ВВЕДЕНИЕ
Современные прокатные станы являются наиболее мощными и высокопроизводительными технологическими агрегатами в металлургической промышленности и характеризуются высокой сложностью установленного электрооборудования. Так, непрерывный стан 2Q00 горячей прокатки имеет несколько сотен электрических машин с установленной мощностью в десятки МВт и несколько тысяч километров силовых цепей и проводов связи. В этих условиях весьма остро встает проблема обеспечения работоспособности автоматизированного электропривода (АЭП) прокатных станов в промышленных условиях его эксплуатации. Одним из путей решения этой проблемы является техническое диагностирование (ТД) АЭП.
Теоретические основы диагностирования технических систем весьма полно отражены в трудах П.П. Пархоменко , Е.С. Согомоня-на, А.В. Мозгалевского, Д.В. Гаскарова, Л.П. Глазунова и ряда других авторов [13, 17, 22, 24, 51, 70, 84, 85, 99]. При этом основное внимание, как правило, обращено на решение проблем диагностирования комбинационных и последовательностных дискретных устройств систем автоматики и вычислительной техники.
В электроприводах прокатных станов элементная база отличается насыщенностью аналоговых устройств с различными мощностями входных и выходных сигналов управления, многообразием систем управления, относящихся к классу непрерывных последовательност-ных объектов диагностирования. Публикации по диагностированию подобных систем весьма ограничены [4, 22, 24, 36, 38, 39, 70]. Многообразие функций устройств диагностирования, необходимость обработки большого числа анализируемых координат, имеющих детерминированный или случайный характер, остро ставят вопрос о раз-
работке конкретных алгоритмов диагностирования АЭП, методов и технических средств, обеспечивающих выделение дефектов как отдельных элементов, так и систем управления АЭП в промышленных условиях их эксплуатации. В частности, отсутствуют математические модели и алгоритмы диагностирования наиболее распространенных в АЭП элементов (типовых регуляторов, электрических двигателей и т.п.) и многоконтурных систем регулирования. Нет ясности с определением необходимого числа и перечня контролируемых координат в системах АЭП.
Многообразие функций устройств диагностирования (измерение контролируемых сигналов, анализ их допустимых уровней, принятие решений о техническом состояний объекта, представление результатов диагностирования и т.п.), необходимость обработки большого числа анализируемых координат, имеющих детерминированный или случайный характер, при стремлении к портативности и высокой надежности остро ставят вопрос о необходимости специализированных средств диагностирования в системах АЭП прокатных станов.
Разработка математического и программного обеспечения средств диагностирования, привязанная к технической его реализации, относится к числу наиболее ответственных и сложных этапов при построении систем диагностирования АЭП. Она требует как теоретического обоснования программных решений, так и апробации их на реальных объектах диагностирования.
Проблема диагностирования АЭП часто обостряется из-за недооценки ее со стороны специалистов, отвечающих за разработку АЭП. Технические и коструктивные решения устройств АЭП, как правило, не учитывают потребности их диагностирования, затрудняя доступ к наиболее информационным сигналам управления и снижая
- 6 -
тем самым возможность оперативного выделения дефектов АЭП. В результате решение проблем диагностирования АЭП практически переносится на период их наладки или интенсивной эксплуатации, когда при ограниченных сроках и технических возможностях приходится обеспечивать работоспособность АЭП не лучшими мерами, часто снижая эксплуатационные характеристики и надежность электропривода. При этом серьезно растут материальные, трудовые и интеллектуальные затраты на обеспечение работоспособности АЭП.
Диссертационная работа направлена на создание и совершенствование методов и средств технического диагностирования элементов и систем управления АЭП прокатных станов и в итоге на повышение их эксплуатационной надежности. Она выполнялась в соответствии со следующими координационными планами: комплексным планом КНП-2000 по приказу Минвуза СССР N485 от 6.07. 1987г. по проблеме 05.21 - "Разработка методики и средств диагностирования вентильных преобразователей и электроприводов технологических объектов и технических средств обучения"; планом НИР и ОКР по автоматизации технологических процессов и управлению производством в черной металлургии на 1987-1988г. по проблеме "Техническое диагностирование вентильных электроприводов прокатных станов с применением внешних автоматизированных средств на ЭЦВМ".
Цель работы - разработка методов, алгоритмов и технических средств диагностирования АЭП постоянного тока прокатных станов, способствующих повышению их работоспособности и эксплуатационной надежности.
Исходя из указанной цели, в работе решались следующие основные задачи:
- разработка математических моделей, методов и алгоритмов тестового диагностирования типовых звеньев электроприводов про-
- 7 -
катных станов (аналоговых регуляторов, электрических машин постоянного тока);
- разработка математических моделей, методов и алгоритмов тестового диагностирования многоконтурных систем регулирования АЭП;
- разработка аппаратной части технических средств диагностирования промышленного электропривода;
- разработка программного обеспечения внешних технических средств диагностирования;
- экспериментальное исследование и диагностирование промышленных АЭП прокатных станов с использованием разработанных методов, алгоритмов и внешних технических средств диагностирования.
Основные проблемы диагностирования АЭП, решаемые в работе, представлены на рис.В.1.
Идея работы заключается в том, что в электроприводах прокатных станов, характеризующихся многосвязностью и многоконтур-ностью, для достижения высокой эффективности поиска неисправностей целесообразно воспользоваться математическими моделями диагностирования в форме таблиц логарифмических амплитудных частотных характеристик относительных чувствительностей функций передач (ЛАЧХ ТЧФП) замкнутой системы электропривода.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.
1. Математические модели основных непрерывных объектов диагностирования (ОД) электроприводов прокатных станов, позволяющие в логической форме оценить техническое состояние ОД и облегчающие последующее составление алгоритма поиска неисправностей.
2. Методы технического диагностирования многосвязных, многоконтурных электроприводов прокатных станов, позволяющие выде-
- 8 -
Техническое диагностирование АЭП прокатных станов
Объекты ТД:
элементы и системы регулирования
Математические модели непрерывных последовательностных объектов ТД
Алгоритмы ТД
Методы построения
ч
Внешние средства ТД
Аппаратная часть
Программное обеспечение
Экспериментальное исследование и диагностирование АЭП прокатных станов
Рис. B.I. Проблемы диагностирования непрерывных
последовательностных АЭП постоянного тока
— 9 —
лить место дефекта и его характер без нарушения нормального хода технологического процесса и с минимальными временными затратами. Методы основаны на анализе ЛАЧХ ТЧФП замкнутых систем регулирования электроприводов. Установлена однозначная связь частот тестового гармонического сигнала с обобщенными параметрами замкнутой системы электропривода (постоянными времени звеньев, частотами среза контуров регулирования). Определен минимальный перечень координат диагностируемого электропривода.
3. Алгоритмы поиска неисправностей в сложной многосвязной системе электропривода, в которой с целью достижения наименьшего возможного числа элементарных проверок ОД, впервые предложено дополнить таблицами покрытий общепринятые модели диагностирования электроприводов, которые представлены таблицами логарифмических амплитудных частотных характеристик относительных чувстви-тельностей функций передач объекта диагностирования к отклонению его параметров и таблицами отклонений коэффициентов передаточных функций (ТОКП) ОД на фиксированном наборе частот тестового гармонического сигнала.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием известных методов теории электрических цепей, операторного метода, аппарата передаточных функций и частотных характеристик, функций чув-ствительностей, аппарата булевой алгебры и методов математической статистики. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями на лабораторных стендах и промышленных. АЭП при их наладке и эксплуатации.
- 10 -
Значение работы. Научное значение работы заключается в развитии теории и методов технического диагностирования сложных многосвязных непрерывных ОД электроприводов прокатных станов, позволяющих обеспечить их работоспособность и повысить надежность .
Практическое значение работы заключается в разработке инженерных методов и алгоритмов тестового диагностирования типовых аналоговых элементов электроприводов и их систем регулирования; в разработке программного обеспечения и аппаратной части средств технического диагностирования промышленных электроприводов прокатных станов; в внедрении разработанных методов в практику наладки и эксплуатации ряда предприятий металлургической промышленности.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные положения и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в практику работы наладочных организаций и эксплуатационного персонала энергетических служб промышленных предприятий и установок: пятиклетевого стана "630", станов "2500" холодной прокатки и "2000" горячей прокатки Магнитогорского меткомбината (ММК), электроприводов стана "720" холодной прокатки и толстолистового стана "2850" горячей прокатки Ашинского метзавода (АМЗ).
Разработанные средства диагностирования внедрены в практику работы Пуско-наладочного управления треста Южуралэлектромонтаж Минмонтажспецстроя, электротехнических лабораторий ММК, АМЗ, Орско-Халиловского меткомбината (ОХМК), специального конструкторского бюро ОКБ "Ротор". Эффективность методики и технических средств диагностирования электроприводов подтверждена соответствующими актами внедрения.
- II -
Технические средства и методы диагностирования электроприводов используются на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок Южно-Уральского государственного университета в курсе "Специальные вопросы АЭП" в ходе чтения лекций и при выполнении лабораторных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XI Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода ( Суздаль, 1991); Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства технической диагностики высокоавтоматизированного технологического оборудования" (Ленинград, 1989, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" (Куйбышев, 1989); III Всесоюзной научно-технической конференции "Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве" (Миасс, 1989); Республиканской научно-методической конференции "Применение ЭВМ в учебном процессе высших и средних учебных заведений" (Душанбе, 1987), а также на региональных конференциях, семинарах и совещаниях.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе II статьях и докладах, I авторском свидетельстве.
Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 128 страниц основного машинописного текста, 75 рисунков, 31 таблицу, список использованной литературы из 133 наименований, I приложение.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Ю.С. Усынину за постоянное внимание и поддержку при выполнении работы.
Т2 -
I. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Электроприводы прокатных станов являются многосвязными аналоговыми системами регулирования с обратными связями. С позиций технического диагностирования они относятся к классу непрерывных последовательностных объектов. Эти электропривода характеризуются широким набором типов электрических машин, вентильных преобразователей, различного типа усилителей, датчиков и вычислительных устройств, сочетающих в себе аналоговые и дискретные преобразования информативного сигнала управления. Теория диагностирования таких объектов слабо представлена в технической литературе. Задача диагностирования усложняется из-за разнообразия функциональных, схемных и конструктивных исполнений злементов систем управления электроприводов. В связи с этим в настоящей главе ставится и решается задача получения математических моделей (логического типа) диагностирования основных элементов электроприводов прокатных станов, позволяющих унифицировать методы алгоритмизации поиска их дефектов.
I.I. Обобщенная математическая модель непрерывных последовательностных объектов диагностирования
Решение задач технического диагностирование непрерывных последовательностных объектов АЭП требует анализа множества его технических состояний. Учитывая глубокую взаимосвязь электрических, электромеханических и механических устройств и элементов АЭП, при описании их технического состояния целесообразно приме-
- 13 -
нять те математические формы и аппараты, которые бы в наилучшей степени отвечали поиску дефекта в АЭП.
К числу таких описаний может быть отнесено представление АЭП обобщенной динамической системой, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин. Математическая модель подобной системы определяется как взаимосвязь переменных [351:
(T,X,Z,S,So,]?*,:f,L*,L) (I.I)
где Т- множество моментов времени t; X,Z - множество входных х и выходных z сигналов системы; S - множество состояний а системы; SQ - замкнутая область состояний системы, ограничивающая возможные перемещения а в процессе функционирования системы; Р (T,X,S) = S*, F(T,X,S) = S - операторы переходов, отражающие изменения состояния системы под воздейсвием внутренних и внешних возмущений; L*(T,X,S) = z*, L(T,X,S) = Z - операторы выходов, описывающие формирование выходного сигнала под воздействием внутренних и внешних возмущений.
Достоинство подобной модели (I.I) АЭП - в высоком уровне ее абстракции и универсальности. Однако для решения практических задач диагностирования модель (I.I) весьма неконкретна. Она не позволяет алгоритмизировать поиск дефектов в реальных ОД, хотя и дает направление к выбору иных, более простых моделей диагностирования АЭП, учитывающих его основные динамические свойства.
К числу таких математических моделей непрерывных последова-тельностных ОД АЭП могут быть отнесены модели, базирующиеся на модели (I.I), где операторы P*,P,L*,L представляются в форме передаточных функций или дифференциальных уравнений. Критерием работоспособности подобной модели могут быть ограничения на перемещение полюсов и нулей передаточной функции, требования к
- 14 -
параметрам переходного процесса (длительности, дерегулированию, ошибке) требования к частотным характеристикам системы регулирования объекта, требования к дисперсии случайной составляющей сигнала ошибки всей системы и т.д. [4, II, 12, 22, 38, 393. По отклонению указанных параметров от их эталонных значений и оценивается работоспособность ОД. Однако при таком подходе к оценке работоспособности ОД трудно получить большую глубину диагностирования, поскольку тяжело выявить влияние того или иного параметра на поведение системы.
Простота математических моделей ОД логического типа является существенным их преимуществом. Однако некоторые задачи технического диагностирования непрерывных последовательностных объектов на языке таких моделей не имеют практического решения. Так, при помощи логической модели не удается выявить неисправности элементов, входящих в замкнутые контура регулирования, разрыв обратных связей которых приводит к изменениям выполняемых элементами функций, аварийным ситуациям, либо практически не может быть вообще реализован. При использовании логических моделей невозможно определить и степень влияния на работу ОД тех параметров элементов объекта, контроль которых весьма затруднен и сложен.
Между тем, всегда существуют такие элементы объекта ОД, изменение параметров которых в наибольшей (или меньшей) степени сказываются на работоспособности ОД. Обнаружение таких элементов представляет наибольший интерес, поскольку дает возможность значительно упорядочить процедуру поиска неисправных элементов по степени их влияния на работоспособность ОД. С этих позиций наиболее целесообразно обратиться к представлению моделей (I.I) как совокупности таблиц ЛАЧХ относительных чувствительностей переда-
- 15 -
точных функций ОД к отклонению различных его параметров [4, 70, 76, 80] и логических таблиц отклонений коэффициентов передаточных функций ОД при определенном наборе частот тестового гармонического сигнала [76, 80], позволяющих, с одной стороны, наглядно оценить степень влияния изменения параметров того или иного элемента на работоспособность объекта диагностирования без разрыва его обратных связей и, с другой стороны, осуществить поиск неисправности с использованием общепринятых и более простых математических моделей логического типа.
Относительные чувствительности передаточных функций ОД к отклонению его параметров определяются на основе представления ОД математической моделью в структурной форме или графа прохождения сигналов объекта по соотношению [54, 70, 84, 91]:
*
s\* (р) = ~7~---*----= ~Т~*— (1#2)
где: W± -j(p) - передаточная функция ОД от 1-го
(1=0,1,2...р) входного сигнала к J- (J= I,2,...,n) выходному
сигналу ОД; bk, k=I,2,...,m - диагностируемый параметр объекта.
Величина
(Р)
^ I, а знак чувствительности отражает
направление изменения величины W± ^(p) при изменении bk.
При использовании в качестве тестового возмущения гармонического сигнала на входе ОД и в соответствии с этим замене в (1.2) оператора р на Ju ЛАЧХ [40, 80] относительной чувствительности передаточных функций ОД к изменению параметра bk определится как:
W, ,(оз) а wi.d((0) bk э wi,j(u)
S*'* (CO) = ---------- * -------- = ------;--- (1.3)
- 16 -
Совокупность указанных чувствительностей и параметров bk, представленная в форме таблицы I.I, и определяет собой математическую модель диагностирования объекта. Каждая строка таблицы
VL .(оз) определяет собой ЛАЧХ чувствительности S ь '•• (со) одной из фун-
Dk
кций передачи WliJ(co) к изменению всех параметров bk. Каждый столбец таблицы соответствует чувствительности всех функций передач к изменению одного и того же параметра bk.
Табл.I.I обладает теми же диагностическими свойствами, что и таблицы чувствительностей функций передач ОД [80]:
1. Свойством разделения влияния всех параметров объекта на его техническое состояние, т.е. для каждой пары параметров
b1,bk€B, 1/k, найдется хотя бы одна чувствительность функции
W± Л(л) W (со) передачи W± j(p) e. W(p) такая, что S ^lJ (со) * S b fJ (со).
Это свойство эквивалентно тому, что все столбцы таблицы, представляющие параметры объекта, попарно различимы.
2. Свойство обнаружения параметра, в наибольшей мере влияющего на техническое состояние объекта, т.е. из общего числа параметров bk€ В, k=I,2,...,m, характеризующих состояние объекта, всегда найдется такой bk, по отношению к которому совокупность чувствительностей функций передач между всеми сигналами структурной модели (вершинами графа прохождения сигнала) объекта бу-
дет максимальной, т.е. 2
W,
= max. При диагности-
1=1 3=2
ровании объекта целесообразна проверка в первую очередь указанного параметра.
3. Свойство обнаружения параметра, по отношению к которому чувствительности функций передач отличаются между собой в наибольшей мере, т.е. из общего числа параметров bv ? В,
- 17 -
Таблица I.I Таблица ЛАЧХ чувствительностей передаточных функций ОД
swi.;J (CO) (CO) ... ьк ...
lg Wo s .1 (co) (CO) Wo. s 1 (со) (CO) wo. s 1 (CO) (CO) wo. S 1 (со) (CO) s (CO)
lg s (CO) Wo. 2 (CO) (CO) Wo. S ь2 2 (CO) (CO) ... S (CO) s (CO)
• ¦ • • •• • •• ... • • ... •
Wn j(CO) ЛС0) Wo, jCCO) wn ,(C0) Л CO)
lg s (CO) s (CO) S (CO) S (CO) S (CO)
w1 2(co) W1. 2 (CO) w1 2(co) W1 2(co) W1, p(C0)
IS s ьк (CO) s (CO) s (CO) s (CO) S (CO)
¦ • • • •• • • • ... ... • • •
lg s к .J(0)) (CO) wi s j(CO) (CO) s (CO) ... Wi. s (CO) ... Wi. s (CO)
• • • • • • • • • ... • ... •
lg s P ьк "n (со) s Pl П (со) s Pl П (со) • m • s Pf П (со) ... s Pl1 "" (со) |
