Алгоритмизация систем диагностики состояния элементов конструкций металлургических агрегатов (стр. 1 )

На правах рукописи

Алгоритмизация систем диагностики состояния
элементов конструкций металлургических агрегатов

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов Кузбасской государственной педагогической академии (г. Новокузнецк)

Научный руководитель -                доктор технических наук профессор

                                       

Официальные оппоненты:                доктор технических наук профессор

                               

               (Томский государственный университет

               систем управления и радиоэлектроники)

                               кандидат технических наук доцент

                               

                               (Сибирский государственный

                               индустриальный университет,

                               г. Новокузнецк)

Ведущая организация - Кемеровский государственный университет

Защита состоится « 18 » июня 2009 года в 15 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.02 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, пр. Ленина, 40).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (г. Томск,
ул. Вершинина, 74).

Автореферат разослан «  18  » мая 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение

Актуальность темы. Включение в состав систем управления подсистем диагностики технического состояния как отдельных элементов конструкции, так и объекта управления в целом, позволяющих получить своевременную и надежную информацию о неисправности того или иного металлургического агрегата, необходимо для обеспечения безопасности работы технологического персонала, повышения эксплуатационной надежности и увеличения продолжительности кампании объектов управления.

Известные в настоящее время методы диагностики состояния элементов металлургических агрегатов, основанные на прямых и косвенных измерениях отдельных контролируемых величин, связаны с решением прямой и обратной задач нестационарной теплопроводности, а также с обработкой большого количества данных, например, при формировании множества возможных вариантов характерных состояний металлургических агрегатов или элементов их конструкции. Однако адекватность математических моделей реальным условиям нарушается из-за нестабильности теплотехнических и геометрических характеристик, являющихся основными параметрами математических моделей нестационарной теплопроводности, огнеупорных материалов, используемых для футеровки.

Повысить эффективность действующих автоматизированных систем диагностики состояния элементов металлургических агрегатов можно посредством использования в их составе дополнительного алгоритмического модуля, в реальном времени выявляющего структурные изменения нестационарных контролируемых сигналов. Эти изменения, как правило, свидетельствуют о произошедших отклонениях в техническом состоянии контролируемого объекта. Полученную информацию о выявленных структурных особенностях в анализируемых сигналах целесообразно использовать для прогнозирования дальнейшей динамики контролируемых величин. Функционирование такого типа алгоритмического модуля позволит своевременно обнаружить предаварийную ситуацию.

Объектом исследования. Высокотемпературные металлургические агрегаты и элементы их конструкции.

Предметом исследования являются системы диагностики технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов.

Цели и задачи диссертации. Основной целью работы является разработка методики и алгоритмов диагностирования технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов с применением методов обнаружения локальных особенностей контролируемых сигналов. В соответствии с основной целью решаются следующие задачи:

обобщение и дополнение теоретических и практических разработок по технической диагностике элементов конструкций металлургических агрегатов; разработка алгоритма оценивания технического состояния элементов конструкций металлургических объектов, основными компонентами которого являются блоки структурного анализа и прогнозирования динамики контролируемых сигналов с учетом изменяющихся свойств этих сигналов; разработка алгоритма повышения информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм, обеспечивающего оперативное построение вейвлет-спектрограмм в режиме реального времени; формирование структуры алгоритма определения значений вейвлет-сверток, увеличивающего быстродействие вейвлет-анализа; конкретизация алгоритмов оценивания технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов.

Методы выполнения работы. Использованы теоретические и практические разработки теории нелинейной динамики, методы полиномиальной аппроксимации и экстраполяции, методы фильтрации контролируемых сигналов, методы численного моделирования.

Научная новизна

Методика обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов, отличающаяся оперативным выявлением локальных изменений контролируемых сигналов, характеризующих состояние диагностируемых элементов (на основе вейвлет-анализа). Способ повышения информативности краевых зон вейвлет–спектрограмм с использованием типовых функций, отличающийся оперативным построением вейвлет-спектрограмм и сокращающий объем вычислений при построении вейвлет-спектрограмм в 2 и более раз. Алгоритм рекуррентного определения вейвлет–свертки, уменьшающий вычислительные затраты на 19-23%, по сравнению с классическим алгоритмом расчета вейвлет-свертки. Структура распараллеленного алгоритма вейвлет-анализа измеряемых сигналов с использованием рекуррентного определения вейвлет-свертки, применение которой уменьшает вычислительные затраты в 2 и более раз. Алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов непрерывного и циклического действия, которые, в отличие от действующих, содержат процедуру структурного анализа временных рядов данных с использованием полученных разработок. Алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, отличающийся одновременным получением нескольких вариантных оценок технического состояния диагностируемого объекта.

Практическая значимость

Предложенные методика и алгоритмы позволяют:

совершенствовать системы диагностики технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов путем внедрения дополнительного алгоритмического модуля; выявлять предаварийные зоны диагностируемых элементов конструкций металлургических агрегатов; определять возможное будущее техническое состояние диагностируемых элементов конструкций металлургических агрегатов; повысить информативность краевых зон вейвлет-спектрограмм и обеспечить их построение в режиме реального времени; уменьшить временные затраты на выявление локальных изменений контролируемых сигналов за счет использования распараллеленной структуры вейвлет–анализа и рекуррентной формы вычисления вейвлет-свертки.

Разработанные методика и алгоритмы применимы к любым диагностируемым технологическим объектам. Полученные результаты могут быть использованы при обучении студентов вузов соответствующих специальностей, а также при повышении квалификации технологического персонала промышленных предприятий.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

методика и алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов металлургических агрегатов, отличающиеся ранним обнаружением локальных изменений измерительных сигналов (на основе вейвлет-анализа); алгоритмы повышения информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм и рекуррентного расчета вейвлет-свертки; структура распараллеленного алгоритма вейвлет-анализа анализируемых сигналов с использованием рекуррентного определения вейвлет–свертки; алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, структура которого содержит блоки, осуществляющие вейвлет-анализ контролируемых сигналов, определение и формирование последовательности показателей сложности и их экстраполяцию.

Личный вклад автора заключается в совершенствовании алгоритма вейвлет-анализа, в постановке задач, разработке и исследовании алгоритмов; конкретизации полученных результатов применительно к системам контроля состояния огнеупорной кладки горна доменной печи и контроля состояния продувочной фурмы на установке обработки стали инертным газом.

Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов непрерывного и циклического действия, включающие алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, приняты к использованию на ОАО “Новокузнецкий металлургический комбинат”
(). Разработанные методы и алгоритмы используются в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета
(г. Новокузнецк) и Кузбасской государственной педагогической академии
(г. Новокузнецк).