Лекции (Word) (Элементы теории технической диагностики2)

Посмотреть архив целиком

41



Элементы теории

технической диагностики.


I. Введение.

Разработка СТД требует всесторонней технической грамотности и глубоких знаний о конструктивных и технологических свойствах объекта диагностики.

II. Понятие парадигма (греч. paradigm – пример, образец) в теории познания используется в смысле господствующей, общепринятой системы взглядов, которая по мере развития знания может эволюционировать или быть заменена на новую, более отвечающую достижениям науки о предмете. Лишь полностью сомкнувшись с основными теориями сменных наук по основным параметрам, парадигма приобретает смысл частичной истины.


Лекция 1.


I. Правильно сформулировать задачу на 30% - это уже решить ее на 80%.

1.1.Общая парадигма.

Техническая диагностика (ТД) – это всеобъемлющая задача контроля за состоянием действующего оборудования. ТД – это конгломерат всех без исключения методов контроля, включающих в себя и методы неразрушающего контроля.

В этом смысле теория технической диагностики (ТТД) требует философского подхода к разработке систем технической диагностики (СТД). Философского – в смысле познания (знаний о предмете).

1. Путь от частного к целому.

Соотношения:

а) целое – часть

б) общее – частичное.

2. Соотношение и взаимный переход «количество – качество».

3. Связь пространства и времени через функционал событий.

Для правильного решения задач ТД необходимо использовать правильный философский подход с применением его основных категорий.

4. Функциональная полнота описания событий:

а) через отображение точки на бесконечности

б) через свертку бесконечности в точку.

С этой точки зрения ТД является не теорией, а парадигмой, определяющее наше совокупное знание о предмете:

1. Знание теоретическое.

2. Знание практическое (техническое).

3. Знание философское (объединяющее п.п.1 и 2).

1.2.Цели ТТД.

1. Возможно полное представление диагностируемой системы (устройства).

2. Распознавание состояние системы.

3. Определение (локализация) места неисправности, типа неисправности.

4. Определение нарушения работоспособности.

5. Прогнозирование изменения состояния объекта контроля.

1.3.Особенности (свойства) СТД.

1. Анализ состояния оборудования (устройства) производится в условиях эксплуатации, т.е. диагностика действующего оборудования.

2. Необходимы широкие априорные сведения об объекте диагностирования.

3. Использование возможно полного перечня методов и средств описания и обработки данных.

4. Использование физического и математического описания объекта диагностирования.

5. Использование всех классов моделей, как объекта диагностики, так и процесса диагностирования.

6. При разработке СТД могут быть использованы все методы и средства неразрушающего контроля (НК).

7. Необходима функциональная полнота описания устройства диагностирования.

Вывод:

ТД, как практическая сфера деятельности – это обобщение и применение всех видов неразрушающего (и разрушающего) контроля.

1.4.Задачи СТД.

1. Состояние диагностического портрета устройства контроля диагностирования (изображение).

2. Предупреждение отказов в процессе эксплуатации (прогнозирование отказов).

3. Изучение состояния и свойств объекта.

4. Разработка рекомендаций для проектирования и конструирования элементов оборудования.

5. Определение обоснованных межремонтных сроков.

6.Определение остаточного ресурса.

При этом диагностика состояния состоит из двух этапов:

1. Качественная оценка состояния «исправно – неисправно».

2. Количественная оценка состояния (анализ, дефектоскопия).

Выводы:

1. ТТД – это конгломерат научных направлений как теоретических, так и технических.

2. Результаты, полученные с помощью систем ТД, могут быть использованы на всех стадиях:

а) проектирование

б) пуска - наладка.

3.

4.

1.5.Области применения СТД.

1. Энергетика (ТЭЦ, ТЭС, АЭС).

2. Авиация.

3. Железнодорожный транспорт.

4. Нефте – газодобыча, и транспортировка.

5. Промышленно-гражданское строительство (ПГС) и дорожное.

6. Медицина.

7. Наука, космонавтика ( реакторы, ускорители, телескопы ).

Мы в своих методах не будем рассматривать СТД вычислительной техники ( дискретность ) и автомобилестроения (цикличность), т.к. у них свои особенности.

1.6.Алгоритм диагностирования состояния объекта.

Алгоритм диагностирования представлен блок – схемой (рис1.1.).



рис.1.1.

В качестве основного устройства любой диагностической системы служит ЭВМ, осуществляющая управление процессом сбора данных, обработки информации и принятия решения.

















Лекция №2.


Составление функциональной и структурной схемы СТД.


Функциональная и структурная схемы СТД определяют смысловую нагрузку, которую несут эти системы и дают четкое представление о принципах их построения.

2.1.Функциональная схема обобщенной диагностической системы.



U2(t)

U1(t)

Выбор

режимов





















Рис.2.1.

1) Ф, L, W, T – функционалы.

2) z, r, a – параметры.

z – режимные

r – технологические

а – конструктивные

U1(t) – входной сигнал

U2(t) – выходной сигнал

ΔU(t) – возмущающий фактор [ (собственных внутренних процессов) ]

a – конструктивные параметры

a

r(t) – технологические параметры ( зависят от времени )

непрерывно - { т.е. могут меняться

дискретно - плавно и мгновенно }

z - режимные параметры (стационарные режимы, как частный случай ) переходные режимы

Ф – функционал связи конструктивных (а) и режимных (z) параметров

Ф

W – функционал связи конструктивных и технологических параметров

W

Т – функционал связи конструктивных (а) и технологических (r) параметров с учетом режимного состояния (z) объекта

Совместная вероятность событий (a) и (r) при условии (z):

T P(r) – условная совместная вероятность

L – функционал связи входных параметров U1(t) с конструктивными параметрами (а) с учетом влияния возмущающих факторов U.

2.2. Примеры параметров.

а – конструктивные параметры:


1. Геометрические размеры

2. Тип подшипника

3.

4. Количество лопаток у турбины


z – режимные параметры:


1. Скорость вращения или количество оборотов при пуске – останове

2. Количество оборотов в стационарном режиме

3. Давление в трубопроводе

r – технологические параметры:

это технические условия, налагаемые на режимные параметры, допуска, нормы, ГОСТы, посадки.

U – возмущающие факторы:

1. Внешнее возмущение:

- ветер (направление, скорость)

- землетрясения

- воздействие температуры

2. Внутренние возмущения:

- итог предкритического состояния (механические повреждения)

- последствия !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! износа

2.3. Структурная схема СД.



















Рис.2.2.

k – класс первичного преобразователя (ПП)

l – номер ПП в каждом классе линии связи (л.с.)

1 – устройство согласования

2 – устройство предварительной обработки

3 – центральное устройство СД

4 – устройство, формирующее модели

5 – устройство, формирующее системы диагностических параметров

6 – устройство, формирующее системы статистических параметров

7 – собственно система диагностики, соответствующая схеме рис.2.1.

2.4.Перечень функций блоков СТД.

1 – это согласующее устройство, обеспечивающее передачу информации к измерительным системам ( согласующие цепи ). Количество таких устройств в системе:

k j k*l

j зависит:

1. От числа датчиков

2. От схемы включения ( последовательная, параллельная )

3. Схемы СУ зависят от параметров ПП ( z всех датчиков ) и длины л.с.

4. От условий эксплуатации.

Если условия позволяют, то можно сигнал сразу перевести в цифровую форму.

Когда нельзя оцифровать сигнал:

1. Очень высокая температура

2. Очень высокий уровень вибрации ( мощные газоперекачивающие установки )

3. Очень высокий уровень радиации ( 1-ый контур АЭС )

2 – устройство предварительной обработки информации ( возможно множество вариантов )

Основные:

- нормирующие усилители

- АЦП

- коммутаторы каналов

- предварительная цифровая фильтрация, относительно в (гр.) – по типу входной информации

- формирование информации по k и l ( маркировка каналов )

3 – центральное устройство СП – обслуживает все алгоритмы анализа и синтеза статистической информации.

- все методы обработки случайных сигналов

- все методы диагностики состояния и принятия решения

4 – модели { эти блоки определяют ( на ряду с

5 - ДП методами анализа информации ) алгоритмы

6 – СП обучения системы диагностики }

Отличие систем технической диагностики от автоматизированных систем управления технологическими процессами ( АСУТП ) при несомненном конструктивном сходстве, заключается в том, что в СТД отсутствуют цифро-аналоговые преобразователи ( ЦАП ) и не используется режим управления объектом контроля. Кроме того, СТД обслуживают объект контроля в целом, а не его отдельные узлы и технологические процессы.















Лекция №3.


3.1.Свойства СТД.


3.1.1.Функциональная полнота.

Для описания системы ТД удобно использовать:

1. Структурный направленный граф

2. Граф состояния

Структурный граф:

- вершина – это функциональная компонента

- дуга – причинно-следственная связь

Если система представлена полным графом, то соответствующее ему матричное уравнение позволяет записать полный функционал структуры измерительно-вычислительной системы.

Если [U1] – вектор столбец входных сигналов, [U2] – вектор столбец системы ДП и СП, то уравнение имеет вид:

[U2] = ||Z|| * [U1]

или

= || Z || *

k;l – количество входных сигналов

- размерность матрицы Z

||Zk+l;J+I||

Каждому элементу матрицы соответствует алгоритм или метод преобразования входной информации. Однако такое представление не удобно для практической работы, поэтому используем 2-ое свойство СТД.

3.1.2.Многоуровневость системы.

- в смысле этапов контроля

- в смысле структуры системы

- в смысле алгоритмов анализа случайных сигналов


I.

Предварительный

контроль

Полный анализ

системы

Исследовательский

режим












II. – виды анализа по типам сигналов

III. ПО математическим методам





При такой сложной вложенной системе, каждый этап представляется более упрощенной структурой.

IV. Элементы матрицы || Zа.в || - есть узел графа полной системы.

ПРИМЕР:

Статистические методы анализа случайных сигналов.

Uвх




1. Анализ в частотной области.

2. Анализ во временной области.

3. Система статистических параметров.

4. Допуска, погрешности.

5. Система диагностических параметров.

[Uвых] = [Z5,5] * [Uвх],


[Z5,5] = - это структурная матрица связи в полном виде, || Z || ее элемент – есть метод обработки. [Z5,5] – дает алгоритм анализа случайных сигналов на конечных интервалах.

3.1.3. Многопараметровость.

- многопараметровость относительно типа входной информации






Количество входных каналов определит размерность матрицы || Z ||

  • количество анализируемых параметров дает значения (J + I):

  • многопараметровость в смысле методов получения диагностических параметров.

3.1.4.Обучаемость СТД.

Это не просто контроль. ЦЕЛЬ – выработать рекомендации.

- по достаточной совокупности системы статистических параметров (ССП)

- по оптимизации системы диагностических параметров (СДП)

- оптимизация режимных параметров

- рекомендации по системе конструктивных параметров

______________________________________________________________________________________

Ю.Ф.Певчев

К.Г.Финогенов

« Автоматизация физического эксперимента » М., Энергоатомиздат, 1986г.

______________________________________________________________________________________

3.2. Методы и средства ТТД.

1. Теория графов и матричный анализ.

а) - для представления и описания свойств и структуры контролируемого объекта

- для выявления связей по технологическим и режимным параметрам

- для формирования функционалов W, Ф, Т

б) для представления и описания алгоритмов функционирования системы контроля

в) для представления и оптимизации процесса диагностирования

2. Теория физического эксперимента.

- для определения оптимальных моделей контролируемого устройства

3. Статистические методы анализа случайных сигналов.

- для выработки ССП и СДП.

3.2.1. Методы и средства ТТД. Графы и узлы – графы.

1. Теория графов.

Представления:

- контролируемого объекта

- вычислительных функций

- диагностического процесса

2. Теория физического эксперимента.

3. Математические методы анализа шумов и вибраций, анализ случайных процессов (частотная и временная область). Теория вероятности.

4. Теория надежности.

Учитываются допуски и посадки:

- выбор по износу деталей и узлов

- через условия вероятности отказов

- учет весовых функций, которые определяют различные степени риска по типам отказов.

5. Теория множеств

6. Факторный анализ (приоритет, ранжирование, организация очереди доступа)

7. Теория физического и математического моделирования.

8. Все методы неразрушающего контроля.

3.3.2. Методы и средства СТД.

1. Аппаратные (на примере КАМАК).


Предварительная

обработка - измерительные анализаторы, коррелометры.


Функциональное

Расширение - штатная аппаратура (может быть расширена ее информационная область по

режимным параметрам).

2. Алгоритмические.


Лекция №. 4


4.1. Информационный измерительный канал.

1. Существует несколько стандартов подобных систем.

2. Функции – предварительное преобразование сигналов (аналоговое преобразование, нормированное, фильтрация).

- ввод информации с ЭВМ (ЦУ)

4.1.1.Система КАМАК ( лат. САМАС ).

1. САМАСComputer Aided Measurement And Control.

2. Первоначальное название – Янус (римский бог дверей, входа, выхода, «двуликий Янус»).

- крейт КАМАК осуществляет связь (через контроллер) с магистралью ЭВМ.

- состоит из:

- крейта

- магистрали

- контроллера

  • модулей



4.1.2. Структурная схема системы КАМАК.



Пояснения.

1. Контроллер управляет функциональными блоками.

2. Контролер осуществляет связь с ЭВМ.

3. Контроллер принимает управление крейтом от ЭВМ.

4. Контроллер крейта определяет две функции крейта:

- активную

- пассивную

5. На магистрали крейта (магистраль – это шина на 32 разряда) выставляется адрес устройства и команды.

6. Через контроллер крейт подключен к магистрали ЭВМ как внешнее устройство, которое имеет свой адрес на шине ЭВМ.

4.1.3.Комплектация КАМАК и функции крейта.

- 1-ый крейт содержит (max) – 24 модуля

- если магистраль ЭВМ позволяет, то система может быть укомплектована несколькими крейтами (до 16).Если структуру строить по приоритету (т.е. с последовательной работой), то можно больше. Магистраль входит в конструкцию крейта и не является блоком. Через магистраль управляем крейтом.

Перечень модулей.

1. Блок питания.

2. Контроллер (это то же, что в ЭВМ - процессор).

3. Коммутаторы.




Коммутаторы обеспечивают последовательное параллельное считывание (программно может быть и квазипараллельное считывание). Все функциональные модули подключены к магистрали и управляются крейтом программно от ЭВМ.

Max. частота обращения 100 кГц.

4. Аналоговые фильтры (набор по перестраиваемым граничным частотам (8 шт. на 1 крейт)).

5. Нормирующие усилители (выделяют постоянную составляющую + нормируют на 16 ампл. значения (не действ. никакого другого)).

6. АЦП – до 24 кГц.

7. ЦАП – формирует аналоговый сигнал для работы с анализаторами (управляемыми от ЭВМ – вторичный анализ).

8. Анализаторы (спектра, коррелометры и т.д.) – первичный анализ.

- далее на коммутатор для статистической обработки.

- анализаторы позволяют получать визуальные представления АЧХ, ФЧХ, спектр !!!!!!!!!!, кор-ные функции на экране.

9. Накопители на 1 Гб.

Выводы:

Крейт КАМАК позволяет осуществить:

- эффективный обмен информацией между устройствами съема информации с ЭВМ и измерительной аппаратурой.

Путь развития системы КАМАК могут быть осуществлены через развитие принципа распределенного интеллекта, т.е. использования в системе целого комплекса (системы) ЭВМ, т.е. по пути:

От простейших микропроцессорных систем

Универсальным вычислительным системам большой мощности


к





Области применения.

1. В медицине («Моники»).

2. В биологии (эксперименты на уровне клетки).

3. В химии, геологии, астрономии (на телескопах, радарах).

4. В промышленности (энергетика) – финская АЭС (на Ловизе).

Решаемые задачи.

1. Управление экспериментом.

2. Сбор и накопление большого объема экспериментальных данных.

3. оперативное получение оперативной информации.

4. Управление ходом диагностики.

- оперативное.

- по заданному алгоритму.

5. Подключение физических моделей.

6. Обработка предварительно записанной на носители информации т.е.

- работа в реальном времени

- работа в последовательном режиме

7. Оптимизация процесса диагностики.

8. Обучение системы диагностики.

4.1.4. Описание магистрали крейта.

Магистраль крейта – это канал связи, объединяющий все виды шин. Это пассивный многопараметровый канал связи. Они соединяют контакты магистральных разъемов.

24 разъема – линии соединены строго однозначно – это нормальные станции, их конфигурация не меняется (коммутация программно).

25-й разъем – управляющий (коммутируется вручную).

Функциональное распределение шины магистрали крейта.



1. Система не работает с параметрами сигналов в реальном времени.

2. Система служит для обработки информации в исследовательском режиме с предварительным пополнением информации (предварительная запись реализаций ограниченной длительности – N не более 2048) – пакетом по каждому из каналов.

Итак: крейт КАМАК – это система общего назначения для решения задач ТД.





Лекция № 5


5.1. Специализированная СД состояния 1-го контура.

Задачи:

1. Связь с ЭВМ.

2. Предварительная обработка случайных сигналов.

3. Получение предварительного диагностического портрета.

4. Пополнение вторичной информации о параметрах широкополосных сигналов (отличие от КАМАК).

5. Может работать и в режиме КАМАК.

Название системы разработанной в России в стенах института Курчатова.


КАДАР (Крейт Анализа Данных Атомных Реакторов). Автор разработки – ВАКАР (Всеобщий Анализ и Контроль Атомных Реакторов).

5.1.1. Свойства системы КАДАР.

1. Система КАДАР как и КАМАК.

2. Шире частотный диапазон (fд до 100 кГц).

Кроме того, имеет:

- блоки НЧ – модуляции

- блоки предварительной обработки сигналов ( оценки з.р., Кхх, Кху, АЧХ, ФЧХ).Это не анализаторы

- блок задания нормативных значений набора спектральных компонент (до 256 значений) – нормы, уставки

- блок задания режимных параметров (256)

- нормативный блок значений по ГОСТ на амплитуду вибраций основных конструктивных узлов

- нормативный блок по температуре

- нормативный блок по нейтронному потоку

- нормативный блок записи информации штатной аппаратуры

- блок, позволяющий осуществить квазипараллельное считывание

- по вибрации до 5 каналов

- по температуре до 50 каналов.

Крейт КАДАР выполнен в стандарте МЭК (Международный ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМИССИЯ).

5.1.2. Алгоритм работы КАДАР с информационными каналами.

Если:

A – область в/а шумов,

В – область г/д шумов,

С – область температурных шумов,

D – область нейтронных шумов,

то, по частотному диапазону справедливо следующее соотношение:



Нет точки всем множествам, т.е.:

1) =

2) = (пустое множество).

Исходя из выражений 1) и 2) формируется алгоритм параллельного или последовательного считывания информации по типам каналов.

Блок схема алгоритмов считывания информации.











Лекция № 6


6.1. Модели, используемые в СТД.

1. Модели устройства контроля.

2. Модели технологического процесса.

3. Модели системы технической диагностики.

Блок-схема «Классификация моделей».



6. Существующие реакторные энергетические установки.


1. ВВЭР - !!!!!!!!!!!!!!

2. РБМК – бор-металлическая канального типа(Ленинградская, Чернобыльская).


ВВЭР – водо-водяной (сильно перегретый пар).

1-ый контур – вода.

2-ой контур – вода.


6.1. Блок схема 1-го контура АЭС (ВВЭР).

1. Р (ТВЭЛ) – слоеный графит !!!!!!!!!!!!!!!!

2. КО

3. ПГ

4. ГЦН

5. З (6 шт.)


6.2. Краткое описание некоторых типов моделей.

Нумерация Согласно блок-схеме

6.2.(5) Масштабные модели:


!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!


а) ГЦН – его физическая модель, реально используемая в СТД (модель устройства).


М 1:100

Есть параметры:

Режимные z zm - режимные

Конструктивные a am - конструктивные

Технологические r rm – технологические

Связь осуществляется через масштабные коэффициенты Mz ,Ma ,Mr (это не М 1:!!!!!!).

М.б. только для конструктивных параметров «а» М учитывается непосредственно.

В целом, Mz ,Ma ,Mr – это или коэффициенты полученные имперически или формулы пересчета одних в другие.

z = zm0 + zm( Mz , t , ) - учет переходных процессов


a = M * am0( Ma , M )


r = rm0 + rm( Mr , t ) zm0, rm0 – стационарные величины



б) Физическая масштабная модель процесса.

Используется для моделирования режимных (z) и технологических (r) параметров. Примером м.б. колебательная масштабная модель 1-го контура по теплоносителю. Используются два масштабных коэффициента:

- по температуре Mz,t; Mr,t

- по давлению Mz,p; Mr,p

т.е.

z = zm0 + zm( Mz,t , Mz,p , t , )

r = rm0 + rm( Mr,t , Mr,p , t )

Цели создания моделей типа 5а и 5б.

1. Возможность наглядного представления устройства и процессов.

2. Возможность моделирования устройства и процессов в целях поиска оптимальных режимов.

3. Возможность моделирования критических и докритических режимов:

- изучение усталостных параметров

- практическое получение ресурсов устройства.

4. Введение сигналов от п.п. моделей через крейт в систему диагностики для выработки норм и установок на СДП.

6.2. Электрические модели процессов и устройства.

а) По технологическим параметрам (по теплоносителю) 1-го контура АЭС.

Рис. – такая модель получена из теоретических расчетов и дано хорошее совпадение.

1. Из схемы видно, что контур по теплоносителю представляет собой сложный колебательный контур с набором 1) собственных частот

2) резонансных частот.

2. Параметры контура Ri , Li , Ci соответственно могут быть представлены как функции:

- габаритных размеров устройства

- параметров давления

- температуры

- скорости течения теплоносителя.

Записав эквивалентное сопротивление или эквивалентную проводимость через R, jL, jC, получим выражение для эквивалентной передаточной функции последовательного контура. Определим через f резонансные (собственные) частоты системы.

Цель:

В процессе конструирования учесть резонансные частоты, уйти от параметров системы, определяющих собственные частоты.

б) Электрические модели механических систем.

Через электрическую систему с сосредоточенными параметрами:

Последовательная цепь RLC.

Омы, Вольты, Фарады, Амперы, Генри.

Через разности потенциалов:

e(t) + eR(t) + eL(t) + eC(t) = 0

или в дифференциальной форме:

Lq’’(t) + Rq’(t) + 1/Cq(t) = e(t); – разность потенциалов, где

eC(t) = 1/Cq(t)

eR(t) = -Rq’(t)

eL(t) = -Lq’’(t) .

Это уравнение сходно с уравнением колебания механической системы под воздействием силы F:

my’’(t) + cy’(t) + ky(t) = F(t), где

m – масса системы (кг)

с – затухание (Нc/м)

k – коэффициент жесткости (Н/м)

y – перемещение (м)

В системе электрических параметров:

- коэффициент затухания

- собственная резонансная частота

Частотная характеристика механической системы:

, где

- полное сопротивление электрической системы - импеданс

В системе механических параметров:

- коэффициент затухания

- собственная резонансная частота

- полное сопротивление механической системы.

Соотношения.

Между электрическими и механическими величинами нет равенства, но можно установить соответствие.



Ток

dq/dt = i(t)

Индуктивность

L



Аналогии для различных физических систем.

Система

Электрическая

Вход

Выход

Постоянные параметры

Напряжение

Ток

R L C

Механическая

(смещение)

Сила


Скорость

m c k


Механическая

(вращение)


Вращающий момент


Угловая скорость


Момент инерции

Угловое затухание

Угловая податливость


Акустическая


Давление


Скорость частиц


Акустическая масса

Акустическое затухание

Акустическая емкость

Тепловая


Температура


Тепловой поток


Тепловое сопротивление

Тепловая емкость


Магнитная


МДС (магнитодвижущая сила)

Магнитный поток


Магнитное сопротивление



















Выводы:

- эти эквивалентные связи являются основой для составления алгоритма функционирования СТД

- через эти соответствия определяют условия совместимости обработки различных типов сигналов в СТД.


6.3.(3) Математические модели.

а) Аналоговые модели соответствуют аналитической записи процессов, протекающих в контролируемом объекте.

Пример:

Представление механической системы через уравнения колебаний.


1) Расчетные формулы механических систем представляем через энергетические параметры.

Моменты и перемещения связаны с усилием и потоком (через систему уравнений 1-4):

1) - момент

2)