06-04_artykul2p.pdf
(
837 KB
)
Pobierz
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2004
Algorytmy diagnostyki
dla komputerowego systemu
sterowania elektrowni wodnej
Zasadniczym zadaniem przedstawionego systemu diagnostyki i sterowania jest iden−
tyfikacja symptomów nieprawidłowej pracy obiektu sterowanego, a następnie mody−
fikacja algorytmu lub układu, tak aby wyprowadzić obiekt z obszaru nieprawidłowej
pracy
Jerzy Kapcia
W
ysokie wymagania dotyczące niezawodności i bez-
sób wyłączenia może spowodować uszkodzenie wy-
branych podzespołów systemu;
sygnały powodujące wyłączenie systemu według pro-
cedury ustalonej dla danego rodzaju uszkodzenia;
sygnały zmieniające sterowanie poprzez zmianę –
przełączenie układu sterowania lub zmianę – mody-
fikację algorytmu.
pieczeństwa współczesnych systemów sterowa-
nia powodują, iż zagadnienia diagnostyki zajmują coraz
więcej miejsca w literaturze technicznej. W diagnosty-
ce uszkodzeń są stosowane dwie metody: analityczna
i sztucznej inteligencji. W metodzie analitycznej jest wy-
magana znajomość struktury systemu, na podstawie
której dokonuje się próby stworzenia pełnego opisu
matematycznego systemu. Dla współczesnych syste-
mów o dużej złożoności opracowanie modelu matema-
tycznego i jego przebadanie jest bardzo utrudnione
i czasochłonne, a opracowany model ma często wiele
ograniczeń. Z metod sztucznej inteligencji najczęściej
jest stosowana sztuczna sieć neuronowa. Zastosowanie
tej metody ma jedną podstawową zaletę — do budowy
modelu nie jest wymagana znajomość struktury we-
wnętrznej systemu. Dokładność modelu w dużym stop-
niu zależy od poprawnego doboru struktury sieci neu-
ronowej.
Bardzo prostym przykładem układu diagnostyki i ste-
rowania może być układ ABS w samochodzie. Sygna-
łem wejściowym do układu jest sygnał z czujnika przy-
śpieszenia mierzącego opóźnienie. W przypadku
przekroczenia zadanego progu na wyjściu układu poja-
wia się sygnał impulsowy zmieniający sposób sterowa-
nia hamulcem.
Rys. 1.
Schemat blokowy systemu diagnostyki i sterowania — wek-
tory sygnałów: 1 — zadanego, 2 — wejściowego, 3 — zakłó-
cającego, 4 — wyjściowego, 5 — diagnostycznego wejścio-
wego, 6 — diagnostycznego wyjściowego
Struktura systemu diagnostyki
i sterowania
Niezależnie od zastosowanej metody diagnostyki w pro-
ponowanym systemie sygnały wychodzące z układu są
dzielone na cztery grupy:
sygnały uszkodzenia wybranych podzespołów, takich
że system nie pracuje w optymalnych warunkach, ale
bez zatrzymywania może pracować przez pewien
określony czas;
sygnały powodujące natychmiastowe wyłączenie sys-
temu w trybie awaryjnym z uwagi na zagrożenie jakie
może powodować jego dalsza praca, nawet jeśli spo-
Tak rozbudowany system sterowania można wdrażać
i testować w praktyce, jeśli do jego budowy wykorzysta-
no system komputerowy. Ideę systemu przedstawiono
na schemacie blokowym — rys. 1. Praktycznie wektor
na wejściu układu diagnostyki ma więcej sygnałów ani-
żeli wektor wejściowy układu sterującego. Tymi dodat-
kowymi sygnałami są przebiegi uzyskiwane z przetwor-
ników: drgań, przemieszczeń, sił, obrotów, prądów,
napięć itp. Omawiany układ diagnostyki i sterowania
dotyczy układu turbiny z generatorem.
Schemat blokowy układu przedstawiono na rys. 2 z za-
znaczonymi podstawowymi sygnałami. Na schemacie
tym układ sterowania i układ diagnostyki objęto jed-
nym blokiem pod nazwą — komputerowy układ stero-
wania i diagnostyki. Do realizacji funkcji sterujących
i diagnostycznych jest używany komputer przemysło-
wy, natomiast kontakt użytkownika z systemem odbywa
Dr inż. Jerzy Kapcia – Wydział Oceanotechniki
i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej
10
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2004
W zasilaczu hydraulicznym za-
montowano dwie pompy, który-
mi steruje regulator z czterema
progami ciśnienia: ciśnienie mak-
symalne, powyżej którego oby-
dwie pompy są wyłączone; ciśnie-
nie minimalne, powyżej którego
pracuje jedna pompa, jeśli ciśnie-
nie nie spadło poniżej tego progu
lub dwie pompy w przeciwnym
wypadku; ciśnienie krytyczne,
powyżej którego pracują dwie
pompy a poniżej zostaje urucho-
miona sekwencja wyłączania sys-
temu. Na rys. 4 przedstawiono tę
zależność.
Rys. 2.
Podstawowe sygnały sterowania blokiem
się przez komputer nadrzędny. Wprowadzenie dwóch
komputerów teoretycznie uniemożliwia użytkowniko-
wi zawieszenie systemu sterowania z komputera nad-
rzędnego, a ponadto ma na celu ochronę algorytmów
sterujących. Komputer nadrzędny pozwala na podstawo-
we czynności związane ze sterowaniem blokami elek-
trowni takimi jak: uruchomienie, zatrzymanie, zadawa-
nie otwarcia kierownic, zadawanie mocy. Na ekranie
monitora są wyświetlane podstawowe wielkości takie
jak: moc czynna, napięcie, obroty, ciśnienie w zasilaczu
hydraulicznym, otwarcie kierownic, kąt wirnika, pozio-
my wody górnej i dolnej. W sytuacjach alarmowych na
ekranie monitora można wyświetlić okna z wielkościa-
mi wejściowymi i wyjściowymi. Komputery nadrzędny
oraz sterujące pracują w sieci lokalnej. Oprogramowa-
nie pracuje w dwu cyklach: sterującym 0,1-sekundo-
wym i informacyjnym 1-sekundowym.
Rys. 4.
Sygnały wejściowe i wyjściowe
Na podstawie tego schematu opracowano układ dia-
gnostyczny, którego zadaniem jest sygnalizacja awarii
pomp z wyprzedzeniem, zanim ciśnienie spadnie po-
niżej awaryjnego.
Zasadnicza część układu diagnostyki i sterowania do-
tyczy regulatorów kierownic i wirnika turbiny z gene-
ratorem. Optymalny dobór kąta ustawienia łopat wir-
nika powinien zapewnić maksymalną sprawność
turbiny dla danego otwarcia kierownic i istniejącej róż-
nicy poziomów wody dolnej i górnej. Zatem przy zało-
żeniu stałej prędkości obrotowej wirnika kąt ustawienia
jego łopat powinien być funkcją dwóch zmiennych:
otwarcia kierownic i różnicy poziomów wody.
Opis algorytmów
Optymalnym rozwiązaniem algorytmu diagnostyki i ste-
rowania byłoby zespolenie wszystkich jego funkcji w je-
den zintegrowany system, jednakże z uwagi na dużą
liczbę powiązań i zależności dokonano podziału syste-
mu na bloki. W opracowanym algorytmie sterowania
można wydzielić cztery podstawowe bloki regulacji:
ciśnienia w zasilaczu hydraulicznym
napięcia w generatorze
otwarcia kierownicy
kąta wirnika.
j
=
f
(
o,h
) (1)
gdzie:
j
— kąt wirnika,
o
— otwarcie kierownic,
h
— róż-
nica poziomów wody.
Zależność taką wyznacza producent turbiny wodnej
i wprowadza do regulatora. Praktycznie zagadnienie
nie daje się jednak sprowadzić do prostej optymalizacji
z uwagi na efekty gwałtownego wzrostu drgań wirni-
ka dla pewnych obszarów funkcji związanych m.in.
z efektem kawitacji. Stąd przewidziano dwa rodzaje pra-
cy regulatora:
1) ze sztywną zależnością wartości kąta łopat wirni-
ka od otwarcia kierownic,
2) z ręcznie ustawianym kątem otwarcia. Drugi ro-
dzaj pracy przewidziano, aby umożliwić ewentualną ko-
rekcję ustawienia kąta wirnika w przypadku niestabil-
nej pracy turbiny.
Poza okresem pracy turbiny ze stałą prędkością nale-
ży również rozpatrzyć dwa stany przejściowe pracy, ja-
kimi są rozruch generatora i zatrzymanie. Szczególnie
dla tych stanów dobór funkcji kąta wirnika w zależno-
Rys. 3.
Schemat regulacji pomp w zasilaczu
11
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2004
Praca w sieci
Turbina pracuje z układem regulacji otwarcia kierow-
nic. Stałe obroty są utrzymywane przez generator pod-
łączony do sieci. Poszukiwanie funkcji jest złożonym za-
gadnieniem z uwagi na dwa przeciwstawne kryteria
maksimum mocy a jednocześnie minimum drgań. Przy
tworzeniu algorytmu przyjęto założenie, że zmienne:
otwarcie kierownic i kąt wirnika mają skończoną liczbę
poziomów kwantyzacji — 100, natomiast różnica pozio-
mów wody — 10. Stąd w algorytmie wykorzystywano
macierz trójwymiarową o liczbie elementów 10
5
.
W każdym z elementów macierzy są zapamiętywane
dwie wielkości: poziom mocy oraz poziom drgań. Zada-
niem algorytmu jest poszukiwanie punktu optymalne-
go z jednoczesnym odnotowaniem na trasie przejścia ak-
tualnej wartości mocy oraz drgań. W ten sposób
w kolejnych przejściach program osiąga cel w coraz
krótszym czasie. Należy podkreślić, że w warunkach
rzeczywistych o szybkości działania algorytmu będzie
decydować czas reakcji systemu, a ściślej układu stero-
wania siłownikiem wirnika. W kryterium oceny drgań
przyjęto funkcję z dwoma wartościami progowymi: pro-
giem dopuszczalnych drgań i progiem minimalnych
drgań, poniżej którego algorytm kończy poszukiwania.
Liczba poziomów kwantyzacji nie jest krytyczna i w mia-
rę potrzeb można ją zwiększyć. Proces uczenia można
przeprowadzić w trakcie symulacji procesu sterowania
lub podczas pracy systemu w warunkach rzeczywistych.
Przy konstruowaniu algorytmu przyjęto w pierwszym
podejściu założenie, że przebieg drgań w funkcji kąta
wirnika czy otwarcia kierownic mają w przybliżeniu
kształt krzywych rezonansowych z wyraźnym maksi-
mum lokalnym. Docelowo przebiegi otrzymane z czuj-
nika drgań są poddawane analizie widmowej — oblicza-
na jest transformata Fouriera FFT. Na podstawie analizy
różnicy widm amplitudowych bieżącego przebiegu oraz
przebiegu odniesienia jest dokonywana ocena wielko-
ści drgań. W celu uzyskania prawidłowej interpretacji
zjawisk widmo amlitudowe bieżącego przebiegu po-
winno zostać podane na wejście sieci neuronowej. Na
wyjściu układu jest oczekiwany sygnał na jednym
z trzech wyjść: awaryjnym, maksymalnym lub minimal-
nym. W procesie modelowania punkty maksimum
drgań na płaszczyznach kąt wirnika ustalono w sposób
losowy. Końcowym efektem modelowania jest trójwy-
miarowa macierz, której elementy wyznaczają trasę
przemieszczania i wartości kąta wirnika.
ści od otwarcia kierownic i różnicy poziomów wody na
drodze analitycznej jest bardzo trudne, stąd próby za-
stosowania metod sztucznej inteligencji. Układem dia-
gnostyki i sterowania objęto dwa układy regulatora kie-
rownic i regulatora wirnika.
Podstawowym zadaniem układu jest zapewnienie
optymalnej wartości kąta wirnika dla danego otwarcia
kierownic, czyli poszukiwanie funkcji (1). Funkcje te
należy wyznaczyć dla dwóch trybów pracy turbiny:
1) praca w sieci,
2) praca na potrzeby własne.
Rys. 5.
Bloki regulacyjne systemu sterowania turbin z generatorem.
Sygnały układu diagnostyki i sterowania: 1 — zmiana para-
metrów regulatora, 2 — korekta nastawy kierownic, 3 —
położenie kierownic, 4 — różnica poziomów wody, 5 —
obroty turbiny, 6 — nastawa wirnika, 7 — sygnały diag-
nostyczne
W każdym z tych trybów należy uwzględnić trzy fazy
pracy turbiny: uruchomienia, pracy i zatrzymania. W roz-
ważaniach pominięto fazy uruchomienia i zatrzymania,
przyjmując dla nich raz dobrany stały kąt otwarcia wir-
nika. Założenie takie ma uzasadnienie w praktyce, przyj-
muje się, że kąt ustawienia wirnika powinien zapew-
niać możliwie mały gradient siły osiowej turbiny
w momencie włączenia obciążenia.
Rys. 6.
Układ diagnostyki drgań z filtrem neuronowym.
x(t) — sygnał wejściowy przebiegu drgań
12
Praca na własne potrzeby
W tym trybie podstawowym zadaniem regulatora jest
utrzymanie stałości obrotów na poziomie obrotów nomi-
nalnych z maksymalną dopuszczalną odchyłką ±0,5 %. Sy-
gnałem zakłócającym pracę układu jest skokowo zmienia-
jące się obciążenie generatora w sieci lokalnej. Skokowe
zmiany obciążenia dają efekt zmiany charakterystyk ukła-
du sterowanego. Sygnałem wykorzystywanym do uzyska-
nia szybkiej informacji o zmianie obciążenia jest sygnał
otrzymywany z miernika mocy w układzie generatora.
Wnioski
Przedstawione próby budowy systemu diagnostyki i ste-
rowania dotyczą turbiny wodnej z generatorem. W pierw-
szej fazie prac opracowano i wdrożono kompleksowy
system sterowania na bazie nieklasycznych układów ste-
rowania, np. zamiast programowalnych sterowników za-
stosowano komputer. Dało to szansę na to by przy opra-
cowaniu oprogramowania dla systemu sterowania
wprowadzić również diagnostykę. W kolejnym etapie
są czynione próby opracowania kompleksowego algo-
rytmu łączącego diagnostykę i sterowanie. Przedstawio-
ne algorytmy nie ujmują jeszcze problemu kompleksowo,
lecz dotyczą kilku wybranych zagadnień. Opracowany
i przebadany został algorytm diagnostyki i sterowania
dotyczący zmian kąta wirnika w funkcji otwarcia kie-
rownic oraz różnicy poziomów wody. W celu zweryfi-
kowania przydatności proponowanego filtru neurono-
wego dla analizy drgań konieczne będą dalsze pomiary
i rejestracja przebiegów z rzeczywistego obiektu. Opra-
cowany model układu diagnostyki i sterowania turbiną
z generatorem do pracy na własne potrzeby na obec-
nym etapie nie jest jeszcze gotowy do prób wdrożenia.
Bibliografia
1. Rutkowska D., Piliński M., Rutkowski L.: Sieci neuro-
nowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte. Wy-
dawnictwo PWN, Warszawa, Łódź 1999.
2. Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe
układy automatyki. WNT, Warszawa 1995.
3. Tou J. T.: Nowoczesna teoria sterowania. WNT War-
szawa 1967.
4. Money S. A.: Mikroprocesory. WKŁ, Warszawa 1996.
5. Pasławski A.: Programowanie w Delphi 5.0. E2000,
Kraków 2000.
6. Brzózka J. Ćwiczenia z automatyki w Matlabie i Si-
mulinku.
7. XIV Krajowa Konferencja Automatyki, Zielona Góra,
24–27czerwca 2002.
8. AUTOMATION 2002, Konferencja Naukowo-
Techniczna, Warszawa, 20–22 marca 2002.
9. AUTOMATION 2003, Konferencja Naukowo-
Techniczna, Warszawa, 2–4 kwietnia 2003.
10. Mulawka J. J.: Systemy ekspertowe, WNT, Warszawa
1999.
Plik z chomika:
jj72
Inne pliki z tego folderu:
06-04_artykul2p.pdf
(837 KB)
280-small_hydro_power_plant_v1.pdf
(180 KB)
ASKOM_PLPN006-17-03-2006.pdf
(6762 KB)
ei_03_2002_s_28-32.pdf
(701 KB)
elektownia_wodna_dychów_SABUR.pdf
(74 KB)
Inne foldery tego chomika:
_rynek hydro
_scientific
Best practices
Books, guides, publications
Case studies_potential
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin