Способ диагностики измерительного канала
MEASUREMENT CHANNEL DIAGNOSTIC METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики измерительного канала (ИК), выполняющего измерение контролируемого параметра объекта, в режиме непрерывного технологического процесса.
Потенциальными областями применения являются объекты атомной, тепловой и гидроэнергетики, химической и перерабатывающей промышленности, а также другие производства, где применяются каналы, измеряющие косвенно зависимые контролируемые параметры.
В настоящее время с внедрением и стремительным развитием программно-технических комплексов (ПТК) наблюдается повышение уровня автоматизации и увеличение числа ИК на вновь проектируемых и вводимых в эксплуатацию промышленных объектах. Так, на современных объектах электроэнергетики число измерительных каналов, в состав которых стали входить программно-технические комплексы, возросло в среднем в 2,5 раза по отношению к проектам 2000 – 2003 гг. и составило свыше 22 тысяч единиц ИК на энергоблок. Вместе с тем стал наблюдаться и рост числа дефектов ИК по причине сбоев в работе программно-технических комплексов, приводящих к отсутствию реакции ИК на реальные изменения контролируемого параметра. Несвоевременное обнаружение таких дефектов может сказаться на повышении производственных рисков и развитии критических ситуаций.
Одним из основных инструментов по выявлению таких дефектов являются методы онлайн диагностики ИК. На сегодняшний день в промышленности РФ широко распространены методы, предназначенные для онлайн диагностики резервированных ИК, основанные на отслеживании индивидуальных отклонений ИК от среднего арифметического их показаний. Данные методы выявляют вышеуказанные дефекты только в тех случаях, когда сбои в работе ПТК приводят к появлению отклонений между показаниями резервированных ИК. Для нерезервированных ИК указанные методы априори не применимы. Для сравнения, на современных объектах электроэнергетики количество резервированных ИК составляет не более чем 59 % от общего числа ИК энергоблока. Отсюда применяемые методы могут диагностировать вышеуказанные дефекты не более чем для 59 % ИК энергоблока.
Возникает потребность в разработке таких методов диагностики, которые бы позволили своевременно выявлять вышеуказанные дефекты как для резервированных, так и нерезервированных ИК в режиме непрерывного технологического процесса.
Одним из направлений в диагностике ИК являются системы, использующие нейронные сети.
Известны «Устройство и способ для контроля технической установки, содержащей множество систем, в частности установки электростанции» (RU № 2313815, G05B23/02, опубл. 27.12.2007), известен «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом» (RU № 2431152, G01R 31/34, опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15).
Известна группа изобретений «Способ и устройство технической диагностики сложного технологического оборудования на основе нейронных сетей» (RU № 2563161, G06N 3/08 , опубл. 20.09.2015, Бюл. № 26). Сущность способа, использующего нейронные сети, заключается в том, что проводится диагностика сложного технологического оборудования за счет регистрации и обработки сигналов с датчиков, размещенных в рабочей зоне оборудования, после чего производят обучение нейронной сети и на ее основе получают динамическую модель. После этого происходит регистрация сигналов во время эксплуатации оборудования, и производят дополнительное обучение нейронной сети, выявляющее дополнительные параметры и новые взаимосвязи между ними. Устройство, реализующее способ, содержит датчики, вычислительную систему и устройства отображения сигналов диагностики. Вычислительная система содержит модуль, реализованный с возможностью интеллектуального анализа и содержащий динамическую модель, которая реализована на обученной нейронной сети, и модуль, реализованный с возможностью дополнительного обучения нейронной сети и выбора активных и избыточных нейронов.
Достоинство систем, использующих нейронные сети, заключается в том, что они обеспечивают непрерывное выполнение диагностики и применимы для широкого класса задач с возможностью подстраиваться под изменяющиеся параметры.
Однако недостатком является сложность системы, требующей большие вычислительные мощности для реализации диагностики. Главное, ошибка/неточность зависимостей, найденных нейронной сетью, в некоторых случаях может быть достаточно большой, что не позволит эффективно выполнять диагностику ИК. Проконтролировать неточность зависимостей, найденных нейронной сетью, далеко не всегда является тривиальной задачей.
Известен «Способ контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений» (RU № 2491510  G01D 3/00, опубл. 27.08.2013, Бюл. № 24).
Сущность способа заключается в том, что в процессе эксплуатации периодически определяют значения измеряемой величины и контролируемого параметра средства измерений, сравнивают полученные значения контролируемого параметра с принятым опорным значением, запоминают каждое полученное значение измеряемой величины и соответствующее ему текущее значение контролируемого параметра, вычисляют разности между последним полученным значением измеряемой величины и ее значениями, полученными ранее, для значений измеряемой величины, разность которых превосходит утроенную допускаемую погрешность измерений, сравнивают между собой соответствующие им текущие значения контролируемого параметра и по результатам сравнения судят о метрологической исправности интеллектуального средства измерений.
Достоинством изобретения является обеспечение возможности осуществления периодического (практически непрерывного) контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений в процессе его эксплуатации (без прерывания штатных измерений).
Недостаток заключается в том, что способ применим для устройств с функцией метрологического диагностического самоконтроля, которые предусматривают несколько чувствительных элементов, «имеющих различную чувствительность к фактору, влияющему на метрологическую исправность измерительного преобразователя». Поэтому способ имеет узкоспециализированную область применения и не адаптирован для решения поставленной задачи.
Известен «Способ диагностирования датчика измерения» (RU № 2587635,  G01F 25/00, опубл. 20.06.2016). Сущность способа заключается в том, что сигнал с выхода диагностируемого датчика сравнивают с контрольными типичными сигналами. При этом физическую величину, измеряемую посредством диагностируемого датчика, дополнительно измеряют не менее чем тремя датчиками, осуществляющими измерения разными способами. Далее для каждой пары датчиков рассчитывают значение критерия проверки гипотезы о равенстве центров распределения двух независимых выборок, состоящих из полученных результатов многократных измерений физической величины. Полученное значение критерия сравнивают с нормированным значением и при наличии существенного расхождения в показаниях пары датчиков делают вывод о наличии метрологического отказа датчика.
Использование дублирующих измерений обеспечивает повышение метрологической надежности и достоверности результатов диагностирования датчиков.
Однако, метод не позволяет дать объективную оценку о неисправности ИК, так как не предусматривает распознание случаев, когда найденное расхождение вызвано особенностями протекания технологического процесса, а когда его причиной является действительная неисправность технических средств из состава ИК. Главный недостаток заключается в том, что метод не применим для диагностики нерезвированных ИК.
Известно «Устройство централизованного контроля» (RU № 2141722,  H04B 3/46, опубл. 20.11.1999), включающее датчики каналов (параметров) объекта контроля, многоканальный блок нормализации (унификации) сигналов датчиков, многоканальный блок сравнения и индикации, а также   виртуальный эталон, который  может быть выполнен, с помощью ЭВМ, выполняющей заданный алгоритм:
i
.  где y - выходное эталонное значение; N - число каналов (параметров); i - порядковый номер канала X - значение выходного сигнала i-го канала (параметра) блока нормализации.
i
o
o
При отклонениях каналов (параметров) в ходе эксплуатации получаем сигналы X≠ X и, соответственно, y ≠ y.
Достоинством устройства является возможность его работы без остановки технологического процесса и демонтажа датчиков.
Однако, данное устройство используется «для контроля многоканальных приемных трактов, многоканальных систем связи…», где одного расчета среднего арифметического (контрольной суммы) достаточно для выявления дефектов.
Применительно к поставленной задаче диагностики выполнение таких расчетов не позволяет выявить дефекты даже резервированных ИК, так как постоянные изменения показаний датчиков будут постоянно приводить к изменению среднего арифметического их показаний. Для нерезвированных ИК такой метод не применим.
Известен «Способ автоматического контроля метрологических характеристик средств измерения (СИ) массы нефти или жидких нефтепродуктов (НП) при их отпуске на базах топлива» (RU № 2593446,  G01F 25/00, опубл. 20.08.2016, бюл.№22), выбранный в качестве прототипа.
Сущность способа заключается в том, что перед началом и по завершении каждой операции отпуска автоматически регистрируют результаты измерения массы нефти или нефтепродуктов (НП) и выполняют автоматический сравнительный анализ результатов измерений массы отпущенной нефти или НП по данным, как минимум, трех средств измерения (СИ). По данным автоматической системы измерения в резервуарах, по данным топливораздаточных устройств и по данным автоматической системы измерения в приемных емкостях и баках транспортных средств с накоплением статистики, по фактам превышения предельных погрешностей измерений отдельными СИ судят о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости внеплановой поверки СИ. Для анализа результатов трех неравноточных измерений массы отпущенной нефти или НП применяют метод сравнения результатов измерений с определением общей арифметической середины, а для каждого СИ, примененного в операции отпуска, сравнивают фактическое отклонение от общей арифметической середины с предельно допустимым отклонением.
Использование дублирующих измерений обеспечивает повышение метрологической надежности и достоверности результатов диагностирования средств измерения. Достоинством способа является и то, что контроль СИ можно осуществлять в реальных условиях его эксплуатации в режиме непрерывного технологического процесса.
Для выполнения диагностики нерезевированных ИК метод не применим. Кроме того, он не позволяет дать объективную оценку о неисправности даже резервированных ИК, так как не предусматривает распознание случаев, когда найденное расхождение будет вызвано особенностями протекания технологического процесса, а когда его причиной будет действительная неисправность технических средств из состава ИК. Поэтому алгоритма действий, предусмотренного данным изобретением, применительно к поставленной задаче недостаточно для выполнения эффективной диагностики ИК.
Задачей изобретения является разработка эффективного способа, позволяющего  выполнять диагностику для расширенного класса ИК.
Технический результат заключается в повышении эффективности способа диагностики за счет учёта изменений показаний смежных каналов, измеряющих параметры, косвенно связанные с тем параметром, который измеряется диагностируемым ИК, при одновременном расширении области применения диагностики ИК по отношению к известным методам ввиду возможности его использования как для резервированных, так и нерезервированных ИК в режиме непрерывного технологического процесса.
Заявляемый технический результат достигается с помощью предлагаемого способа.
Способ диагностики измерительного канала (ИК), заключается в выполнении следующих операций:
- выполняют прием и запись в архив в текущий момент времени T показаний R(T) диагностируемого канала и показаний Si(T) смежных каналов, измеряющих параметры, косвенно зависимые от параметра, измеряемого диагностируемым ИК;
R
R,
Si
Si
- одновременно с приемом и записью показаний в архив в каждый текущий момент времени T фиксируют наличие изменений текущего значения показаний R(T) диагностируемого ИК относительно их архивного значения R(T-ΔT) в предшествующий момент времени T-ΔT а также наличие изменений текущего значения показаний Si(T) каждого смежного ИК относительно их архивного значения Si(T–ΔT) в предшествующий момент времени T-ΔT;
- если изменения показаний диагностируемого ИК фиксируются при отсутствии изменений показаний смежных ИК, или фиксируются изменения показаний смежных ИК при отсутствии изменений диагностируемого ИК, то принимается решение о неисправности ИК.
др
др
Для того чтобы избежать фиксирования незначительных изменений параметров ИК, которые не могут явиться причиной неисправности ИК, изменения показаний диагностируемого ИК и смежных ИК фиксируются в том случае, если они превышают заранее заданные границы дрейфа R показаний диагностируемого ИК и дрейфа Si показаний смежных ИК, соответственно.
Повышение эффективности диагностики достигается благодаря тому, что процесс диагностики учитывает не только показания диагностируемого ИК, но и наличие изменений показаний смежных ИК, что позволяет распознавать случаи, когда изменение показаний ИК вызвано реальными изменениями контролируемого параметра, а когда происходят ложные изменения показаний ИК, или реакция ИК отсутствует вовсе, например, по причине сбоев в работе ПТК. В то же время это расширяет область применения метода и позволяет выполнять диагностику и резервированных, и нерезервированных ИК.
Из уровня техники не обнаружено источников информации, раскрывающих сущность заявляемого способа диагностики измерительного канала.
Далее приводится пример конкретного осуществления способа диагностики измерительного канала на практике.
На Фиг.  представлены архивные показания одного диагностируемого канала и трех архивных показаний смежных каналов.
Способ диагностики измерительного канала реализуется следующим образом.
Сначала посредством ЭВМ непрерывно во времени выполняют приём и запись в архив показаний диагностируемого ИК, а также показаний смежных ИК. В качестве смежных ИК могут быть выбраны все ИК, которые измеряют физические параметры, косвенно зависимые от параметра, измеряемого диагностируемым ИК.
Под косвенно зависимыми параметрами понимаются те параметры, изменения которых вызывают изменения параметра, измеряемого диагностируемым ИК, и наоборот. Например, косвенно зависимыми параметрами являются:
- давление и температура насыщенного пара (взаимосвязь параметров обусловлена термодинамическими соотношениями для насыщенного пара);
- давление и расход на напоре насосного агрегата (взаимосвязь характеризуется законами гидродинамики);
- давление на напоре и давление на всасе насосного агрегата (взаимосвязь обусловлена напорно-расходной характеристикой насосного агрегата);
- расход в подходящих к коллектору линиях и расход в коллекторе (взаимосвязь обусловлена законом сохранения массы и энергии/балансовыми соотношениями);
- расход на линии подачи среды в емкость и уровень жидкости в ёмкости (взаимосвязь обусловлена законом сохранения массы и энергии).
R
Затем непрерывно во времени определяют приращение ΔR показаний диагностируемого ИК за заранее заданный интервал времени ΔT:
R
ΔR = R(T)–R(T–ΔT)
R(T) – значение показаний диагностируемого ИК в текущий момент времени T
R
R
R
R(T–ΔT) – значение показаний диагностируемого ИК в момент времени T-ΔT. Значение R(T–ΔT) берётся из архивных данных.
R
ΔT рекомендуется задавать таким образом, чтобы его значение было не меньше, чем тройное время демпфирования измерительных сигналов на объекте контроля, и не превышало 1/5 от длительности наблюдаемых среднестатистических переходных процессов. Так, для объектов электроэнергетики значение ΔT для ИК давления, расхода и температуры рекомендуется принимать от 20 с до 30 с.
др
Если найденное приращение ΔR по модулю превышает заранее заданную границу дрейфа показаний R, то фиксируется факт наличия изменений показаний диагностируемого ИК:
др
│ΔR│≥ R
др
др
Значение Rрекомендуется выбирать таким образом, чтобы оно не было ниже, чем допустимый дрейф показаний датчика, и не превышало 1/4 от его максимальной допустимой погрешности измерений. Например, для датчика давления с классом точности 0,1 при шкале измерений от 0 до 100 кПа значение Rрекомендуется выбрать 25 Па.
Одновременно аналогичным образом отслеживают наличие изменений показаний смежных ИК. Для этого выполняется проверка условия:
др
│ΔSi│≥ Si,
где
Si
ΔSi = Si(T)–Si(T–ΔT)
Si(T) – значение показаний i-го смежного ИК в текущий момент времени T
Si
Si
Si(T–ΔT) – значение показаний i-го смежного ИК в момент времени T – ΔT. Данное значение берется из архивных данных.
Si,
ΔSi – приращение показаний i-го смежного ИК за заранее заданный интервал времени ΔT
др
Si – заранее заданная граница дрейфа показаний для i-го смежного ИК.
др
др
Значение Si, по аналогии с R,рекомендуется выбирать таким образом, чтобы оно не было меньше, чем допустимый дрейф показаний датчика i-го смежного ИК, и не превышало 1/4 от его максимальной допустимой погрешности измерений.
Si
Si
R
S
Значение ΔT задается исходя из длительности динамических процессов, протекающих на объекте контроля. Рекомендуется, чтобы значение ΔT было не ниже, чем ΔT, и не выше 1/3 от длительности наблюдаемых среднестатистических переходных процессов. В частности, для объектов электроэнергетики для ИК давления, температуры и расхода ΔT рекомендуется выбирать в диапазоне от 30 секунд до 1 минуты.
Если изменения показаний диагностируемого ИК зафиксированы при отсутствии изменений показаний смежных ИК или наоборот (т.е. соблюдается только одно из вышесказанных математических условий), то фиксируется неисправность ИК.
Если никаких изменений показаний не происходит (все вышеуказанные математические условия не выполняются), то неисправность ИК не фиксируется.
Если изменяются и показания диагностируемого ИК, и показания смежных ИК (все вышеуказанные математические условия выполняются), то неисправность ИК также не фиксируется.
В том случае, если количество смежных ИК составляет более двух, то дополнительно выполняется идентификация неисправного ИК. При этом диагностируемый ИК идентифицируется, как неисправный, если:
- изменений показаний диагностируемого ИК не обнаружено, а изменения показаний не менее двух смежных ИК обнаружены,
- изменения показаний диагностируемого ИК обнаружены, изменения показаний смежных ИК (количество которых не менее двух) не обнаружены.
Один из смежных ИК идентифицируется, как неисправный, если:
- если изменений показаний конкретного смежного ИК не обнаружено, изменения показаний диагностируемого и других смежных ИК обнаружены,
- если изменения показаний конкретного смежного ИК обнаружены, изменения показаний диагностируемого и других смежных ИК не обнаружены.
Способ реализуется на базе ЭВМ, принимающей сигналы от измерительных каналов объекта контроля.
Далее приводится пример результатов апробации предлагаемого метода на практике с представлением показаний диагностируемого ИК с обнаруженным дефектом на архивных трендах, представленных на Фиг.
В качестве диагностируемого был выбран ИК давления на напоре насосного агрегата. Архивные показания этого канала приведены на чертеже  под номером 1 (обозначены пунктиром).
В качестве смежных ИК выбраны три резервированных ИК расхода. Архивные показания этих ИК отражены на Фиг.  под номерами 2, 3, 4.
Входным статическим параметрам были присвоены следующие значения:
др
R = 5 Па,
др
3
Si = 0,75 кг/м,
R
ΔT= 20 с,
Si
ΔT= 45 с.
Детализация результатов работы предлагаемого способа диагностики:
др
др
Для диагностируемого ИК давления в каждый момент времени выполнялся расчет приращения ΔR и сравнение полученного значения с заданной границей допустимого дрейфа R. Аналогично для каждого смежного ИК расхода непрерывно выполнялся расчет приращения ΔSi и сравнение полученного значения с границей Si. По превышению границы допустимого дрейфа были зафиксированы изменения показаний на всех смежных ИК расхода. Изменений показаний диагностируемого ИК зафиксировано не было. В результате зафиксирована неисправность ИК, при этом в качестве неисправного идентифицирован диагностируемый ИК.
Впоследствии по полученным результатам диагностики был выявлен сбой в работе цифрового модуля, для восстановления работоспособного состояния ИК потребовалась его перезагрузка. Штатные средства самодиагностики данный дефект не выявили.
Таким образом, результаты использования способа в реальных условиях подтвердили его эффективность.
Применительно к электроэнергетике по предварительной оценке предлагаемый метод может применяться для 94% измерительных каналов энергоблока. Учитывая, что на современных объектах электроэнергетики количество ИК достигает свыше 22 тысяч единиц, внедрение предлагаемого метода имеет особую актуальность.