Методы, алгоритмы обработки данных и устройства для систем управления и защиты турбоагрегатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, доктор наук Плотников Дмитрий Александрович

• Плотников Дмитрий Александрович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Плотников Дмитрий Александрович

Введение

1 Обзор и анализ методов и устройств контроля вибрации в системах управления и защиты турбоагрегатов, постановка задач исследований

1.1 Устройства и объекты вибромониторинга, как элементы системы управления и защиты

1.1.1 Характеристика роторной машины, как объекта вибромониторинга

1.1.2 Задачи вибрационного мониторинга

1.1.3 Формирование основных требований к системе вибромониторинга

1.2 Обзор и анализ типовых структур систем вибромониторинга

1.2.1 Датчики измеряемых величин

1.2.2 Типовые схемы каналов измерения

1.2.3 Варианты реализации систем вибромониторинга

1.2.4 Выводы по результатам анализа вариантов реализации систем вибромониторинга

1.3 Обзор и анализ задач, возникающих при разработке устройств и систем вибромониторинга, и способов их решения

1.3.1 Создание методов и средств описания, моделирования и анализа межмодульного взаимодействия в системах с магистрально-модульной структурой

1.3.2 Обеспечение надёжности, контроля и диагностики системы вибромониторинга и её отдельных элементов

1.3.3 Обеспечение точности измерений в рабочем диапазоне температур

1.3.4 Обеспечение эффективного использования вычислительных ресурсов элементов и устройств системы вибромониторинга

1.4 Обоснование комплексного подхода к проектированию систем вибромониторинга, постановка задач исследований

1.5 Выводы по главе

2 Разработка и теоретическое обоснование методов анализа и улучшения технических характеристик систем вибромониторинга

2.1 Разработка масштабируемой магистрально-модульной структуры цифровой

системы вибромониторинга и ее анализ

2.1.1 Разработка структуры системы вибромониторинга

2.1.2 Анализ функциональных связей между элементами системы

2.1.3 Анализ процессов межмодульного взаимодействия

2.1.4 Постановка задач по исследованию и улучшению характеристик разработанной системы вибромониторинга

2.2 Обеспечение согласованной настройки модулей

2.2.1 Разработка метода описания системы с учетом межмодульных информационных связей

2.2.2 Разработка метода конфигурирования модулей

2.3 Разработка методов и моделей для анализа процессов межмодульного взаимодействия, их теоретическое обоснование

2.3.1 Метод оценки времени доставки сообщений

2.3.2 Вероятностный метод и модель оценки параметров межмодульного взаимодействия

2.3.3 Имитационный метод и модель для оценки параметров межмодульного взаимодействия

2.4 Разработка методов и моделей для обеспечения надёжности, контроля и диагностики элементов системы вибромониторинга

2.4.1 Разработка модели вибрационных состояний турбоагрегата, как объекта виброконтроля

2.4.2 Разработка метода самодиагностики системы вибромониторинга

2.4.3 Использование распределённых вычислений и резервирования функций для повышения отказоустойчивости системы вибромониторинга

2.5 Выводы по главе

3 Разработка и теоретический анализ методов и алгоритмов диагностики и определения параметров первичных преобразователей для

интеллектуальных датчиков вибрации

3.1 Использование пьезоакселерометров для измерения параметров вибрации

3.2 Разработка усовершенствованного метода диагностики пьезоакселерометра

3.3 Разработка усовершенствованного метода измерения коэффициента преобразования пьезоакселерометра

3.4 Обеспечение работоспособности и повышение помехоустойчивости предложенных методов при использовании на работающем оборудовании

3.4.1 Компенсация помехи

3.4.2 Фильтрация помехи

3.4.3 Аппроксимация сигнала с целью определения основных параметров

3.5 Выводы по главе

4 Разработка интеллектуальных датчиков вибрации, их теоретический анализ и экспериментальное исследование

4.1 Обоснование и анализ принципов построения интеллектуальных датчиков вибрации опор

4.1.1 Общие принципы функционирования интеллектуальных датчиков

4.1.2 Обеспечение взаимозаменяемости интеллектуальных датчиков

4.1.3 Повышение точности интеллектуального датчика с использованием метода термокомпенсации

4.1.4 Реализация функций самодиагностики интеллектуального датчика с использованием метода диагностики пьезоакселерометра

4.1.5 Повышение точности интеллектуального датчика с использованием метода измерения коэффициента преобразования пьезоакселерометра

4.2 Разработка и анализ математических моделей блоков интеллектуального датчика вибрации опор

4.2.1 Математические модели общих функциональных модулей блока диагностики и блока измерения коэффициента преобразования пьезоакселерометра

4.2.2 Математические модели функциональных модулей блока диагностики пьезоакселерометра

4.2.3 Математические модели функциональных модулей блока измерения

коэффициента преобразования пьезоакселерометра

4.3 Экспериментальная проверка интеллектуального датчика вибрации опор

4.3.1 Постановка целей и задач экспериментальных исследований

4.3.2 Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований

4.4 Выводы по главе

5 Методы улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик интеллектуальных датчиков и иных цифровых устройств путём повышения эффективности использования вычислительных ресурсов

5.1 Разработка метода поиска данных в объектном словаре СЛЫореп

5.1.1 Постановка задачи исследований

5.1.2 Сравнительный анализ методов поиска

5.1.3 Экспериментальное исследование методов поиска

5.1.4 Разработка метода поиска с использованием хеш-таблицы

5.2 Разработка усовершенствованного метода вычисления логических функций для самодиагностики СВМ, управления защитой и сигнализацией

5.2.1 Обзор и анализ существующих методов вычисления логических функций

5.2.2 Усовершенствованный метод вычисления логических функций

5.3 Разработка метода преобразования меток времени протокола ЫТР

5.3.1 Основные сведения о протоколе ЫТР, постановка задачи исследования

5.3.2 Использование арифметики с фиксированной точкой для преобразования меток времени

5.3.3 Анализ вариантов реализации метода

5.4 Методы взаимодействия с последовательным приемопередатчиком

5.4.1 Постановка задачи исследования

5.4.2 Реализация режима прерываний

5.4.3 Реализация режима прямого доступа к памяти

5.4.4 Экспериментальное исследование и сравнительный анализ методов

взаимодействия

5.5 Выводы по главе

6 Программно-аппаратная реализация предложенных методов и моделей

6.1 Программно-аппаратная реализация интеллектуальных датчиков

6.1.1 Обоснование функциональных схем интеллектуальных датчиков вибрации, реализующих предложенные методы

6.1.2 Алгоритмы функционирования устройств диагностики и измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в рабочем режиме СВМ

6.2 Разработка элементов среднего уровня цифровой системы вибромониторинга

6.2.1 Модули ввода, отображения и сигнализации

6.2.2 Системный контроллер

6.3 Использование разработанных методов и моделей в смежных областях науки и техники

6.3.1 Метод повышения помехоустойчивости устройства управления дугогасящим реактором

6.3.2 Программный комплекс конфигурирования модульных АСУТП электрических подстанций

6.3.3 Программно-аппаратный комплекс регистрации срабатываний

защит

6.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список используемой литературы

Приложение А. Зависимость нормированного коэффициента преобразования пьезоакселерометров АПЭ-1 и АПЭ-2 от температуры

Приложение Б. Зависимость нормированного сопротивления обмотки и нормированного коэффициента преобразования датчиков зазора КВ1025 от

температуры

Приложение В. Схема ХМ^описания системы вибромониторинга

Приложение Г. Разработка методик проведения экспериментов с целью

исследования предложенных методов

Г.1 Методика подтверждения возможности возбуждения и регистрации

резонансных колебаний

Г.2 Методика исследования зависимости параметров переходного процесса

от амплитуды тестового воздействия

Г.3 Методика исследования возможности исключения вынужденной

составляющей переходного процесса

Г.4 Методика определения погрешности измерения частоты УР

Г.5 Методика исследования зависимости между КП ПА и параметрами

переходного процесса, определение погрешностей вычисления КП ПА

Г.6 Разработка экспериментальной установки

Приложение Д. Зависимость степени подавления вынужденной составляющей и погрешности измерения частоты УР от частоты дискретизации и частоты

вынужденной составляющей

Приложение Е. Зависимости параметров пьезоакселерометров от температуры 407 Приложение Ж. Документы о внедрении результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы, алгоритмы обработки данных и устройства для систем управления и защиты турбоагрегатов»

Введение

Актуальность темы. По данным Федеральной службы госстатистики в 2020 году в России было произведено 1109 млрд кВтч электроэнергии. По этому показателю Российская Федерация занимает четвёртое место в мире, уступая лишь Китаю, США и Индии. Значительный объём производства и потребления электроэнергии предъявляет повышенные требования к технико-экономической эффективности функционирования энерговырабатывающих предприятий. В условиях старения основного оборудования электростанций актуальной становится проблема продления индивидуального ресурса имеющихся турбоагрегатов (ТА) и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя. При решении этой проблемы особое внимание следует уделять диагностике дефектов, способных привести к авариям с катастрофическими последствиями.

Необходимость продления ресурса и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя повышает требования к методам и средствам технической диагностики ТА тепловых (в том числе атомных) и гидроэлектростанций. В целях продления срока службы, повышения надёжности и экономичности установленного оборудования необходима разработка технических средств, позволяющих диагностировать дефекты на раннем этапе их развития.

Возникновение и развитие дефектов в различных частях роторной машины в большинстве случаев сопровождается изменением параметров вибрации её элементов. Поэтому одной из наиболее универсальных и совершенных методик диагностики роторных машин, к которым относятся ТА, является вибродиагностика, т.е. выявление дефектов на основе анализа характеристик вибрации элементов машины. В ряде случаев вибрация является не только индикатором, но и причиной развития дефектов. Более того, в некоторых ситуациях вибрация нарастает лавинообразно и требует экстренной остановки ТА для предотвращения его разрушения. Наиболее масштабным событием такого рода является крупнейшая в истории катастрофа на гидроэнергетическом объекте России - Саяно-Шушенской ГЭС, произошедшая 17.08.2009. Согласно выводам

комиссии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, изложенным в «Акте технического расследования причин аварии», «одним из факторов, способствующих развитию дефекта в шпильках крепления крышки турбины на ГА-2, является значительное количество переходных режимов работы ... с повышенными динамическими характеристиками (вибрациями)...». В качестве рекомендаций по предотвращению подобных ситуаций комиссия предлагает «оснастить гидроагрегаты штатными системами постоянного контроля вибрации» и «обеспечить учет данных вибрационного и теплового контроля гидроагрегатов . с реализацией функции предупредительной и аварийной сигнализации, автоматического останова гидроагрегатов».

Из сказанного следует, что разработка и внедрение на электростанциях России высоконадёжных средств вибромониторинга и вибродиагностики в составе систем управления и защиты турбоагрегатов позволит предотвратить аварии с катастрофическими последствиями, продлить срок службы ТА и сократить сроки ремонта за счёт обнаружения дефектов на самых ранних стадиях их возникновения, а также снизить затраты на обслуживание оборудования благодаря прогнозированию изменений его технического состояния. При этом исследования должны быть направлены как на улучшение технических характеристик устройств получения и предварительной обработки вибрационных данных (интеллектуальных датчиков), так и на обеспечение отказоустойчивости и требуемого быстродействия элементов более высокого уровня системы вибромониторинга (СВМ).

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью использования на электростанциях РФ высоконадёжных отказоустойчивых СВМ с целью повышения безопасности и экономической эффективности эксплуатации ТА.

Исследования выполнялись в соответствии с «Перечнем критических технологий Российской Федерации», утверждённым Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 (разделы «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем», «Технологии предупреждения и ликвидации

чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера»), в рамках научного направления ЮРГПУ(НПИ) «Теория и методы построения устройств и систем управления, контроля и диагностики».

Целью диссертационной работы является улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик устройств и систем управления и контроля вибрационного состояния турбоагрегатов электрических станций путём создания, теоретического анализа и экспериментального исследования методов, моделей, алгоритмов, устройств, в том числе интеллектуальных датчиков (ИД), и систем вибромониторинга.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены задачи по разработке, теоретическому обоснованию и экспериментальной проверке:

- нового подхода к проектированию СВМ, направленного на обеспечение надёжности, контроля и диагностики функционирования элементов на всех уровнях системы;

- совокупности взаимосвязанных методов, моделей и программ для анализа модульных СВМ и оценки их параметров;

- методов диагностики элементов СВМ, в том числе методов, учитывающих характер контролируемых технологических процессов;

- методов и алгоритмов самодиагностики и повышения точности интеллектуальных датчиков вибрации, в том числе методов определения исправности и коэффициента преобразования пьезоакселерометра на работающем оборудовании;

- методов представления и обработки данных, направленных на улучшение технико-экономических характеристик элементов СВМ;

- алгоритмов функционирования, практических рекомендаций и инженерных методик создания элементов СВМ, в том числе интеллектуальных датчиков и иных цифровых устройств.

Методы исследования. Методология диссертационного исследования основана на сочетании теоретического анализа, математического компьютерного моделирования и физического эксперимента. Для решения задач исследования

использовались методы математического анализа, теории вероятностей, теории массового обслуживания, дискретной математики, метрологии. В процессе разработки компьютерных моделей и программного обеспечения устройств применялась теория алгоритмов и программ, методы обобщённого и объектно-ориентированного программирования. Для практической реализации результатов работы и в ходе экспериментальных исследований использованы программные продукты NXP MCUXpresso, GNU Arm Embedded Toolchain, Keil MDK-ARM,, Microsoft Visual Studio, Matlab, языки программирования C, C++, C#, ARM Assembler, оценочные платы MIMXRT1020-EVK компании NXP, VisionSOM-6ULL и VisionCB-STD компании SoMLabs, измерительное оборудование Tektronix.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным применением методов теории математического анализа, теории алгоритмов и программ, метрологии; корректным применением математического аппарата при выводе аналитических выражений, подтверждением теоретических положений результатами физических экспериментов, а также многолетним опытом практического использования результатов диссертационной работы на электростанциях России.

Тема диссертационной работы соответствует паспорту научной специальности 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»: формуле паспорта специальности, так как в работе рассматриваются вопросы «совершенствования и создания принципиально новых элементов и устройств вычислительной техники и систем управления», в частности, интеллектуальных датчиков и других интеллектуальных устройств, а также областям исследований по п. 2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик», п. 3 «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических

характеристик» и п. 4 «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления».

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Впервые предложен подход к проектированию СВМ, отличающийся использованием разработанной совокупности методов, моделей, алгоритмов и устройств, позволяющий комплексно решить проблему обеспечения надёжности, контроля и диагностики функционирования элементов на всех уровнях системы с учётом их взаимодействия и функциональных особенностей (соответствует области исследования п. 4 паспорта специальности).

2. В рамках предложенного подхода разработана и теоретически обоснована совокупность взаимосвязанных методов и моделей для анализа параметров межмодульного взаимодействия и конфигурирования модулей СВМ, позволяющих путём их совместного применения существенно улучшить технико-экономические и эксплуатационные характеристики модулей, повысить надёжность и обеспечить диагностику их функционирования (соответствует области исследования п. 3 и п. 4 паспорта специальности):

- вероятностный метод оценки параметров межмодульного взаимодействия в СВМ и реализующая его модель, отличающиеся тем, что учитывают случайный характер изменения измеряемых величин;

- метод имитационного моделирования работы модулей СВМ и реализующая его модель, позволяющие детально исследовать процессы межмодульного взаимодействия и отличающиеся тем, что учитывают реальные параметры настройки модулей и сети передачи данных с целью повышения точности моделирования;

- метод оценки времени доставки сообщений CAN, формируемых в процессе функционирования модулей СВМ, позволяющий определить верхнюю и нижнюю оценки времени доставки и отличающийся тем, что с учитывает структуру и приоритеты сообщений;

- метод конфигурирования модулей СВМ, отличающийся тем, что использует сведения об информационных объектах, передаваемых в системе, для согласованной настройки коммуникационных параметров отдельных модулей.

3. Разработаны и теоретически проанализированы методы контроля и диагностики, обеспечивающие своевременное выявление отказов модулей СВМ (соответствует области исследования п. 4 паспорта специальности):

- метод самодиагностики СВМ, отличающийся использованием информации об особенностях функционирования контролируемого объекта для формирования признаков отказа отдельных измерительных каналов СВМ;

- метод частичного распределения функций с резервированием, отличающийся тем, что модули СВМ частично дублируют функции аналогичных модулей, а вывод об исправности отдельных элементов или системы в целом делается на основе сравнения результатов выполнения дублированных функций.

4. Разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы методы и реализующие их алгоритмы, направленные на совершенствование элементов СВМ и обеспечивающие повышение точности измерений и выполнение функций самодиагностики в интеллектуальных датчиках и иных цифровых устройствах (соответствует области исследования п. 2 и п. 4 паспорта специальности):

- усовершенствованный метод диагностики пьезоакселерометра (ПА) на работающем оборудовании, отличающийся тем, что в зависимости от характера помех использует различные методы исключения вынужденной составляющей переходного процесса, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации;

- усовершенствованный метод измерения коэффициента преобразования ПА на работающем оборудовании, использующий для определения коэффициента преобразования параметры экспоненциальной огибающей переходного процесса, вызванного воздействием тестового импульса, отличающийся тем, что исключение вынужденной составляющей, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации, выполняется различными методами в зависимости от характера помех;

- метод повышения помехоустойчивости устройства управления дугогасящим реактором, отличающийся усреднением формы колебаний вынужденной составляющей измеряемого сигнала за несколько периодов с целью более полной компенсации этой составляющей и уменьшения влияния импульсных и непериодических помех.

5. Предложены и обоснованы технические принципы создания и алгоритмы функционирования интеллектуальных датчиков, отличающиеся использованием разработанных методов для реализации функций самодиагностики и повышения точности измерений (соответствует области исследования п. 2 и п. 4 паспорта специальности).

6. Разработаны и экспериментально исследованы методы и алгоритмы повышения эффективности использования вычислительных ресурсов элементов и устройств модульных СВМ, улучшающие их технико-экономические и эксплуатационные характеристики (соответствует области исследования п. 2 паспорта специальности).

7. Отличительной особенностью разработанных методов, моделей и алгоритмов является универсальность, обеспечивающая возможность их использования при проектировании и исследовании не только СВМ, но и других модульных вычислительных систем и цифровых устройств.

На защиту выносятся:

1. Новый подход к проектированию СВМ, основанный на комплексном решении проблемы обеспечения надёжности, контроля и диагностики функционирования элементов системы, начиная с самых ранних стадий разработки.

2. Совокупность методов и моделей для анализа параметров межмодульного взаимодействия и конфигурирования модулей СВМ, совместное применение которых позволяет улучшить технико-экономические и эксплуатационные характеристики модулей, повысить надёжность и обеспечить диагностику их функционирования.

3. Методы контроля и диагностики модулей СВМ, обеспечивающие своевременное выявление отказов и уменьшение их влияния на функционирование системы.

4. Методы и реализующие их алгоритмы, направленные на совершенствование элементов СВМ и обеспечивающие повышение точности измерений и выполнение функций самодиагностики в интеллектуальных датчиках и иных цифровых устройствах.

5. Технические принципы создания и алгоритмы функционирования интеллектуальных датчиков, реализующих функции самодиагностики и повышения точности измерений с использованием разработанных методов.

6. Методы улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик элементов СВМ и иных цифровых устройств путём повышения эффективности использования вычислительных ресурсов.

7. Устройства, алгоритмы, модели и комплексы программ, обеспечивающие реализацию разработанных методов.

Практическая ценность работы. Разработанные методы, модели, алгоритмы и устройства позволяют существенно улучшить технико-экономические и эксплуатационные характеристики СВМ за счёт комплексного решения проблем обеспечения надёжности, контроля и диагностики функционирования элементов на всех уровнях системы, что, в свою очередь, повышает безопасность и экономическую эффективность эксплуатации ТА. Результаты исследований могут быть использованы на этапах разработки и реализации современных СВМ ТА, а также для модернизации существующих СВМ, эксплуатируемых на электростанциях России.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Электрон» (г. Ростов-на-Дону) при разработке новой цифровой СВМ, находящейся в стадии тестирования опытного образца, а также блоков диагностики, сигнализации и защиты «Скачок», «БЛСТЗ», регистратора срабатываний защит «Пульсар», прибора для проверки блока логики «ППБЛ», блока определения резонансной настройки «БОРН-1У».

Разработанные компьютерные модели и научные результаты работы используются в АО «РТСофт» (г. Москва) при проектировании АСУ ТП подстанций, внедрены в учебный процесс ЮРГПУ(НПИ).

Разработанные устройства внедрены и используются как в составе систем защиты и управления ТА, так и автономно, более чем на 10 электростанциях России (всего более чем на 100 ТА). Получено 4 документа о внедрении результатов работы в промышленную и опытную эксплуатацию на 15 предприятиях и организациях Российской Федерации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и национальных конференциях: «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (Новочеркасск, 2014), «Фундаментальные исследования с применением компьютерных технологий в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2017), «Фундаментальные основы, теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2018), «Современные наукоёмкие инновационные технологии» (Самара, 2018), «Моделирование. Фундаментальные исследования, теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2018), «FarEastCon-2018» (Владивосток, 2018) «Результаты исследований» (Новочеркасск, 2019, 2020), High-Tech and Innovations in Research and Manufacturing (HIRM-2020), February 2020, Siberia, Russia; International Conference on Information Technology in Business and Industry (ITBI 2020), April 2020, Novosibirsk, Russia, 10th Computer Science On-line Conference (CSOC 2021), 17-я международная научно-практическая конференция «Безопасность ядерной энергетики», ( Волгодонск, 2021), а также на технических совещаниях в филиале «Невинномысская ГРЭС» ПАО «Энел Россия» (г. Невинномысск), АО «РТСофт» (г. Москва), ООО «Электрон» (г. Ростов-на-Дону).

Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликованы 33 печатные работы, в том числе 28 научных публикаций (из них 10 - в журналах, рекомендованных ВАК, 7 - в изданиях, индексируемых базой

Scopus), получено 2 патента РФ и 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Она содержит 361 страницу основного текста, 118 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 207 наименований и 7 приложений на 35 страницах.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ТУРБОАГРЕГАТОВ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Устройства и объекты вибромониторинга, как элементы системы

управления и защиты

1.1.1 Характеристика роторной машины, как объекта вибромониторинга

1.1.1.1 Основные параметры вибрации

Вибрация - это такой вид механического движения, при котором каждая из точек тела совершает повторяющееся перемещение вблизи некоторого неподвижного положения [1]. Характер и масштабы изменения вибрации во времени для каждого случая индивидуальны, при этом конкретный вибрационный процесс содержит большой объём важнейшей информации, использование которой позволяет диагностировать техническое состояние механизмов и своевременно устранять многие дефекты, не допуская возникновения аварийных ситуаций [1, 2].

Вибрация происходит под действием возбуждающих сил, имеющих разные причины. В роторных машинах такие силы связаны, прежде всего, с процессом вращения валов. Вибрацию вала в некотором поперечном сечении обычно рассматривают как периодическое движение центра этого сечения по замкнутой траектории. При этом чаще всего говорят об относительной вибрации, то есть о движении вала

относительно близлежащих статорных траектория двигав цш^а течш™ вала

Рисунок 1.1 - Пример вибрации вала и корпуса подшипника: 1 - опора, 2 - крышка подшипника, 3 - вал, 4, 6 - вертикальная и горизонтальная составляющие вибрации опоры, 5 -

элементов, например, о вибрации шейки вала относительно подшипника. Вибрация вала через масляную плёнку или в результате непосредственного контакта передаётся на подшипник и опору ротора. На рис. 1.1 в качестве примера представлено сечение опоры роторной машины и вибрация её элементов.

В простейшем случае вибрирующий элемент совершает гармонические (синусоидальные) колебания. Однако в реальных механизмах чаще встречаются колебания, представляющие собой сумму нескольких гармонических составляющих с разными частотами; при этом о вибрации говорят, как о полигармонической (рис. 1.2).

В роторных машинах обычно преобладает гармоническая составляющая с частотой, соответствующей скорости вращения ротора (оборотной частотой). Вибрацию с частотой ниже оборотной называют низкочастотной; высокочастотной соответственно называют вибрацию с частотой, превышающей оборотную.

0.6

0.2

-0.4

0.015 0.02

Время, с

Рисунок 1.2 - Пример графика составляющей виброперемещения

Вибрация может быть охарактеризована через виброперемещение s, виброскорость V и виброускорение a [3]. Виброперемещение - это изменение во времени координаты вибрирующей точки относительно некоторого неподвижного начала координат (рис. 1.2). Путём дифференцирования виброперемещения по

0

-0.8

0

0.005

0.01

0.025

0.03

0.035

0.04

времени получают виброскорость, то есть скорость движения вибрирующей точки. Аналогично, дифференцируя виброскорость, можно получить виброускорение.

Мгновенные значения виброскорости и виброускорения обычно не представляют практического интереса. В большинстве случаев в задачах виброконтроля используют среднеквадратичные значения (СКЗ) виброскорости [4], определяемые по формуле:

V

11у (')2А

т

где T - временной интервал, на котором определяется СКЗ.

Кроме того, для количественной оценки виброперемещения используется размах [5], то есть разность наибольшего и наименьшего значений (рис. 1.2, параметр sr).

Представление полигармонической вибрации в виде графика зависимости соответствующего параметра от времени является не единственным и далеко не всегда достаточным для анализа вибрационных явлений. Ещё одной распространённой формой её представления является частотный спектр, то есть зависимость амплитуд гармонических составляющих от их частот. Однако спектры чаще используются в задачах вибродиагностики, хотя амплитуды отдельных спектральных составляющих (например, оборотной частоты) применяются и в задачах виброконтроля.

1.1.1.2 Роторный механизм как колебательная система

Для лучшего понимания вибрационных явлений, возникающих в роторных машинах, рассмотрим несколько моделей механических колебательных систем.

Простейшим случаем колебательного движения является колебание системы с одной степенью свободы. Предположим, колебательная система включает в себя груз массой m и связанный с ним упругий элемент, имеющий в направлении перемещения жесткость c. Отклонившись от равновесного положения, груз будет совершать периодические свободные колебания с частотой

0О ,

где ю0 - собственная частота колебательной системы.

Под действием сил трения, или демпфирования, свободные колебания затухают. Демпфирование характеризуется коэффициентом h, который иначе называют логарифмическим декрементом затухания.

Если к грузу приложена периодическая сила = Fasin(юt) с частотой ю и амплитудой Fa, то в системе возникают вынужденные гармонические колебания, амплитуда которых A зависит от соотношения ю/ ю0 [1, 6]:

А =

ра!о

^(1 -а2/а>1 )2 +(2Ьа/а1)'

Фазовый сдвиг ф между возмущающей силой и перемещением может быть определён из выражения:

Ч (Ф)--

2ка

2 2 . а0 -а

Рисунок 1.3 - Система с одной степенью свободы

Применительно к роторным машинам системой с одной степенью свободы является модель, представляющая собой невесомый вал с закреплённым на нём диском, вращающийся в жестких подшипниках (рис. 1.3). Если диск обладает эксцентриситетом (смещением центра масс относительно оси вращения) e, то центробежная сила mю2e, возникающая при вращении, возбуждает колебания, подчиненные законам колебаний системы с одной степенью свободы.

Приведённая модель является очень грубой и не отражает в достаточной степени тех вибрационных процессов, которые протекают в реальном роторе. Простейшим аналогом реального ротора, наиболее распространенного в энергетике, является модель, изображенная на рис. 1.4 и представляющая собой систему с двумя степенями свободы [1].

Такие системы включают две массы, связанные между собой и с основанием упругими элементами. Для этих систем характерно наличие двух собственных частот колебаний и ю2, каждой из которых соответствует своя собственная форма

Рисунок 1.4 - Система с двумя степенями свободы

й

колебаний, характеризующая соотношение амплитуд и направлений колебаний масс на соответствующей частоте. Если систему с двумя степенями свободы вывести из равновесия, то возникающие при этом свободные колебания складываются из колебаний двух частот.

При вращении вала с двумя дисками форма его колебаний будет определяться величиной и направлением дисбалансов этих дисков. Если, например, дисбалансы совпадают по направлению и равны по величине, то возбуждаются колебания только по первой форме (рис. 1.5, а), а на второй резонансной частоте амплитуда колебаний равна нулю. Если дисбалансы равны по величине, но противоположны по направлению, то возбуждается только вторая форма (рис. 1.5, б). В общем случае имеет место совокупность обеих форм колебаний.

Реальные конструкции имеют распределённую массу и жёсткость и являются системами со многими степенями свободы. Это проявляется в том, что, изменяя частоту приложенной к конструкции возмущающей силы (частоту вращения), можно обнаружить множество резонансов. Каждый из них характеризуется собственной частотой и собственной формой колебаний конструкции.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Плотников Дмитрий Александрович, 2022 год

использован драйвер ДР,

преобразующий интерфейсные

сигналы последовательного

приемопередатчика ЦСП (ТхО,

ЯхО) в сигналы, соответствующие рисун°к 6.3 - Интеллектуальный датчик вифации

опор

спецификации интерфейса RS-485.

Внешний вид разработанного автором контроллера интеллектуального датчика вибрации опор ТА показан на рис. 6.2. На базе этого контроллера были выполнены КИДВ, рассмотренные в следующих параграфах. Внешний вид ИД с

подключенным пьезоакселерометром приведён на рис. 6.3. Аналогичный ИД виброперемещения, разработанный под руководством автора и использующий метод термокомпенсации, описан в [190].

6.1.1.2 ИД вибрации опор, использующий метод диагностики ПА в рабочем

режиме СВМ

Одним из недостатков ИД, описанного в предыдущем параграфе, является отсутствие возможности диагностики ПА в процессе работы СВМ. Для преодоления этого недостатка автором разработан усовершенствованный вариант ИД, функциональная схема которого показана на рис. 6.4.

Рисунок 6.4 - Функциональная схема интеллектуального датчика вибрации опор с функцией

диагностики пьезоэлектрического акселерометра

От описанного ранее ИД (рис. 6.1) этот вариант отличается наличием источника образцового напряжения ИОН и двух дополнительных коммутаторов К5 и К6, работающих под управлением ЦСП и обеспечивающих формирование тестовых импульсов в соответствии с методом, разработанным в параграфе 3.2.

В режиме измерения элементы схемы работают так же, как и в исходном варианте ИД. При необходимости тестирования какого-либо ПА ЦСП с помощью

К5 подключает этот ПА к выходу формирователя тестового воздействия, состоящего из К6 и ИОН. Затем посредством К6 к тестируемому ПА подключается ИОН, в результате чего на ПА подаётся тестовый импульс. По окончании импульса К6 замыкает выводы ПА на общий провод, обеспечивая разряд ёмкости кабеля и датчика. По истечении времени замыкания К5 отключает ПА от формирователя тестовых импульсов. В течение всех описанных действий ЦСП регистрирует сигнал с ПА и оценивает реакцию чувствительного элемента на тестовое воздействие.

Частота среза ФНЧ1...ФНЧ3 в данном случае выбирается более высокой, чем в исходном варианте ИД, поскольку фильтр должен беспрепятственно пропускать колебания с частотой УР, лежащей вне рабочего диапазона СВМ. Соответственно и частота дискретизации входного сигнала для каждого канала измерения виброускорения должна быть повышена. Если увеличение частоты дискретизации по каким-либо причинам невозможно (например, из-за ограничений используемого МПК), ФНЧ можно сделать управляемыми. В режиме измерений их частота среза будет соответствовать рабочему диапазону СВМ (1.5.2 кГц), а в режиме тестирования - частоте УР ПА (8.10 кГц). В этом случае в процессе тестирования какого-либо ПА ЦСП прекращает переключение каналов посредством коммутатора К4 и подключает к АЦП только проверяемый ПА. За счёт этого частота дискретизации по выбранному каналу может быть увеличена не менее чем в 3 раза.

6.1.1.3 ИД вибрации опор, использующий метод измерения КП ПА в рабочем

режиме СВМ

Недостатки метода термокомпенсации, применённого в рассмотренных вариантах ИД и использующего непосредственное измерение температуры ПА, ограничивают область применения этих датчиков (подробно метод и его недостатки описаны в параграфе 4.1.3). Функциональная схема ИД, лишённого этих недостатков и использующего разработанный автором метод измерения КП ПА приведена на рис. 6.5.

Аппаратная часть разработанного ИД соответствует предыдущему варианту, из которого исключены элементы измерения температуры ПА. Работа аппаратуры ИД в режимах измерения и тестирования ПА происходит аналогично рассмотренным ранее вариантам. Отличие состоит только в способах программной обработки реакции ПА на тестовый импульс: если предыдущий вариант ИД определял лишь частоту УР и оценивал работоспособность ПА в соответствии с методом, описанным в параграфе 3.2, то предлагаемый ИД определяет характеристики переходного процесса в ПА, возникающего под воздействием тестового импульса, и с помощью метода, разработанного в параграфе 3.3, вычисляет текущее значение КП ПА и оценивает работоспособность ПА. Поскольку текущее значение КП ПА всегда доступно, необходимость его оценки с помощью измерения температуры ПА и, соответственно, необходимость использования элементов, измеряющих температуру, исключается.

Рисунок 6.5 - Функциональная схема интеллектуального датчика вибрации опор с функциями диагностики и измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра

Разработанный в данном параграфе ИД вибрации опор обладает наилучшими характеристиками из всех рассмотренных вариантов, а именно:

- малой величиной дополнительной температурной погрешности (параграф 4.3.2.5);

- возможностью тестирования ПА в рабочем режиме СВМ и ТА (параграф 3.3);

- повышенной надёжностью за счёт минимального количества элементов схемы.

К недостаткам описанного ИД можно отнести повышенные требования метода измерения КП ПА к вычислительным ресурсам МПК, что вынуждает использовать для обработки сигнала специализированные ЦСП. Однако постоянное развитие и удешевление средств вычислительной техники уменьшает влияние этого недостатка и делает рассмотренный вариант реализации ИД наиболее предпочтительным.

6.1.2 Алгоритмы функционирования устройств диагностики и измерения коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра в

рабочем режиме СВМ

В данном параграфе рассмотрены разработанные автором алгоритмы выполнения основных операций, необходимых для реализации методов диагностики и измерения КП ПА (параграфы 3.2, 3.3). Эти алгоритмы использовались как при разработке ПО рассмотренных ранее ИД (параграфы 6.1.1.2, 6.1.1.3), так и для построения математических моделей, описанных в параграфах 4.2.1, 4.2.2.

Определение периода вынужденной составляющей.

Алгоритм определения периода и амплитуды вынужденной составляющей может выглядеть, как показано на рисунках 6.6, 6.7. Алгоритм состоит из двух частей: подпрограммы выявления переходов функции через «0» (рис. 6.6) и алгоритма вычисления длительности периода.

Подпрограмма выявления переходов функции через «0» работает следующим образом. В блоке 1 обнуляется счётчик выявленных переходов п и устанавливается признак поиска первого перехода внутри зоны нечувствительности fz. Затем для каждого отсчёта Xj входной последовательности, кроме нулевого (блок 2), выполняются следующие действия.

Если текущий и предыдущий отсчёты имеют разные знаки (блок 3), то по формуле (4.2) вычисляется значение предположительно ложного момента перехода через «0» и присваивается переменной ZL, которая хранит самый последний из ложных переходов в пределах текущей их последовательности (блок 4). Если при

этом найденный переход является первым в зоне нечувствительности (блок 5), то вычисленное значение присваивается также переменной ZF, хранящей самый первый из предположительно ложных переходов в пределах текущей последовательности (блок 6). В этом же блоке сбрасывается признак поиска первого перехода fz. Таким образом, до тех пор, пока сигнал не выйдет из зоны нечувствительности, переменная ZF будет хранить момент первого перехода в этой зоне, а переменная ZL - момент последнего перехода.

Рисунок 6.6 - Алгоритм выявления переходов через «0» и определения амплитуды

вынужденной составляющей

Как только сигнал выйдет из зоны нечувствительности (блок 7), в блоке 8 вычисляется истинное значение времени перехода через «0» tzn как среднее между моментами первого и последнего предположительно ложных переходов. В этом же блоке увеличивается счётчик выявленных истинных переходов и устанавливается признак fz поиска первого перехода новой последовательности.

Таким образом, по окончанию работы алгоритма сформируется последовательность моментов перехода функции x(t) через «0» {tzi}, ie {0.n-1}. Следует отметить, что для простоты на рис. 6.6 не показаны блоки, выявляющие максимальное по модулю значение xj с целью определения амплитуды вынужденной

составляющей.

После того, как моменты перехода вынужденной составляющей через «0» найдены, алгоритм, изображённый на рис. 6.7, вычисляет длительность периода T по формуле (4.1). Если число переходов оказалось чётным (блок 2), то оно уменьшается на единицу (блок 3), чтобы при вычислении периода в блоке 4 учитывалось равное число положительных и отрицательных полупериодов.

Определение формы вынужденных колебаний в течение одного периода.

Возможная реализация алгоритма определения формы вынужденных колебаний в течение одного периода приведена на рис. 6.8.

В блоке 1 вычисляется число отсчётов в одном периоде m, а также обнуляются индекс текущего отсчёта j, смещение первого отсчёта внутри периода относительно начала периода Offs и массив усреднённых значений s. Затем (блоки 2.10) для каждого из n периодов сохранённой последовательности отсчётов вынужденной составляющей {x,} выполняется операция усреднения. Она заключается в том, что для каждого i-го элемента массива усреднённых значений s вычисляется соответствующее ему смещённое значение x(см. выражение (4.3)), которое делится на n и добавляется к текущему значению Si (блоки 3.5) За счёт этого по окончании работы алгоритма массив s будет содержать значения отсчётов, усреднённые на n периодах.

Рисунок 6.7 - Алгоритм определения периода вынужденной составляющей

Рисунок 6.8 - Алгоритм определения формы вынужденных колебаний в течение одного

периода

Блоки 3...5 выполняют добавление отсчётов очередного периода последовательности {xj} к элементам массива средних значений s. В блоке 6 смещение Offs корректируется для следующего периода последовательности {xj}. При этом если в результате коррекции смещение стало больше периода квантования TD (блок 7), оно дополнительно модифицируется в блоке 8, в противном случае соответствующим образом корректируется индекс последовательности отсчётов j (блок 9).

Исключение вынужденной составляющей из отклика ПА на тестовый импульс методом компенсации.

Возможная реализация алгоритма исключения вынужденной составляющей из отклика ПА на тестовый импульс приведена на рис. 6.9.

В блоке 1 обнуляются индекс текущего усреднённого отсчёта i, смещение первого отсчёта последовательности {xj} внутри периода относительно начала периода Offs и вспомогательная переменная Tm, хранящая время от начала текущего периода до отсчёта с индексом j. Затем (блоки 2.7) из каждого отсчёта

вынужденной составляющей {ху} вычитается некая величина, соответствующая мгновенному значению вынужденной составляющей в момент времени ]Тв (блок 3). Способ получения этой величины рассмотрен в параграфе 4.2.1, выражение (4.4).

Затем выполняется увеличение счётчика времени Tm на величину периода дискретизации TD. Если в результате произошёл выход за пределы текущего периода (блок 4), то индекс i последовательности усреднённых отсчётов {sj} обнуляется, вычисляется новое значение смещения Offs, а счётчик времени Tm устанавливается на первый отсчёт нового периода (блок 5). В противном случае (блок 6) выполняется переход к следующему отсчёту

последовательности { si}.

Определение частоты УР на

основе_выделенной_свободной

составляющей переходного процесса.

Начало

)

1

0ffs=0, Tm=0, i=0

2

✓ Ч j=0,count(x)-1

3

XpXj—Si+rS)* 0ffs-si Tm= Tm+ TD

Рисунок 6.9 -Алгоритм вычитания вынужденной составляющей

Алгоритм определения частоты УР на основе выделенной свободной составляющей переходного процесса приведён на рис. 6.10. Исходными данными для этого алгоритма являются последовательности отсчётов {¿у} и {дг}. Первая из них соответствует шумовому сигналу - результату исключения вынужденной составляющей из сигнала, измеренного до тестового импульса. Вторая последовательность соответствует свободной составляющей переходного процесса - реакции ЧЭ ПА на тестовый импульс. В качестве параметров алгоритма используются три константы: N - число отбрасываемых полупериодов в начале

переходного процесса, М - число полупериодов, учитываемых при вычислении частоты УР и 5 - коэффициент превышения уровня шума полезным сигналом.

Рисунок 6.10 - Алгоритм определения частоты установочного резонанса

В блоке 1 определяется уровень шума, не исключённого из участка входного сигнала до тестового импульса и предположительно присутствующего в свободной составляющей переходного процесса. Поскольку алгоритм определения длительностей полупериодов чувствителен к мгновенным значениям шума, в качестве характеристики этого шума используется максимальное по модулю значение последовательности {¿у} - 2мах.

В блоке 2 анализируется свободная составляющая {дг} с целью определения индекса начиная с которого модули всех оставшихся членов этой последовательности не превышают значения ZMAXS. Считается, что начиная с этого индекса уровень полезного сигнала слишком мал для корректной работы алгоритма выявления переходов через «0». В связи с этим последовательность {дг} ограничивается индексом

В блоке 3 при помощи алгоритма, аналогичного рассмотренному ранее (рис. 6.6), выявляются переходы последовательности {дг} через «0» и вычисляются длительности полупериодов свободных колебаний {Ирк}. Затем (блок 4) из {Ирк}

исключаются N первых полупериодов и некоторое количество последних - так, чтобы оставшееся число полупериодов К не превышало М. Если в результате число членов {Ирк} К получилось нечётным, последний полупериод также исключают. Наконец, в блоке 6 с использованием значений {Ирк} вычисляется частота свободных колебаний /0 (частота УР).

6.2 Разработка элементов среднего уровня цифровой системы

вибромониторинга

6.2.1 Модули ввода, отображения и сигнализации

В силу функционального сходства модулей ввода, отображения и сигнализации (МВОС), относящихся к разным подсистемам описанной в параграфе 2.1.1 СВМ, их аппаратная часть может быть практически одинакова. Разработанная функциональная схема аппаратных средств МВОС показана на рис. 6.11.

от КИД м—

(РБ485)

Рисунок 6.11 - Функциональная схема аппаратных средств модуля ввода,

отображения и сигнализации

Основой МВОС является цифровой сигнальный процессор ЦСП с необходимым набором встроенного периферийного оборудования (ОЗУ, таймеры-счётчики, контроллеры последовательных интерфейсов, порты ввода-вывода). ЦСП целесообразно использовать в силу того, что от большей части МВОС требуется выполнение функций цифровой фильтрации и БПФ при обработке

данных, поступающих с КИД. МВОС, относящиеся к подсистемам ввода-вывода, измерения мехвеличин, частоты и фазы, могут быть выполнены и на основе универсальных МПК, однако с точки зрения унификации элементной базы и средств разработки с учётом невысокой стоимости широко распространённых ЦСП средней производительности это решение представляется нецелесообразным.

Данные, передаваемые КИД, поступают в ЦСП через драйвер последовательного интерфейса Д1. Дальнейшая их обработка выполняется программно, что обеспечивает необходимую функциональную гибкость МВОС. В зависимости от алгоритмов работы ПО МВОС может выполнять функции модуля вибрации опор МВО, модуля относительной вибрации МОВ, модуля измерения мехвеличин ММВ, модуля измерения частоты и фазы МЧФ или модуля ввода-вывода БВВ. Драйвер Д1 используется также для передачи параметров конфигурации и управляющих команд на КИД.

Блок ввода и индикации БВИ предназначен для отображения значений основных контролируемых параметров, а также для ввода команд оператора, обеспечивающих переключение режимов работы и индикации (при необходимости). FLASH ПЗУ введено в состав МВОС для

энергонезависимого хранения

параметров конфигурации, а также промежуточного архива данных, не считанных оборудованием верхнего уровня. Связь с СМ организована через драйвер Д2. Дискретные входы и выходы подключены к ЦСП через драйвер дискретных входов ДВХ и драйвер дискретных выходов ДВ соответственно. Основной функцией ДВ и ДВХ является согласование уровней сигналов; кроме того, ДВ обеспечивает обратную связь, позволяющую

Рисунок 6.12 - Внешний вид модуля ввода, отображения и сигнализации

ЦСП определить текущее состояние выходов в целях самодиагностики. Для формирования выходных аналоговых сигналов в схему МВОС введён многоканальный цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Внешний вид МВОС, разработанного автором, показан на рис. 6.12.

6.2.2 Системный контроллер

Разработанная функциональная схема аппаратных средств системного контроллера (СК) СВМ показана на рис. 6.13.

ОЗУ

Контроллеру ВУ

(USB)

К ВБИ м-►

(RS485)

Д1

I

ОМК

I

FLASH ПЗУ

Д2

L ДВ

ДВХ

к СМ (CAN)

Дискретные выходы Дискретные входы

Рисунок 6.13 - Функциональная схема аппаратных средств системного контроллера

Основной задачей СК является получение данных с системной магистрали (СМ) среднего уровня СВМ, их буферизация и передача на контроллер верхнего уровня (ВУ). Для выполнения перечисленных функций в состав СК входит однокристальный микроконтроллер (ОМК), оснащённый оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), емкости которого достаточно для промежуточного накопления данных и формирования пакетов с целью отправки на контроллер ВУ. На случай временного отсутствия связи с ВУ предусмотрена долговременная память в виде микросхемы FLASH ПЗУ или microSD-карты, где в течение некоторого времени накапливаются данные. Применение SD-карты позволяет, во-первых, адаптировать объём памяти СК к текущим потребностям пользователя, а во-вторых, заменить устройство памяти в случае выхода его из

строя вследствие аномально интенсивного использования, поскольку количество циклов перезаписи FLASH ограничено.

Связь с контроллером ВУ выполняется с помощью интерфейса USB, при использовании более совершенного ОМК возможна также организация связи по сети Ethernet. Взаимодействие с СМ происходит через драйвер Д2 и контроллер CCAN [96], встроенный в ОМК. Дискретные выходы, предназначенные для управления защитой и сигнализацией, подключены через согласующий драйвер выходов ДВ. Драйвер входов ДВХ позволяет ввести дополнительные входные сигналы, а также контролировать состояние выходов с целью самодиагностики СК. Драйвер интерфейса RS-485 Д1 обеспечивает связь СК с выносными блоками индикации ВБИ СВМ.

Внешний вид макета разработанного СК показан на рис. 6.14.

Для модулей среднего уровня

6.3 Использование разработанных методов и моделей в смежных областях

науки и техники

6.3.1 Метод повышения помехоустойчивости устройства управления

дугогасящим реактором

Метод, аналогичный методу диагностики пьезоакселерометра, разработанному в параграфе 3.2, может использоваться не только при создании СВМ, но и для повышения помехоустойчивости устройства управления дугогасящим реактором (УУ ДГР).

СВМ коллективом разработчиков под руководством автора и с его непосредственным участием было разработано программное обеспечение, на отдельные части которого получены свидетельства Роспатента о регистрации программы для ЭВМ [191, 192].

Рисунок 6.14 - Внешний вид платы системного контроллера СВМ

Настраиваемые ДГР применяются для компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях 6-35 кВ с целью обеспечения быстрого погасания дуги в месте её возникновения [193]. Они включаются в контур нулевой последовательности сети (КНПС), например, в нейтраль силового трансформатора (рис. 6.15). Условия для погасания дуги возникают в случае резонансной настройки ДГР, то есть при совпадении собственной частоты КНПС, регулируемой путем изменения индуктивности реактора, с частотой напряжения сети: в этом случае происходит полная компенсация емкостного тока. Обычно ДГР настраиваются либо в резонанс, либо или с незначительной перекомпенсацией.

Из-за изменений конфигурации сети величина емкостного тока также с течением времени изменяется, вследствие чего требуется периодическая подстройка ДГР. У реакторов с механическим регулированием она выполняется путем изменения зазора в магнитопроводе с помощью механизма, приводимого в движение электродвигателем. Для автоматической настройки применяются специальные устройства управления, измеряющие текущий уровень рассогласования и воздействующие на привод ДГР с целью восстановления резонансной настройки.

Известны различные методы измерения рассогласования; один из них заключается в периодическом возбуждении свободных колебаний в КНПС, измерении их частоты/СВ и сравнении её с частотой сети/0. Основная проблема при реализации этого метода заключается в том, что свободные колебания накладываются на вынужденную составляющую с частотой сети, обусловленную напряжением смещения нейтрали (НСН). Поскольку частоты/СВ и/0 близки (а при точной настройке ДГР равны), выделение свободной составляющей сигнала, полученного с измерительной обмотки ДГР, затруднено.

Варианты решения этой проблемы описаны в [194, 195], однако им присущ общий недостаток, связанный с компенсацией вынужденной составляющей сигнала. В обоих случаях УУ ДГР в течение некоторого времени запоминает форму этой составляющей, затем возбуждает резонансные колебания в КНПС, регистрирует суммарный сигнал и вычитает из него задержанную (сохранённую)

вынужденную составляющую. Недостаток этого способа связан с тем, что текущий и задержанный сигналы в реальных условиях содержат случайные составляющие, обусловленные шумами и помехами. При сложении или вычитании этих сигналов дисперсии их случайных составляющих складываются, а среднеквадратичное отклонение (СКО), определяющее случайную составляющую погрешности значений исследуемого переходного процесса, возрастает в 72 раз по сравнению с исходным. Вследствие этого собственная частота КНПС может определяться некорректно, а резонансная настройка КНПС будет неточной.

Рисунок 6.15 - Функциональная схема устройства управления ДГР (1 - вычислительный блок; 2 - АЦП; 3 - интерфейсный блок; 4 - возбудитель; 5 - блок сопряжения; 6 - дугогасящий реактор (ДГР); 7 - трансформатор; 8 - ёмкость ВЛ; 9 - сигнальная обмотка ДГР; 10 - привод; 11 - усилитель; 12 - блок памяти; 13 - сумматор; 14 - блок усреднения; 15 - блок циклического воспроизведения; 16 - блок определения

частоты; 17 - регулятор)

С участием автора создано УУ ДГР [196] (рис. 6.15), защищённое патентом РФ [197] и лишённое описанного недостатка за счёт применения метода компенсации вынужденной составляющей сигнала, аналогичного разработанному в параграфе 3.2. Повышение точности достигается за счёт того, что форма вынужденной составляющей х(?) до возбуждения свободных колебаний не просто запоминается, а усредняется блоком 14 в течение нескольких периодов Т0, как показано на рис. 6.16 а (интервал Т1). В результате формируется компенсационный фрагмент х(?) длительностью Т0. После возбуждения свободных колебаний в КНПС блок циклического воспроизведения 15 путём многократного повторения фрагмента х(?) формирует компенсационный сигнал (рис. 6.16 б), который с помощью сумматора 13 вычитается из регистрируемого сигнала д(?) (рис. 6.16 а), поступающего с АЦП 2 и представляющего собой сумму затухающей свободной составляющей переходного процесса у(?), возбуждающего импульса р(?) и периодической вынужденной составляющей х'(?). В результате сигнал на выходе сумматора (рис. 6.16 в) содержит только возбуждающий импульс р(?) и свободную составляющую у(?). Получив этот сигнал, блок определения частоты 16 отбрасывает его начальную часть, в которой присутствует короткий возбуждающий импульс, и вычисляет частоту /СВ свободной составляющей переходного процесса у(?). Блок 17 сравнивает эту частоту с частотой сети /о = 1 / То и на основании полученной разности вычисляет величину управляющего воздействия, которое необходимо оказать на ДГР 6 с целью приближения собственной частоты КНПС /СВ к частоте сети / на заданную величину. Это воздействие через интерфейс 3 и блок сопряжения 5 передаётся на регулятор индуктивности 10 ДГР.

Использование синтезированного компенсационного сигнала х(?) вместо задержанного исходного сигнала х(?) позволяет снизить уровень шума в выделенной затухающей свободной составляющей переходного процесса у(?), обеспечивая тем самым возможность анализа этой составляющей в области малых значений, что, в свою очередь, повышает точность измерения частоты свободных колебаний /СВ за счёт увеличения интервала наблюдения. Более точное измерение

указанной частоты позволяет повысить точность резонансной настройки ДГР, обеспечивая более полную компенсацию ёмкостных токов.

Рисунок 6.16 - Выделение свободных колебаний в КНПС

Снижение уровня шума при использовании усреднённого компенсационного сигнала объясняется следующим. Сигнал НСН х^), поступающий на вход АЦП до возбуждения свободных колебаний в КНПС, можно представить как:

х(0 = хХО + Д(0,

где х$) - детерминированная составляющая промышленной частоты, соответствующая НСН, с момента времени ?1;

Д^) - случайная составляющая, соответствующая шумам и помехам (математическое ожидание М[Д(?)]=0).

Функцию переходного процесса д(?) после возбуждения свободных колебаний можно записать как:

д(?) = х'а(г) + Цг) + уа(г), где х'^) - детерминированная составляющая промышленной частоты, соответствующая НСН, с момента времени ?2;

у$) - детерминированная составляющая, соответствующая свободным колебаниям в КНПС.

Поскольку за время выполнения рабочего цикла НСН существенно не меняется, заменим х'$) на х$). В случае исключения составляющей х(?) из функции д(?) путём простого вычитания сигнала х(?), задержанного на целое число периодов, как это сделано в прототипах [194, 195], результирующая функция у1(?) будет равна

У 1(?) = уа(?) + Д1(0,

где Д1(?) - результат сложения случайных составляющих функций х(?) и д(?).

Пусть помеха Д(?) в исходном сигнале имеет дисперсию Л[Д(?)] и,

соответственно, среднеквадратичное отклонение (СКО) = ^Б[д(г)]. Тогда

дисперсия А результирующей помехи Д1(?) будет равна 2Л[Д(?)], а её СКО, определяющее случайную составляющую погрешности значений у1(?):

ах = >/2^Б[д(г)], то есть в раз больше исходного.

С целью уменьшения случайной составляющей результирующей погрешности в предлагаемом устройстве используется синтезированный компенсационный сигнал, полученный путём усреднения формы сигнала х(?) за несколько периодов. При этом:

- 1 к

X (* ) =1 Е( X (< + Т ) + Д(^ + Т )) = х (/) + Д2 (/) к 1=1

где х(?) - усреднённая реализация функции х(?) за К периодов; ? - время, 0 < ? < То; Т0 - период функции х(?); К - число усредняемых периодов; Д2(?) - случайная составляющая усреднённого сигнала.

Дисперсия В2 функции Д2(0 будет равна Л[Д(?)] / К. Тогда при вычитании из д(?) компенсационного сигнала, синтезированного из повторяющихся фрагментов дисперсия случайной составляющей результата 03 составит

Л[Д(?)] + ^О[Д(0] / К, а её СКО ^ + 1/к^Б[а(*)] . Таким образом, усреднение формы сигнала х(^ за К периодов обеспечит уменьшение СКО случайной составляющей погрешности результата в ах/а3 2/(1 +1/К) раз.

Типичная длина наблюдаемой свободной составляющей переходного процесса в КНПС составляет 5-6 периодов промышленной частоты, поэтому по сравнению с прототипами случайная погрешность будет уменьшена примерно в 1.3 раза. В отличие от прототипов при стабильных параметрах сигнала х(1) количество усредняемых фрагментов К можно увеличить, обеспечив дальнейшее снижение случайной погрешности и, следовательно, дальнейшее повышение точности резонансной настройки ДГР. Таким образом, за счет применения разработанного метода достигается работоспособность УУ ДГР в более широком диапазоне характеристик НСН и увеличение точности резонансной настройки ДГР.

6.3.2 Программный комплекс конфигурирования модульных АСУТП

электрических подстанций

В настоящее время многие крупные организации уделяют серьёзное внимание разработке и применению типовых технических решений при проектировании и строительстве производственных объектов. Так, например, в ПАО «ФСК ЕЭС» на протяжении нескольких лет действует стандарт организации [198], регламентирующий применение типовых решений при проектировании электрических распределительных подстанций. Типизация производственных объектов обусловливает целесообразность разработки типовых средств автоматизации этих объектов. В этой области также предпринимаются попытки стандартизации как минимум на уровне организаций [199].

Согласно [198] на вновь проектируемых и модернизируемых подстанциях распределительные устройства (РУ) должны выполняться по типовым

принципиальным схемам. Каждая типовая схема имеет существенные отличительные признаки, но допускает наличие нескольких вариантов реализации, связанных, например, с применением различных видов оборудования или с количеством коммутируемых высоковольтных линий. Следовательно, АСУ ТП такой подстанции также может иметь типовую структуру, обусловленную типом используемой схемы РУ и уточнённую в соответствии с конкретным вариантом реализации РУ. В результате появляется возможность сформулировать чёткие рекомендации, позволяющие разработчику АСУ ТП выбрать структуру системы, состав оборудования, его компоновку и способы соединения, а также решить иные задачи, возникающие в ходе проектирования.

Однако использование типовых решений в области автоматизации, существенно упрощая процессы проектирования и сокращая сроки их выполнения, не способно полностью исключить такие рутинные операции, как разработка документации, оценка загруженности каналов связи, расчёт длин кабелей и некоторые другие. Для упрощения этих операций и исключения ошибок в процессе их выполнения с участием автора был создан программный комплекс -конфигуратор [200], - предназначенный для разработки АСУ ТП электрических распределительных подстанций и использующий методы описания, конфигурирования и моделирования модульных информационно-измерительных и управляющих систем, разработанные в параграфе 2.2. Основное окно интерфейса конфигуратора показано на рис. 6.17, особенности реализации описаны в [201, 202].

Работа конфигуратора может быть разделена на три этапа: ввод исходных данных, построение и исследование модели АСУ ТП и формирование документации. На этапе ввода данных выполняются следующие действия:

- выбор схемы РУ подстанции из перечня типовых схем согласно [198];

- уточнение параметров схемы РУ (количество коммутируемых линий, используемое оборудование);

- выбор одного из нескольких типовых вариантов автоматизации данной схемы (при наличии);

- уточнение параметров проектируемой АСУ ТП (например, перечня предусмотренных дополнительных функций).

Рисунок 6.17 - Интерфейс конфигуратора модульных АСУТП электрических подстанций

Используя эти данные, конфигуратор на втором этапе формирует модель АСУ ТП, включающую сведения о составе оборудования системы (типы и количество приборных шкафов, контроллеров, модулей ввода-вывода), о внутрисистемных и внешних связях, об интенсивности информационных потоков, формируемых элементами системы. Построение модели выполняется на основе ранее подготовленной библиотеки конфигурируемых типовых блоков с использованием метода описания, аналогичного разработанному в параграфе 2.2.1. На этом же этапе производится оценка нагрузки сети передачи данных системы с помощью вероятностной модели (параграф 2.3.2.2), адаптированной к специфике проектируемой АСУ ТП.

На третьем этапе с использованием полученной модели АСУ ТП конфигуратор формирует документацию: спецификации, схемы соединений,

перечни элементов, схемы расположения оборудования (компоновки шкафов), заготовки кабельных журналов.

Применение конфигуратора в АО «РТСофт» (г. Москва) способствовало улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик разрабатываемых АСУ ТП, повышению их надёжности за счёт выбора оптимальных технических решений и предотвращения ошибок на ранних стадиях проектирования. Кроме того, использование конфигуратора обеспечило экономию трудозатрат на этапах формирования технического решения и его согласования около 30%, а при разработке проектной и рабочей документации - около 20%.

6.3.3 Программно-аппаратный комплекс регистрации срабатываний

защит

6.3.3.1 Общее описание комплекса и его элементов

С целью наблюдения за состоянием дискретных выходов СВМ, формирующих предупредительные сигналы при достижении пороговых уровней вибрации (таблицы 1.1, 2.2), а также для фиксации изменений состояния других реле сигнализации и защиты ТА автором был разработан автоматизированный многоканальный программно-аппаратный комплекс регистрации срабатываний защит (ПАК РСЗ) «Пульсар», а впоследствии - «Пульсар-М» [97], на который получено три свидетельства о регистрации программы для ЭВМ [112, 113, 203].

ПАК РСЗ предназначен для автоматической регистрации номеров и времени срабатывания реле аварийных защит, а также контроля уровней аналоговых сигналов с накоплением полученной информации и передачей ее на АРМ оператора (далее - АРМ). Использование ПАК РСЗ позволяет организовать эффективный и надежный контроль параметров технологического процесса в нормальных и аварийных режимах работы. Запись графиков изменения входных сигналов в предаварийном и аварийном режимах предоставляет широкие возможности для всестороннего анализа работы оборудования.

Структурная схема комплекса показана на рис. 6.18. Благодаря открытой архитектуре баз данных ПАК РСЗ может быть встроен в состав более крупной АСУТП. Комплекс функционирует на базе локальной вычислительной сети, что позволит просматривать полученные данные на любом компьютере, подключенном к этой сети.

АРМ оператора

I ООО 1 . .

ЧЕЕУ ^

Принтер

ПЭВМ

Ethernet, RS485

USB

Мобил ьное АРМ

о< о

о. о

Регистратор 1

Регистратор 2

О] о

□

Регистратор N

Рисунок 6.18 - Структурная схема технических средств ПАК РСЗ «Пульсар-М»

Аппаратная часть ПАК РСЗ выполнена по двухуровневой схеме. Нижний уровень включает в себя микропроцессорные регистраторы [97, 113], осуществляющие непосредственное наблюдение за состоянием реле защит и уровнями аналоговых сигналов, а также накопление полученных данных и передачу их на верхний уровень. Верхний уровень представляет собой АРМ с установленным специальным ПО [112]. ПО АРМ осуществляет прием данных от регистраторов, их накопление, обработку и архивирование.

Регистраторы могут располагаться на расстоянии до 100.150 метров от контролируемого объекта и соединяются с датчиками с помощью комплекта кабелей. Между собой, а также с АРМ, они связаны локальной сетью Ethernet. При невозможности создания локальной сети связь можно организовать по интерфейсу RS-485. Таким образом, оператор имеет возможность просмотреть данные, полученные любым регистратором, а также оперативно изменить его настройки.

Разработанный автором переносной пульт оператора [203, 204] обеспечивает возможность чтения протоколов регистраторов системы в автономном режиме (при отсутствии АРМ или связи с ним).

Основными элементами ПАК РСЗ являются регистраторы событий. Структурная схема регистратора приведена на рис. 6.19.

RS485, Дискр. Дискретные входы Аналог. Ethernet выходы г-А-> входы

Рисунок 6.19 - Структурная схема регистратора событий

Блоки дискретного ввода (БДВ) обеспечивают постоянное наблюдение за состоянием контролируемых контактов реле защит и выявление изменений этого состояния. Блок аналогового ввода (БАВ) осуществляет контроль уровней сигналов на аналоговых входах регистратора. Микропроцессорный блок (МПБ) является основным элементом изделия, координирующим работу других блоков и осуществляющим взаимодействие с более высокими уровнями АСУ ТП. Индикаторные панели (ИП) изделия, блоков дискретного и аналогового ввода (ИП БДВ и ИП БАВ) предназначены для отображения текущего состояния соответствующего блока и его входов. Обмен данными между МПБ, БДВ и БАВ осуществляется с помощью интерфейса CAN, ИП взаимодействуют с блоками по интерфейсу SPI.

Для нормального функционирования регистратора необходимо организовать информационный обмен между его блоками, заключающийся в периодической передаче текущих данных с БДВ и БАВ на МПБ по инициативе МПБ. Вследствие сравнительно небольшого числа взаимодействующих блоков и однотипности передаваемых данных использование достаточно сложного универсального протокола CANopen [86], рассмотренного в параграфе 2.1.3.3, в данном случае нецелесообразно. Для взаимодействия блоков регистратора был разработан протокол, реализующий упрощённые версии служб SYNC и PDO CANopen:

1. В начале каждого цикла обмена данными МПБ отправляет короткое синхронизирующее сообщение, содержащее признак запрашиваемых данных: дискретные, аналоговые или те и другие.

2. В ответ на это сообщение при запросе дискретных данных каждый БДВ отправляет в шину CAN сообщения, содержащие признаки текущего состояния его входов (64 бита) и признаки автоматической блокировки входов (64 бита). При запросе аналоговых данных БАВ передаёт в шину текущие значения входных сигналов (всего 16 значений по 2 байта каждое). Сведения о приоритетах, длине и количестве сообщений приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Сообщения межблочного взаимодействия регистратора

Приоритет Назначение Размер данных, байт Количество блоков, шт

1 Синхронизация 0 1

2 Дискретные входы 8 4

3 Автоблокировка 8 4

4 Аналоговые входы 1.4 8 1

5 Аналоговые входы 5.8 8 1

6 Аналоговые входы 9.12 8 1

7 Аналоговые входы 13.16 8 1

На начальном этапе разработки регистратора возникла необходимость оценить нагрузку y шины CAN и выбрать длительность цикла синхронизации Tsync,

гарантирующую доставку всех сообщений в течение одного цикла. Рассмотрим использование вероятностной модели, разработанной в параграфе 2.3.2, для решения этой задачи. С использованием сведений из таблицы 6.1 подготовим следующие исходные данные для модели:

- количество классов заявок H = 7;

- количество типов модулей M = 3;

- коэффициент увеличения времени передачи п = 0.438 (параграф 2.3.2.3);

- скорость шины CAN: 500 кбит/с;

- столбец количества модулей разного типа M = [1 4 1]г;

- матрицы периодичности отправки заявок B, длин сообщений D, количества отдельных значений в сообщении V и режима вычисления интенсивностей LM:

B

1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

D

0 -1 -1 -1 -1 -1 -1

-1

-1 -1 -1 -1

-1 -1 -1 8 8 8 8

V =

0 0 0 0 0 0 0 0 64 64 0 0 0 0 0 0 0 4 4 4 4

LM =

0000000 0000000 0000000

Матрица ЬМ содержит одинаковые значения, поскольку все сообщения в регистраторе передаются с заданной периодичностью.

Модель была исследована в диапазоне длительностей цикла синхронизации от 1 до 10 мс. Из полученных результатов, представленных на рис. 6.20, следует, что на скорости 500 кбит/с интерфейс работает без перегрузки (у < 1) лишь при TsYNC > 3 мс. Поскольку по требованию заказчика периодичность опроса не должна было превышать 1 мс, скорость шины увеличили до 1 Мбит/с. Однако, как видно на графике «1 Мбит/с, а» (рис. 6.20), и при такой скорости нагрузка становится меньше единицы лишь при Т^с > 2 мс. Для достижения требуемой длительности Т^с был модифицирован протокол обмена: в сообщении синхронизации МПБ запрашивал данные трёх разных видов: состояние входов БДВ, состояние автоблокировки БДВ и значения сигнала на аналоговых входах. Это позволило опрашивать входы БДВ с максимальной частотой (в каждом цикле) а запросы

состояния автоблокировки и состояния аналоговых входов чередовать, поскольку для них высокая частота опроса не требуется. Это снизило нагрузку интерфейса и позволило обеспечить требуемые показатели быстродействия (график «1 Мбит/с, б»).

3.000 2.500

^ 2.000

S

н

0 1.500

го

1 1.000

го

1 0.500 0.000

1 23456789 10 Длительность цикла, мс

Рисунок 6.20 - Нагрузка интерфейса CAN регистратора событий

Таким образом, использование разработанной вероятностной модели позволило на самых ранних этапах проектирования ПАК РСЗ исследовать особенности межмодульного взаимодействия в регистраторе событий и гарантировать соблюдение технических требований заказчика.

6.3.3.3 Автоматизация создания элементов программного обеспечения

Ещё одной задачей, решённой при создании ПАК РСЗ с помощью предложенных методов, является разработка модели данных регистратора, то есть описания совокупности доступных извне ресурсов и способов обращения к ним. Поскольку для взаимодействия регистраторов с АРМ оператора использовался протокол MODBUS [205], требовалось выполнить следующее:

- определить количество и назначение объектов данных каждого типа;

- выполнить распределение адресных пространств (то есть назначить каждому объекту данных уникальный адрес в соответствующем адресном пространстве);

500 кбит/с 1 Мбит/с, а

t

\_ _1 Мбит/с, б

\

\

_i_

* N \ \

- реализовать отображение объектов данных МОВВ^ на ресурсы разрабатываемого устройства.

Первые две задачи сводятся к составлению таблицы, содержащей для каждого объекта данных его тип, адрес и описание. Фрагмент такой таблицы приведён в табл. 6.2.

Таблица 6.2 - Распределение адресного пространства устройства МОБВ^

Адрес Число объектов Тип Описание

Начало Конец

Регистры состояния

0x0000 0x000F 16 регистры уровней входных сигналов

0x0010 0x00^ 16 регистры состояния входных сигналов

0x0020 0x0020 1 регистр флагов состояния устройства

0x0021 0x0021 1 регистр флагов наличия блоков

0x0022 0x0022 1 регистр флагов исправности блоков

Регистры конфигурации

0x0300 0x0301 2 Hld 2 старших, затем 2 младших байта 1Р-адреса

0x0302 0x0303 2 Hld 2 старших, затем 2 младших байта маски подсети

0x0304 0x0305 2 Hld 2 старших, затем 2 младших байта 1Р-адреса шлюза

0x0306 0x0307 2 Hld 2 старших, затем 2 младших байта 1Р-адреса NTP-сервера

Полная таблица описания регистратора содержит несколько сотен строк. Она используется, во-первых, при составлении документации на устройство, а во-вторых, для создания заголовочного файла, описывающего имеющиеся объекты данных и применяющегося как при разработке ПО регистратора, так и при разработке ПО взаимодействующих с ним устройств. В процессе создания и модификации такой таблицы разработчик сталкивается со следующими проблемами:

- обеспечение целостности распределения адресного пространства.

- обеспечение соответствия таблицы и заголовочного файла ПО.

При ручной модификации модели данных велика вероятность ошибок, причём эти ошибки зачастую могут быть выявлены только в процессе отладки

разрабатываемого устройства совместно с другими взаимодействующими с ним устройствами, а в худшем случае - во время эксплуатации конечным пользователем. Для решения указанной проблемы под руководством и при участии автора было создано программное средство [206], использующее метод конфигурирования, аналогичный разработанному в параграфе 2.2.2, и учитывающее специфику протокола MODBUS. Разработанное ПО реализует следующие функции:

- автоматическая коррекция адресов объектов при вставке, удалении и редактировании объектов модели;

- автоматическая проверка распределения адресных пространств (выявление наложений адресуемых областей);

- автоматическое формирование заголовочного файла на языке C и включаемого (include) файла на языке Object Pascal для использования в составе ПО регистратора и АРМ оператора соответственно.

Применение описанного программного средства позволило сократить время разработки модели данных регистратора и создания соответствующих заголовочных файлов с нескольких дней до нескольких часов, практически исключив при этом возможность возникновения ошибок и упростив последующую модификацию модели.

6.4 Выводы по главе 6

В шестой главе диссертации получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Разработаны функциональные схемы аппаратных средств интеллектуальных датчиков, использующих предложенные методы определения работоспособности и повышения точности: метод термокомпенсации, метод измерения КП ПА и метод диагностики ПА.

2. Разработаны алгоритмы функционирования устройств диагностики ПА и измерения КП ПА в рабочем режиме СВМ.

3. Разработаны функциональные схемы аппаратных средств модулей среднего уровня цифровой СВМ: модуля ввода, отображения и сигнализации, системного контроллера.

4. Показана возможность использования разработанных методов в смежных областях науки и техники:

- разработан метод повышения помехоустойчивости устройства управления дугогасящим реактором путём модификации метода диагностики ПА; показано, что использование метода обеспечивает уменьшение случайной составляющей погрешности измерения в 1.3 раза;

- разработан программный комплекс конфигурирования модульных АСУТП электрических подстанций, использующий адаптированные методы описания и моделирования СВМ, предложенные в данной работе;

- разработан программно-аппаратный комплекс регистрации срабатываний защит ТА; показана возможность использования предложенного вероятностного метода и модели для оценки и выбора параметров межмодульного взаимодействия в регистраторе событий; описана адаптация предложенного метода конфигурирования модулей СВМ для автоматизации создания элементов программного обеспечения комплекса и сокращения времени их разработки с нескольких дней до нескольких часов.

356 Заключение

Основные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем.

1. Показано, что на качественные и эксплуатационные показатели СВМ существенно влияют как характеристики отдельных модулей системы, так и особенности их взаимодействия. Сформулированы основные требования к СВМ на основе анализа причин вибрации ТА и нормативных документов.

2. Предложен новый подход к проектированию СВМ, обеспечивающий надёжность, контроль, диагностику функционирования элементов на всех уровнях системы с учётом их взаимодействия и функциональных особенностей, а также улучшение их технико-экономических характеристик, предполагающий:

а) Использование магистрально-модульной структуры на среднем уровне системы с целью обеспечения высокой ремонтопригодности, реализации функций диагностики и резервирования, а также применение интеллектуальных датчиков на нижнем уровне системы для повышения точности измерений и помехоустойчивости.

б) Разработку и использование методов анализа процессов межмодульного взаимодействия и конфигурирования модулей СВМ, а также методов обеспечения надёжности, контроля и диагностики при проектировании среднего уровня системы.

в) Разработку методов диагностики и определения параметров первичных преобразователей, создание высокоточных интеллектуальных датчиков с их использованием при проектировании нижнего уровня системы.

г) Разработку и применение методов улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик интеллектуальных датчиков и иных цифровых устройств путём повышения эффективности использования вычислительных ресурсов.

3. Разработаны и теоретически обоснованы методы анализа процессов межмодульного взаимодействия и конфигурирования модулей среднего уровня

СВМ, совместное использование которых позволяет избежать грубых ошибок на ранних стадиях проектирования, исследовать влияние параметров настройки отдельных модулей на обобщённые показатели качества функционирования сети передачи данных СВМ, выбрать оптимальные значения параметров настройки:

а) Вероятностный метод и реализующая его модель для оценки параметров межмодульного взаимодействия, учитывающий случайный характер изменения измеряемых величин и обеспечивающий оперативную оценку основных параметров функционирования сети передачи данных системы на начальных этапах проектирования;

б) Метод имитационного моделирования работы модулей СВМ и реализующая его модель, учитывающие реальные параметры настройки модулей и обеспечивающие возможность детального изучения коммуникационных процессов в заданных условиях.

в) Метод оценки времени доставки сообщений CAN с учетом их формата и содержания, используемый как при вероятностной оценке параметров, так и при имитационном моделировании.

г) Метод конфигурирования модулей, обеспечивающий согласованную настройку коммуникационных параметров элементов СВМ.

4. Разработаны и теоретически проанализированы методы и модели для обеспечения надёжности, контроля и диагностики элементов среднего уровня системы вибромониторинга, а именно:

а) Модель вибрационных состояний ТА, учитывающая взаимосвязь параметров вибрации в различных контролируемых точках и обеспечивающая идентификацию аномальных состояний агрегата. Показано, что использование этой модели в СВМ снижает вероятность ложного срабатывания защиты ТА по вибрации не менее чем в 100 раз, при этом вероятность несрабатывания защиты возрастает не более чем в 2 раза. Доказана целесообразность использования предложенной модели для выявления неисправных состояний СВМ.

б) Метод самодиагностики СВМ, использующий предложенную модель вибрационных состояний ТА для выявления отказов системы в процессе её функционирования.

в) Метод частичного распределения функций с резервированием, заключающийся в параллельном выполнении части функций большинства модулей СВМ другими модулями, что позволяет упростить структуру СВМ, снизить вероятность ошибок управления и реализовать взаимную диагностику модулей системы. Показано, что при управлении сигнализацией использование метода снижает вероятность ошибок первого и второго рода на 5.18 % в зависимости от сложности ТА. При управлении защитой вероятность ошибок первого рода снижается на 90.93 %, ошибок второго рода - на 63.66 %.

5. Разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально исследованы методы и реализующие их алгоритмы диагностики и определения параметров первичных преобразователей для интеллектуальных датчиков вибрации:

а) Усовершенствованный метод диагностики ПА в рабочем режиме СВМ, основанный на измерении частоты установочного резонанса ПА путём исследования свободной составляющей переходного процесса, вызванного импульсным возбуждением чувствительного элемента ПА, выделяемой из суммарного сигнала различными методами в зависимости от характера помех. Показано, что в зависимости от метода выделения свободной составляющей обеспечиваются либо невысокие требования к вычислительным ресурсам контроллера ИД при малом времени диагностики (100.200 мс), либо повышенная помехоустойчивость.

б) Усовершенствованный метод измерения коэффициента преобразования ПА в рабочем режиме СВМ, обеспечивающий малую погрешность измерения (не более ±1.5 %), основанный на определении параметров затухающих свободных колебаний чувствительного элемента ПА, выделяемых из суммарного сигнала различными методами в зависимости от характера помех.

6. Предложены и обоснованы технические принципы создания и алгоритмы функционирования интеллектуальных датчиков вибрации, использующих

разработанные методы повышения точности и самодиагностики. Показано, что применение указанных методов обеспечивает практически постоянный контроль работоспособности первичного преобразователя, а также в несколько раз уменьшает дополнительную температурную погрешность измерения параметров вибрации.

7. Разработаны и экспериментально исследованы методы и алгоритмы повышения эффективности использования вычислительных ресурсов элементов и устройств модульных СВМ. Показано, что применение этих методов позволяет либо реализовать дополнительные функции без изменения аппаратной части устройства, либо использовать процессор меньшей мощности для реализации необходимых функций, что в обоих случаях способствует улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик изделия.

8. Показана возможность и приведены примеры использования разработанных методов в смежных областях науки и техники: при проектировании модульных систем управления электрическими подстанциями, при реализации устройства управления дугогасящим реактором, а также при разработке программно-аппаратного комплекса регистрации срабатываний технологических защит ТА.

9. Разработаны устройства, алгоритмы, модели и комплексы программ, защищённые патентами РФ и свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, обеспечивающие реализацию разработанных методов. Разработанное оборудование внедрено в опытную и промышленную эксплуатацию более чем на 10 электростанциях России (всего более чем на 100 турбоагрегатах).

АРМ - автоматизированное рабочее место

АСКВД - автоматизированная система контроля вибрации и диагностики

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

АЭС - атомная электростанция

БИВ - блок измерений и вычислений

БИИ - блок измерения и индикации

БИХ - бесконечная импульсная характеристика

БПР - блок принятия решений

БЩУ - блочный щит управления

ВУ - верхний уровень (информационно-измерительной системы)

ДГР - дугогасящий реактор

ИД - интеллектуальный датчик

ИИС - информационно-измерительная система

ИМ - имитационная модель

КИД - контроллер интеллектуального датчика

КИДВ - контроллер интеллектуального датчика вибрации

КИХ - конечная импульсная характеристика

КНПС - контур нулевой последовательности сети

КП - коэффициент преобразования

МВВ - модуль ввода-вывода;

МВО - модуль вибрации опор;

МВОС - модуль ввода, отображения и сигнализации;

ММВ - модуль механических величин;

МОВ - модуль относительной вибрации;

МПК - микропроцессорный контроллер

МПС - микропроцессорная система

МЧФ - модуль частоты и фазы;

НСН - напряжение смещения нейтрали

ОМК - однокристальный микропроцессорный контроллер

ПА - пьезоэлектрический акселерометр

ПО - программное обеспечение

ПП - первичный преобразователь

СВМ - система вибромониторинга

СМО - система массового обслуживания

СПД - сеть передачи данных

СУ - согласующее устройство

ТА - турбоагрегат

ТЭС - тепловая электростанция

УАПП - универсальный асинхронный приёмопередатчик

УР - установочный резонанс (пьезоакселерометра)

УЗ - усилитель заряда

ФВЧ - фильтр высоких частот

ФНЧ - фильтр низких частот

ЦСП - цифровой сигнальный процессор

ЧЭ - чувствительный элемент

1. Гольдин, А.С. Вибрация роторных машин / А.С. Гольдин. - М.: Машиностроение, 1999. - 344 с.

2. Барков, А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации /

A.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев. - СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2000. -169 с.

3. ГОСТ 24347-80 Вибрация. Обозначения и единицы величин. - введ. 1.01.81.

- М.: Изд-во стандартов, 1986. - 3 с.

4. ГОСТ 25364-97 Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений. - взамен ГОСТ 25364-88; введ. 1.07.99. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 6 с.

5. ГОСТ 27165-97 Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации валопроводов и общие требования к проведению измерений. - взамен ГОСТ 27165-86; введ. 1.07.99. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 7 с.

6. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: Метод акустической эмиссии / Кн. 2 Вибродиагностика / Под общ. ред. чл.-корр. РАН

B.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.

7. ГОСТ 31320-2006 Вибрация. Методы и критерии балансировки гибких роторов. - введ. 1.07.08. - М.: Стандартинформ, 2008. - 33 с.

8. Klempner, G. Operation and Maintenance of Large Turbo Generators / G. Klempner, I. Kerszenbaum. - Copyright © 2004 Institute for Electrical and Electronics Engineers, Inc. - 580 р. - ISBN 0-471-61447-5

9. Абашидзе, А.И. Фундаменты машин тепловых электростанций / А.И. Абашидзе. - М.: Энергия, 1975. - 256 с.

10. Острейковский В.А. Эксплуатация атомных станций: Учебник для вузов /

- М.: Энергоатомиздат, 1999. - 928 с.

11. Развитие и оптимизация систем контроля атомных электростанций с ВВЭР: монография / В.И. Скалозубов, Д.В. Билей, Т.В. Габлая, и др.; под ред.

В.И. Скалозубова; НАН Украины, Ин-т проблем безопасности АЭС. - Чернобыль (Киев, обл.) : - Ин-т проблем безопасности АЭС, 2008.-512 с.

12. Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале ОАО «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего» [Электронный ресурс] / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору, 2009. - URL: http://www.rushydro.ru/ file/ main/ global/ press/ news/ 8526.html/ Akt_tehrassledovaniya_prichin_avarii_na_SShGES.pdf (дата обращения: 10.07.2021)

13. ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-88). Машины электрические вращающиеся. Турбогенераторы. Общие технические условия. - взамен ГОСТ 533-85, ГОСТ 53393; введ. 01.01.02. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 21 с.

14. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации [Электронный ресурс] / Приказ Минэнерго России от 19.06.2003 № 229 (ред. от 13.02.2019) - URL: https:// docs.cntd.ru/ document/ 901865958 (дата обращения: 18.05.2021)

15. ГОСТ 27164-86 Аппаратура специального назначения для эксплуатационного контроля вибрации подшипников крупных стационарных агрегатов. Технические требования. - введ. 1.01.88. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 4 с.

16. ГОСТ ISO 2954-2014 Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Требования к средствам измерений. - введ. 1.11.15. - М.: Стандартинформ, 2019. - 18 с.

17. Плотников, Д.А. Методы и интеллектуальные устройства контроля вибрации для систем защиты и управления турбоагрегатами: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.05 / Плотников Дмитрий Александрович. - Новочеркасск, 2011. - 290 с.

18. Каталог продукции группы компаний «Силовые машины» [Электронный ресурс] / АО «Силовые машины», 2020. - 380 с. - URL: https:// power-m.ru/ upload/ iblock/ 83b/ SM_product_cataloge_2020.pdf (дата обращения: 07.08.2021).

19. Группа компаний «Силовые машины». Паровые турбины [Электронный ресурс] / АО «Силовые машины», 2020. - 78 с. - URL: http:// www.energyed.ru/ res/ Discipline/ Engine/ tur-2-5.pdf (дата обращения: 07.08.2021).

20. Богуш, М.В. Влияние температуры на коэффициент преобразования пьезоэлектрических датчиков / М.В. Богуш // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008. - №2. - С. 36-39.

21. ADIS16228 Digital Triaxial Vibration Sensor with FFT Analysis and Storage. Rev. F [Электронный ресурс] / Analog Devices, 2018. - URL: https:// www.analog.com/ media/ en/ technical-documentation/ data-sheets/ adis16228.pdf (дата обращения: 30.07.2021)

22. Accelerometers and Conditioning - Product Catalogue January 2018 / Bruel&Kj^r, 2018. - 80 p.

23. Томпкинс, У. Сопряжение датчиков и устройств ввода-вывода с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / У. Томпкинс, Дж. Уэбстер. - М.: Мир, 1992. - 592 с.

24. Пейтон, А. Аналоговая электроника на операционных усилителях / А. Пейтон, В. Волш. - М.: Бином, 1994. - 352 с.

25. АО «Вибро-прибор». Датчики вибрации [Электронный ресурс] / АО «Вибро-прибор», 2021. - URL: http:// vpribor.spb.ru/ produkciya/ datchiki-vibracii.html (дата обращения: 30.07.2021)

26. Bruel & Kj^r Vibro. Charge Type Accelerometers [Электронный ресурс] URL: https:// www.bkvibro.com/ product-category/ products/ vibration-sensors-transmitters/ accelerometers/ charge-type/ (дата обращения: 30.07.2021)

27. Описание типа средства измерений. Преобразователи виброизмерительные пьезоэлектрические АПЭ [Электронный ресурс] / г. Ростов-на-Дону, ООО «Электрон», 2018. - 5 с. URL: https:// fgis.gost.ru/ fundmetrology/ registry/ 4/ items/ 361792 (дата обращения: 29.06.2021)

28. Извеков, В.И. Проектирование турбогенераторов: учеб. пособие для вузов / В.И. Извеков, Н.А. Серихин, А.И. Абрамов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. -440 с.

29. Система мониторинга роторных агрегатов «ИС АСУ ТП Вектор-М». Руководство по эксплуатации. ТМБН.421453.001 РЭ / г. Москва: ООО «ГК Инновация», 2015. - 102 с.

30. Аппаратура контроля механических параметров турбоагрегата «СИВОК». Руководство по эксплуатации. РЭ-4277-001-46548424-06. / г. Ростов-на-Дону: ООО «Электрон», 2017. - 98 с.

31. Описание типа средства измерений. Аппаратура контроля механических параметров турбоагрегата «СИВОК» [Электронный ресурс] / г. Ростов-на-Дону. ООО «Электрон», 2017. - 10 с. - URL: https:// fgis.gost.ru/ fundmetrology/ registry/ 4/ items/ 325316 (дата обращения: 31.07.2021)