить ток, то будет иметь место выравнивание концентрации по объему электрода, которое отразится и на изменении концентрации в объеме электролита. Описанное явление выравнивания концентраций после импульса тока специально не изучалось. Результаты исследовательских работ в основном относятся к статическим режимам, т.е. к условиям, когда разряд изучается при разных токах, величина которых остается постоянной в пределах данного опыта. Реально имеющие место режимы разряда, а, значит, и разрядные кривые относятся к динамическим режимам, в которых ток (нагрузка) постоянно изменяется. Таким образом, построение КМ для диагностики состояния АБ и контроля ее степени заряда в зависимости от плотности с учетом основных факторов, влияющих на процесс разряда и, соответственно, на плотность электролита является очень сложной задачей. Построение более или менее приемлемой теоретической модели просто невозможно. В связи с этим автором впервые предлагается КМ АБ (рис. 9), представляющая собой комплексный результат синтеза принципов физико-математического моделирования и современных информационных технологий.
Для построения КМ АБ применен синтез статистической, электротехнической и масштабной физической моделей АБ. Аккумулятор — черный ящик, вход — параметры, которые можно определить без вмешательства человека и ввести в цифровом виде в базу данных ЭВМ (мгновенные токи и напряжения, заряд, время, температура). Выход — остаточная емкость, плотность, количество УПЦ, сопротивление изоляции (рис. 10). Модель строится на основании большого экспериментального материала, полученного при эксплуатации батарей. КМ АБ содержит базу данных в виде предыстории каждого аккумулятора, которая принимается во внимание при оценке остаточного ресурса АБ. Такая модель является самообучающейся.
Практика эксплуатации свинцовых аккумуляторов в самых разных областях техники показала, что определение концентрации и, соответственно, плотности с учетом экспериментальных результатов о зависимости степень заряда-концентрация (плотность электролита) по каждому элементу АБ обеспечивает необходимую для практики точность контроля, а синтез вышеуказанных моделей и ИТ-технологий, позволяет проводить анализ и даже прогнозирование параметров состояния АБ.
Математический аппарат КМ использует результаты статистической обработки данных, полученных в течение эксплуатации АБ совместно с СКДАБ, на основании которых формируются аналитические зависимости параметров АБ от внешних факторов, изменяющихся во времени. В состав КМ входит матрица параметрических коэффициентов и коэффициентов пропорциональности, которая рассчитывается при статистической обработке данных.
Дисперсионный анализ и гистограммы распределения AU
Дисперсионный анализ позволяет не только выделить участки стационарности процесса во времени, но и проверить статистическую гипотезу о влиянии номера элемента на его At/, — установить существенны или нет различия в параметрах элементов на фоне действия случайных факторов. Как видно на рис. 22, предпосылкой к наличию таких различий является то, что на интервале t = (900 ... 1400) мин для многих элементов случайные отклонения АС/ от своего тренда существенно меньше доверительного интервала, выделенного толстыми линиями. Это наглядно видно для элементов №№ 186, 207 и 227. Для остальных элементов это можно проследить по цвету линии каждого элемента.
Для выявления различий в параметрах элементов для каждого из них кроме трех исключенных ранее были рассчитаны среднее значение AU3Jlcp и дисперсия 52эл по выборке из 2...73 замеров без 55, 56, 57, 60, 61 замеров, ис-ключенных ранее из-за неоднородности их дисперсий s зш. Результаты проверки однородности выборочных дисперсий s эл для разных элементов приведены в табл. 4. В верхней части таблицы приведены 19 наибольших значе НИЙ ВыборОЧНЫХ ДИСПерСИЙ S эл И Среднее Значение ВСЄХ 117 ДИСПерСИЙ 5 элср Другие выборки не включены в таблицу, поскольку для них s2 0,1 104. Критическое значение критерия gTa6 =0,01435 определяется из таблиц [128] для уровня значимости q = 5% при А"=117ИУ = 66.
Строки, для которых g gTa6 и гипотеза об однородности дисперсий отвергается, выделены жирным шрифтом. В результате дополнительно были исключены 156, 180, 184, 187, 199, 204, 208, 234, 237 элементы. Это изменило значение дисперсии s эл ср и значения g для оставшихся элементов. В нижней части табл. 4 приведены скорректированные данные, анализ которых выявляет неоднородность дисперсий для 131, 183, 203, 211, 220 и 221 элементов. После исключения из генеральной совокупности и этих элементов повторно скорректированное значение 52элср = 0,0635-10"4 и gTa6 = 0,01637. В результате только для 239 элемента g = 0,0168 gxa6 Для всех оставшихся 101 элементов дисперсии 52эл однородны.
Сравним по критерию Фишера полученную оценку генеральной дисперсии от влияния случайных факторов для элементов 52ЭЛСр = 0,0635-10"4 с полученной ранее для замеров оценкой s23aMcp = 0,368-Ю"4. Для q = 5%, V] = 7437 и V2 = 6666 FTa6 = 1,0400. Отношение s23aMcp/ s23Jlcp = 5,8 значительно больше FTa6. Это означает, что кроме случайных факторов, вызывающих изменения AU3JI(f) для каждого элемента, на отклонение At/ в пределах одного замера влияет также фактор номера элемента.
Другими словами подтверждается гипотеза о статистически значимых различиях в параметрах элементов. Поскольку .у2эл вычислялась относительно уровня At/элср, а s23m - относительно нулевого смещения, то различие дисперсий, в первую очередь, обусловлено различием АС/элср для разных элементов.
Для наглядности представления о влиянии на случайную величину At/зам.эл фактора номера элемента и оставшихся случайных факторов рассмотрим выборочные гистограммы для четырех замеров (рис. 23-27). Замеры № 23 (t = 1039 мин) и № 29 (t = 1085 мин) соответствуют режиму разряда малым (250 А) и большим (2000 А) токам соответственно. Замеры № 49 (t= 1341 мин) и № 54 (t= 1441 мин) соответствуют режиму заряда большим (-1800 А) и малым (-600 А) токами соответственно. Для всех гистограмм ось AU разбита на 41 равный интервал с шагом в Дс/И„т= 1 мВ. По вертикальной оси отложены значения/ =«,/иі относительной частоты попадания случайной величины в заданный /-й интервал. На рис. 23 приведены гистограммы для замера № 23: исходной величины AU2z,m и разности ДС/исл. = ДгУ2з,т. - Д/т.сР (т= 121...240 без 186, 207, 227 элементов). Разность Д/ зсл. не зависит от среднего по времени AUm3n,cp и демонстрирует влияние оставшихся случайных факторов.
Проектирование многоуровневой архитектуры системы
ЭВМ верхнего уровня СКД АБ. ЭВМ состоит из системного блока, дисплея, клавиатуры и блока питания (БП). На верхнем уровне независимо от наличия питания системы осуществляется хранение исполняемой программы ЭВМ, исходных данных по аккумуляторам, вариантов планов заряда и переходных напряжений при различных режимах, таблицы критических значений параметров аккумуляторов. Также в памяти ЭВМ сохраняется текущая и возобновляемая информация о состоянии аккумулятора, о наработке в условно-полных циклах (УПЦ) от начала эксплуатации, о зарядной и разрядной емкостях АБ, сообщаемом за заряд или полученном от аккумулятора при разряде, об остаточной емкости, обо всех зарядах и разрядах аккумулятора с начала эксплуатации, обо всех выявленных неисправностях с начала эксплуатации. При этом в режиме реального времени выполняется вывод информации на дисплей: о времени и дате, о текущем режиме работы аккумулятора, о значениях тока, сопротивления изоляции, напряжения, об остаточной емкости и времени до момента наступления полного разряда аккумулятора. Также автоматически по ситуации (в том числе и аварийной) в режиме реального времени на дисплей поступает информация о достижении параметрами АБ критических значений, о неисправных блоках и каналах системы, о необходимости проведения плановых мероприятий, перехода на следующую ступень заряда, окончания заряда или разряда, отклонение параметров от планируемых значений. По запросу оператора на экран возможен вывод информации о номерах аккумуляторов с максимальным отклонением параметров от средних значений, гистограммы текущих значений параметров и др. При аварийной ситуации осуществляется звуковая и световая сигнализация.
Блок обработки информации (БОИ) - средний уровень. В состав СКД АБ может входить до четырех БОИ в зависимости от числа групп аккумуляторов. БОИ включает в себя субблок микроконтроллера (МП); память энергонезависимую EEPROM (ПЭН); устройства согласующие (УС 1, УС2), предназначенные для согласования сигналов датчиков тока и напряжения группы; высокоскоростной CAN-трансивер, который обеспечивает интерфейс между CAN-протоколом контроллера и физической шиной и предназначен для ме-журовнего обмена информацией; блок питания (БП). В целях дальнейшего развития системы на среднем уровне можно предусмотреть промышленный компьютер.
На среднем уровне БОИ осуществляет: прием сигналов от измерительных устройств, определяя ток, напряжение группы и сопротивление изоляции; определение количества электричества (А-ч), сообщенное за заряд или полученное от аккумуляторной батареи на момент контроля; прием сигналов и команд от верхнего уровня; передачу сигналов на верхний уровень; тестовый самоконтроль работоспособности систем контроля параметров и выявление неисправных блоков или измерительных каналов по отклонению измерительных или тестовых сигналов за допустимые значения.
Устройство контроля параметров аккумулятора (УКПА) — нижний уровень В состав СКД АБ может входить до ста двадцати шести УКПА (нижний уровень) в зависимости от числа аккумуляторов.
УКПА содержит датчик уровня и температуры электролита (ДУТЭ), субблок микроконтроллера (МП), память энергонезависимую EEPROM (ПЭН), высокоскоростной CAN-трансивер, блок питания (БП), устройства согласующие (УСІ, УС2), предназначенные для согласования сигналов датчиков уровня, температуры (в контрольных аккумуляторах (КА)) и напряжения аккумулятора.
На нижнем уровне УКПА осуществляет прием сигналов от измерительных устройств, определяя уровень, температуру электролита и напряжение аккумулятора; прием сигналов и команд от верхнего уровня (через БОИ); передачу сигналов на верхний уровень. Кроме того, УКПА выполняет кос 115 венное определение плотности электролита; перерасчет плотности на номинальный уровень электролита и температуру 30С; определение наработки в условно-полных циклах (УПЦ) и суммирование УПЦ от начала эксплуатации аккумулятора; определение остаточной емкости (А-ч) на момент контроля с учетом проведения предшествующей и последующей частей разряда, а также с учетом саморазряда; расчет времени до наступления момента полного разряда аккумулятора; определение остаточного ресурса в УПЦ. Также реализованы тестовый самоконтроль работоспособности системы контроля параметров и выявление неисправных измерительных каналов по отклонению измерительных или тестовых сигналов за допустимые значения, определение отклонений параметров аккумулятора от средних или планируемых значений, приближения их к критическому уровню, определение необходимости изменения режима работы при отклонении от плана заряда.
Одним из контролируемых параметров для правильной эксплуатации аккумуляторных батарей является контроль тока разряда и заряда. В зависимости от режима работы корабельного оборудования, контролируемый ток разряда может изменяться в широком диапазоне от 200 до 15000 А, такое потребление вызвано в первую очередь разными режимами работы гребного двигателя. В процессе заряда аккумуляторных батарей необходимо контролировать изменение тока до 300 А. При этом точность контролируемого тока должна быть не хуже ±10 А во всем измеряемом диапазоне токов.
Сложность данной задачи состоит в измерении тока во всем диапазоне с требуемой точностью в условиях электромагнитных помех. Для решения задачи были рассмотрены различные методы измерения тока.
Использование датчиков тока на эффекте Холла имеют следующие недостатки: не обеспечивается требуемая точность во всем диапазоне от 0 до 15000 А; наличие температурной зависимости, влияющей на точность измерения; влияние внешнего магнитного поля. Поэтому, в процессе разработки СКД АБ специалистами Филиала ФГУП ПКП «Ирис», с участием автора были предложены два варианта реализации канала измерения тока (рис. 41 и рис. 44). При этом каждый из них показал достаточно высокие технико-эксплуатационные показатели на объекте.
