Обзор методов поиска неисправностей в системе управления электроприводом буровой установки

Статические и динамические модели для наиболее используемых структур построения контуров систем управления теплоэнерготехнологическими процессами расширяют возможности синтеза регуляторов.

Если система настраивается как стабилизационная по выходному параметру или компенсации возмущения, можно получить заданные значения статизма и степени устойчивости, изменяя основной параметр - коэффициент K и выбирая настройки регулятора корневыми методами или методом стандартных переходных характеристик. Подобные методы могут применяться и в случае необходимости обеспечения требуемой точности работы системы, заданной при помощи коэффициентов ошибок. В ряде случаев для упрощения синтеза систем возможно при помощи эквивалентных преобразований исходные структуры приводить к структурам, свойства которых известны. Условия эквивалентности показывают, какие параметры связей следует выбирать, чтобы данная система имела известные свойства.

В уравнениях динамики элементов комбинированных систем переменные величины Y, U и F часто одновременно входят в несколько уравнений. Исключая ту или иную переменную из уравнения замыкания, получим новый эквивалентный с точки зрения формы переходных процессов, вызванных данными возмущениями, закон регулирования.

Если удается привести уравнение замыкания к виду s(p) = X(p) + WF(p)F(p), то такая структура при выполнении условий эквивалентности имеет основные свойства разомкнутой системы с управлением по возмущению. В ней можно полностью применить условия инвариантности, но жесткость статической характеристики

системы будет мала. При возможности получения зависимости s(p) = X(p) - Woc(p)Y(p) + WF(p)F(p) в

системе можно достичь абсолютной инвариантности при большой жесткости характеристики.

Практическое значение условий эквивалентности, варианты которых приведены, зависит от возможного числа операторов, которые имеются при синтезе и настройках автоматической системы в контуре.

Библиографический список

1. Ешенко А.А. Проблемы автономного управления в системе регулирования уровня в барабане и давления пара в котле // Вестник ИрГТУ. 2012. №5 (64). С.158-162.

2. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами: учебник для вузов. М.: Энергопром-издат, 1985. 296 с.

3. Ивахненко А.Г. Кибернетические системы с комбинированным управлением // Техника. 1966. 505 с. УДК 63-83-52:519.768.2

ОБЗОР МЕТОДОВ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ БУРОВОЙ УСТАНОВКИ

© Л.С. Лебедев1

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

Представлен обзор методов поиска неисправностей на примере электропривода буровой установки. Рассмотрен новый метод поиска неисправностей применительно к функциональной схеме буровой установки. Приведен анализ методов поиска неисправностей и их сравнение между собой и с новым методом. Ил. 7. Табл. 2. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: автоматизированная система управления; алгоритм диагностирования; функциональная схема; структурная схема; методы поиска неисправностей; алгоритм диагностирования.

REVIEWING TROUBLESHOOTING METHODS FOR RIG ELECTRICAL DRIVE CONTROL SYSTEM L.S. Lebedev

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

The paper reviews troubleshooting methods on example of an electric drive of a drilling rig. A new troubleshooting method is examined as applied to the functional diagram of a drilling rig. The troubleshooting methods are analyzed and compared with each other and with a new method. 7 figures. 2 tables. 2 sources.

Key words: automated control system; diagnosis algorithm; functional diagram; flow diagram; troubleshooting methods; diagnostics algorithm.

1Лебедев Леонид Станиславович, аспирант кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 89526161425, e-mail: lls200710-192@mail.ru

Lebedev Leonid, Postgraduate of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89526161425, e-mail: lls200710-192@mail.ru

Введение. В настоящее время для бурения скважин различной глубины существуют разные типы буровых установок (БУ), использующие в качестве главных приводов дизельные двигатели, двигатели постоянного и переменного тока. В современном нефтегазовом производстве при разведывательном и эксплуатационном бурении используются высокоэффективные буровые установки с двигателями переменного тока. Концепция их высокоэффективности заключается в значительно меньшем энергопотреблении и высоком энергосбережении по сравнению с другими типами двигателей. Особенно это актуально при разведывательном бурении, так как происходит частая смена места бурения и нет привязки к одному источнику электроснабжения. В качестве основного и резервного источника электроэнергии на таких буровых используют дизельные электростанции или газотурбинные генераторы. Снижение потребления электроэнергии позволяет экономить выработку электроэнергии, а это, в свою очередь, приводит к сокращению расхода топлива для генераторных станций.

Функциональная схема буровой установки. Основными (главными) приводами являются: привод буровых насосов, привод ротора (при роторном бурении) или верхний привод (при бурении системой верхнего привода) и привод буровой лебедки, в которых используют двигатели переменного тока. Для регулирования момента и скорости используются частотные преобразователи. Достоверно известно, что при частотном регулировании электродвигателей насосов требуется значительно меньше электроэнергии, чем при дросселировании. Кроме того, применение векторного управления с обратной связью по скорости позволяет значительно снизить энергопотребление и повысить точность регулирования момента и скорости электродвигателей ротора и буровой лебедки. Для

регулирования параметров бурения (например, скорости вращения ротора, давления насосов в манифоль-де, массе буровой колонны), передачи данных (буровому мастеру и бурильщику), опций защиты (например, при открытии защитных кожухов, пониженном давлении в системе смазки, контроле температуры двигателей) используется автоматизированная система управления (АСУ) на базе микропроцессорной техники. Использование такой техники позволяет реализовать множество задач в минимально короткое время, а также снизить массогабаритные показатели, которые играют существенную роль при транспортировке. Применение микропроцессорной техники позволило расширить количество контролируемых параметров, а также создало возможность передачи их на пульт бурильщика, что, в свою очередь, позволило более точно контролировать процесс бурения: снизить или предупредить аварийные ситуации и вынужденные остановки, которые являются крайне дорогостоящими, а также уменьшить время спуска и подъема буровой колонны. Что касается самого процесса бурения, то при внедрении автоматизированной системы управления снизилось время бурения и появилась система контроля параметров бурения.

Для того чтобы оценить возможность применения экспертных систем для диагностирования буровой установки, предварительно рассмотрим структурную схему БУ 5000/320 БМ(Ч), представленную на рис.1.

Поясним принцип работы БУ:

1. Энергокомплекс, состоящий из дизель-генераторных установок с суммарной мощностью 3 МВт (ДГУ), вырабатывает электроэнергию с параметрами U=6 КВ и P=3000 КВт посредством трех дизель-генераторных установок.

2. Электроэнергия от энергокомплекса ДГУ преобразуется в комплектном распределительном

Рис.1. Структурная схема буровой установки БУ 5000/320 БМ

устройстве на 2 уровня напряжения: U = 380 В и П2г = 690 В.

3. Силовой понижающий трансформатор ТМБ 1600 КВА питает низковольтное комплектное устройство (НКУ), цементировочный комплекс (ЦК), жилой городок (ЖГ), парогенераторную установку (ПГ).

4. Трансформатор комплектного распределительного устройства (КРУ) ТРСЗП 3200 КВА 6/0,69/0,69 кВ питает комплектное тиристорное устройство (КТУ), в котором, в свою очередь, располагаются АСУ БУ производства Allen Bradley и частотные преобразователи Sinamics S120 производства Siemens с суммарной мощностью 5 МВт.

5. Низковольтное комплектное устройство распределяет электроэнергию 0,4 кВ и обеспечивает защиту следующих потребителей: циркуляционной системы бурового раствора (ЦС), вспомогательного оборудования модуля буровых насосов (МБН), освещения буровой установки во всех производственных помещениях (Освещение), вспомогательной лебедки с частотным приводом Masterdrive производства Siemens мощностью 20 КВт.

6. Компрессорный модуль (компрессор), состоящий из 2 блоков Atlas Copco GA45 с суммарной мощностью 150 КВт.

7. Теплогенераторы контейнерного типа исполнения, работающие на жидком топливе (3 шт.), электрическая мощность которых составляет 30 КВт.

8. Электродвигатели главных приводов: ротора, буровой лебедки и буровых насосов - представляют собой 5 электродвигателей производства ABB AMA426M6 мощностью 950 КВт каждый, 1000 об/мин (взрывозащищенного исполнения с установленными на них энкодерами).

Для последующего детального описания рассмотрим функциональную схему КТУ для управления главными приводами, представленную на рис.2.

Поясним обозначение блоков, присутствующих на функциональной схеме рис. 2:

1. БП - блок питания, который преобразует переменное напряжение 3х380 В в постоянное напряжение 24 В.

2. ИБП - источник бесперебойного питания, который служит для автономного питания АСУ в случае отсутствия напряжения на шинах 380 В.

3. МПСУ - микропроцессорная система управления АСУ, включающая промышленный контроллер Allen-Bradley с программой для управления двигателями главных приводов БУ 5000/320 БМ(Ч) и периферийное оборудование (модули связи industrial Ethernet, модули связи profibus, модули аналоговых вводов и выводов, модули цифровых вводов и выводов, контроллер микроклимата контейнера управления и коммутирующие реле для цепей управления).

4. НВ - неуправляемый выпрямитель, который напряжение 12-пульсной системы переменного тока преобразует в постоянное напряжение U=900 В, используемое для питания автономных инверторов тока. Высоковольтный трансформатор ТРСЗП 3200 КВА 6/0,69/0,69 КВ, первая трехфазная низковольтная об-

мотка которого соединена звездой, а вторая - треугольником. Отсюда получается 12-пульсная схема выпрямления, которая обеспечивает минимальное значение пульсаций напряжения при выпрямлении. Также блок содержит в себе силовой расцепитель и выключатель нагрузки, которые обеспечивают функции включения и нагрузки, блок измерения сопротивления кабельных линий относительно земли. Блоком обеспечивается питание вентиляторов (четыре осевых вентилятора по 11 кВт) четырех тормозных резисторов, которые используются при динамическом торможении асинхронных электродвигателей лебедки (по два тормозных резистора на каждый электродвигатель).

5. И - автономный инвертор тока, который преобразует постоянное выпрямленное напряжение в переменное трехфазное с параметрами и^аг, 1^аг, f=var. В этом блоке реализована защита электродвигателей от перегрузки, которая ограничивает ток электродвигателя как программно, так и механически - в цепи инвертор-электродвигатель стоят силовые предохранители.

6. СУ - система управления автономным инвертором тока, которая получает сигнал управления от МПСУ и затем управляет непосредственно своим инвертором. Тип управления - векторное, с обратной связью по датчику скорости.

7. У - блок, в котором объединены все сигналы управления (команды), поступающие из разных источников в МПСУ.

8. Д - электродвигатель главного привода.

9. Э - инкрементальный энкодер, который обеспечивает обратную связь по скорости.

10. из - напряжение задания для МПСУ (сигнал управления).

11. иос - сигнал обратной связи от энкодера к системе управления.

12. ивып - выпрямленное напряжение, необходимое для питания автономных инверторов тока.

Как видно из функциональной схемы рис. 2, на МПСУ поступает сигнал задания из, после этого в зависимости от команды бурильщика включается тот или иной привод. Это происходит посредством команды от МПСУ к СУ, которая запускает И, а затем переменное напряжение с параметрами и^аг, f=var поступает на электродвигатель главного привода (Д). Посредством инкрементального энкодера (Э), сигнал которого поступает на СУ, осуществляется обратная связь по скорости.

В общем случае цепочка СУ, Д, Э представляет собой систему со своей системой диагностики, поэтому ее можно объединить в один блок для построения логической схемы. Для упрощения построения будем считать, что механическая часть является единым и нераздельным звеном, т.к. при выходе из строя какого-нибудь главного привода останавливается вся буровая установка. Объединим блоки ИБП и БП и будем считать их одним блоком БП. Также введем новый блок управления. Блоки пронумеруем. Получим преобразованную функциональную схему СУЭП (рис. 3).

Рассмотрим основные способы построения диа-

Рис.2. Функциональная схема КТУ для управления главными приводами БУ5000/320 БМ

грамм поиска неисправностей на примере преобразованной функциональной схемы рис. 3.

При разработке функциональной схемы рис. 3 были сделаны следующие допущения [1]:

1. Каждый функциональный элемент модели может иметь конечное множество входных сигналов и только один выходной сигнал.

2. Для каждого функционального элемента модели известны функциональные зависимости между входными и выходным сигналами, а также их допустимые значения.

3. Внешние входные сигналы функционального элемента всегда принимают только допустимые значения.

4. Линии связи между функциональными элементами модели абсолютно надежны.

5. Если выходной сигнал одного функционального элемента является входным для другого элемента, то допустимые значения этих сигналов совпадают.

6. При выходе за пределы допустимых значений хотя бы одного из входных сигналов на выходе функционального элемента появляется недопустимый сигнал.

7. Функциональный элемент считается неисправным, если при допустимых входных сигналах на

входе элемента появляется недопустимый сигнал.

Для дальнейшего описания и представления диагностической системы поясним некоторые термины [2]:

Техническая диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объекта.

Поиск неисправности (дефекта) - диагностирование с целью выявления дефекта и определения его места возникновения.

Элементарная проверка - минимальный эксперимент над объектом диагностирования, характеризующийся соответствующим воздействием, поступающим на объект, а также ответом объекта на это воздействие.

Алгоритм диагностирования - совокупность элементарных проверок, произведенных в определенном порядке в зависимости от выбранной стратегии (метода) поиска неисправностей.

Стратегия или метод поиска неисправностей выбирается в зависимости от структуры объекта диагностирования и требуемой глубины поиска неисправности. Для каждого объекта следует подбирать максимально эффективную стратегию, с минимальным временем затрат на поиск неисправностей. Затраты

Рис.3. Преобразованная функциональная схема СУЭП буровой установки БУ5000/320БМ

на поиск могут быть выражены понятием цены элементарной проверки. Цены могут отличаться и варьироваться в зависимости от условий проведения проверок во время проведения диагностирования. Оптимальным алгоритмом считается тот, который приводит к минимальным затратам времени на поиск неисправностей.

Рассмотрим некоторые варианты алгоритмов диагностирования на примере преобразованной функциональной схемы СУЭП буровой установки БУ5000/320БМ(Ч). С этой целью составим табл. 1, где i - номер блока, p(e) - вероятность возникновения неисправностей, - время на поиск неисправностей.

Метод предпочтений. Рассмотрим метод, широко используемый в диагностике - метод предпочтений [1]. Суть метода заключается в том, что выбор каждой проверки зависит от оптимального соотношения p(e¡) и согласно мнению эксперта, его опыту и логике. Алгоритм диагностирования по методу предпочтений для буровой установки БУ5000/320БМ(Ч) представлен на рис. 4.

Для определения средних затрат времени на поиск неисправностей воспользуемся формулой

N К

С Е) = £[р

Для алгоритма диагностирования по методу предпочтений средние затраты [1] составят

С(2й, Е) = 0,392.

Информационный метод. На рис. 5 представлен алгоритм диагностирования по информационному методу поиска неисправностей [1] для буровой установки БУ5000/320БМ. Для данного алгоритма диагностирования средние затраты составят

С(, Е) = 0,425.

В ходе исследования было установлено, что максимальная эффективность по критерию средних затрат будет у алгоритма, основанного на методе половинного деления и названного методом множественного половинного деления. Его суть состоит в следующем:

1. Первая проверка должна удовлетворять усло-

Р(ег) вию г = тах.

г е)

2. Алгоритм должен быть симметричен, т.е. должно выполняться условие

£ р

£ г (е левой части

правойчасти

)

Таблица 1

г=1

К =1

\ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

P(e) 0,025 0,025 0,025 0,025 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15

т 0,15 0,05 0,15 0,05 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Рис.4. Алгоритм диагностирования по методу предпочтений для буровой установки БУ5000/320БМ

Рис.5. Алгоритм диагностирования по информационному методу поиска неисправностей

для буровой установки БУ5000/320БМ

3. Каждая проверка должна делить каждую половину алгоритма (левую или правую часть) на две части.

4. Каждая последующая проверка должна выполнять условие

Е р(е

левой части ) _ Е р(е

правой части

)

Е' (е левой части

право ичасти

)

Таким образом, выполняя правила с 1 по 4, получаем алгоритм множественного половинного деления

(рис. 6). Для алгоритма диагностирования по методу множественного деления средние затраты составят

С(2й, Е) = 0,193.

вания показало себя надежным, отказами оборудования из-за поломки соединительной муфты можно пренебречь. А это означает, что если блок № 10 не работает, то не работают и блоки № 5-9 и их надо прове-

Рис.6. Алгоритм определения неисправностей по методу множественного деления для буровой установки

БУ5000/320БМ

Рис.7. П-алгоритм с использованием информационного метода для буровой установки БУ5000/320БМ

На практике существует один нюанс, связанный с особенностью функциональной схемы АСУ БУ5000/320 БМ (Ч). Особенность обуславливается тем, что блок нагрузки неразрывно связан с электроприводами № 5-9, так как нагрузка не может быть отделена от электродвигателя. Ввиду того что механическое соединение (муфта) вал электродвигателя -вал нагрузки в ходе эксплуатации бурового оборудо-

рять последовательно один за другим. В противном случае нарушается логика работы АСУ буровой установки и диагностика по методу множественного деления может привести к неправильным результатам. Из этого следует сделать вывод, что на практике данный алгоритм, несмотря на малые затраты времени на поиск неисправностей, в данной структурной схеме АСУ буровой установки не может быть использован.

П-алгоритм с использованием информационного метода. Этот алгоритм является улучшенной модификацией вышеописанных методов диагностирования. Известно, что наиболее эффективными являются алгоритмы диагностирования, в основе которых лежит метод половинного деления. Проведенными исследованиями установлено, что согласно логическим рассуждениям, вытекающим из особенностей функциональной схемы буровой установки БУ5000/320 БМ(ч), необходимо проверять параллельные объекты как неразрывную часть, т.к. параллельные объекты диагностирования имеют одинаковые время диагностирования и вероятность выхода из строя. Назовем это правой частью алгоритма.

Первую проверку необходимо выбирать исходя из двух условий:

• проверка должна делить алгоритм на две части;

• проверка должна иметь наименьшее время.

В левой части алгоритма также должен быть блок (с минимальными затратами времени), который поделит оставшуюся часть на две. Последующие проверки могут быть выполнены в соответствии с информационным методом поиска неисправностей.

Таким образом, выполнение всех вышеуказанных рекомендаций позволило получить алгоритм, который назван П-алгоритмом с использованием информационного метода. Данный алгоритм представлен на рис. 7. Для П-алгоритма диагностирования с использованием информационного метода средние затраты со-

ставят С(2^, Е) = 0,225.

Данные алгоритмы, как показал эксперимент, дают преимущества во времени по сравнению с традиционными алгоритмами, в данной ситуации - по сравнению с большим количеством параллельных объектов диагностирования.

Результаты сравнения средних затрат времени на поиск неисправностей известными методами и методами, предложенными автором, сведены в табл. 2.

Таблица 2

№ п/п Наименование C

1 Метод предпочтений 0,392

2 Информационный метод 0,425

3 Метод множественного деления 0, 193

4 П - алгоритм с использованием информационного метода 0,288

Выводы. Рассмотрены различные алгоритмы поиска неисправностей для объекта диагностирования -СУЭП буровой установки БУ5000/320БМ(Ч).

Установлено, что разработанный П-алгоритм с использованием информационного метода имеет наименее минимальные средние затраты времени на поиск неисправностей относительно известных методов - С(^, Е) = 0,288.

Библиографический список

1. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электро- 2. Григорьев А.В., Осотов В.Н. Диагностика в технике. По-приводов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 134 с. нятия, цели, задачи // Электротехника. 2003. № 4.

УДК 63-83-52:621.314.27

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ МЕТОД ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА

© И.А. Мытник1

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

Приведен новый метод диагностирования устройства плавного пуска, который основан на использовании вре-мявероятностного метода с последующим поиском неисправностей по методу половинного деления при равных вероятностях технических состояний элементов и с учетом цен их элементарных проверок. Представлены функциональная схема устройства плавного пуска, граф алгоритма диагностирования, таблица для расчета средних затрат на определение одного состояния устройства плавного пуска, приведены сравнения. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: устройство плавного пуска; алгоритм диагностирования; функциональная схема; методы поиска неисправностей; граф алгоритма диагностирования; средние затраты.

UPGRADED METHOD FOR SOFT STARTER TROUBLESHOOTING I.A. Mytnik

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

1Мытник Илья Александрович, аспирант кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: 89501254534, e-mail: ilya.mytnik.88@mail.ru

Mytnik Ilya, Postgraduate of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: 89501254534, e-mail: ilya.mytnik.88 @ mail.ru