УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОДУЛЯ ДВИЖЕНИЯ

Полезная модель относится к средствам технической диагностики и может быть использована в системах контроля технического состояния сложных объектов, например, робототехнических комплексов (РТК), работающих с динамическими изменяющимися моментами нагружения и частотами вращения.
Известен способ диагностирования объектов и устройство для его осуществления (описание изобретения к патенту RU №2239869, кл. G07С 11/00 опуб. 2004.11.10). Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что выполняется контроль значений параметров технического состояния и формируется оптимальная последовательность проверок поиска отказа. Для этого выполняют последовательно многократный контроль значений сигналов параметров технического состояния и формируют математические прогнозные модели изменения сигналов контролируемых параметров, по полученным моделям оценивают значения сигналов контролируемых параметров на глубине прогноза равному сигналу минимальной разности между сигналами соответственно ресурса и наработки элементов системы, и в случае превышения одним из них сигнала допустимого значения формируют сигналы, пропорциональные величине вероятности безотказной работы элементов системы на момент времени, равный глубине прогноза, а по полученным величинам сигналов вероятности безотказной работы формируют оптимальную последовательность поиска отказа объектов.
Для реализации описанного устройства используют устройство для диагностирования объекта, состоящее из блока преобразования и хранения значений контролируемых параметров состояния объекта, блока ключей, элемента ИЛИ, содержащее, кроме того, блок регистрации времен наработки функциональных блоков контролируемого объекта, блок задания времен ресурса функциональных блоков, блок суммирования, генератор тактовых импульсов, блок задания периода следования тактовых импульсов, двух элементов задержки времени, элемент выбора минимального значения разности ресурса и наработки, блок прогнозирования параметров состояния объекта, блок вычисления времени прогноза, блок вычисления текущих времен наработки, блок определения выхода контролируемых параметров за допустимые значения и блок вычисления вероятностей безотказной работы функциональных блоков контролируемого объекта.
Основными недостатками этого устройства является отсутствие измерительной системы, то есть набора датчиков, характеризующих объект диагностирования.
Из известных наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство виброакустической диагностики циклически функционирующих объектов (описание изобретения к патенту RU №2289802 С1, кл. G01М 13/00 опубл. 2006.12.20), включающее по меньшей мере один канал выделения измерительной информации, содержащий измерительный тракт контроля виброакустического сигнала, состоящий из последовательно соединенных первого преобразователя виброакустического сигнала и первого регулируемого усилителя, тракт контроля частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных датчика частоты вращения и второго регулируемого усилителя; тракт контроля звукового шума объекта, состоящий из датчика шума (измерительный микрофон) и четвертого регулируемого усилителя; тракт формирования электрического измерительного сигнала, состоящий из бесконтактного коммутатора, регулируемого цифрового фильтра, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), программно-управляемого фильтра на основе резонансных цепей, третьего регулируемого усилителя и контроллера; программируемый вычислитель, индикатор и регистрирующее устройство, соответствующие выходы которых соединены с соответствующими выходами программируемого вычислителя; прогнозирующее устройство автономно выполняющее расчет вероятностей безотказной работы функциональных блоков объекта. Принцип действия и связи между блоками прогнозирующего устройства являющегося прототипом описаны в патенте RU №2239869, кл. G07С 11/00 опуб. 2004.11.10, а принцип действия и связи между основными блоками устройства описаны в патенте RU №2289802 С1, кл. G01М 13/00 опуб. 2006.12.20.
Устройство ориентировано на анализ виброакустических характеристик объектов в основном при стендовых испытаниях, диагностирование циклически функционирующих объектов, работающих с динамическими изменяющимися моментами нагружения и частотами вращения, является узко специализированным, выполнено на устаревшей элементной базе (имеются электромеханические устройства), является громоздким в исполнении, обладает низкой надежностью и не глубоко анализирует полученную информацию.
Задачей полезной модели является повышение оперативности и объективности результатов диагностирования модулей движения различного назначения, расширение функций устройства и углубление анализа диагностирования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предложено устройство диагностирования и прогнозирования технического состояния модулей движения включающее один или несколько каналов выделения измерительной информации, каждый из которых содержит измерительный тракт контроля виброакустического сигнала, состоящий из последовательно соединенных датчиков вибрации и первого регулируемого усилителя, тракт контроля частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных датчика частоты вращения и второго регулируемого усилителя, тракт шума функционально законченный и пространственно расположенный в одном месте части блоков контролируемого объекта, состоящий из последовательно соединенных датчика шума и четвертого регулируемого усилителя, тракта формирования электрического сигнала, включающего бесконтактный коммутатор, регулируемый цифровой фильтр, цифроаналоговый преобразователь, программно-управляемый избирательный фильтр на основе резонансных цепей, третий регулируемый усилитель и контроллер, программируемый вычислитель, индикатор, регистрирующее устройство, прогнозирующее устройство входы которых связаны с соответствующими выходами программируемого вычислителя включает прогнозирующее устройство содержащее блок формирования исходных данных первый вход которого соединен с пятым выходом программируемого вычислителя, а выход соединен с первым входом первого нейросетевого вычислителя, второй выход которого соединен со вторым входом блока формирования исходных данных, первый выход первого нейросетевого вычислителя соединен с входом второго нейросетевого вычислителя, выход которого соединен с входом блока сравнения, первый выход блока сравнения соединен с входом счетчика периодов, а второй его выход соединен с блоком индикации периодов функционирования контролируемого объекта, второй выход счетчика периодов соединен со вторым входом первого нейросетевого вычислителя, а первый его выход соединен с первым входом блока индикации периодов функционирования, выход которого соединен со вторым входом индикатора устройства.
Предлагаемая структура прогнозирующего устройства позволяет перенастраивать нейросетевые вычислители на различные типы модулей движения, что повышает универсальность системы.
За счет того, что устройство позволяет выполнять множество шагов прогнозирования на равные интервалы времени и на любую глубину прогноза, можно построить оптимальные графы диагностирования и технического обслуживания системы, состоящей из многих модулей движения.
Предлагаемая полезная модель устройства прогнозирования выполнена на базе современных вычислительных устройств и представляет собой программу вычислений, поэтому обладает максимальной надежностью в работе, особенно, по сравнению с электромеханическими устройствами.
Сущность предлагаемого устройства в виде функциональной схемы показана на фиг.1.
Устройство диагностирования и прогнозирования технического состояния модулей движения содержит:
1 - канал выделения измерительной информации о виброакустических параметрах, частоте вращения и звуковом шуме;
2 - программируемый вычислитель;
3 - регистрирующее устройство;
4 - индикатор;
5 - прогнозирующее устройство;
6 - датчик вибраций;
7 - первый регулируемый усилитель;
8 - датчик частоты вращения;
9 - второй регулируемый усилитель;
10 - датчик шума;
11 - четвертый регулируемый усилитель;
12 - коммутатор;
13 - регулируемый цифровой фильтр;
14 - цифро-аналоговый преобразователь;
15 - программно-управляемый избирательный фильтр;
16 - третий регулируемый усилитель;
17 - контроллер;
18 - блок формирования исходных данных;
19 - первый нейросетевой вычислитель;
20 - второй нейросетевой вычислитель;
21 - блок сравнения;
22 - счетчик периодов;
23 - блок индикации периодов функционирования.
Устройство (фиг.1) состоит из канала выделения измерительной информации 1, программируемого вычислителя 2, регистрирующего устройства 3, вход которого связан с первым выходом программируемого вычислителя 2, индикатора 4, первый вход которого связан со вторым выходом программируемого вычислителя 2 и прогнозирующего устройства 5, первый вход которого соединен с пятым выходом программируемого вычислителя 2, а выход прогнозирующего устройства 5 соединен со вторым входом индикатора 4.
Канал выделения измерительной информации 1 включает:
- измерительный тракт контроля виброакустического сигнала, состоящий из последовательно соединенных датчика вибраций 6 и первого регулируемого усилителя 7, первый вход которого, связан с выходом датчика вибраций 6, а выход с первым входом бесконтактного коммутатора 12;
- измерительный тракт для контроля частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных датчика частоты вращения 8 и второго регулируемого усилителя 9, первый вход которого связан с выходом датчика частоты вращения 8, а выход связан со вторым входом коммутатора 12;
- измерительный тракт для контроля шума функционально законченной и пространственно расположенной в одном месте части блоков контролируемого объекта, состоящий из последовательно соединенных датчика шума (измерительный микрофон) 10 и четвертого регулируемого усилителя 11, первый вход которого связан с выходом датчика шума 10, а выход связан с третьим входом коммутатора 12;
- тракт формирования электрического сигнала, включающий бесконтактный коммутатор 12, первые три входа которого связаны с соответствующими выходами регулируемых усилителей измерительных трактов, регулируемый цифровой фильтр 13, первый вход которого связан с выходом коммутатора 12, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 14, вход которого и первый выход связаны с соответствующими третьим выходом и первым вход программируемого вычислителя 2, программно-управляемый избирательный фильтр на основе резонансных цепей 15, первый вход которого связан со вторым выходом ЦАП 14, третий регулируемый усилитель 16, первый вход которого связан с третьим выходом ЦАП 14, второй вход третьего регулируемого усилителя 16 связан с выходом программно-управляемого избирательного фильтра на основе резонансных цепей 15, выход третьего регулируемого усилителя 16 связан со вторым входом регулируемого цифрового фильтра 13;
- контроллер 17, первый вход и первый выход которого связан с соответствующими четвертым выходом и вторым входом программируемого вычислителя 2, второй вход контроллера 17 связан с первым выходом регулируемого цифрового фильтра 13, второй выход контроллера 17 связан со вторым входом первого регулируемого усилителя 7, третий выход контроллера 17 связан со вторым входом второго регулируемого усилителя 9, четвертый выход контроллера 17 связан с третьим входом третьего регулируемого усилителя 16, пятый выход контроллера 17 связан со вторым входом четвертого регулируемого усилителя 11, шестой вход контроллера 17 связан с третьим входом регулируемого цифрового фильтра 13, седьмой выход контроллера 17 связан со вторым входом программно-управляемого избирательного фильтра на основе резонансных цепей 15, восьмой выход контроллера 17 связан с четвертым входом коммутатора 12.
Прогнозирующее устройство 5 содержит: блок формирования исходных данных 18, два последовательно соединенных нейросетевых вычислителя 19 и 20, блок сравнения 21, счетчик периодов 22 и блок индикации периодов функционирования 23. Прогнозирующее устройство 5 состоит из блока формирования исходных данных 18 первый вход которого соединен с пятым выходом программируемого вычислителя 2, а выход соединен с первым входом первого нейросетевого вычислителя 19, первый выход первого нейросетевого вычислителя 19 соединен с входом второго нейросетевого вычислителя 20 выход которого подан на вход блока сравнения 21, первый выход блока сравнения 21 соединен с входом счетчика периодов 22, а второй его выход соединен с блоком индикации периодов функционирования объекта 23, выход счетчика периодов 22 соединен со вторым входом первого нейросетевого вычислителя 19, а первый его выход соединен с первым входом блока индикации периодов функционирования 23, выход которого соединен со вторым входом общего индикатора системы 4.
Предлагаемое устройство (фиг.1) может быть снабжено одним, двумя и более каналами выделения измерительной информации, идентичных каналу 1.
Устройство работает следующим образом
1
min1
1
max1
min1
max1
При диагностировании модулей движения, электрический аналоговый сигнал, снимаемый в течение минимально возможного интервала времени (времени 2-3 оборотов выходного вала) с датчика вибрации 6, который углубленно контролирует отдельный механизм объекта, поступает в первый регулируемый усилитель 7, где усиливается до заданного уровня (определение требуемого уровня усиления осуществляется с использованием программируемого вычислителя 2), через бесконтактный коммутатор 12, управляемый контроллером 17, отфильтровывается регулируемым цифровым фильтром 13, настроенным на полосу пропускания, охватывающую весь возможный Δf диапазон наиболее информативных частот диагностирования f≤Δf≤f, где f (f) - наименьшая (наибольшая) из информативных частот диагностирования для вибраций.
Затем сигнал передается на контроллер 17, откуда через соответствующий интерфейсный блок (не показан) поступает в программируемый вычислитель 2, где формируется в виде файла данных с привязкой к реальному масштабу времени.
В последующий момент времени (времени 2-3 оборотов выходного вала) в измерительный тракт контроля частоты вращения с датчика частоты вращения 8 аналоговый электрический сигнал поступает на второй регулируемый усилитель 9, где усиливается до заданного уровня и, через коммутатор 12 и фильтр 13, преобразуется в цифровой вид, передается на контроллер 17 и через него на программируемый вычислитель 2, где формируется в виде файла данных.
2
min2
2
max2
min2
max2
В последующий момент времени (времени 2-3 оборота выходного вала) в измерительный тракт контроля шума объекта с датчика шума 10, который контролирует работу функционально законченной и пространственно расположенной в одном месте части блоков контролируемого объекта, аналоговый электрический сигнал поступает на четвертый регулируемый усилитель 11, где усиливается до заданного уровня (определение требуемого уровня усиления осуществляется с использованием программируемого вычислителя 2), передается через коммутатор 12, отфильтровывается регулируемым (от контроллера 17) цифровым фильтром 13, настроенным на полосу пропускания, охватывающую весь возможный Δf диапазон наиболее информативных частот диагностирования f≤Δf≤f, где f (f)- наименьшая (наибольшая) из информативных частот диагностирования для шума.
Затем передается на контроллер 17, откуда через соответствующий интерфейсный блок (не показан) поступает в программируемый вычислитель 2, где формируется в виде файла данных с привязкой к реальному масштабу времени.
С помощью контроллера 17 осуществляется управление процессом съема и преобразовательной обработки диагностических данных.
После завершения формирования файла исходных данных приступают к его обработке и в начале анализируют сигналы датчика шума объекта. Если сигнал шума диагностируемой части объекта не превышает допустимых норм, то приступают к углубленному диагностированию планируемого механизма объекта с помощью датчика вибраций, в противном случае выясняют причину шума, отыскивают шумящий механизм и углубленное диагностирование начинают с этого механизма.
Углубленное диагностирование выполняют в следующей очередности. С помощью тракта формирования электрического сигнала от программируемого вычислителя 2 исходный виброакустический сигнал, зафиксированный в цифровом виде на программируемом вычислителе 2, поступает на ЦАП 14 и, посредством управления от программируемого вычислителя 2, преобразуется в электрический аналоговый сигнал, который усиливается третьим регулируемым усилителем 16, фильтруется цифровым фильтром 13, перестроенным посредством контроллера 17 и программируемого вычислителя 2 на требуемую полосу пропускания, позволяющую выделить необходимую информативную составляющую спектра. Отфильтрованный фильтром 13 преобразованный в цифровой вид сигнал передается в контроллер 17 и через него - на программируемый вычислитель 2, где фиксируется в виде файла данных с временной реализацией рассмотренного процесса в данной полосе пропускания.
При необходимости, исходный виброакустический сигнал многократно воспроизводится программируемым вычислителем 2 и ЦАП 14, усиливается третьим усилителем 16 и фильтруется регулируемым цифровым фильтром 13, что обеспечивает его «сканирование» по частоте фильтрации с различной шириной полосы пропускания без каких-либо ограничений по времени и на абсолютно идентичных режимах функционирования диагностируемого объекта, что существенно расширяет возможности анализа.
0
При сложности выделения «слабых» по амплитуде, но информативных, с позиции диагностирования, частот сигналов используются программно-управляемый избирательный фильтр на основе резонансных цепей 15, который позволяет за счет управления от программируемого вычислителя 2 через контроллер 17 настроить резонансный контур на требуемую конкретную частоту f, выделить ее из общего спектра, усилить третьим усилителем 16, преобразовать в цифровой вид фильтром 13 и через контроллер 17 передать на программируемый вычислитель 2 с формированием на нем файла данных с временной реализацией колебаний на анализируемой частоте. Это также расширяет возможности анализа диагностируемого сигнала.
В целом анализ диагностических данных осуществляется с учетом реального масштаба времени и частот вращения механизмов диагностируемого объекта.
При выявлении, в процессе анализа диагностических данных, необходимости изменения алгоритма обработки исходного сигнала, использование предлагаемого устройства позволяет это сделать без повторного съема контролируемых параметров.
После комплексной обработки диагностической информации в программируемом вычислителе 2 она представляется в удобном для потребителя виде на индикаторе 4 и фиксируется в регистрирующем устройстве 3.
Прогнозирующее устройство 5 работает следующим образом.
N
1
N-3
2
N-2
3
N-1
N
4
N
N+1
1
N-2
2
N-1
3
N
N+1
4
N+1
Из программируемого вычислителя 2 извлекаются N последних диагностических сигналов, снятых через равный интервал времени, и передаются в блок формирования исходных данных 18, где происходит формирование входной матрицы Р=[τ, … τ; τ, … τ; τ, … τ] и вектора цели Н=[τ, … τ], которые подаются на вход нейросетевого вычислителя 19, вычисляющего значения диагностирующих сигналов в следующий момент времени. Полученные сигналы подаются на вход второго нейросетевого вычислителя 20, вычисляющего состояние модуля движения в следующий интервал времени, выходной сигнал которого подается на вход блока сравнения 21, с которого, в случае положительного значения функции прогнозирования, сигнал подается на вход счетчика периодов 22, где происходит наращивание количество периодов работоспособности (Т=Т+1), текущее значение которого отображается на блока индикации периодов функционирования 23. Сигнал, снимаемый со второго выхода счетчика периодов 22, подается на второй вход нейросетевого вычислителя 19, после чего вычисленные значения диагностирующих сигналов в следующий момент времени передаются в блок формирования исходных данных 18, где формируются новые векторы входа Р=[τ, … τ; τ, … τ; τ, … τ]и цели H=[τ, … τ]. Весь процесс прогнозирования повторяется до тех пор, пока функция прогнозирования положительна. Если функция прогнозирования отрицательна или равна нулю, то управляющий сигнал со второго выхода блока сравнения 21 подается на второй вход блока индикации периода 23, текущее значение счетчика периода 22 поступает на вход индикатора 4, отображающего число интервалов работоспособной работы объекта диагностирования.
Таким образом, замена сложного электромеханического устройства прогнозирования, позволяющего вычислить вероятность безотказной работы, более простым и надежным устройство, осуществляющим программную обработку исходных данных и позволяющим вычислить время наступления отказа, определить причину будущей неисправности, и при этом существенно увеличить глубину анализа диагностической информации, а также повысить оперативность и объективность диагностирования сложных технических систем.