УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ ПЕРИОДИЧНОСТЕЙ ПРОЦЕССА В ЭЛЕКТРОНАСОСНОЙ УСТАНОВКЕ

Полезная модель относится к технике контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок.
Вопросы контроля и диагностики погружных электроцентробежных насосных установок из-за условий их эксплуатации и относительной наблюдаемости, которые значительно ограничивают выбор широко используемых методов и устройств для контроля и диагностики электромеханических систем, были и остаются актуальными. В связи с чем, развиваются неординарные методы контроля работы погружных насосов, в том числе и спектральный анализ электрических сигналов на входе погружной электроцентробежной насосной установки.
Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего выделять периодичности информативные для контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке, согласно полезной модели, содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к входной шине, а выходы соединены с входами блока определения точностных характеристик, блока определения постоянной составляющей, сумматора постоянной составляющей процесса. Причем блок определения постоянной составляющей связан с блоком памяти результатов и с инвертором постоянной составляющей, выход которого, связан с сумматором постоянной составляющей процесса. Кроме этого входы сумматора периодических составляющих процесса связаны с выходом сумматора постоянной составляющей процесса, выходом инвертора периодических составляющих процесса и выходом буфера промежуточных значений, а выход сумматора периодических составляющих процесса связан с входом буфера промежуточных значений, выход которого связан с входом блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы Причем другой вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы связан с выходом задатчика диапазона поиска основной частоты в группе. Кроме этого блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы связан с блоком определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных
основной в группе, выходы которого, в свою очередь, связаны с входами генератора периодических составляющих процесса и блока памяти результатов, а выход генератора периодических составляющих процесса связан с входом инвертора периодических составляющих процесса. Кроме этого выход блока определения точностных характеристик связан с входом блока памяти результатов, и выход блока памяти связан с входом блока определения точностных характеристик. При этом блок управления связан с аналого-цифровым преобразователей, блоком определения точностных характеристик, блоком памяти результатов, сумматором периодических составляющих процесса и задатчиком диапазона поиска основной частоты в группе.
осн.
осн.
осн.
В основу работы устройства положен принцип, заключающийся в том, что входящий в состав погружной электроцентробежной насосной установки асинхронный двигатель можно использовать как датчик технического состояния насосной установки; а информационные сигналы измерять по цепи электропитания двигателя. То есть, дефекты в узлах насосной установки оказывают влияние на форму электрических сигналов на входе питания, а с изменением формы сигналов соответственно меняется и их спектральный состав. Причем в устройстве определяются не все периодичности, а только информативные, с точки зрения контроля и диагностики. Наши знания о природе анализируемого процесса и анализ эмпирических данных позволяют выделить несколько групп частот, которые обозначены как информативные. Каждая из этих групп, в своем составе имеет некую основную частоту и частоты кратные ей, то есть [F, 2F, 3F и т.д.].
Тот факт, что рассматривается не весь частотный диапазон, а только несколько локальных зон позволяет значительно сократить временные затраты и использовать устройство при исследованиях в масштабе реального времени.
На фиг.1 приведена функциональная блок - схема устройства.
Устройство для выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке (фиг.1) включает в себя аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП); блок определения точностных характеристик 2 (БОТХ); блок определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС); инвертор постоянной составляющей 4 (Инвертор 1); блок памяти результатов 5 (Память); блок управления 6 (Блок управления); сумматор постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1); сумматор периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2); инвертор периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2); генератор периодических составляющих процесса 10 (Генератор); буфер промежуточных значений 11 (Буфер); блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП
преобразователь 1); блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2); задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик).
Входная шина устройства подключена к входу аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП). Выходы преобразователя 1 (АЦП) связаны с входами блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ), блока определения постоянной составляющей 3 (БОПС) и сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1). Выходы блока определения постоянной составляющей 3 (БОПС) связаны с входом блока памяти результатов 5 (Память) и с входом инвертора постоянной составляющей 4 (Инвертор 1), выход которого, в свою очередь связан с входом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1). Входы сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) связаны с выходом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1), выходом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) и выходом буфера промежуточных значений 11 (Буфер). Выход сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) связан с входом буфера промежуточных значений 11 (Буфер). Выход буфера промежуточных значений 11 (Буфер) связан с входом блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1). Другой вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) связан с выходом задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик). Выход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) связан с входом блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2), выходы которого, в свою очередь, связаны с входами генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор) и блока памяти результатов 5 (Память). Выход генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор) связан с входом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2). Выход блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ) связан с входом блока памяти результатов 5 (Память), также имеется обратная связь выхода блока памяти 5 (Память) с входом блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ). Выходы блока управления 6 (Блок управления) связаны с входами аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ), блока памяти результатов 5 (Память), сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) и задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик).
В качестве блока 1 (АЦП) можно использовать аналого-цифрового преобразователь серии МАХ 186 (12 бит). Блок управления 6 (Блок управления) можно реализовать на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S 53. Функции блоков определения точностных характеристик 2 (БОТХ), определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС), инвертора постоянной составляющей 4 (Инвертор 1), сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1), сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2), инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2), генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор), буфера промежуточных значений 11 (Буфер), определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1), определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2) и задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) могут быть выполнены на том же процессоре. Блок памяти результатов 5 (Память) может быть реализован на внешней перезаписываемой памятью данных той же фирмы AT25L256 (32 кБайта).
n
Устройство работает следующим образом. При наличии аналогового процесса на входе аналого-цифровой преобразователя 1 (АЦП) и управляющего сигнала с блока управления 6 (Блок управления) производится преобразования аналогового сигнала в цифровой на интервале наблюдения Т=1с. с интервалом дискретизации dt=100 мкс., который поступает на блок определения постоянной составляющей процесса 3 (АО) и одновременно на блок определения точностных характеристик 2 (БОТХ). В блоке определения постоянной составляющей процесса 3 (АО) определяется значение постоянной составляющей по выражению:
n
где N - число дискретных отсчетов, при Т=1с. и dt=100 мкс. N=10000;
i
x(t) - дискретные значения исходного процесса;
i - индекс, изменяется от ноля до N-1.
То есть производится интегрирование выборки по всей длительности. Далее значение АО инвертируется в инверторе постоянной составляющей 4 (Инвертор 1) и подается на сумматор постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1) синхронно с сигналом с выхода 1 (АЦП). Таким образом, производится устранение постоянной составляющей из процесса. Значение АО записывается в блоке памяти результатов 5 (Память). Далее процесс поступает на сумматор периодических
составляющих процесса 8 (Сумматор 2), который управляется блоком управления 6 (Блок управления).
Сумматор периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) имеет три входа; вход, который связан с выходом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1) активен только в начале измерения, когда буфер промежуточных значений 11 (Буфер) пуст, далее он закрывается блоком управления. На данный момент содержимое буфера промежуточных значений 11 (Буфер) равно нулю, и сигнал с инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) также равен нулю, поэтому процесс с выхода сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1) записывается в буфер промежуточных значений 11 (Буфер) и через него подается на блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1).
Одновременно на блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) с выхода задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) подается нижнее и верхнее значение диапазона частоты поиска. Тут же блок управления переключает задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) на следующий диапазон (группу частот). А в блоке определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) производится определение основной частоты данной группы по выражениям для мгновенной спектральной плотности с интервалом поиска по частоте dF=1 Гц.
осн
осн.
осн.
осн.
С выхода блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) на вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2) поступает значение основной частоты данной группы F. В блоке определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2) производится уточнение частоты, амплитуды и фазы для основной частоты данной группы, а также всех частот кратных ей по выражению (по выражениям для мгновенной спектральной плотности) с интервалом поиска по частоте dF=0,1 Гц. в локальных частотных зонах: F±1 Гц, 2F±1 Гц., 3F±1 Гц., и т.д. Радиус локализации диапазона частоты принимается равным 1 герц.
Далее определенные значения частоты, амплитуды и фазы данной группы частот поступают на генератор периодических составляющих процесса 10 (Генератор) и одновременно запоминаются в блоке памяти результатов 5 (Память). В генераторе периодических составляющих процесса 10 (Генератор) производится генерация
синусоидальной последовательности из полученных значений частот, амплитуд и фаз с интервалом дискретизации равному 100 мкс.
где x'(t) - сгенерированный процесс;
k - индекс частоты в группе, изменяется от 1 до р;
р - количество частот в группе;
k
k
k
Am, ω, Ψ - амплитуда, частота и фаза k-ой частотной составляющей
Далее данная последовательность инвертируется в инверторе периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) и подается на вход сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2), который по сигналу с блока управления 6 (Блок управления) считывает данные с буфера промежуточных значений 11 (Буфер), суммирует их с выходом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2), и записывает результат (остаточный процесс) обратно в буфер промежуточных значений 11 (Буфер).
x"(t)=x(t)-x(t)';
где - x(t) - исходный процесс;
x(t)' - сгенерированный процесс;
x(t)" - остаточный процесс;
С выхода буфера промежуточных значений 11 (Буфер) процесс опять поступает на вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) и одновременно с этим, с входа задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) подается нижнее и верхнее значение диапазона частоты поиска следующей группы частот. Далее процесс повторяется до тех пор, пока не обнулится задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) - исчерпаются группы информативных частот. К этому времени в блоке памяти результатов 5 (Память) будут записаны исходный сигнал и результаты определения.
По сигналам блока управления 6 (Блок управления) в блоке определения точностных характеристик 2 (БОТХ) формируются точностные характеристики (среднеквадратичное отклонение, показатель сигнал/шум, разность действующих значений). После чего блоком управления 6 (Блок управления) формируется и выдается сигнал результата.
Выделение периодичностей данным устройством в сравнении с анализом всего спектра позволяет сократить время исследования более чем в 8 раз.
Результаты получаемое устройством предлагается использовать в задачах контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок. Наличие и уровень тех или иных периодичностей как диагностический параметр.
Таким образом, разработанное устройство для выделения информативных периодичностей в электронасосной установке просто по технической реализации и обладает небольшими временными затратами при исследовании, что позволяет применять его при исследованиях в масштабе реального времени.