Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 14
1.1. Судовая энергетическая установка судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания 14
1.2. Повышение эффективности СЭУ. Проблемы и резервы 16
1.3. Критерий энергосбережения 22
1.4. Критерий экологической эффективности 26
1.5. Топливосбережение и управление режимами работы пропульсивного комплекса 31
1.6. Совершенствование системы классификации судов 36
1.7. Постановка задач исследования 41
Глава 2. Элементы СЭУ как объекты управления и диагностирования 43
2.1. Назначение и характеристики систем управления элементами СЭУ 43
2.2. Современные системы управления ДВС 47
2.3. Системы мониторинга судовых дизелей в эксплуатации 59
2.4. Системы управления элементами СЭУ 68
Глава 3. Принципы и алгоритмы управления КСУТ в составе автоматизированной системы управления СЭУ 83
3.1. Взаимодействие СУТ с элементами СЭУ 83
3.2. Комплексная система утилизации теплоты 88
3.3. Управление комплексной системой утилизации теплоты 91
Глава 4. Концепция единого целеориентированного управления СЭУ 104
4.1. Концепция единого цифрового решения системы управления 104
4.2. Варианты управления (сценарии), предусматриваемые моделью 111
4.3. Принципы взаимодействия судоводителя и системы ЕЦСУ 130
4.4. Энергетическая эффективность судов 135
4.5. Методика оценки экологической эффективности судов внутреннего плавания 146
Глава 5. Интеллектуальная система управления классификационной деятельностью и ее взаимодействие с ЕЦСУ СЭУ 171
5.1. Интеллектуальная система управления классификационной деятельностью 171
5.2. Концепция взаимодействия ЕЦСУ СЭУ и ИСУКД 174
5.3 Концепция системы инновационной поддержки освидетельствований судов 176
5.4 Электронный формуляр судна 177
5.5 Параметры технического состояния объектов СЭУ 182
Глава 6. Показатели технического состояния объектов СЭУ, используемые в модели диагностирования 190
6.1. Структурная схема СЭУ 190
6.2. Показатели технического состояния ДВС 194
6.3. Показатель технического состояния РРП 205
6.4. Показатели технического состояния разобщительных и упругих муфт, подшипников валопровода и движителей 206
6.5. Показатели технического состояния электроэнергетической установки (электростанции) 210
6.6. Показатель технического состояния общесудовых систем 212
6.7. Показатель технического состояния автономных котлов 218
6.8. Показатель технического состояния утилизаторов теплоты выпускных газов 221
Глава 7. Концепция компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ 224
7.1. Калькулятор технического состояния СЭУ 224
7.2. Определение «браковочных» значений технического состояния объектов СЭУ 228
7.3. Определение «браковочных» значений технического состояния СЭУ 240
7.4. Алгоритм функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ 241
7.5. Классы технического состояния СЭУ судов в эксплуатации 252
Заключение 255
Список использованных источников 258
Приложение А. Графики шкалирования частных показателей объектов СЭУ 280
Приложение Б. Акты внедрения 302
- Критерий экологической эффективности
- Управление комплексной системой утилизации теплоты
- Показатели технического состояния ДВС
- Алгоритм функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Комплексные процессы сбора, обработки, хранения и передачи информации (информатизация) в последние десятилетия во всем мире все активнее внедряются в практическую деятельность организаций, функционирующих в различных областях техники, в том числе в сфере транспортных услуг. Анализ основных тенденций технического прогресса в части создания и внедрения телематических и интеллектуальных транспортных систем показывает, что следующим шагом технического прогресса в судостроении будет создание интеллектуальных информационных систем, позволяющих снизить эксплуатационные издержки и компенсировать снижение профессионального уровня кадрового состава флота, наблюдающееся в последнее время во всем мире. Создание и развитие таких систем в настоящее время становится приоритетным направлением государственной политики, о чем свидетельствует утверждение распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2017 г. № 1632-р программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Применительно к внутреннему водному транспорту цифровой экономикой считается совокупность отношений, складывающихся в системе оказания транспортных услуг, основывающихся на новых методах генерирования, обработки, хранения, передачи данных, а также цифровых компьютерных технологиях.
Для отрасли внутреннего водного транспорта важной целью в рамках
государственной Программы цифровой экономики является создание цифровых
технологий, способствующих развитию отрасли и, прежде всего, флота. Человек на
современном уровне развития техники и ее автоматизации в силу ограниченности
психофизиологических возможностей человеческого индивидуума в сложных условиях
не всегда может найти управленческое действие, адекватное проблемной или иной,
скажем, эксплуатационной ситуации. Особенно ярко это проявляется на современных
судах с высоким уровнем автоматизации, когда судоводитель должен практически
мгновенно принимать решения, направленные на удовлетворение множества
требований, выдвигаемых эксплуатационной ситуацией (безопасность судоходства,
экономия энергоресурсов, экологическая безопасность и т. д.). Другим примером
является невозможность представителя организации по классификации и
освидетельствованию судов за сравнительно непродолжительное время
освидетельствования полностью проверить техническое состояние судна и его элементов или хотя бы всех элементов энергетической установки (СЭУ) судна (в реальности для оценки технического состояния СЭУ применяется метод выборочного контроля, в результате чего техническое состояние существенной части объектов СЭУ оказывается непроверенным). Именно здесь цифровые технологии, основанные на знаниях в различных областях техники и опыте специалистов, другими словами, искусственный интеллект, и должны заменить интеллект человека-оператора, который не всегда может охватить и оценить многоуровневую задачу во всей ее многомерной сложности.
На оперативном уровне управления Программа цифровой экономики требует формирования совместно с профессиональными сообществами форсайта (активного прогноза, предвидения) и моделей будущего. Именно этому и посвящена настоящая диссертационная работа, ориентированная на прогнозную разработку единой системы автоматизированного управления СЭУ, тесно связанной с интеллектуальной системой управления классификационной деятельностью, представляемая как модель будущего, то есть объекта с элементами искусственного интеллекта и его цифровой платформой в рассматриваемой области техники. Она учитывает и комплексно дополняет цели и
задачи, реализуемые в рамках Национальной технологической инициативы и принятых
документов стратегического планирования, в том числе отраслевых актов, в частности,
прогноза научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030
года, утвержденного Председателем Правительства Российской Федерации, Стратегии
научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом
Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 "О Стратегии научно-
технологического развития Российской Федерации", Стратегии развития
информационного общества в Российской Федерации на 2017 – 2030 годы и других
документов.
В диссертационной работе наряду с разработкой основных характеристик
интеллектуальных систем решаются актуальные задачи энергетической и
экологической эффективности судов, разрабатываются на новом информационном
уровне алгоритмы управления СЭУ, модели технического состояния объектов СЭУ,
диагностирования СЭУ в целом, взаимодействия систем управления СЭУ и управления
классификационной деятельностью. Следовательно, тема диссертационного
исследования актуальна.
Степень разработанности темы исследования.
В разработку отдельных вопросов и задач, решаемых в диссертационной работе,
большой вклад внесли Абрамов Г. А., Бажан П. И., Безюков О. К., Валиулин С. Н.,
Васильев С. Н., Гоц А. Н., Ерофеев В. Л., Захаров Л. А., Плющаев В. И.,
Покусаев М. Н., Поспелов Д. А., Решняк В. И., Рудницкий В. И, Садовский В. Н.,
Самыкин Г. А., Сахаров В. В., Федосенко Ю. С., Фрейдзон И. Р., Химич В. А.,
Цыпкин Я. З., Чайнов Н. Д., Чиркова М. М., Barto A. G., Gupta M. M. и другие ученые.
Однако в проанализированных литературных источниках не найдено ни одного упоминания о решении рассматриваемых в диссертации задач по теме исследования в представленной постановке.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является создание методологии разработки единой системы автоматизированного управления объектами судовой энергетической установки (далее — единого целеориентированного управления объектами СЭУ), ориентированной также на выполнение функций определения технического состояния при освидетельствовании Речным Регистром объектов СЭУ судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания, которые будут построены в течение 5 – 10 будущих лет в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010 – 2021 годы)», «Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года» и программы «Цифровая экономика Российской Федерации».
В рамках реализации цели исследования поставлены следующие задачи:
разработка модели и сценариев целеориентированного автоматизированного управления СЭУ;
определение понятий и разработка методов определения энергетической и экологической эффективности судов, позиционируемых в качестве целевых функций соответствующих сценариев управления;
создание концепции единого цифрового решения целеориентированной системы управления объектами СЭУ;
разработка протоколов управления объектами СЭУ для реализации сценариев управления;
обоснование принципов взаимодействия судоводителя и единой
целеориентированной системы автоматизированного управления;
разработка алгоритма управления комплексной системой утилизации теплоты;
разработка основных характеристик интеллектуальной системы управления классификационной деятельностью;
обоснование принципов взаимодействия единой целеориентированной системы автоматизированного управления СЭУ и интеллектуальной системы управления классификационной деятельностью;
исследование основных характеристик системы инновационной поддержки освидетельствований судов в эксплуатации, осуществляемых Речным Регистром;
разработка электронного формуляра судна;
обоснование параметров объектов СЭУ, необходимых для диагностирования технического состояния этих объектов;
разработка математической модели диагностирования технического состояния СЭУ на основе цифровых показателей технического состояния объектов СЭУ;
разработка метода определения «браковочных» показателей технического состояния объектов СЭУ;
обоснование и разработка классов годного технического состояния СЭУ судов в эксплуатации.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы состоит в создании концепций, методов и моделей, которые могут быть использованы при разработке элементов искусственного интеллекта, осуществляющего функции управления объектами СЭУ в различных эксплуатационных ситуациях и функции определения технического состояния объектов СЭУ при любом виде освидетельствования судов Речным Регистром, в том числе:
методологии единого целеориентированного управления СЭУ как основы системы управления будущего, в которой алгоритмы и программы обработки показаний многочисленных датчиков заменят опыт и знания людей;
креативных атрибутов интеллектуальной системы управления
классификационной деятельностью;
идеологии системы инновационной поддержки освидетельствования судов;
метода определения «браковочных» показателей технического состояния объектов СЭУ;
моделей и критериев энергетической и экологической эффективности судов.
Практическая значимость работы состоит в разработке конкретных алгоритмов,
методик и компьютерных программ (калькуляторов), которые могут быть
использованы при проектировании систем управления судов и создании
интеллектуальных систем управления классификацией судов, которые должны заменить действующие в настоящее время подходы и методики деятельности организаций по классификации и освидетельствованию судов. Калькуляторы энергетической и экологической эффективности используются в работе Речного Регистра и проектных организаций отрасли с 2012 г.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационного
исследования использованы методология системного подхода (системный анализ и
системный синтез), методы формализации, математического моделирования,
экспертных оценок, прогнозирования (метод экспоненциального сглаживания),
регрессионный анализ. При разработке моделей использовались теория
автоматического управления, теория надежности, теория вероятностей, математическая статистика и теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания.
Научная новизна работы:
Разработаны модели и сценарии целеориентированного автоматизированного управления СЭУ.
Впервые предложены критерии экологической и энергетической эффективности судов.
Разработаны математические модели диагностирования объектов СЭУ на основе количественных показателей технического состояния объектов СЭУ.
Впервые предложена концепция интеллектуальной системы управления классификационной деятельностью.
Разработан алгоритм прогнозирования технического состояния объектов СЭУ.
Обоснованы принципы и разработаны алгоритмы управления комплексной системой утилизации теплоты (КСУТ) в составе автоматизированной системы управления объектами СЭУ.
Разработана методология, с помощью которой обоснованы классы годного технического состояния СЭУ судов в эксплуатации.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методология единой системы целеориентированного автоматизированного управления объектами СЭУ.
-
Модели и сценарии управления объектами СЭУ.
-
Математические модели и критерии энергетической и экологической эффективности.
-
Алгоритм управления КСУТ в составе автоматизированной системы управления объектами СЭУ.
-
Концепция интеллектуальной системы управления классификационной деятельностью.
-
Концепция взаимодействия единой целеориентированной системы автоматизированного управления СЭУ и интеллектуальной системы управления классификационной деятельностью.
7. Методология диагностирования технического состояния СЭУ в единой системе целеориентированного управления и контроля и математическая модель диагностирования с определением количественных показателей технического состояния объектов СЭУ.
8. Алгоритм прогнозирования технического состояния объектов СЭУ.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования базируется на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ по отдельным объектам и направлениям исследования, применении признанных научно-методического аппарата и аналитических методов проверки достоверности математических моделей, разработанных в диссертации. Достоверность исследования подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных в диссертации, и опытных данных, полученных при испытаниях судов, а также наличием и объемом хорошо проверенного практикой исходного материала и актами о внедрении результатов исследований в многолетнюю практику работы Речного Регистра и проектных организаций, в том числе калькуляторов энергетической и экологической эффективности.
Основные положения диссертации докладывались и были одобрены:
– на международных конференциях: 12-й, 13-й, 14-й, 18-й, 19-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки», Н. Новгород, 2010, 2011, 2012, 2016, 2017 гг.; XII Международная молодежная Научно-техническая конференция «Будущее технической науки», НГТУ, Н. Новгород, 2013 г.; XIX Международная Научно-
техническая конференция «Информационные Системы и Технологии» ИСТ–2013, НГТУ, Н. Новгород, 2013 г.; VI International scientific-practical conference «Information Control Systems and Technologies», Одесса – Санкт-Петербург – Н. Новгород, 2017 г.; Международная Научно-техническая конференция «Информационные Системы и Технологии» ИСТ–2018, НГТУ, Н. Новгород, 2018 г.;
– на всероссийской конференции XXXVIII Всероссийская конференция «Управление движением корабля и специальных подводных аппаратов», ИПУ РАН, Москва, 2012 г.;
– на конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ/ВГУВТ с 2003 по 2018 гг.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 статьях, опубликованных в изданиях, входящих в установленный ВАК перечень российских рецензируемых научных журналов, и 24 научных трудах, опубликованных в других изданиях, общим объемом 10,9 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и выводов, двух приложений.
Содержание работы изложено на 305 страницах машинописного текста, 168 рисунках, 38 таблицах. Библиография насчитывает 212 наименований.
Критерий экологической эффективности
На современном этапе развития внутреннего водного транспорта значительное внимание уделяется охране окружающей среды. Поэтому вопросы и проблемы экологической безопасности судов внутреннего плавания нашли широкое отражение в работах отечественных и зарубежных ученых, которые предложили целый ряд показателей экологической безопасности судоходства (риски эксплуатационного и аварийного загрязнения окружающей среды [31, 72 – 74], ожидаемый ущерб [75 – 77], оценки вероятности загрязнения [78 – 80] и ущерба отдельным компонентам природной среды [81 – 83], оценки размера вреда [84 – 86]). Большое количество работ посвящено вопросам оценки рисков возникновения и последствий загрязнения окружающей среды, в т. ч. в результате транспортных происшествий на водном транспорте [73 – 75], и содержат оценки вероятностей эксплуатационных происшествий и аварий [84, 86].
Значительный интерес представляет работа [85], где выполнена количественная оценка размера вреда от компонентов судна различного класса опасности (в т. ч. нефтесодержащими (льяльными) водами, сточными (сточно-фановыми) водами, мусором) и предложен способ косвенного определения размера вреда по его типовым характеристикам. В работе [82] приведены результаты статистических исследований параметров воздействия на окружающую среду при взрывном горении на танкерах как географически ориентированных случайных величин и разработана матрица выбора типа взрывного процесса на танкерах по степени опасности для окружающей среды. В работе [78] рассматриваются вопросы прогнозирования загрязнения акваторий с объектов транспортного комплекса с применением современных информационных технологий и предложена оригинальная методика оценки параметров загрязнения, которая обеспечивает достаточно высокую точность оценки параметров загрязнения и формирование необходимой для этого выборки сценариев моделирования. Однако результаты выполненных исследований могут быть полезны преимущественно при создании документов, разрабатываемых в рамках Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (планов локализации и ликвидации разливов нефти, деклараций промышленной безопасности), проведении тренажерной подготовки персонала [74, 75, 78, 79] и не содержат комплексных оценок экологической эффективности судов внутреннего плавания.
Актуальность исследований подтверждается выходом технического регламента «О безопасности объектов внутреннего водного транспорта», документа «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 г.», государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды на 2012 - 2020 годы» и других нормативных документов, посвященных развитию транспортной отрасли и обеспечению ее экологической безопасности [78].
В техническом регламенте «О безопасности объектов внутреннего водного транспорта» регламентируется значение экологической эффективности судов и объектов инфраструктуры внутреннего водного транспорта.
Как указывалось выше, в пункте 215 регламентировано значение экологической эффективности, «в том числе путем установки на суда и судовые технические средства оборудования и средств экологической безопасности, не ниже 50 процентов».
В пункте 435 указано, что проектанты и строители (изготовители) объектов регулирования, указанных в подпункте «в» пункта 5 настоящего технического регламента, должны предусмотреть меры по обеспечению «… экологической эффективности, в том числе путем установки на объекты регулирования оборудования и средств экологической безопасности и применения экологически безопасных технологий строительства (изготовления) объектов регулирования, – не ниже 50 процентов».
Понятие «экологическая эффективность» не было определено, а методика расчета экологической эффективности до 2010 г. не была создана ни в масштабах отрасли, ни в масштабах страны. Применительно к загрязнению водной среды с судов отчасти это объясняется тем, что законодательством Российской Федерации не допускается сброс во внутренние водные пути неочищенных нефтесодержа-щих вод и неочищенных и необеззараженных сточных вод, а также мусора. Если добавить к этому редкую практику установки на судах внутреннего плавания фильтрующего оборудования для нефтесодержащих вод, сигнализатора, системы сброса очищенных нефтесодержащих вод, автоматических устройств, прекращающих сброс нефтесодержащих вод при превышении нормативного значения содержания нефти в сбросе (правила Российского Речного Регистра [87] требуют установки перечисленного оборудования в случае, когда сборная цистерна нефте-содержащих вод не обеспечивает необходимой автономности плавания по условиям экологической безопасности), то действительность выглядит так: нефтесодержащие воды, нефтяные остатки и осадки, мусор в водную среду не сбрасываются, а лишь накапливаются в специальных емкостях на судне и по мере возможности сдаются на специализированные внесудовые водоохранные средства. Правила Российского Речного Регистра требуют установки на судах с экипажем станции очистки и обеззараживания сточных вод только в том случае, когда сточно-фановая система судна и предусмотренная на судне сборная цистерна для сточных вод не обеспечивают необходимую автономность плавания по условиям экологической безопасности. Следовательно, и в этом случае сброс неочищенных и необеззараженных сточных вод в водную среду отсутствует.
Несмотря на позитивные решения в отношении загрязнения водной среды, воздушная среда (атмосфера) загрязняется с судов твердыми частицами, окислами азота NOx, оксидом углерода CO, суммарными углеводородами CH, парниковым газом СО2 как результат эксплуатации судовых дизелей, котла и печи-инсинератора, и это загрязнение тем больше, чем меньше на судне уделяется внимание регулировке рабочего процесса и нейтрализации выпускных газов дизелей, улавливанию частиц несгоревшего топлива и твердых включений топлива в выпускных трубопроводах котлов и инсинераторов.
Правила Российского Речного Регистра нормируют содержание в выпускных газах NOx, CH, CO и дымность выпускных (отработавших) газов, но воздушная среда в той или иной степени все равно загрязняется при работе дизелей, котлов и инсинераторов. Считается, что при соответствии выбросов в выпускных газах дизелей установленным нормам загрязнение атмосферы настолько несущественно, что и бороться с этим не нужно, так как предотвратить этот процесс невозможно.
При оценивании экологической эффективности судов преимущество должны получать суда с максимально возможной автономностью плавания по условиям экологической безопасности (с большей емкостью сборных цистерн и емкостей для мусора или с установленными на них средствами предотвращения загрязнения окружающей среды), а также те, для которых уровни выбросов в атмосферу более низкие по сравнению с конкурентами. В контексте технического регламента экологическая эффективность, как и всякая другая эффективность, могла бы пониматься как отношение полезного эффекта (в данном случае природоохранного) к затраченным на производство этого эффекта ресурсам, выраженным в тех же единицах измерения, что и полезный эффект.
Учитывая специфику рассматриваемого вопроса, можно представить также экологическую эффективность как отношение природоохранного эффекта к эффекту загрязнения окружающей среды в том случае, если бы меры по предотвращению ее загрязнения не были приняты.
При любом из приведенных выше представлений об экологической эффективности количественная мера экологической эффективности (показатель экологической эффективности) должен быть безразмерным параметром, значение которого меньше единицы, но стремиться к ней, или при умножении на 100 % выражаться в процентах, быть менее 100 %, но стремиться к этому рубежу.
Измерение полезного природоохранного эффекта и даже определение этого понятия достаточно затруднительны. Природоохранный эффект в результате применения оборудования и средств предупреждения загрязнения окружающей среды с судна может быть выражен в каких-либо условных или уже используемых единицах загрязнения окружающей среды в том случае, когда ничем не сдерживаемое загрязнение окружающей среды отходами жизнедеятельности людей на судне, эксплуатации технических средств и оборудования удалось бы описать в тех же условных или уже используемых единицах. Все осложняется еще и тем, что различные отходы (загрязнения) имеют различную физическую природу и их количественные меры имеют различные единицы измерения.
Таким образом, до настоящего времени понятие «экологическая эффективность» не определено, а метод определения этой эффективности не разработан, что сдерживает применение методов управления экологической эффективностью на судне при рассмотрении различных вариантов (сценариев) управления СЭУ, которые должны быть представлены при разработке элементов искусственного интеллекта, в полной мере заменяющего судоводителя в перспективных системах управления объектами СЭУ судов внутреннего и смешанного плавания.
Управление комплексной системой утилизации теплоты
Система управления КСУТ является подсистемой системы управления всей СЭУ, т. е. системой 1-го уровня, которая функционирует в зависимости от реализации сценариев управления всей СЭУ (см. гл. 4).
При создании систем управления техническими объектами, как правило, решается комплекс задач, включающих в себя:
1) исследование статико-динамических особенностей объектов по результатам как натурных, так и машинных экспериментов [126];
2) обоснование минимально необходимого набора координат состояния для формирования управляющего воздействия на объект [127];
3) создание системы сбора и обработки информации о текущем состоянии объекта;
4) разработку алгоритма, вырабатывающего управляющее воздействие на объект с учетом его специфических статико-динамических особенностей [39-44, 47, 128];
5) создание исполнительных устройств, отрабатывающих управляющее воздействие на объект быстро и с высокой точностью [129].
Решение совокупности этих проблем позволяет создать надежную (безопасную) систему управления с высокими показателями качества.
Современный уровень автоматизации судов широко использует вычислительную технику [48, 130-134], что позволяет использовать компьютер (микропроцессор) для решения всех перечисленных выше задач. Использование вычислительной техники дает возможность разрабатывать сложные современные логические алгоритмы от пропорциональных до интеллектуальных [18, 19, 135-149], обеспечивающих высокую точность систем управления СЭУ. Кроме задач управления становится возможным решать задачи мониторинга технического состояния оборудования судна в процессе его эксплуатации. Как отмечалось в гл. 1, вопросы создания алгоритмов и автоматических систем управления комплексной утилизацией теплоты на судах различного типа и назначения недостаточно проработаны. В то же время, из приведенного в этой главе обзора применяемых и перспективных для речных судов СУТ очевидно, что эффективность утилизации теплоты зависит не только от применения того или иного оборудования и состава утилизационных систем, но также и от алгоритма управления КСУТ.
Опираясь на опыт эксплуатации утилизационных устройств механиками пассажирских судов пр. № 92-016, 301, 302 и 302М, можно сделать вывод о том, что включение и выключение утилизационных устройств осуществляется в ручном режиме, исходя из опыта и знаний вахтенного механика судна, и не привязано к конкретным условиям потребления горячей воды на судне, что не способствует достижению максимальной энергетической эффективности СЭУ. В этой связи становится актуальной задача разработки автоматической системы управления КСУТ, позволяющей увеличить эффективность и эксплуатационную гибкость КСУТ для различных режимов работы СЭУ.
При создании автоматической системы управления КСУТ речных судов (рисунок 3.2-1), сочетающей в себе СУТ выпускных газов с объединительными заслонками, СУТ охлаждающей воды и аккумулятор теплоты фазовых переходов, основной задачей является разработка алгоритма управления, позволяющего с высокой точностью определить располагаемый тепловой поток выпускных газов Фг каждого работающего двигателя и выбрать наилучшую для данных условий схему включения в работу УК от газовыпуска ГД и (или) ДГ. Такой алгоритм позволит получить наибольшую эффективность УК для текущих режимов работы ГД и ДГ. Включение в работу УК осуществляется выбором положения объединительных заслонок газовыпуска ГД и ДГ.
Актуальность данной задачи подтверждается тем, что эффективность в целом КСУТ зависит от эффективности работы каждого ее элемента. При неточном выборе положения заслонок газовыпуска снижается эффективность УК, а следовательно, степень утилизации теплоты КСУТ. С физической точки зрения эффективность УК характеризует отношение теплового потока нагревания питательной воды УК и располагаемого теплового потока УК. Чем выше это отношение, тем выше эффективность УК.
В компьютерной модели управления КСУТ, представляющей собой часть компьютерной модели управления СЭУ, предлагается реализовать выбор положения объединительных ЗГ с помощью специального алгоритма компьютерного управления.
Блок-схема разработанной автором системы управления ЗГ представлена на рисунке 3.3.1-1, где:
U(t) – управляющее воздействие на ЗГ (включение УК в работу от ГД или ДГ, отключение УК);
Фг1к – задание на включение/выключение УК в работу;
Фг1(t) – текущее значение располагаемого теплового потока выпускных газов;
Tв.г.1 – температура выпускных газов ГД;
mп.с.1 – массовый секундный расход продуктов сгорания ГД;
Tв.г.2 – температура выпускных газов ДГ;
mп.с.2 – массовый секундный расход продуктов сгорания ДГ;
tг – температура выпускных газов на входе в утилизатор теплоты выпускных газов;
tx – температура выпускных газов на выходе из утилизатора теплоты выпускных газов;
Фн.в.(t) – текущее значение теплового потока, воспринимаемого водой в утилизаторе теплоты выпускных газов.
Показатели технического состояния ДВС
Применение системного подхода для описания технического состояния ДВС иллюстрируется рисунком 6.2-1, на котором все подсистемы двигателя изображены в соответствии с их ранжированием на шести уровнях, и каждая подсистема характеризуется своим показателем технического состояния. Ранжирование по уровням осуществлялось на основе экспертных оценок. В качестве экспертов привлекались специалисты кафедр ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта», главные механики судов пр. 302 и пр. 92-016 ООО «Водоходъ», эксперты Верхне-Волжского филиала ФАУ «Российский Речной Регистр». К каждой процедуре экспертного опроса привлекалось не менее 12 экспертов.
По результатам экспертного опроса и обработки его результатов показатель технического состояния ДВС можно представить в виде функции частных показателей технического состояния подсистем: ТСДВС=f(ЧПЭП, ЧПРП, ЧПСТ, ЧПЦПГ, ЧПКВ, ЧПССО, ЧПСУ, ЧПТН, ЧПЭК), где ЧП — частные показатели технического состояния ДВС соответственно эффективных показателей (ЭП), рабочего процесса (РП), системы топливоподачи (СТ), цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), коленчатого вала (КВ), системы смазывания и охлаждения (ССО), системы управления (СУ), турбонагнетателя (ТН), экологических характеристик (ЭК).
Каждый частный показатель технического состояния зависит от группы параметров, т. е. зависит от определенного числа критериев. В этой связи нами рассматривается задача многокритериального анализа, одним из способов решения которой является сведение множества критериев к одному (свертка критериев). Поскольку все параметры, от которых зависят частные показатели технического состояния, имеют свою важность (вес), то целесообразно воспользоваться сверткой, учитывающей эту важность. Для решения данной задачи воспользуемся мультипликативной стратегией свертки частных показателей, в результате использования которой целевая функция представляется произведением частных критериев, вес каждого из которых ранжирован с помощью коэффициентов весомости, представляемых в виде показателей степени частных критериев. Ясно, что чем больше весовой показатель, тем большая важность придается критерию. Использование в наших задачах мультипликативной свертки объясняется ее высокой чувствительностью к значениям частных показателей – низкие значения хотя бы одного частного критерия влекут резкое снижение целевой функции. Это обстоятельство признано экспертным сообществом очень важным для системного описания технического состояния объектов СЭУ.
Аналогичным способом, используя мультипликативную свертку, обобщенный показатель технического состояния ДВС можно представить в виде: ТСДВС= , (6.2-2) где b1…b9 — коэффициенты весомости, учитывающие влияние частных показателей ЧП на обобщенный показатель ТСДВС (их весомость).
Шкалирование контролируемых параметров осуществлялось по результатам обработки данных, полученных в результате опроса экспертов. Графики шкалирования приведены в разд. 1 приложения А. Рассмотрим здесь использованные нами принципы шкалирования на примере шкалирования наиболее характерных показателей.
На оси абсцисс всех графиков шкалирования откладывалось отношение значения параметра к его нормированному значению, которое выбиралось либо в соответствии с нормами, указанными в нормативных документах, например, в Правилах РРР, либо по указаниям технической документации на объект СЭУ.
По оси ординат всех графиков шкалирования откладывались шкалированные значения параметров в диапазоне от нуля до значений больше единицы. Значению 1,0 на оси абсцисс на всех графиках соответствует шкалированное значение 1,0 – требуемое значение шкалированного показателя на номинальном режиме работы объекта СЭУ, соответствующее годному техническому состоянию. Шкалированное значение параметра больше единицы соответствует благоприятным для объекта СЭУ условиям работы при годном его состоянии, шкалированное значение параметра меньше единицы соответствует ухудшению условий работы объекта, что и отражает шкалированное значение данного показателя технического состояния. Стремление шкалированного значения показателя к нулю символизирует ухудшение технического состояния объекта СЭУ вплоть до негодного технического состояния и отказа.
Ряд показателей шкалировался с помощью графиков, вид которых аналогичен приведенному на рисунке 6.2-2. Такие графики использовались для шкалирования параметров, значения которых в эксплуатации ожидаются больше установ ленных норм.
В случае когда значение параметра, откладываемого по оси абсцисс (эмиссии NOx), превышает норму (относительное значение параметра больше 1,0), значение частного показателя технического состояния (в нашем случае X34) падает (ухудшение технического состояния). В случае когда значение параметра, откладываемого по оси абсцисс, меньше нормируемого значения, то есть в нашем случае эмиссия NOx меньше, чем установлено Правилами РРР, значение частного показателя технического состояния становится больше единицы, что, впрочем, никакого значения для свертки не имеет, так как значения шкалированных частных показателей больше 1,0 перед сверткой приводятся к 1,0.
Ряд показателей шкалировался с помощью графиков, вид которых аналогичен приведенному на рисунке 6.2-3.
Графики, вид которых аналогичен графику рисунка 6.2-3, использовались для шкалирования параметров, которые в эксплуатации обычно «не дотягивают» до установленного нормативного значения (в нашем случае значение давления наддува на режиме номинальной мощности двигателя). Если параметр, откладываемый по оси абсцисс, не достигает нормы, а это означает ухудшение технического состояния, в данном случае турбокомпрессора двигателя, то шкалированное значение частного показателя технического состояния становится меньше 1,0, устремляется к нулю и может достичь значений, характерных для негодного технического состояния или отказа.
Ряд показателей шкалировался с помощью графиков, вид которых аналогичен приведенному на рисунке 6.2-4.
Графики, вид которых аналогичен графику рисунка 6.2-4, использовались для шкалирования показателей; для оценки технического состояния объектов с их помощью не могут быть назначены промежуточные шкалированные значения. Так, в случае, который отражает рисунок 6.2-4, циркуляция масла через РРП либо есть, либо ее нет, поэтому, если циркуляции нет, то шкалированное значение показателя равно нулю, что означает негодное техническое состояние РРП (отказ). Если циркуляция есть, то шкалированное значение показателя равно 1,0, что означает годное техническое состояние РРП по данному показателю.
Ряд показателей шкалировался с помощью графиков, вид которых аналоги чен приведенному на рисунке 6.2-5.
Алгоритм функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ
Структура СИПОС, разработанная автором (рисунок 5.3.1), предполагает создание математической модели диагностирования технического состояния объектов СЭУ. В соответствии с рисунком 5.3.1 эта математическая модель состоит из блока шкалирования и группировки диагностических параметров, блока формирования частных показателей технического состояния и блока анализа технического состояния объектов СЭУ. Подробное описание первых двух блоков приведено в главе 6, при этом блок обработки численных значений ТС объектов СЭУ и их анализа рассматривался лишь с позиции определения состояния «годен – негоден» с указанием негодного объекта и его параметров.
Как указывалось выше, реализация математической модели диагностирования технического состояния объектов СЭУ позволяет получить инструмент для проведения анализа динамики изменения технического состояния этих объектов во времени и выявления предпосылок и условий, следствием которых может быть потенциальный отказ того или иного объекта, что представляет определенный научный интерес.
Выявление закономерностей изменения ТС объектов СЭУ позволит прогнозировать развитие неисправностей объектов во времени вплоть до отказа в границах установленных «браковочных» значений, что, в свою очередь, позволит определить оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта, а также предотвратить возможные негативные последствия отклонения контролируемых параметров от норматива на ранней стадии развития неисправности.
Основываясь на результатах проведенных предварительных исследований, автор разработал алгоритм функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния объектов СЭУ. Укороченная блок-схема алгоритма представлена на рисунке 7.4-1.
Наполнение блока анализа текущего технического состояния объектов СЭУ, являющегося составной частью представленной блок-схемы (рисунок 7.4-1), подробно описано в 7.1 и 7.2. При функционировании данного блока производится сравнение рассчитанных с помощью калькулятора значений ТС объектов СЭУ с «браковочными» и определяется состояние «годен – негоден» с указанием негодного объекта и его параметров.
Целью функционирования блока прогнозирования технического состояния объектов СЭУ является определение времени до достижения ТС i-го объекта СЭУ «браковочного» значения, т. е. прогнозирование продолжительности периода «годного» состояния. Блок-схема алгоритма прогнозирования технического состояния объектов СЭУ представлена на рисунке 7.4-2. На первом шаге работы алгоритма прогнозирования производится сравнение текущего значения ТС i-го объекта СЭУ с «браковочным».
В случае когда значение ТС i-го объекта СЭУ больше «браковочного», производится вычисление текущей скорости изменения ТС по формуле:
Полученное значение гбрак позволит экипажу/судовладельцу определять оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта объектов СЭУ и отслеживать соответствие полученного времени расчетному сроку эксплуатации до технического обслуживания и ремонта объектов СЭУ. После определения времени txчбрак в компьютерной модели осуществляется переход к прогнозированию ТС следующего объекта СЭУ. В представленной на рисунке 7.4-2 блок-схеме к — число объектов СЭУ.
При невыполнении условия TQ и ТСг брак на монитор пульта управления выводится информация о достижении ТС,- «браковочного» значения, сопровождаемая звуковым и световым сигналом АПС, и активируется подпрограмма анализа скорости изменения частных показателей /-го объекта СЭУ. Отметим, что анализ скорости изменения частных показателей является важным элементом процедуры прогнозирования, поскольку позволяет, во-первых, настроить модель прогнозирования или при более развитом алгоритме выбрать модель прогнозирования из заранее предусмотренного набора (экспоненциальное сглаживание, регрессионное оценивание, цепи Маркова, передаточные функции и т. д.), а во-вторых, оценить, по какому из ЧП возможен отказ в границах установленных «браковочных» значений. Блок-схема алгоритма анализа скорости изменения ЧП /-го объекта СЭУ представлена на рисунке 7.4-4.
Аналогичным образом производится расчет всех tЧП бракдля каждого объекта СЭУ, по которому производится анализ скорости изменения ЧП.
В разработанном алгоритме заложена функция селекции, позволяющая из всех рассчитанных ЧП брак определить наименьшее значение времени ЧП.. брак которое и будет являться расчетным временем, по истечению которого возможен отказ /-го объекта СЭУ в границах установленных «браковочных» значений для ЧП.
Полученное tЧПjj брак min позволит экипажу/судовладельцу определять оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта объектов СЭУ.
Безусловно, что логическим продолжением алгоритма функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния объектов СЭУ будет формирование базы данных об объекте в ЭФС (см. главу 5), на основе которой появится возможность проводить сравнительный анализ изменения ТС объекта на разных этапах его жизненного цикла, например, при изготовлении, во время эксплуатации до и после капитального ремонта. Такой анализ позволит оценивать качество изготовления объекта, качество проводимых технических обслуживаний и ремонтов. Наиболее важной практической функцией такого анализа является возможность с высокой точностью предотвращать возможные негативные последствия отклонения контролируемых параметров на ранней стадии развития неисправностей объекта СЭУ, что повысит техническую безопасность плавания.