Разработка и исследование экспертных систем диагностики магистральных насосных агрегатов на базе портативных виброанализаторов

В настоящее время методы и средства неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД) играют большую роль в обеспечении высокого качества продукции и надежности эксплуатации оборудования. Современные тенденции в разработке и использовании средств НК и ТД характеризуется интенсивной компьютеризацией. Применение современной компьютерной техники, прежде всего высокопроизводительных, относительно недорогих персональных компьютеров, сделало возможным появление качественно нового поколения приборов и систем НК и ТД. Отличительной особенностью устройств данного поколения является наличие у них развитых систем компьютерной обработки информации, использующих эвристические и формальные методы. По пока ещё высока роль человека в процессе измерений и принятий решений при диагностировании. Это обстоятельство вносит субъективный фактор в работу систем НК и ТД. 11оэгому можно твердо утверждать, что в наше время не потеряла своей актуальности задача автоматизации процесса диагностирования. Наиболее перспективным в этом направлении является разработка экспертных систем (ЭС), которые на базе теории искусственного интеллекта способны эффективно решать проблемы связанные с процессами ТД.

Одним из наиболее важных направлений ТД является вибродиагностика машин и механизмов. В этом случае информативным параметром — является вибрация, характер которой зависит от внутреннего состояния отдельных узлов.

В частности, внедрение ЭС вибродиагностики магистральных насосных агрегатов (МНА) позволит повысить эффективность работы нефтеперекачивающих станций (HI 1С): уменьшится стоимость эксплуатации и ремонта МНА, позволит перейти от обслуживания по графикам планово-предупредительных работ (ППР) к обслуживанию по реальному состоянию агрегата. ЭС позволит в значительной мерс преодолеть трудности, возникающие в процессе определения технического состояния МНА, и получать результаты качественно не уступающие решениям, принимаемым человекомэкспертом.

Вибродиагностика, как самостоятельная наука, начала зарождаться в 60-х годах. В России первые научно-технические подразделения, работающие в области вибродиагностики, появились в ИМАШ им. акад. А. А Благонравова (проф. М.Д. Генкин), ЦНИИ им, А Н. Крылова (проф. В. И. Попков, проф. К.И. Селиванов), в Государственном научном центре ЦИАМ (проф. И.А. Биргер), ЦКТИ (проф. В.И. Олимпиев).

У истоков вибродиагностики стояли М. А. Брановский, Биргер И. А., Б. В. Павлов, Б. Т. Рупов, Э. Л. Позняк, И. С. Лисицын, В. И. Петрович. Ими были разработаны методы балансировки гибких роторов, методология вибрационных испытаний оборудования, основная часть которой позже приобрела новое научное название «диагностическое тестирование», создан целый ряд специальных виброизмерительных приборов. Они провели многочисленные практические работы на оборудовании, которые выявили основные особенности и причины вибрации агрегатов и механизмов [5, 6, 13, 23, 59, 60, 72, 81, 82].

В области исследования и создания виброизмерительных приборов наиболее известны работы академика Н. Н. Андреева, Р. В. Васильевой, К. Р. Цеханского (НПО ЦНИИТМАШ), В. Г1. Дунаевского, М. И. Субботина, Ю. В. Лукашина (ГФУП НПО ИТ), В. В. Клюева, В. Н. Ковальского, К).И. Иориша, B.C. Лоскутова, Г. В. Зусмана, А С. Больших, А.П. (ЗАО МНПО «Спектр»), О. Е. Шведенко (Таганрогский завод «Виброприбор»), B.C. Голубева (ИМАШ РАН), В. Г. Широкова (завод «Биафизприбор» г. Львов) и других [18, 19, 22, 47, 56, 901.

Над проблемой низкочастотной вибрации (11ЧВ) энергетического оборудования работали А. Г. Костюк, В. И. Олимпиев, А. З. Зиле, И. А. Ковалёв и другие. Они разрабатывали математические модели системы «турбоагрегат-фундамент основания» [2, 54, 70].

Проблемами, относящимися к динамике электрических машин, а также к общим вопросам вибрации, занимался В. М. Фридмана. А. Г. Костюк и Е В. Урьев со своими коллегами исследовали вибрацию турбинных дисков и лопаток. Вопросы балансировки систем связанных роторов решены А. С. Гольдиным [30J.

Изначальной целью упомянутых работ было установление связи между: а) физической особенностью рабочих процессов в машинах и механизмах различных принципов действия, динамикой взаимодействующих между собой движущихся элементов и узловконструкция элементов рабочих узлов, количеством (точностью) их изготовления и состоянием в процессе эксплуатацииб) временными, спектральными и статистическими характеристиками возбуждаемых при работе машин и механизмов вибрации и шума.

В.И. Попковым, Н.В. Г ригорьевым, В. А. Якимовым, П. А. Стояновой и другими учёными выполнено обобщение результатов исследования взаимосвязи рабочих процессов и состояния узлов механизмов с вибрационными процессами и предложены направления использования этих закономерностей для вибродиагностики технического состояния машин и механизмов. Рассмотрены различные типы диагностических моделей, по которым можно оценить техническое состояние машин как при квазидетерменированной, так и при статической связи спектральных составляющих вибрации со структурными параметрами машин (метод активного эксперимента, метрические методы с использованием в качестве мер сходства Евклидова расстояния, квадрата расстояния, расстояния по Хеммингу, углового расстояния и т. д.) |75].

Э.Л. Мышинским, В. А. Якимовым и др. изучены закономерности флюктуации вибрации судовых машин в процессе эксплуатации при их неизменном техническом состоянии из-за изменения параметров электрической сети, тепловых режимов работы, нагрузки, атмосферных условий, условий эксплуатации и т. д. Разработаны методы обработки вибрационных сигналов для учёта упомянутых закономерностей, их исключения при решении вопросов диагностики технического состояния машинвыявления монотонного изменения вибрации, вызванного ухудшением технического состояния, из-за появления отдельных неисправностей, а также скачкообразных изменений вибрации, связанных с поломками.

Л.Я. Гутин и А.В. Римский-Корсаков указали, что для решения задач диагностики информации только о кинематических параметрах вибрации недостаточно. Необходима информация о динамических силах и потоках колебательной энергии. В связи с этим в ЦНИИ им акад. Д.II. Крылова, ИМАШ им акад. А. А. Благонравова и АКИН им акад. А. А. Андреева с 50-х годов проводятся работы по созданию методов измерения, определения источников колебаний, а также вибродиагностики динамических сил и потоков колебательной энергии при работе машин и механизмов. В частности разработаны методы измерения:

— динамических сил, действующих со стороны механизмов на присоединённые конструкции;

— колебательных мощностей, излучаемых механизмами в виде шести составляющих вибрации (линейных и поворотных);

— колебательных мощностей, излучаемых в трубопроводы по стенкам (при действии сил и моментов) и в жидкости;

— составляющих колебательных мощностей, излучаемых по валопроводам и стержневым конструкциям в виде продольных, поперечных и крутильных колебаний.

Большой вклад в фундаментальные исследования и прикладные разработки в области вибродиагностики внесли К. В. Фролов, A.II. Гусенков, М. Д. Генкин, Л. Э. Айрапетов, А. Г. Соколова, Ф. Я. Балицкий, И. И. Хомяков, С. Н. Панов, ВВ. Яблонский, B.C. Голубев, Ю. И. Бобровицкий. Ими разработаны методы взаимных спектров вибрационных и силовых процессов, механических сопротивлений, модуляционных характеристик, энергетические методы взаимности и др. [7, 20, 26, 31, 34J.

Разработаны технологии обнаружения и диагностирования зарождающихся дефектов, базирующиеся на применении специально модифицированных статистических характеристик вибрационных сигналовбезразмерных амплитудных дискриминантов, клиппированных по амплитуде вибросигналов, индексов амплитудной и фазовой модуляции вибрационных сигналов в зонах вынужденных и собственных частот механической системы, применения каскадной демодуляции, биполярного сигнатурного анализа, моментных характеристик вииброакустического сигнала до четвёртого порядка включительно, функций статистической связи колебательных процессов в различных точках машинной конструкции, оценке вида и степени нелинейности механической системы, возникающей или усиливающейся при деградации узлов, с помощью функций автои взаимной регрессии.

Эффективность применяемых средств контроля и диагностирования зависит прежде всего от заложенного в систему диагностики алгоритмического и программного накопления баз данных и баз знаний.

За время, прошедшее с момента первых измерений вибрации до создания современных компьютеризованных вибродиагностических комплексов в России, накоплены громадные базы знаний в области виброметрии, динамики и прочности машин, информатики, теоретической механики, которые стали научной основой прикладных работ по разработке и производству технических устройств и системного программного обеспечения виброметрии.

В свете выше^-перечисленного, наиболее целесообразным представляется то, что исследовательские и прикладные работы в области вибродиагностики необходимо проводить в следующих направлениях:

— совершенствование методов первичной обработки сигналов, а, именно, частотной и временной селекции, синхронного (когерентного) накопления, амплитудной и фазовой демодуляции, анализа орбитальных характеристик динамического движения центра вала, демодуляция узкополосных сигналов, выделенных в области одной из собственных частот колебаний дефектного узла и в области одной из вынужденных частот колебаний дефектного узла;

— совершенствование алгоритмов и программ, используемых при принятии диагностических заключений, в т. ч. процедур спектрально-корреляционного, сигнатурного, кластерного анализа, математической статистики;

— исследование вибрационных и динамических процессов оборудования, работающего в различных технологических режимах5 с целью накопления статистических данных об этих процесса;

— разработка микропроцессорных систем распределённого типа, т. е. систем, в которых каналы измерения являются автономными микропроцессорными модулями, встроенными в датчики;

— определение корреляционных связей между параметрами, характеризующими техническое состояние механизмов (температура, расход, пульсация давления, содержание частиц металлов в масле и др.), с параметрами вибрации и использование этих данных для повышения достоверности диагностирования.

Целью работы является создание ЭС вибродиагностики МНА на базе портативных виброанализаторов .

Для решения поставленной цели необходимо на основе особенностей вибродиагностики МНА, с применением идеологии ЭС провести :

— анализ причин высокой вибрации на МНА;

— анализ признакового пространства спектра вибрации МНА и получить диагностические признаки, исследовав вибрационные процессы, характерные для различных технических состояний;

— разработку модели представления знаний;

— разработку методики построения ЭС;

— разработку архитектуры ЭС;

— разработку эвристическо-вычислительных процедур поиска причин высокой вибрации МНА;

— разработку интеллектуального и программно-информационного обеспечения;

— разработку методики применения ЭС и протестировать её на адекватность поставленным задачам.

В первой главе диссертации рассматривается объект диагностики МНА НПС и задачи диагностики технического состояния агрегата, которые решают системы вибродиагностики. Выявлены задачи, при решении которых наиболее эффективны системы вибродиагностики, и сформулирован ряд требований к данным системам. Проведен анализ методов и средств вибродиагностики. Рассмотрена методология создания ЭС. В результате чего показана необходимость создания признаковых пространств, адекватных реальным техническим состояниям МНА, а также их реализация в базах знаний интеллектуальных систем вибродиагностики.

Во второй главе рассмотрены методы обнаружения неисправностей на основании моделей и выбран метод на основании модели сигнала, проведен выбор методов обработки информационно-диагностического сигнала, проанализировано пространство диагностических признаков вибрации МНА и исследованы вибрационные процессы, вызываемые дефектами МНА. В основу предложенного пространства диагностических признаков положен синтез методов спектрально-корреляционного анализа и методов распознавания образов в рамках детерминистского подхода к распознаванию.

В третьей главе описана разработанная ЭС вибродиагностики. Система позволяет синтезировать в интерактивном режиме быстродействующие алгоритмы обработки виброинформации и решать конкретные задачи технической диагностики МНА. Такой подход обеспечивает гибкость и многофункциональность системы. В результате создания системы исследованы свойства, оценена достоверность, а также эффективность методов и алгоритмов диагностирования.

В четвертой главе представлена созданная ЭС вибродиагностики МНЛ, в которой реализованы модели и алгоритмы диагностики состояния узлов и агрегатов МНА, описана аппаратурная и программная реализация системы, дана оценка ее функциональных возможностей и результатов практического внедрения.

На защиту в диссертационной работе выносятся:

1. Разработанная ЭС вибродиагностики МНЛ на базе портативных виброанализаторов, позволяющая оценивать техническое сос тояния агрегата непосредственно на НПС без присутствия эксперта, хранить данные виброизмерений и историю диагностики, организовать техническое обслуживание МНА по состоянию.

2. Выявленные диагностические признаки технических состояний МНЛ, используемые при вибродиагностике.

3. Результаты исследований влияния сезонных факторов и режимов малых подач на характер вибрационных процессов, а также зависимости вида фигур Лиссажу для виброускорения от технического состояния МНЛ.

4. Метод оптимизации пространства признаков технических состояний МНА, построенный на базе синтеза методов спектрально-корреляционного анализа и детерминистского подхода к распознаванию образов, позволяющий повысить достоверность диагностики за счет использования программных средств.

5. Результаты исследования основных моделей представления знаний, видов архитектур ЭС.

6. Механизм логического вывода, использующий оригинальный алгоритм поиска неисправностей МНА.

7. Методика проведения вибродиагностического обследования МНА с помощью портативных запоминающих коллекторов и анализаторов.

8. Методика обслуживания МНА НПС по результатам вибродиагностического обследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе разработки и исследования экспертных систем диагностики магистральных насосных агрегатов на базе портативных виброанализаторов были получены следующие результаты:

1. Разработана ЭС вибродиагностики МНА на базе портативных виброанализаторов, позволяющая оценивать техническое состояния агрегата непосредственно на НПС без присутствия эксперта, хранить данные виброизмерений и историю диагностики, организовать техническое обслуживание МНА по состоянию.

2. Произведено исследование диагностических признаков, используемых при вибродиагностике МНА, проанализирована их информативность, выявлены их достоинства и недостатки. (Выявлено влияние сезонных факторов и режимов малых подач на характер вибрационных процессов. Установлена зависимость вида фигур Лиссажу для виброускорения, измеренных с помощью двух пьезоэлектрические акселерометров, расположенных перпендикулярно друг другу на подшипниковой опоре от технического состояния МНА).

3. Разработан метод оптимизации пространства признаков технических состояний МНА, построенный на базе синтеза методов спектрально-корреляционного анализа и детерминистского подхода к распознаванию образов, позволяющий повысить достоверность диагностики за счет использования программных средств.

4. Исследованы основные модели представления знаний, виды архитектур ЭС и предлагается новая структура ЭС, которая наиболее полно отвечает поставленной задачи.

5. Создан механизм логического вывода, использующий оригинальный алгоритм поиска неисправностей МНА и позволяющий определять наиболее вероятные причины повышенной вибрации.

6. Построена методика проведения вибродиагностического обследования МНА с помощью портативных запоминающих коллекторов и анализаторов, которая является основной составляющей технологии технического обслуживания по состоянию.

7. Разработана методика обслуживания МНА НПС по результатам вибродиагностического обследования.

Использование результатов разработок позволило создать в МНПО «Спектр» компьютерные базы данных о техническом состоянии МНА УУМН и организовать техническое обслуживание МНА по их состоянию в Урайском УМН. В МГАПИ, на кафедре ТИ-1 по специальности 2101- Управление и информатика в технических системах, результаты разработок включены в учебный процесс. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами. К тому же, ЭС является инструментом обучения и тренировки для новых работников и ведущих специалистов соответственно, сводом очень квалифицированных мнений и постоянно обновляющимся справочником наилучших стратегий и методов.

Благодаря гибкому программному обеспечению, разработанным методам и алгоритмам, ЭС показала высокую степень адаптации к влиянию внешних факторов и возможность корректировки диагностических моделей. Использование ЭС позволило определить наиболее часто встречающиеся дефекты МНА на контролируемых НПС, наличие которых подтверждалось результатами ревизии предполагаемых дефектных узлов ремонтными бригадами.

Использование ЭС на НПС УУМН первоначально повысило эксплуатационные расходы по обслуживанию МНА на 18% в год. Это объясняется повышением уровня распознавания дефектов, следовательно, повышением затрат на запчасти и трудозатрат на устранение или предотвращение дефектных состояний агрегатов. После обнаружения и устранения большинства имевшихся дефектов МНА эксплуатационные расходы по обслуживания МНА снизились по сравнению со среднегодовыми эксплуатационными расходами по УУМН на 14%. Одним из основных практических результатов внедрения ЭС явилось заметное улучшение технического состояния МНА.

Дальнейшее развитие ЭС связано:

— с увеличением базы знаний новыми решающими правилами, которые будут использовать новые диагностические признаки;

— с адаптацией системы к оборудованию других типов;

— с использованием новых методов, алгоритмов технической диагностики.