Способ мониторинга состояния системы охлаждения
METHOD FOR MONITORING OF STATE OF COOLING SYSTEM

Области техники
Настоящее изобретение относится к автоматизированным технологиям управления технологическими процессами, а именно, к средствам управления системой охлаждения. Изобретение может быть использовано в системах диспетчеризации инженерного оборудования, системах управления зданиями, программно-аппаратных комплексах управления системами охлаждения.
Уровень техники
Известен способ управления системой охлаждения, раскрытый в патенте РФ на изобретение № RU2501715 (опубл. 20.12.2013, приоритет от 29.09.2009, 13.11.2009, заявка PCT № WO 2011/038888). Способ включает обработку сигналов о режиме работы системы охлаждения и потребителей холодильной энергии. Данные о приоритете потребителей в зависимости от режима работы сохраняют в базу данных. В зависимости от сигналов о режиме работы и данных о приоритете, генерируются сигналы, управляющие подводом холодильной энергии к потребителям.
Однако известный способ характеризуется низкой оперативностью реакции на возникновение неисправностей в системе охлаждения, что может привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования. Это обусловлено тем, что способ не предоставляет возможности своевременного устранения и локализации неисправности и не позволяет обрабатывать данные о функционировании системы, что могло бы указать на наличие утечки хладагента в контуре охлаждения.
Известен способ удаленного мониторинга и прогнозирования состояния отдельных агрегатов и сложных технологических комплексов, раскрытый в патенте РФ на изобретение № RU2677429 (опубл. 16.01.2019, приоритет от 30.01.2017). Способ включает накопление данных о функционировании агрегатов, их получение в виде последовательностей показателей, коррелированных с моментами времени, выбор модели функционирования агрегатов, способа оценки различия параметров, значения отклонений и способа оценки значений их отклонения. В ходе функционирования комплекса получают текущие показатели функционирования, выявляют отклонения от выбранной ранее модели функционирования и формируют сигнал оповещения о выявленном отклонении и его статусе (нормальное/аномальное).
Однако известный способ характеризуется узкой областью применения, ограниченной работой с турбоагрегатами и комплексами таких агрегатов. В способе не ведется учет рабочих параметров из специальных областей, а также не предложены интеграции и способы связи с холодильными машинами, потребителями холодильной энергии и устройствами, предназначенными для сбора данных о функционировании систем, состоящих из названных устройств. Помимо этого, известный способ использует достаточно сложный вычислительный аппарат, для адаптации которого для других областей применения требуются значительные доработки.
Известна система управления для управления охлаждающей системой, раскрытая в патенте РФ на изобретение № RU2720585 (опубл. 12.05.2020, приоритет от 21.04.2017, заявка PCT № WO 2018/192827). Система управления включает центральный блок управления и контроллеры объектов, выполненные с возможностью управления одним из охлаждающих объектов, в частности в отношении подачи холодильного агента в испаритель объекта. Центральный блок управления и контроллеры объектов объединены в защищенную сеть связи с возможностью обмена сигналами связи.
Однако известный способ характеризуется низкой оперативностью реакции на возникновение неисправностей в системе охлаждения, что может привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования.
Помимо этого, существующие способы мониторинга охладительных систем ограничиваются визуальным контролем состояния оборудования, визуальным анализом изменения параметров хладагента и охлаждаемого воздуха, контролем параметров хладагента и охлаждаемого воздуха на предмет выхода за статичные границы, установкой дополнительных систем контроля.
Данные решения не позволяют заранее и с высокой точностью определить утечку хладагента, особенно в тех случаях, когда система охлаждения имеет десятки потребителей, размещенных друг от друга на некотором расстоянии, например, по территории предприятия.
Визуальный контроль за состоянием систем снижает вероятность обнаружения неисправностей, что обусловлено человеческим фактором. При этом зачастую существуют сложности с обследованием трасс, по которым осуществляется циркуляция хладагента,  вследствие недоступности мест прохождения трасс. В случае территориально распределенных систем многократно возрастает объем требуемых трудозатрат.
Статичные границы для контроля параметров потребителей подбираются таким образом, чтобы снизить количество ложных срабатываний оповещения, поэтому выход регулируемых параметров потребителей (например, температуры воздуха внутри потребителя) за пределы этих границ чаще всего происходит или за несколько часов до неисправности, или уже непосредственно в момент неисправности.
Установка дополнительного оборудования требует вмешательства в работу холодильной установки, дополнительных затрат на установку и обслуживание систем контроля. Например, при установке детектора утечки хладагента обнаружение утечки осуществляется только в том помещении, где он установлен, этот способ не подходит в случае расположения потребителей, например, в торговых залах с большими площадями, где необходимая концентрация газа в случае утечки не будет достигнута вследствие слишком малого объема газа относительно объема помещения, кроме того, данный способ не подходит в случае появления утечки на трассах или соединениях, расположенных на улице.
С учетом вышесказанного, существует необходимость в создании способа мониторинга состояния охлаждающих систем, позволяющего увеличить оперативность реагирования на возникновение неисправностей в системе охлаждения.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности мониторинга состояния системы охлаждения.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении оперативности реагирования на возникновение утечки хладагента в контуре охладительной системы.
Изобретение раскрывает компьютерно-реализуемый способ мониторинга состояния системы охлаждения, состоящей из центральной холодильной машины (ЦХМ) и связанных с ней потребителей холодильной энергии, которые обеспечивают охлаждение воздуха с использованием сгенерированного ЦХМ холода. Способ включает стадии, на которых:
- с заданной периодичностью проводят сбор текущих данных о работе ЦХМ и потребителей и записывают их в базу данных;
- обеспечивают доступность предварительно собранных архивных данных о работе ЦХМ и потребителей;
- на основе упомянутых текущих и архивных данных формируют временные ряды, каждый из которых отражает распределение во времени отдельного параметра работы охладительной системы, при этом в качестве упомянутых параметров работы используют по меньшей мере один параметр, который выбран из группы, включающей: температуру воздуха в каждом потребителе, количество потребителей в режиме охлаждения, время нахождения каждого потребителя в режиме охлаждения, значение производительности компрессора ЦХМ, значение давления на входе в компрессор ЦХМ;
- проводят предварительную обработку временных рядов, включающую процедуры сглаживания, заполнения пропусков в данных и нормализации;
- определяют значения коэффициентов регрессии для каждого обработанного временного ряда;
- передают значения коэффициентов регрессии на вход вычислительной модели, отражающей зависимость между вероятностью утечки хладагента в охладительной системе, параметрами ее работы и удаленностью каждого потребителя от ЦХМ;
- определяют значение вероятности утечки хладагента, обновляют в базе данных упомянутое значение и передают адресату сигнал об изменении упомянутого значения.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения проявляются в следующих частных вариантах его осуществления.
В частности, источником текущих данных о работе охладительной системы являются контроллеры ЦХМ и потребителей.
В частности, источником текущих данных о работе охладительной системы является интегрированный в упомянутую систему блок мониторинга, связанный с контроллерами ЦХМ и потребителей.
В частности, собранные текущие и предварительно собранные архивные данные снабжают меткой времени их сбора.
В частности, сглаживание данных проводят по меньшей мере одним методом, который выбран из группы, включающей: экспоненциальное сглаживание, метод скользящего среднего, метод Холта-Винтерса.
В частности, нормализацию данных проводят одним из методов, который выбран из группы, включающей деление на максимальное значение, минимакс нормализацию или Z-нормализацию.
В частности, адресат, которому передают сигнал об изменения значения вероятности утечки хладагента, является модулем оповещения оператора системы мониторинга охладительной системы.
В частности, адресат, которому передают сигнал об изменения значения вероятности утечки хладагента, является модулем визуализации данных.
Заявленный способ позволяет выявить наличие утечки хладагента в контуре системы охлаждения, состоящей из большого числа связанных с центральной холодильной машиной потребителей, без необходимости визуального контроля работы оборудования. Используемая для этого вычислительная модель отражает зависимости между параметрами работы охладительной системы, удаленностью потребителей от центральной холодильной машины и вероятностью наличия утечки.
Наличие утечки хладагента определяется как следствие ситуации, при которой все потребители холодильной энергии, кроме наиболее удаленных, имеют стабильные показатели температуры охлаждаемой среды и производительности, в то время как удаленные потребители показывают небольшой, но стабильный рост.  В качестве дополнительных факторов наличия утечки в системе выступает рост суммарного времени нахождения всех потребителей в режиме охлаждения с одновременным ростом производительности центральной холодильной машины.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 иллюстрирует пример системы охлаждения;
ФИГ.2 иллюстрирует структурную схему программной реализации мониторинга состояния системы охлаждения;
ФИГ.3 иллюстрирует блок-схему способа мониторинга состояния системы охлаждения.
Описание вариантов осуществления изобретения
В соответствии с ФИГ.1, охлаждающая система включает центральную холодильную машину (ЦХМ) 101 и связанных с ней потребителей холодильной энергии 102. Центральная холодильная машина 101 обеспечивает выработку холодильной энергии. Потребители холодильной энергии 102 обеспечивают охлаждение объемов воздуха, используя выработанный ЦХМ 101 холод. Процесс охлаждения является постоянно повторяющимся циклом, в котором хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное. Хладагент является рабочим веществом холодильного цикла, основной характеристикой которого является низкая температура кипения. В качестве хладагентов применяют углеводородные соединения, которые, в частности содержат атомы хлора, фтора, брома. Помимо этого, в качестве хладагента применяют аммиак, углекислый газ, пропан, воздух. При повреждении в контуре системы охлаждения герметичности трасс, по которым осуществляется циркуляция хладагента, количество хладагента в системе постепенно уменьшается, снижая охлаждающую способность системы.
Выработанную ЦХМ 101 холодильную энергию доставляют к потребителям, которые обеспечивают охлаждение охлаждаемого объекта. Охлаждаемый объект может являться помещением, морозильной камерой, оборудованием, но не ограничиваться лишь этими примерами охлаждаемых объектов. Потребитель 102 может являться потребителем произвольного типа, включающим теплообменник (испаритель). В потребителе 102 подготовленный холодильной машиной 101 хладагент испаряется и забирает избытки тепла охлаждаемой среды.
Центральная холодильная машина 101 связана с контроллерами ЦХМ 103, образующими систему автоматики ЦХМ. Примерами контроллеров ЦХМ 103 являются специализированные контроллеры производителей Danfoss, Carel, Dixell, но не ограничиваются лишь этими примерами контроллеров. Для целей управления ЦХМ 101 могут быть использованы контроллеры ЦХМ 103 различных производителей, поскольку алгоритмы управления и состав управляемого оборудования в потребителях и холодильной машине могут быть различными. Потребители холодильной энергии 102 связаны с контроллерами потребителей 104. В качестве контроллеров потребителей 104 могут быть использованы конфигурируемые контроллеры произвольного производителя или назначения. Это обусловлено тем, что алгоритмы управления в потребителях 102 сравнительно проще, чем в холодильной машине 101, а количество потребителей 102 может варьироваться в зависимости от холодильной мощности системы охлаждения.
Контроллеры ЦХМ 103 и контроллеры потребителей 104 могут быть связаны информационными интерфейсами. В альтернативном варианте контроллеры ЦХМ 103 и контроллеры потребителей 104 могут быть не связаны информационными интерфейсами. В таком случае упомянутые контроллеры 103, 104 работают автономно, решая задачи регулирования температуры окружающей среды и регулирования параметров хладагента соответственно.
Контроллеры ЦХМ 103 и контроллеры потребителей 104 могут быть способны поддерживать открытые коммуникационные протоколы связи, применяемые в системах автоматизации. Упомянутые протоколы связи могут быть представлены протоколами Modbus, BACnet, Lonworks, но не ограничиваются лишь этими примерами протоколов. Контроллеры ЦХМ 103 и контроллеры потребителей 104 необязательно способны поддерживать упомянутые протоколы связи. В частности, если для сбора показаний контроллеров 103, 104 использовано промежуточное оборудование, совместимое с упомянутыми контроллерами иным образом, то поддержка открытых коммуникационных протоколов в таком случае становится опциональной.
Утечка хладагента происходит вследствие разгерметизации контура охлаждения. В качестве причин разгерметизации могут выступать внешние повреждения трассы или элементов контура, некачественные соединения, неплотно закрытые сервисные порты. Утечка приводит к уменьшению объема хладагента и, как следствие, к снижению количества хладагента в жидком агрегатном состоянии, подводимого к потребителям, причем чем дальше от центральной холодильной машины находится потребитель, тем выше вероятность нехватки хладагента для него в случае утечки. Недостаток количества хладагента приводит к снижению холодопроизводительности отдельного потребителя и повышению температуры охлаждаемой среды.
Чаще всего при небольших утечках большая часть потребителей продолжает работать в нормальном режиме, в то время как потребители, расположенные на удалении от центрального холодильного агрегата, начинают испытывать недостаток хладагента. Это приводит к постепенному увеличению времени работы данных потребителей в режиме охлаждения, и в результате к повышению температуры охлаждаемой среды.
В соответствии с ФИГ.2, программная реализация мониторинга состояния системы охлаждения имеет модульную структуру.
Упомянутые модули могут быть реализованы посредством различных сочетаний аппаратных и программных средств. Каждый модуль может быть реализован с использованием по меньшей мере одного процессора, устройства оперативной и/или долговременной памяти, способными обеспечивать функционирование программных модулей, а также по меньшей мере одним физическим интерфейсом связи, способным обеспечивать обмен данными и командами между контроллерами и по меньшей мере одним серверным устройством по каналам связи. Упомянутые модули могут быть представлены любым требуемым числом компьютерных программных модулей и могут использовать любое требуемое число библиотек, оболочек, приложений, программных пакетов в зависимости от конкретной функции или этапа способа, реализуемых определенным модулем. Компьютерные программные модули могут быть реализованы в виде машинного кода или в виде текста программы на языке программирования, таком как C, C++, C#, Java, Python, Perl, Ruby, но не ограничивающимся лишь этими примерами языков программирования. В качестве систем управления базами данных (СУБД), которые необходимы для информационного обеспечения способа, могут выступать СУБД PostgreSQL, InfluxDB,  MySQL, Prometheus, но не ограничиваются лишь этими примерами СУБД.
Программная реализация мониторинга состояния системы охлаждения включает модуль ‘Backend’ 201, предназначенный для организации взаимодействия компонентов программной системы. Примером реализации модуля 201 может являться программное обеспечение Django. Модуль 201 связан с модулем ‘Frontend’ 202, предназначенным для визуализации данных и обеспечения взаимодействия с пользователем. Примером реализации модуля 202 может являться программное обеспечение Grafana. Модули 201, 202 могут быть связаны с аналитическими модулями 203, выполняющими обработку данных мониторинга состояния системы охлаждения. Модули 201, 202, 203 связаны с базами данных 204, необходимыми для работы упомянутых модулей.
Модуль 201 может быть связан с модулем ‘ETL’ 205 (англ. Extract, Transform, Load), обеспечивающим извлечение и преобразование данных, полученных от блоков мониторинга 206. Блоки мониторинга 206 предназначены для получения данных от контроллеров 103, 104. Сбор данных может осуществляться посредством передачи файлов известной структуры, например, созданных с использованием языка разметки XML. Помимо этого, сбор данных может осуществляться посредством отправки запросов к прикладному программному интерфейсу блока мониторинга или контроллера, например, с использованием стиля взаимодействия систем REST API.
Модуль 201 может быть связан напрямую с контроллерами 103, 104 для обеспечения сбора данных. Сбор данных возможен по открытым протоколам коммуникации. Например, при использовании протокола Modbus для обеспечения сбора данных может быть использовано программное обеспечение Zabbix.
В соответствии с ФИГ. 3, способ мониторинга состояния системы охлаждения включает следующие шаги.
T
N
На шаге 301 с заданной периодичностью проводят сбор текущих данных о работе ЦХМ и потребителей и записывают их в базу данных 204. Собранные данные с метками времени сохраняются в БД 204, где полями таблицы являются параметры оборудования. Дополнительно для каждого потребителя вычисляются параметры, связанные режимом его работы: суммарное время () нахождения потребителя в режиме охлаждения за предшествующий период, например, за последний час; а также текущее количество () потребителей, находящихся в режиме охлаждения. Эти данные также сохраняются в БД 204 с метками времени получения данных.
На шаге 302 обеспечивают доступность предварительно собранных архивных данных о работе ЦХМ и потребителей.
На шаге 303 на основе упомянутых текущих и архивных данных формируют временные ряды, каждый из которых отражает распределение во времени отдельного параметра работы охладительной системы, при этом в качестве упомянутых параметров работы используют по меньшей мере один параметр, который выбран из группы, включающей: температуру воздуха в каждом потребителе, количество потребителей в режиме охлаждения, время нахождения каждого потребителя в режиме охлаждения, значение производительности компрессора ЦХМ, значение давления на входе в компрессор ЦХМ.
Оценка вероятности наличия утечки хладагента производится на основании текущих и архивных данных. Изменение температуры воздуха в охлаждаемом объеме при небольшой утечке достаточно инерционный процесс, поэтому достаточно вычислять оценку вероятности с частотой, равной, например, 6 часам (Freq = 6 часов), оценивая данные за предыдущие 3 дня (Hist = 3 дня). Параметры Freq и Hist должны определяться на нескольких выборках эмпирическим путем и могут быть оптимизированы в случае применения метода на системах охлаждения с характеристиками, отличающимися от стандартных. Алгоритм запускается с заданной периодичностью Freq и выгружает из БД последние параметры за выбранный период Hist.
Для расчета оценки из БД выгружаются следующие параметры:
- суммарное время (T) нахождения потребителя в режиме охлаждения за последний час;
- количество (N) потребителей, находящихся в режиме охлаждения;
- температура (t) воздуха в охлаждаемом объеме потребителя, для каждого потребителя;
- производительность (P) компрессора центральной холодильной машины (ЦХМ);
- давление (p) хладагента на входе компрессора.
На шаге 304 обеспечивают предварительную обработку данных. Предварительная обработка включает сглаживание временных рядов, заполнение пропусков в них и нормализацию данных.
Текущие данные могут иметь единичные выбросы и различные флуктуации. Оценка вероятности наличия утечки, напротив, работает с более длительными изменениями. Для исключения влияния флуктуаций в исходной выборке, к ней применяется сглаживание методом простого скользящего среднего (SMA) по формуле:
SMA
t
n
p
t-i
t
t-i
где - значение простого скользящего среднего в точке ;  - количество сэмплов в выбранном окне;  - значение параметра в точке .
Hist
Наиболее стабильные результаты оценки вероятности наличия утечки метод показал при величине окна сглаживания, равном периоду. Величина окна сглаживания зависит от периода сохранения данных в БД. В нашем случае период сэмплирования составлял 2 минуты, соответственно, величина окна составляла 2160 сэмплов.
Процедура сглаживания может быть осуществлена с использованием произвольного программного пакета, подходящего для этой цели, например Pandas, но не ограничиваясь лишь этим примером. Также для сглаживания можно использовать экспоненциальное сглаживание или метод Холта-Винтерса. Последний вариант может дать лучший результат, так как учитывает сезонную составляющую и тренд временного ряда.
Исходные данные по меньшей мере частично  содержат пустые значения, что может быть вызвано, среди прочего, потерями данных при нестабильном сетевом соединении. В частности, упомянутые пустые значения могут быть заменены на ближайшие соседние значения, которые встречаются в выборке. Помимо этого, упомянутые пустые значения могут быть заменены на значение среднего арифметического выборки данных.
После процедур сглаживания и обработки пропущенных значений, выполненной для всех оцениваемых параметров, выполняется нормализация данных по формуле:
z
-
x
x
- значение стандартизируемого параметра, μ
σ
i
i
i
где cтандартизованная оценка величины ,- среднее значение и - стандартное отклонение  параметра в нормируемой выборке.
На шаге 305 определяют значения коэффициентов регрессии для каждого временного ряда. Определение упомянутого значения может быть осуществлено с использованием произвольного программного пакета, подходящего для этой цели, например, Sklearn, но не ограничиваясь лишь этим примером.
На шаге 306 передают полученные значения коэффициентов регрессии на вход вычислительной модели, отражающей зависимость между вероятностью утечки хладагента в охладительной системе, параметрами ее работы и удаленностью каждого потребителя от ЦХМ.
Функция, используемая в вычислительной модели, может быть записана в аналитическом виде следующим образом:
T
, t
N
R
p
i
i
где (), - вычисленные ранее коэффициенты регрессии для температуры воздуха в потребителе и времени нахождения потребителя в режиме охлаждения,  - коэффициент регрессии для количества потребителей в режиме охлаждения,  - коэффициент регрессии для производительности компрессора,  - коэффициент регрессии для давления на входе в компрессор.
k
i
Для анализа потребителей выбирается несколько потребителей с наибольшими (неотрицательными) слагаемыми, например 3 потребителя. Назначение весовых коэффициентов  для потребителей осуществляется в соответствии со степенью их удаленности от ЦХМ. В частности, весовой коэффициент k для трех потребителей может принимать следующие значения: 0.1, 0.15 и 0.25 для наиболее отдаленного.
На шаге 307 определяют значение вероятности утечки хладагента, обновляют в базе данных упомянутое значение и передают адресату сигнал об изменении упомянутого значения.
Стоит отметить, что представленное выше описание приведено в качестве примера, и не должно быть истолковано как ограничивающее объем охраны настоящего изобретения, определяемым исключительно объемом приложенной формулы изобретения.
Несмотря на то, что описанные выше частные случаи осуществления приведены со ссылкой на конкретные шаги, выполняемые в определенном порядке, должно быть очевидно, что эти шаги могут быть объединены, разделены или их порядок может быть изменен без отклонения от сущности настоящего изобретения. Соответственно, порядок и группировка шагов не носят ограничительного характера для сущности настоящего изобретения.