CC BY
62
УДК [621.43.004.5:629.5]:[681.518:004.8]
БДК [39.455.5-05:32.973.2-018]:30.82
Буй Нгок Хай
АЛГОРИТМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С УЧЕТОМ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Bui Ngoc Hai
ALGORITHM OF INTELLECTUAL MANAGEMENT OF ROTATION FREQUENCY OF MARINE INTERNAL COMBUSTION ENGINES TAKING INTO ACCOUNT DIAGNOSTICS OF TECHNICAL CONDITION OF THE EQUIPMENT
Рассматривается модель СДВС как объекта управления с подсистемой диагностики, в которой в качестве показателя технического состояния используется обобщенный параметр качества. Представлена структура модели СДВС как объекта управления с подсистемой диагностики и алгоритм работы автоматизированной системы управления частотой вращения СДВС с подсистемой диагностики. Подробно описана работа данной системы диагностики и управления.
Ключевые слова: судовой двигатель внутреннего сгорания (СДВС), модель управления и диагностирования СДВС, обобщенный параметр качества, техническое состояние.
The model of MICE is considered as an object of management with diagnostics subsystem in which the generalized parameter of quality is used as an indicator of technical condition. The structure of the model of MICE is presented as an object of management with diagnostics subsystem, and also the algorithm of work of the automated control system of rotation frequency of MICE with diagnostics subsystem. The detailed description of the work of the given system of diagnostics and management is given.
Key words: marine internal combustion engine (MICE), model of management and diagnostics of MICE, generalized parameter of quality, technical condition.
Современные автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) должны включать в себя не только системы управления, но и вспомогательные системы, обеспечивающие как слежение за состоянием оборудования, так и оценку его технического состояния (ТС) перед началом некоторого, как правило, длительного этапа работы. К таким системам относятся системы диагностирования. Зачастую для осуществления процесса управления и диагностики судового двигателя внутреннего сгорания (СДВС) используются одни и те же модели, методы и технологии. Но их реализация выражается в различных аппаратных средствах. Объединение аппаратной среды управления и диагностирования позволит сделать еще один шаг вперед в сфере оптимизации и совершенствования эксплуатации СДВС [1].
В целом системы диагностики и оценки надежности оборудования предназначены для решения следующих задач:
— оценка состояния оборудования перед/после началом(а) мероприятий обслуживающего характера;
— оперативное (текущее) оценивание ТС оборудования в режиме реального времени в процессе его работы.
Задачи первого вида имеют место при аттестации оборудования и текущих проверок состояния. Они связаны с относительно небольшим числом измерений основных диагностических параметров. По результатам таких замеров выносится заключение о пригодности оборудования, т. е. о соответствии его характеристик нормам, и рекомендации по дальнейшей эксплуатации.
При выполнении задач второго вида происходит многократное получение информации о параметрах оборудования в процессе его работы. При этом часть параметров, используемых для оценки ТС, не подлежит прямому измерению на объекте диагностирования, а определяется на основании получаемых данных в соответствии с имеющимися алгоритмами. Получаемые таким образом параметры являются комплексными параметрами ТС оборудования, наиболее полно отражая его состояние.
В [2] нами был смоделирован СДВС как объект управления. В этой статье рассмотрим модель СДВС как объект управления с подсистемой диагностики [2], в которой в качестве показателя ТС используется обобщенный параметр качества R [3] (рис. 1).
Рис. 1. Структура модели СДВС как объекта управления с подсистемой диагностики
На входе система использует три управляющих сигнала и четыре диагностических, на выходе имеет два сигнала. Для удобства восприятия условные обозначения сигналов с расшифровками сведены в таблицу.
Параметры модели СДВС
№ Тип сигнала Категория Наименование сигнала Переменная модели
1 Вход Диагностический Комплексный критерий качества подшипника Н
2 Вход Диагностический Максимальный шум подшипника dBm
3 Вход Диагностический Собственный шум подшипника dBc
4 Вход Диагностический Температура объекта диагностирования T
5 Вход Управляющий Положение рейки топливного насоса высокого давления L
6 Вход Управляющий Крутящий момент двигателя Mn
7 Вход Управляющий Расход топлива Gt
8 Выход - Развиваемая мощность двигателя P
9 Выход - Измеренная частота вращения коленчатого вала n
Измерение вышеперечисленных параметров производится с помощью виброанализатора 795М и тепловизора 8Б8 Н^Ртё-Э. В качестве технического обеспечения диагностической системы выступает управляющий вычислительный комплекс (УВК) со своими устройствами сопряжениями с объектами (УСО) и модулями расширения, ресурсы которого могут быть полностью выделены под нужды рассматриваемой системы или распределены с АСУ ТП. Мы не сочли нужным приводить состав и структуру УВК, условимся лишь, что комплекс удовлетворяет необходимым вычислительным и коммуникационным требованиям системы диагностики. Алгоритм системы управления с подсистемой диагностики приведен на рис. 2.
С помощью программного продукта «ИнтелДИС» производится определение обобщенного параметра состояния оборудования Я в соответствии с моделями нейронечеткого вывода [4]. Далее происходит регистрация текущего вычисленного значения Я и пополнение базы знаний для прогнозирования состояния двигателя. Затем подсистема диагностики выполняет анализ значения Я, после чего происходит выбор пути дальнейшего функционирования системы. Это отражено блоком «Я > 0,37». Если текущее значение Я находится в области критических значений, т. е. состояние оборудования оценивается как аварийное или неисправное (Я < 0,37), то возможна смена режима работы оборудования, снижение нагрузки или его полный останов (блок «Смена режима работы?»). Результатом работы здесь будут являться соответствующие запросы оператору в АСУ ТП, который и принимает окончательное решение, владея всей информацией о состоянии технологического процесса и оборудования. Автоматический режим останова электромеханического оборудования со стороны подсистемы диагностики в большинстве случаев недопустим, поскольку его последствия могут быть непредсказуемы для работы систем управления как текущего, так и более высоких уровней. Предусмотреть полностью автоматический режим работы подсистемы диагностики с правами на останов оборудования становится возможным лишь при «горячем» резервировании оборудования.
Рассмотрим нормальный режим работы оборудования. Здесь возможны следующие случаи:
1) обобщенный параметр состояния оборудования Я находится в области своих рабочих значений (Я > 0,63); 2) значение параметра Я лежит в области предкритических значений (блок «0,37 < Я < 0,63»). В первом случае состояние оборудования оценивается как нормальное. Здесь не предусмотрено каких-либо дополнительных опций, а происходит лишь индикация текущего вычисленного значения Я. Второй случай является наиболее сложным, поскольку оборудование, с одной стороны, работоспособно, а с другой, при его дальнейшей эксплуатации, происходит увеличение скорости износа узлов и механизмов, что может вызвать нарушение нормальной работы, поломку и даже аварийный останов (важную роль здесь играет период опроса датчиков).
Рис. 2. Алгоритм работы автоматизированной системы управления частотой вращения СДВС
с подсистемой диагностики
Далее вычисляется оставшееся время работы двигателя по данным из памяти и его индикация. Поведение системы в области предкритических значений на стадии внедрения системы полностью определяет оператор, поскольку именно на этих этапах происходит формирование базы знаний и, как следствие, «ширины» области. При нормальной эксплуатации выполняется выбор режима (блок «Запрос на управления»): ручной или автоматический. В ручном режиме система передает запрос в АСУ ТП на останов оборудования и ожидает решения оператора. Решение оператора не ограничивается полным остановом судового двигателя, это может быть и переход на другой режим, и отключение части нагрузки, ввод резервных мощностей. Режим работы «Автомат» является режимом совместной работы оператора и системы диагностики, т. е. прежде чем закончить очередной цикл работы, система отправляет запрос оператору (блок «Умолчание?»), который, в свою очередь, дает согласие или отклоняет текущее действие системы. Если оператор по умолчанию соглашается с решением системы, то система продолжает работу согласно алгоритму. В противном случае передается запрос на останов оборудования.
Теперь рассмотрим систему управления. Обобщенный параметр состояния R помогает не только определить ресурс судового двигателя и принять решение о дальнейшей его эксплуатации, но и правильно скорректировать управляющие сигналы. После задания управляющих параметров и поступления диагностических данных от двигателя происходит расчет оптимальной частоты вращения коленчатого вала и расчет степени работоспособности двигателя в целом. Если ресурс двигателя находится в норме, система просто перейдет к определению частоты вращения в соответствии со степенью работоспособности СДВС. Далее блок «mode» (см. рис. 1) определит, в каком режиме работы находится двигатель. Режим работы двигателя может быть постоянным и может периодически меняться, на него влияют погодные условия, загруженность судна, специфика работы судна, заданные управляющие параметры и т. д. Подсистема определения максимальной частоты вращения определит наибольшую возможную частоту вращения СДВС для данного режима. В реальном двигателе максимальная частота вращения ограничивается естественно - конструктивными и технологическими параметрами либо принудительно -системой управления двигателем. Созданная модель реализует оба этих типа ограничений. Далее произойдет сравнение текущей частоты вращения двигателя с заданной максимально возможной, и если первая превышает расчетную частоту, то система управления переведет двигатель на максимально возможную. Подсистема «Delay» необходима для моделирования переменной задержки сигнала обратной связи с датчика положения коленчатого вала двигателя, т. к. реальная система управления получает данные с разной скоростью, что напрямую зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
После проведения сравнения с функцией ограничения максимальной частоты вращения сигнал, кроме блока «Delay», попадает также на мультиплексор, куда также подается сигнал с датчика положения рейки ТНВД. Формируется единый вектор входных значений, который подается на блок «Расчет Р», задачей которого является расчет мощности на валу двигателя. Далее сформированный сигнал поступает на исполнительный механизм. Затем цикл возобновляется.
Функция диагностики ТС в режиме реального времени системы управления позволит:
1) своевременно отслеживать и предотвращать аварийный останов оборудования;
2) снизить информационную нагрузку на оператора за счет уменьшения количества обращений к состоянию и параметрам подсистемы диагностики;
3) снизить возможные ложные аварийные ситуации;
4) пополнять базу знаний достоверными данными;
5) снизить нагрузку на оператора за счет введения кратковременных периодов отдыха.
Данная структура модели является наиболее гибкой и применима для различных конструкций судовых двигателей при сохранении прежнего уровня эффективности. Моделирование таких сложных объектов, как судовые дизели, позволяет отказаться от дорогостоящих стендовых испытаний и создания для этих целей специальных программно-аппаратных комплексов. Применение функции диагностики в системах управления позволяет увеличить срок службы двигателей, а также повысить их экономичность, прогнозировать возможные неисправности, что снижает затраты на средние и капитальные ремонты и обслуживание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Надеев А. И., Буй Нгок Хай, Свирепов Ф. В. Интеллектуальное управление судовым двигателем внутреннего сгорания с учетом диагностики состояния оборудования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 45-50.
2. Моделирование судового дизеля как объекта управления на базе нечеткой логики / А. И. Надеев, Буй Нгок Хай, С. В. Головко, Ф. В. Свирепов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2012. - № 1. - С. 109-116.
3. Буй Нгок Хай. Разработка моделей степени работоспособности судового двигателя внутреннего сгорания с применением нечеткого вывода: Материалы науч.-практ. конф. «Инженерная мысль машиностроения будущего». Секция 4. Автоматизация управления машинами и производствами / Урал. федер. гос. ун-т. - Екатеринбург, 2012.
4. Головко С. В., Нестеров О. С., Надеев А. И. ИнтелДИС. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007614971 от 03.12.2007.
Статья поступила в редакцию 28.06.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Буй Нгок Хай - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; [email protected].
Bui Ngoc Hai - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Electrical Equipment and Ship Automatics"; [email protected].
