Метод повышения достоверности контроля работоспособности электромеханических систем

УДК 519.1: 621

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Д.М. Шпрехер

Проведен аналитический расчет одного из важнейших показателей качества системы технического диагностирования больших электромеханических систем (ЭМС) - достоверности контроля работоспособности. Представлены рекомендации по организации методики диагностических процедур при контроле работоспособности ЭМС.

Ключевые слова: электромеханическая система, достоверность, контроль

работоспособности.

Основными показателями и характеристиками контроля работоспособности электромеханических систем (ЭМС) являются: продолжительность, достоверность, полнота контроля технического состояния (ТС), глубина поиска места отказа (неисправности), а также условные вероятности необнаруженного и ложного отказа (неисправности) [1].

Полнота, достоверность и продолжительность контроля работоспособности ЭМС взаимосвязаны между собой. Требования по достоверности и продолжительность обеспечивают заданные характеристики по непрерывности контроля - недопущения пропуска факта свершившейся или пропуска признаков предпосылок аварийной ситуации. Фактор точности контроля или диагностических измерений характеризует инструментальную достоверность, остальные факторы - методическую. При этом вопросы оценки вклада полноты входной информации в общую достоверность и само обеспечение полноты в литературе не исследованы. В каждом конкретном случае эта задача решается на эвристическом уровне с учетом априорной - фактографической, экспертной и эмпирической информации (рисунок).

------------------------8---------

1 1

1 —1

1 11

Оперативность Достоверность

контроля , , контроля

Взаимосвязь составляющих эффективности контроля работоспособности ЭМС

Из рисунка видно, что увеличение числа измеряемых параметров (1) влияет на оперативность доставки измерений и их обработки (анализа); полнота, оперативность и точность контроля (2-3-5)- повышают достоверность анализа; временные ограничения на процедуры опроса датчиков (4) находятся в противоречии с числом (полнотой) опрашиваемых параметров; требования по достоверности анализа (6-7-8) - ограничивают снизу полноту, точность и оперативность контроля работоспособности.

Поэтому в качестве главного показателя, рассматриваемого при контроле работоспособности ЭМС, определена достоверность - как степень объективного соответствия результатов контроля действительному техническому состоянию (ТС) оборудования ЭМС. Точнее, под достоверностью технического диагностирования подразумевается вероятность правильного определения вида ТС оборудования ЭМС (текущего ТС при контроле работоспособности оборудования ЭМС, будущего ТС при прогнозе работоспособности оборудования ЭМС и прошлого ТС при генезе работоспособности оборудования ЭМС), характеризующая надежность применяемых методов и алгоритмов диагностирования.

Пусть достоверность синтезируемого метода контроля работоспособности оборудования ЭМС определяется посредством суммы элементов матрицы соответствия ТС оборудования ЭМС и результатов диагностирования:

N N N ---

£>= <,У=1,лг,

и=1 ¿=17=1

где Рц - вероятности правильных решений, Р£у- вероятность ошибки диагностирования оборудования ЭМС вида (/,/) или /^г/лу), т.е. когда оборудования ЭМС находится в зу-м ТС, при этом оценка системы диагностирования показывает - гге ТС оборудования ЭМС, что можно представить матрицей ошибок:

0 Р

Р

Р

Р(г\! 5лг) Р(Г2/5лг) Р(г]! Бы) 0

где г - оценка ТС системой диагностирования, ^ - истинное ТС оборудования ЭМС, И- общее количество возможных ТС оборудования ЭМС (для систем технического диагностирования, определяющих работоспособное и неработоспособное ТС ЭМС в целом N = 2).

Под системой контроля работоспособности (СКР) оборудования ЭМС будем подразумевать автоматическую систему, обеспечивающую выполнение заданных задач диагностирования ТС оборудования ЭМС с

применением совокупность средств измерений и системы анализа диспетчерского пункта электромеханического комплекса (ЭМК).

Апостериорная вероятность ошибки диагностирования вида (і,і), интересующая потребителя результатов обработки измерительной информации определяется как [2,3]:

РА=и =йт.

£ £ Р„

2=1 7=1 і* і

Апостериорные ошибки (т.е. после измерений) и достоверности определяются вероятностями распознавания ТС оборудования ЭМС при известных результатах технического диагностирования.

При условии, что диагностическое оборудование как часть ЭМК и СКР также является одной из подсистем ЭМС с вероятностью исправного состояния отличной от единицы, вероятность ошибки диагностирования оборудования ЭМС вида (у) будет иметь вид:

N N. ---- ----

Р„ = Р1 £р2 р]„ = £Р,2 Р ІРІ„ і, і = 1, N, І = 1, N1,

1=1 1=1

где Ns - количество состояний ТС СКР, Ns = 3, при I = 1 - ТС СКР работоспособное, I = 2 - ТС СКР неработоспособное, а на выходе: "оборудования ЭМС - работоспособны", I = 3 - ТС СКР неработоспособное, а на выходе: "оборудования ЭМС - неработоспособны"; индекс 1 - ЭМС, 2 -СТД, і и I - виды ТС соответственно ЭМС и СКР, р] - априорная вероятность нахождения оборудования ЭМС в і-м ТС; р2 - априорная вероятность нахождения СКР в 1-м ТС; рГ - условная вероятность того, что в

результате диагностирования оборудование ЭМС признано находящимся в состоянии і при условии, что оно находится в состоянии і, а СКР в 1-м ТС; рАц - условная вероятность получения результата: "оборудование ЭМС находится в і-м ТС" при условии, что СКР находится в 1-м ТС; рі - условная вероятность нахождения оборудования ЭМС в состоянии і при условии, что получен результат: "оборудование ЭМС находится в і-м ТС ", а система контроля работоспособности находится в 1-м ТС.

Если известны статистические данные испытаний датчиков и системы анализа, то оценка (Р*) вероятности ошибки диагностирования вида (/і):

N. Г ___ ____

Р*іі = Р/1 £Р/2 -гг , 2, і = 1, N, I = 1, Ns,

1=1 N2

где Г - число испытаний, при которых СКР зафиксировала і-е ТС оборудования ЭМС; N - общее число испытаний СКР и оборудования ЭМС, находящегося в 2-м ТС и СКР, находящейся в 1-м ТС.

Вероятности Р1 и Р2 определяются на этапах лабораторных, заво-

дских исследований и автономных испытаний оборудования ЭМС при подготовке к применению в составе механизированного комплекса, а также испытаний СКР.

При определении вероятностных характеристик результатов диагностирования вида ТС, можно воспользоваться обобщением результата расчета апостериорной достоверности процедуры контроля по двум ТС (исправен и неисправен) на расчет апостериорной достоверности распознавания по множеству ТС. Правомерность данного обобщения обусловлена возможностью итерационного объединения результатов для ТС и

, где под понимаются любые ТС, соответствующие условию "не ".

Так как ЭМС является многопараметрическим объектом технического диагностирования, ТС его оборудования определяется совокупностью п независимых диагностических признаков, и СКР различает в пределе 2п ТС оборудования ЭМС, то:

N.

£р,П( р ), эмс в /, і - м тс,

параметр ^. в допуске, СКР в і - м ТС,

Р„ =

і=1

у=1

N.

N. ^п

£р2П р

і=1

У=1

VI’

2 РГПа.,. эмс в \ - м тс,

/=1 у=1

параметр %п в допуске, СКР в / ТС, ЭМС в / - м ТС и параметр % п не в допуске,

ЭМС в_/ - м ТС и %V в допуске, СКР в / - м ТС,

Ер?П(1-р п-Рп/), эмс в ,, ] - м тс,

параметр %п не в допуске, СКР в / - м ТС, V = 1, п,

N.

і=1

у=1

/, ] = 1, ы, / = 1, ы,,

где п - число параметров ТС оборудования ЭМС; Рп - априорная вероятность нахождения параметра ТС оборудования ЭМС в поле допуска; ап/ - вероятность совместного наступления двух событий: параметр ТС

оборудования ЭМС в поле допуска а СКР определяет его вне поля допуска, при условии, что СКР в /-м ТС; Рп/ - вероятность совместного наступления двух событий: параметр ТС оборудования ЭМС вне поля до-

пуска, а СКР определяет его в поле допуска, при условии, что СКР в /-м ТС.

При определении ТС оборудования ЭМС совокупностью п параметров - достоверность контроля работоспособности оборудования ЭМС:

N. -п -------- —

о=£ р2£ (1 -«.і-рпі), і = 1, N, .= 1,

і=1 У=1

п,

а при достоверно исправной СКР (р/ = 1, соответственно номер ТС СКР /= 1) - полная вероятность правильного диагностирования:

& = Г1(1 -ап1 -Рп^ ! =1 П

п=Л

где ап/ и Рп/ - вероятности ошибок первого и второго рода при достоверно исправных датчико-преобразующей аппаратуре, каналах связи и системы анализа;

Введем в выражение (2) изменения, обусловленные двумя особенностями функционирования СКР, характерных для ЭМС, как объектов контроля.

1. Первая особенность заключается в том, что распознавание вида ТС оборудования ЭМС при контроле работоспособности ЭМС осуществляется многократно. Следовательно, для параметров, постоянная времени которых соизмерима с длительностью цикла контроля работоспособности, достоверность может быть рассчитана как достоверность после проведения к отдельных проверок.

2. Из-за различных последствий появления разных видов ошибок контроля оборудования в процессе применения ЭМС по назначению и возможной значительной разницей между величинами ап/ и Рп/ достоверности каждого из возможных результатов контроля работоспособности должны отображаться по отдельности. Выбор методики оценки результатов контроля и построение схемы формирования результатов должны производиться таким образом, чтобы любая неисправность или несовершенство СКР могли привести только к ложному появлению результата "Элемент оборудования ЭМС негоден". Возможность ложного появления результата "Элемент оборудования ЭМС годен" должна быть исключена полностью. Такая структурная схема позволяет считать каждый цикл контроля оборудования ЭМС одновременно проверкой состояния СКР. Также, снижению вероятности появления ложного сигнала "Элемент оборудования ЭМС годен" способствует введение ряда различных видов проверок и самопроверок СКР: периодических, перед началом цикла контроля, при получении аварийного сигнала "негоден" и т. д.

С учетом двух упомянутых особенностей достоверность результата "оборудование ЭМС работоспособно" Э+ можно записать как:

к ( п , , А -- ---

Б+ = е[п(1 -а!х-Ю), п = 1,П, Н = 1,к,

Н=1 V !=1 V

где Э+- достоверность результата "оборудование ЭМС работоспособно"; к - количество однотипных проверок, в случае использования в качестве диагностических признаков данных параметров, или к - количество опросов параметров на протяжении интервала диагностирования; п - число параметров ТС оборудования ЭМС, выступающих в качестве диагностиче-

ских признаков (в случае использования в качестве диагностических признаков измеряемых параметров, то п - количество параметров).

При допущении, что вероятность появления аналогичных исходов в каждой проверке (в каждом цикле опроса параметра) Д~ - достоверность результата "оборудование ЭМС неработоспособно" можно записать как:

Д~ = Ми,

где МД - математическое ожидание вероятности получение Н-го результата "неработоспособен" в к проверках (в к циклах опроса параметров), коп / н \ --

торая, в свою очередь вычисляется как: П( 1 - аVI -РУ!), V = 1,п, Н = 1, к .

!=Л ! '

При проведении практических расчетов для оценки принимается минимальное значение Д~ для результата "негоден", т.к. результат "негоден" может быть получен при любой из к проверок и распространяется на все п диагностических признаков:

Д“ = тт{дн}, ДН = П

!=1 Х '

В выражениях (1), (3) при решении частных задач контроля работоспособности и наличии статистических данных испытаний разрабатываемых методов и алгоритмов вместо записей вероятностей используются отношения числа испытаний системы диагностирования при наличии ошибок (условных вероятностей ошибок диагностирования) к полному числу испытаний, т.е. вероятностные характеристики в инженерной практике вычисляются "частотным" способом.

Полная вероятность правильного диагностирования (1) это вероятность правильного решения после завершения конечной задачи диагностирования ЭМС, которой, в свою очередь, предшествуют задачи сбора, преобразования, передачи, приема, первичной обработки в информационном тракте ЭМС.

Ошибки принятия решения, определяющего ТС оборудования ЭМС, зависят от ТС и эксплуатационно-технических характеристик всех элементов информационного тракта ЭМС. Принимая независимость двух компонент: ит - методической и Д- инструментальной составляющей достоверности технического контроля (диагностирования при многоальтернативном исходе проверок), общую достоверность контроля работоспособности ЭМС можно записать как вероятность одновременного появления двух составляющих:

Д = Дт&1 .

Методическая составляющая определяется правильностью оценки вида ТС оборудования ЭМС выбранной совокупностью диагностических признаков при условии, что в процессе диагностирования все измерения произведены абсолютно точно. Она закладывается при разработке методов диагностирования. В частности, на нее влияют количество и местоположе-

ние контрольных точек в оборудования ЭМС, общее количество отдельных проверок, соответствие режимов проверки рабочим режимам и т. д. Инструментальная достоверность определяется стохастическими свойствами контура СКР оборудования ЭМС и зависит от точности определения вида ТС оборудования ЭМС (суммарной погрешности измерений в информационном тракте СКР ЭМС) Др и надежности работы самой СКР ЭМС Д^, что при независимости двух событий можно представить как:

Д, » ДрДа.

Выражение (4) справедливо при отсутствии ярко выраженной взаимозависимости между Др и ДА что не всегда имеет место в практике отказов оборудования и деградации ЭМС с длительными периодами эксплуатации между техническим обслуживанием.

В целом, достоверность Д как вероятность правильного определения вида ТС оборудования ЭМС (текущего ТС при контроле оборудования ЭМС в цикле - при контроле работоспособности, будущего ТС при прогнозе оборудования ЭМС и прошлого ТС при генезе оборудования ЭМС), характеризующая надежность применяемых методов и алгоритмов диагностирования представляется сложным вероятностным функционалом вида:

/ п Л

Д = Д1ХД2X 1 -П(1 -Р$ ХДаХДрх(1 -Р(0), , = 1,п,

V ,=1 У

где Дт - показатель полноты контроля, важная составляющая методиче-

^ п .

скои достоверности, выраженный через компоненту

1 -П(1 - Л) ; А -

а

\ 1=1 ' ' У

составляющая методической достоверности, обусловленная погрешностью аппроксимации обучающей процедуры; Д2 - составляющая методической достоверности, обусловленная погрешностью обобщения при использовании модели технического диагностирования; ргй - вероятность того, что дисциплина обслуживания датчиков ЭМС на интервале предшествующем ,-му сеансу опроса датчиков не адекватна факторам среды функционирования ЭМС и ТС оборудования ЭМС; Д^ - вероятность того, что СКР на интервале п сеансов опроса датчиков ЭМС сохраняет в установленных пределах значения всех своих параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения; Др = / (у£, г) - составляющая инструментальной достоверности технического диагностирования, обусловленная погрешностью тракта СКР; -

результирующая погрешность системы измерений СКР; Р(1) - вероятность того, что вектор параметров, факторов среды функционирования ЭМС "устарел" для принятия диагностического решения; ? - интервал времени, между опросом вектора параметров, факторов среды функционирования ЭМС и принятием диагностического решения; п - количество опросов дат-

чиков ЭМС, в которых осуществлялась передача потоков параметров на диспетчерский пункт ЭМК.

Выводы:

Таким образом, синтез СКР ЭМС оптимальной по критерию максимума вероятности правильного определения вида ТС оборудования ЭМС является сложной исследовательской задачей структурного и параметрического синтеза с учетом ограничений, обусловленных изменением ТС, факторов среды функционирования ЭМС, в том числе воздействующих на элементы самой СКР ЭМС.

Для обеспечения высоких значений достоверности контроля работоспособности оборудования ЭМС целесообразно проведение многократных циклов решения частных задач диагностирования, например контроля на интервале времени, когда ТС оборудования ЭМС инвариантно относительно управляющих воздействий на ЭМС. Нижняя граница - допустимое значение достоверности распознавания неработоспособного ТС - вероятность безотказной работы контролируемой ЭМС.

Выбор методики оценки результатов контроля работоспособности и построение схемы формирования результатов должны производиться таким образом, чтобы любая неисправность или несовершенство СКР могли привести только к ложному появлению результата "Элемент оборудования ЭМС неработоспособен". Возможность ложного появления результата "Элемент оборудования ЭМС работоспособен" должна быть исключена полностью.

Список литературы

1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

2. Технические средства диагностирования: Справочник/ В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук [и др.]. / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

3. Биргер И.А.Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 240 с.

Шпрехер Дмитрий Маркович, канд. техн. наук, доц., shpreher-d@yandex.ru, Россия, Новомосковск, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

A METHOD OF INCREASING THE RELIABILITY OF CONTROL SERVICEABILITY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEMS

D.M. Shprekher

An analytical calculation of one of the most important indicators of the quality of technical diagnosis large Electromechanical systems (EMC) - reliability checking. Recommendations on organization of the methodology of diagnostic procedures for monitoring the health of EMC.

Key words: Electromechanical system, reliability, operability monitoring.

Shprekher Dmitry Markovich, candidate of technical science, docent, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev

УДК 519.1: 621

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ МАШИН

Г.И. Бабокин, Д.М. Шпрехер

Разработана классификация параметров контроля работоспособности электромеханических систем (ЭМС). Предложены критерии оценки динамичности параметров, определяющие их принадлежность к той или иной группе признаков. Установлены параметры контроля работоспособности основных элементов ЭМС подземных горных машин в соответствии с предложенной классификацией.

Ключевые слова: электромеханическая система, контроль работоспособности, критерий динамичности.

Электромеханическая система (ЭМС) подземных горных машин, основной из которых является механизированный комплекс (МК), является сложной системой, так как состоит из взаимосвязанных ЭМС отдельных машин: механизированной крепи, очистного комбайна, скребкового конвейера и перегружателя и маслостанции, имеющими автономные и общую системы управления комплексом.

При этом ЭМС механизированного комплекса эксплуатируется в тяжелых условиях внешней среды (повышенная влажность, запыленность, наличие агрессивных жидкостей и т.д.) и подвергается воздействию резкопеременных рабочих нагрузок на исполнительные органы отдельных машин, часто вызывающих внезапные отказы элементов ЭМС. В таких условиях при эксплуатации ЭМС необходим постоянный контроль ее работоспособности, который включает контроль правильности функционирования ЭМС и контроль исправности элементов составляющих ЭМС.

При контроле работоспособности и исправности ЭМС важное значение имеет анализ структуры ЭМС и обоснование параметров контроля.

В последние пять лет в России на пластах мощностью 1,6-4,5 м применяются механизированные комплексы с крепями 1М144К, М138/4, 3М138, М138/2, М138/4, 2УКП-5, КМ700/800, МКЮ.4-11/32 и отечественными комбайнами К-500Ю, К-500,1КШЭ.У, на которые приходится 6065% добываемого угля. С теми же крепями применяются комбайны ведущих западных фирм: КБ’^460, КБ’^500, КОБ-245, КОБ-345, К0Б-460,

156