Новый алгоритм технического диагностирования гребных электродвигателей

Большинство отказов гребных электродвигателей (ГЭД), влияющих на безопасную эксплуатацию судов, зарождаются и проявляются именно в процессе эксплуатации, что требует наличия эффективной бортовой системы диагностики, определяющей техническое состояние судовой электроэнергетической установки (СЭУ) в режиме реального времени непосредственно на борту судна [1–8].

В настоящее время существует несколько видов диагностирования электродвигателей:

– контроль состояния обмоток статора с помощью анализа посланных на обмотку импульсов различных видов;

– вибрационный контроль;

– контроль параметров электромагнитного поля.

Анализ параметров магнитного поля в воздушном зазоре и исследование гармонического состава напряжений и токов электрического двигателя позволяют сделать заключение о его техническом состоянии [9–10].

При вибрационном контроле может исследоваться сигнал вибрации как во временной, так и в частотной областях [11].

Методология диагностирования гребных электродвигателей

Наиболее предпочтительными методами являются методы, основанные на анализе параметров работающего оборудования, а именно токов, напряжений и т. д. Использование данных методов возможно без непосредственного доступа к диагностируемой машине.

Предполагаемый подход к диагностированию гребных электродвигателей включает в себя следующие этапы:

– построение логической модели ГЭД;

– построение математической модели ГЭД на основе логической модели;

– математическая интерпретация зависимостей между входящими в модель блоками;

– составление таблицы неисправностей (ТН);

– преобразование ТН;

– создание способа диагностирования ГЭД на основе полученных данных.

Для каждого вида судового электрооборудования можно указать ряд параметров и (или) признаков, характеризующих техническое состояние и дефекты (параметры, выраженные электрическими величинами, – напряжение, ток, частота, сопротивление и т. п.; параметры, выраженные неэлектрическими величинами, – температура, виброскорость, и т. п.). В зависимости от применяемого метода диагностирования используются те или иные из них, называемые диагностическими параметрами и (или) признаками [12].

Определение диагностических признаков (ДП) формальными методами предполагает построение и анализ диагностической модели объекта. Такие методы позволяют выбрать ДП, достаточные или необходимые для проведения соответствующего вида диагностирования: проверки исправности, работоспособности, функционирования, поиска дефекта [13, 14].

Выбор совокупности диагностических параметров является ответственной задачей разработки системы технического диагностирования. При выборе ДП учитываются их информативность, доступность для измерения и контроля, стоимость и время измерения. Предпочтение отдается параметрам, имеющим прямую функциональную связь с техническим состоянием (ТС) диагностируемого элемента или объекта, обладающим большей информативностью, относительно легко и по возможности непосредственно измеряемым простыми средствами.

Контролировать все параметры, определяющие техническое состояние сложных электромеханических объектов (полный контроль), практически невозможно, поэтому СТД контролируют некоторое множество наиболее существенных параметров.

При отсутствии количественных показателей безотказности элементов выбор диагностических параметров ГЭД может быть выполнен путем опроса специалистов (экспертов). С помощью метода экспертных оценок, используя опыт, знания и интуицию высококвалифицированных специалистов, можно, например, построить упорядоченный ряд параметров, определяющих техническое состояние элементов ГЭД. Самыми информативными для определения неисправностей ГЭД, по мнению экспертов, являются параметры [15–19]:

• –    токи в фазах ( I );

• –    напряжение по фазам ( U );

• –    скорость вращения ротора ( n );

• –    сопротивление изоляции на корпус ( R из );

• –    температура обмоток статора ( t обм );

• –    температура масла редуктора ( t масла );

• – вибрация ГЭД.

Для обеспечения регистрации диагностических параметров в ГЭД предусмотрены штатные датчики температуры Pt-100 в обмотках статора. Дополнительно ГЭД оснащается датчиками тока, напряжения и сопротивления изоляции, установленными в каждой фазе; датчиком температуры Pt-100 масла редуктора; датчиком скорости ротора; датчиком виброскорости на корпусе ГЭД.

На основе полученного ряда параметров (признаков) с учетом расположения датчиков может быть составлена функциональная модель ГЭД.

Функциональная модель ГЭД представлена на рис. 1.

При описании ОД представим гребной электродвигатель изменяющимся объектом, эксплуатация которого заключается в трансформации структуры объекта под влиянием различных факторов. Эти факторы составляют следующие совокупности: R – совокупность состояний r объекта; V – совокупность моментов времени v ; Y и W – совокупность входных y и выходных w сигналов.

Рис. 1. Функциональная модель диагностирования ГЭД: ДТ1–ДТ3 – датчики тока в 1, 2, 3 фазах; ДСИ1–ДСИ3 – датчики сопротивления изоляции в 1, 2, 3 фазах; ДН1–ДН3 – датчики напряжения в 1,2,3 фазах; Дt_обм – датчик температуры обмоток статора; Д Вибр – датчик вибрации ГЭД; Дt масла – датчик температуры масла редуктора; ДС – датчик скорости вращения ротора

Математическое описание объекта будет представлено как соотношение компонентов [20]:

r = ƒ ( y , w , v , D’ , D , M’ , M) , (1) где r ∈ R , y ∈ Y , w ∈ W , v ∈ V , D’ ( v , y , r ) = Q’ , D ( v , y , r )= Q – взаимосвязи, представляющие трансформацию структуры объекта под влиянием различных факторов; M’ ( v , y , n )= u’ , M ( v , y , n ) = u – выходные сигналы, отображающие формирование выходного сигнала под влиянием различных факторов. Индекс ( ’ ) учитывает действие внутренних факторов.

Для определения исправности или неисправности ГЭД необходимо пользоваться совокупностью различных состояний K. Принадлежащие ему совокупности Kj (где j = 0, 1, 2,…, N) отображают состояния kj ГЭД, выражающие возможные его состояния ri. Соответственно при K0 (при j = 0) объект исправен, а при Kj (при j ^ 0) - неисправен из-за возникновения повреждения в j-й части объекта.

Функциональные зависимости между входными и выходными командами ГЭД не нуждаются в строгом контроле.

Необходимо лишь получить результирующее техническое состояние элемента по итогам анализа его сигналов вида «в допускаемом интервале – не в допускаемом интервале». Тогда получаем итог влияния множества H j = ( D j , D’ j , M j , M’ j ) уравнения (1), воспроизводящий функцию критериев функционирования гребного электродвигателя. Каждый j -элемент ОД реализует лишь один алгоритм работы. Тогда выходной сигнал имеет вид:

W j = F j a K, (2) где F j – функция критерия работоспособности j -элемента, выражаемая логическим умножением внешних и внутренних аргументов:

F j = H j a j A y 2 a a y j . (3)

При всех допустимых входных сигналах и функционирующем состоянии блока его выход W j будет допустим. Если всё множество элементов математической модели исправно, т. е. если логическое умножение W ₁ a W 2 a W 3 a ... a W N равно 1, то и весь ГЭД работоспособен.

Для получения математической модели диагностирования ГЭД каждый элемент заменяется логическим звеном, содержащим один выходной сигнал и соответствующие входные сигналы для этого выхода. Сигналы между элементами ОД являются одиночными функциональными сигналами.

Входные и выходные сигналы обозначены ребрами с символами X j и Z j . Параметры объекта представлены узлами графа с индексами j , где j – индекс параметра математической модели, на вход (с выхода) которого действуют (выходят) сигналы.

На основании изложенного разработана математическая модель ГЭД как объекта диагностирования.

Входные внешние сигналы X 1 – X n соответствуют входным сигналам, получаемым с датчиков системы диагностирования.

Внешний выходной сигнал Z 14 соответствует совокупности состояний ГЭД.

Обозначим совокупность всех исправностей k ₀ и неисправностей k j , j = 1, 2,…, N , гребного электродвигателя символом E , а символом П – совокупность всех проверок π _g , g = 1, 2,…, n . Тогда таблица, строки которой представляют собой элементарные проверки π g , а столбцы – технические состояния k j элементов ОД, а клеткам j , g , находящимся на пересечениях строк π _g и столбцов k , соответствуют итоги T^j g проверок, будет представлять собой таблицу неисправностей ОД.

Совокупность П всех проверок совпадает с количеством логических элементов.

Заполнение ТН происходит согласно результатам решения логических уравнений (3) и (2) для каждого элемента математической модели:

Z ₁ = e₁ a X ₁ Z 7 ; Z ₂ = e ₂ a X ₂ Z 8 ;

Z ₃ = e ₃ a X ₃ Z 9 ; Z 4 = e ₄ a X ₁ Z ₁ Z ₁₀;

^Z 5 = ^e 5 ^A X 2 ^Z 2 ^Z 10^{; Z} 6 = ^e 6 ^A X 3 ^Z 3 ^Z 10 ;

Z 7 = e 7 a X ₁ X ₂; Z 8 = e ₈ a X ₂ X ₃;

' ^Z 9

= e 9 ^A X 1 X 3 ; Z 10

= ^e 10 ^A X 4 ^Z 7 ^Z 8 ^Z 9 ;

^Z 11 = ^e 11 ^A X 5 ;

^Z 12 = ^e 12 ^A X 6 ^Z 1 ^Z 2 ^Z 3 ^Z 7 ^Z 8 ^Z 9 ^Z 10 ;

^Z 13 = ^e 13 ^A X 7 ^Z 12 ;

^Z 14 = ^e 14 ^{A Z} 1 ^Z 2 ^Z 3 ^Z 4 ^Z 5 ^Z 6 ^Z 7 ^Z 8 ^Z 9 ^Z 10 ^Z 11 ^Z 12 ^Z 13 .

На рис. 2 представлена математическая модель диагностирования гребного электродвигателя.

ТН позволяет выявить и различить неисправность любого i-го элемента математической модели, поскольку все столбцы ei, i =0, 1, 2,…, N, таблицы отличаются от столбца e0, а также все столбцы таблицы, соответствующие дефектам элемен- тов, попарно различны.

Проблему разработки алгоритма диагностирования можно сформулировать следующим образом. Задана совокупность K возможных технических состояний ОД. Компонентами совокупности K являются исправные и неисправные состояния объекта. Задана требуемая глубина диагностирования объекта. Следует определить наименьшее число элементарных проверок π g и их последовательность, реализующих требуемую глубину диагностирования объекта.

Общее решение данной проблемы может быть выполнено по ТН, столбцы которой соответствуют совокупности технических состояний объекта – исправному k 0 и неисправным k j состояниям. Совокупность П допустимых проверок π _g объекта, соответствующих строкам ТН, вычисляется из условия достижения заданной глубины диагностирования объекта.

Чтобы обеспечить заданную глубину диагно- стирования, совокупность проверок алгоритма диагностирования должна позволять обнаруживать и различать заданные дефекты объекта.

Построим алгоритм диагностирования для ГЭД. Алгоритм диагностирования для ГЭД в форме ориентированного графа представлен на рис. 3.

Внутренние узлы графа представляют собой проверки (выходные координаты Z j ) технического состояния j -х элементов логической модели ОД, конечные узлы графа отражают те j -е элементы, дефект которых выявлен, а ориентированные дуги графа соответствуют результату проверки технического состояния j -го элемента, из вершины которого исходят рёбра. Для наглядности конечные узлы графа изображены квадратами с номерами

Рис. 2. Математическая модель диагностирования ГЭД

Рис. 3. Алгоритм диагностирования ГЭД элементов, неисправности которых выявлены, а над рёбрами указывается исправное (1) или неисправное (0) техническое состояние j-го элемента, из вершин которого исходят рёбра.

Выявление наименьшего числа проверок ОД создаёт возможность для упрощения интеграции в систему технической диагностики, поскольку значительно уменьшает количество элементов, требующих проверки их технического состояния, без изменения заданной глубины диагностирования.

Главной отличительной особенностью и новизной предлагаемого алгоритма диагностирования ГЭД является то, что он позволяет учитывать взаимное влияние диагностических признаков на состояние объекта и с единых методологических позиций оценивать техническое состояние любого ГЭД.

Выводы

Предложен новый алгоритм диагностирования технического состояния гребных электродвигателей, основанный на представлении ГЭД изменяющимся объектом, эксплуатация которого заключается в трансформации структуры объекта под влиянием различных факторов. Разработанный алгоритм диагностирования ГЭД позволяет объединять несколько диагностических параметров в едином комплексе, учитывать взаимное влияние диагностических признаков на состояние объекта, упростить последующую интеграцию в системы диагностирования, поскольку сокращает количество элементов, требующих проверки их технического состояния, без изменения требуемой глубины диагностирования.

Данный алгоритм можно использовать в экспертной системе контроля технического состояния судовых электроэнергетических установок.