Разработка диагностического экспертного комплекса

УДК 63-83-52:519.768.2

РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ЭКСПЕРТНОГО КОМПЛЕКСА

© М.П. Дунаев1, А.М. Дунаев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проанализированы основные логические методы технического диагностирования для наладки электрооборудования. Описан новый логический времявероятностный метод диагностирования для наладки преобразователя частоты. Построены графы алгоритмов технического диагностирования для наладки преобразователя частоты. Описан диагностический экспертный комплекс для наладки промышленных преобразователей частоты. Ил. 9. Табл. 1. Библиогр. 13 назв.

Ключевые слова: метод; диагностика; алгоритм; экспертная система; наладка; преобразователь частоты.

DIAGNOSTIC EXPERT COMPLEX DEVELOPMENT M.P. Dunaev, A.M. Dunaev

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article analyzes key logical methods of technical diagnostics for electrical equipment debugging. It describes a new logical time probabilistic diagnostic method for frequency converter debugging. The graphs of technical diagnostic algorithms for frequency converter debugging are constructed and a diagnostic expert complex for debugging of industrial frequency converters is described. 9 figures. 1 table. 13 sources.

Key words: method; diagnostics; algorithm; expert system; debugging; frequency converter.

Очевидно, каким бы совершенным ни являлось современное электрооборудование, проблемы его диагностирования остаются актуальными. В настоящей статье рассмотрена классификация логических алгоритмов технической диагностики, которые использованы при создании диагностического экспертного комплекса для наладки промышленных преобразователей частоты.

Классификация алгоритмов. Методы классической технической диагностики (ТД) основаны на математических моделях объектов и специальных алгоритмах диагностирования. Это направление детально рассмотрено в работе [1].

Классическая ТД предполагает предварительное глубокое изучение объекта диагностики (ОД), в процессе которого составляется в том или ином виде его математическое описание (математическая модель). В итоге, опираясь на модель ОД и используя различные алгоритмы поиска дефектов, удается гарантированно определить (локализовать) неисправность при минимальном количестве шагов поиска или с минимальным количеством затрат на этот поиск.

Средние затраты диагностирования для определения одного технического состояния объекта диагностирования, обозначенные как С(10,ЕТ), могут быть найдены по выражению

N г,

СЕТ) = Х[р

где Zo - первая проверка алгоритма диагностирования; p(e) - вес /-го технического состояния среди других технических состояний; t(e) - время проверки /-го блока; e, - техническое состояние /-го функционального блока; E - множество технических состояний

Zt

объекта диагностирования, е е Е ; ) -

1 Т Zo

сумма времен проверок алгоритма диагностирования от проверки Z0 до проверки Z.

Выражение (1) позволяет определить качество любого алгоритма диагностирования при различных временах элементарных проверок и весах технических состояний ОД и может быть использована как целевая функция оптимизации алгоритмов диагностирования.

Предлагаемая классификация логических алгоритмов методов технической диагностики показана на рис. 1, где:

П - алгоритм метода последовательных предпочтений [1];

И - алгоритм инженерного метода [1];

Р/Т - алгоритм времявероятностного метода [1];

N - алгоритм метода половинного деления при равных вероятностях технических состояний и временах их элементарных проверок [1];

P - алгоритм метода половинного деления с неравными вероятностями технических состояний и равными временами их элементарных проверок [1];

1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Dunaev Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: mdunaev10@mail.ru.

2Дунаев Андрей Михайлович, студент. Dunaev Andrei, Student.

i=1

T - алгоритм метода половинного деления при равных вероятностях технических состояний элементов и неравным временем их элементарных проверок [2];

S - алгоритм метода половинного деления с учетом характеристик доступности [2];

V - алгоритм метода половинного деления с учетом относительной вероятности [2];

MS - алгоритм метода поиска по критериям минимума времени первой проверки t1 и с учетом характеристик относительной доступности [2];

MV - алгоритм метода поиска по критериям минимума времени первой проверки t1 и с учетом характеристик относительной вероятности [2];

MN - алгоритм метода поиска по критериям минимума времени первой проверки t1 и с учетом равных вероятностей технических состояний;

MP - алгоритм метода поиска по критериям минимума времени первой проверки t1 и с учетом неравных вероятностей технических состояний и равным временем их элементарных проверок;

MT - алгоритм метода поиска по критериям минимума времени первой проверки ti и с учетом равных вероятностей технических состояний элементов и неравным временем их элементарных проверок;

PTV - алгоритм метода поиска по критериям максимума отношения p1/t1 первой проверки и с учетом характеристик относительной вероятности [3];

PTS - алгоритм метода поиска по критериям максимума отношения p1/t1 первой проверки и с учетом характеристик относительной доступности [4];

PTN - алгоритм метода поиска по критериям максимума отношения p1/t1 первой проверки и с учетом равных вероятностей технических состояний [5];

PTP - алгоритм метода поиска по критериям максимума отношения p1/t1 первой проверки и с учетом неравных вероятностей технических состояний и равным временем их элементарных проверок [6];

PTT - алгоритм метода поиска по критериям максимума отношения p1/t1 первой проверки и с учетом равных вероятностей технических состояний элементов и неравным временем их элементарных проверок [7].

Проведем краткий анализ классификации перечисленных алгоритмов методов технической диагностики.

Многошаговые логические алгоритмы ТД. К

этой группе относятся широко известные алгоритмы на основе функций предпочтения (Р, И, Р/Т), а также алгоритмы на основе половинного деления (N, P, Т, S, V). Следует отметить, что последние два алгоритма появились сравнительно недавно и превосходят все вышеперечисленные по критерию средних затрат (см. выражение (1)).

Комбинированные логические алгоритмы ТД. В данной группе имеется две подгруппы. К первой относятся алгоритмы на основе использования критерия минимума времени первой проверки t1 и различных модификаций метода половинного деления (MS, MV, MN, MP, МТ). Следует отметить, что первые два

алгоритма (MS, MV) хотя и появились сравнительно недавно, но уже доказали свою эффективность по критерию (1) при диагностировании различного сложного электрооборудования, такого как электродвигатели, силовые преобразователи, системы управления электроприводом. Что касается последних трех алгоритмов (MN, MP, MT), то здесь еще необходимы дополнительные исследования.

Ко второй подгруппе относятся известные алгоритмы на основе использования критерия максимума отношения p1/t1 первой проверки и различных модификаций метода половинного деления (PTV, PTS, PTN, PTP, PTT). Все эти алгоритмы прошли апробацию на сложном электротехническом оборудовании, а именно силовых полупроводниковых преобразователях, и полностью доказали свою эффективность.

Оптимальные логические алгоритмы ТД. К этой группе относятся известные алгоритмы на основе метода ветвей и границ, а также алгоритмы на основе метода динамического программирования. Следует отметить, что сложность применения данных методов в значительной степени возрастает при росте числа блоков функциональной схемы. Например, при числе блоков функциональной схемы, равному 7, количество возможных алгоритмов поиска неисправностей составляет 34104 вариантов [2].

Алгоритмы ТД на основе метода Пархоменко. К этой группе относятся известные алгоритмы на основе метода П.П. Пархоменко. Указанный метод основан на работе с таблицами функций неисправностей [1]. Алгоритмы данного метода целесообразно применять в системах автоматического поиска неисправностей [2].

Разработка алгоритма диагностирования преобразователя частоты. Эффективность наладки электрооборудования (ЭО) во многом зависит от качества методов диагностирования. Существующие алгоритмы диагностирования [1; 2], на которых основаны методы половинного деления в известных модификациях, а также времявероятностный метод, не являются оптимальными. Эффективность их применения в значительной степени зависит от разных факторов. Вследствие этого представляется важным модифицирование известных алгоритмов диагностирования, позволяющих повысить эффективность наладки ЭО. Рассмотрим новый метод диагностирования (метод поиска по критериям времявероятност-ной оценки и относительной вероятности или PTV-алгоритм) на примере поиска неисправностей в схеме ПЧ. Этот метод отличается от известного метода поиска с учетом относительной вероятности (V-алгоритма диагностирования) стратегией выбора первой элементарной проверки Zo. Эта проверка должна обладать наибольшим значением времявероятност-ной оценки p(e)/t(e), а при равенстве времявероят-ностных оценок р(е)А(е) элементарных проверок в качестве первой следует выбирать такую проверку, которая контролирует функциональный элемент, расположенный ближе к центральной части функциональной схемы ОД. Порядок остальных элементарных

со со

00

со сл

К)

о

го гп

0 ч

1

тз =1

со

К)

о

п и р/ N

Многошаговые

Логические алгоритмы ТД

V

Р

М

Комбинированные

По минимуму 11 и половинному делению

М

М

М

М

РТМ

По максимуму Р/Т и половинному делению

РТ

РТ

РТУ

РТТ

Метод ветвей и границ

Метод динамического программирования

Рис. 1. Классификация логических алгоритмов методов технической диагностики

К)

со сл

проверок данного метода соответствует V-алгоритму [3].

Функциональная схема ПЧ представлена на рис. 2, где обозначено: ВА - вводной автоматический выключатель, ВФ - входной фильтр, НВ - неуправляемый выпрямитель, СФ - сглаживающий фильтр, АИ -автономный инвертор, Н - нагрузка преобразователя, БП - блок питания системы управления, СУ - система управления, ПУ- панель управления, ~ис - напряжение питающей сети переменного тока, Uвх - входное напряжение силовой схемы преобразователя, Uвых -выходное напряжение преобразователя, Uбп - выходное напряжение блока питания, ^ - сигнал задания

выходной частоты.

На рис. 3 показана логическая модель ПЧ, построенная по функциональной схеме (см. рис. 2) в соответствии с принятыми допущениями [1]. Входные и выходные сигналы ПЧ представлены вершинами с символами X¡ и где / - индекс элемента логической модели, на вход (с выхода) которого поступают (выходят) сигналы. Элементы ПЧ представлены вершинами с индексами /, соответствующими номерам элементов на схеме рис. 2. Входные внешние сигналы Х1, Х2 соответствуют сигналам ис, ^ на рис. 2. Внешний выходной сигнал (рис. 3) соответствует выходному сигналу 1н на рис. 2.

Уе

Рис. 2. Функциональная схема ПЧ

Zs z6

5 V-V б

Рис. 3. Логическая модель ПЧ

Рис. 4. Граф РП-алгоритма диагностирования

Граф алгоритма, построенный по этому методу (РТУ-алгоритм), представлен на рис. 4.

Кружками с цифрами внутри обозначены элементарные проверки Z¡ (/'=1, 2,...,М), цифрами 1 и 0 - результаты проверок блоков (исправен / неисправен), прямоугольниками - итоги диагностирования (цифра внутри прямоугольника означает номер неисправного блока).

Исходя из выше изложенного, в качестве первой элементарной проверки выбираем проверку Z5. Далее в зависимости от ее результатов производится проверка Zз и т.д.

Время доступа (цена проверки) t(e), относительная времявероятностная характеристика элементарных проверок V(e) и значение p(ej)/t(ej) для элементов ПЧ указаны в таблице.

Данный алгоритм диагностирования ПЧ нашел применение в диагностическом экспертном комплексе (ДЭК) для наладки промышленных преобразователей частоты «FC2».

Разработка экспертной системы. В качестве объектов диагностирования были выбраны ПЧ трех достаточно распространенных типов: Schneider ATV28, Siemens SINAMICS G110 и Danfoss FC-302.

9

Характеристики элементов ПЧ

Параметр Характеристика элементов

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9

P(e) 0,01 0,04 0,05 0,02 0,4 0,1 0,14 0,2 0,04

t(ei) 0,05 0,05 0,02 0,1 0,07 0,06 0,05 0,5 0,1

P(e) t(e) 0,2 0,8 2,5 0,2 5,71 1,67 2,8 0,4 0,4

V(e) 0,014 0,056 0,176 0,014 0,282 0,118 0,2 0,112 0,028

Для построения ДЭК «РС2» была использована среда моделирования правдоподобных рассуждений «Гераклит» [8], обладающая дружественным интерфейсом и логичной, интуитивно понятной организацией.

Процесс создания ДЭК «РС2» включал в себя пять основных этапов:

а) изучение среды разработки;

б) извлечение знаний (сначала производилось текстологическими методами - через детальное изучение технической документации о ПЧ выбранных моделей [9-11], затем активными коммуникативными: проводилось интервью с экспертом);

в) определение структуры базы знаний;

г) формирование базы знаний;

д) тестирование и отладка экспертной системы.

Общая структура БЗ разработанного ДЭК «РС2» представлена на рис. 5. Объем базы знаний составляет 101 правило.

Принцип работы ДЭК «РС2» таков:

- используется прямой пошаговый вывод;

- при осуществлении диалога с пользователем ДЭК «РС2» сначала предполагает наличие общих неисправностей, затем - специфических, характерных для ПЧ определенных моделей;

- учитывается возможность и такого исхода, как полная исправность преобразователя.

Среда моделирования правдоподобных рассуж-

дений «Гераклит», в отличие от инструментальной среды EXSYS Professional, дает более широкий спектр возможностей по настройке параметров вывода, являясь бесплатным и свободно распространяемым программным продуктом. Указанные преимущества позволяют признать среду «Гераклит» в большей степени пригодной для работы в направлении диагностирования ПЧ с помощью экспертных систем (ЭС).

Далее приведен небольшой пример работы ДЭК «FC2». Пусть при эксплуатации ПЧ Danfoss FC-302 обнаружено предупреждающее свечение желтого или красного светодиода на панели управления, а на дисплее появилось символьное сообщение «Превышение температуры ETR-двигателя». На рис. 6-8 показаны ключевые моменты диалога системы с пользователем, обратившимся за консультацией. Первый момент состоит в выяснении типа диагностируемого преобразователя (см. рис. 6), второй заключается в получении информации о состоянии системы предупреждающей индикации (см. рис. 7), а третий касается сообщения ПЧ (см. рис. 8).

Результат работы «FC2» в промежуточной форме приведен на рис. 9. На данный момент диалог ЭС с пользователем еще не завершен, однако имеется достаточно оснований для того, чтобы сделать заключение о наличии конкретной специфической неисправности ПЧ, а также о рекомендуемых мерах по ее устранению.

Рис. 5. Общая структура БЗ ДЭК «FC2»

Рис. 6. Диалог «FC2» с пользователем. Первый ключевой момент

Рис. 7. Диалог «FC2» с пользователем. Второй ключевой момент

ЕЕ Диалог (К]

I Укажите истинность перечисленных фактов:

№ Факт А 3

; IS1 Появилось сообщение "Превышениетемпературы ЕTR-двигателя"

1.NI Ш V

Появилось сообщение 'Превышение температуры ETR-двигателя" 0 VI

Ficzv min-_ "«". Jb JtSim Ла:[ 100 . 10Q ] Нет: [ ЕВ-ЕВ ] | В порядке вво v

max: i j max: j min: | m'n: 3 Щ. Параметры

Почему ^

©Точно О Почти О Возмж. Шв1 О Нет ОДаШет О 50/50 О Не знаю 542

Внести Стоп!

М f < | > ][ И

| Ц Выход | [ ф Домощь J

Рис. 8. Диалог «FC2» с пользователем. Третий ключевой момент

Рис. 9. Результат работы ЭС «FC2» в промежуточной форме

Таким образом, в результате создания ДЭК «РС2» осуществлен переход на новую среду разработки и произведен краткий сравнительный анализ сред раз-

работки ЭС «РС1» [12] и ДЭК «РС2» [13] в аспекте решения поставленной задачи.

Статья поступила 01.10.2014 г.

Библиографический список

1. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.

2. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электропривода. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 138 с.

3. Дунаев М.П. Многокритериальный логический метод диагностирования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Спецвыпуск. С. 179-182.

4. Дунаев М.П., Ушаков К.Ю. Времявероятностный метод для диагностирования электрооборудования электровоза // Вестник ИрГТУ. 2012. № 10 (69). С. 224-232.

5. Мытник И.А. Новый метод поиска неисправностей для устройств плавного пуска // Вестник ИрГТУ. 2013. № 3. С. 107-111.

6. Мытник И.А. Разработка РТР-алгоритма для диагностирования электрооборудования // Вестник ИрГТУ. 2013. № 6. С. 166-169.

7. Мытник И.А. Модернизированный метод поиска неисправностей для устройств плавного пуска // Вестник ИрГТУ. 2013.

№ 4. С. 163-167.

8. Аршинский Л.В. Руководство по использованию «Гераклит 2.X». 2013.

9. Руководство по эксплуатации «Altivar 28 Telemecanique» [Электронный ресурс]. URL: www.schneider.com/drives

10. Руководство по эксплуатации «Danfoss FC-302» [Электронный ресурс]. URL: www.danfoss.ru/drives

11. Руководство по эксплуатации «Siemens SINAMICS G110» [Электронный ресурс]. URL: www.siemens.com/drives

12. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Экспертная система для наладки преобразователя частоты // Информационные и математические технологии в науке и управлении: тр. XVIII Всерос. конф. Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2013. Т. 3. С. 25-30.

13. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Анализ логических алгоритмов методов технической диагностики // Информационные и математические технологии в науке и управлении: тр. XIX Всерос. конф. Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2014. Т. 3. С. 34-40.

УДК 629.1.066

РАСЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШТАНГОВОГО ТОКОПРИЕМНИКА С КОНТАКТНЫМ ПРОВОДОМ

© А.В. Николаев1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлен расчет статических и динамических характеристик, составлена компьютерная модель работы штангового токоприемника. Проведен анализ факторов, влияющих на взаимодействие токоприемника с контактным проводом.

Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: штанговый токоприемник; статическая характеристика; динамическая характеристика.

Николаев Александр Викторович, аспирант, тел.: 89246034827, e-mail: finist-rp@mail.ru Nikolaev Alexander, Postgraduate, tel.: 89246034827, e-mail: finist-rp@mail.ru