Основные понятия и определения.
Повышение эффективности оборудования ядерной энергетической установки в значительной мере можно обеспечить за счет организации технического обслуживания. При этом потребность в техническом обслуживании определяется по наработке, календарному времени и действительной потребности. Последний вид технического обслуживания объектов имеет большие преимущества, однако внедрение этого принципа в практику связано с необходимостью оценки состояния объектов. Процесс оценки состояния объектов носит название диагностирования. Процесс диагностирования, в котором определенные (функции выполняет человек-оператор, предполагает тесную взаимосвязь объекта контроля и технических средств диагностирования (ТСД). В соответствии с ГОСТ 20911-75 и 23564-79 совокупность объекта, технических средств и человека-оператора называется системой диагностирования (СД). Под технической диагностикой будем понимать отрасль знаний, исследующую технические состояния объектов диагностирования (ОД), разрабатывающую методы их определения, а также принципы построения и организации использования СД. Диагностирование технических систем на этапе эксплуатации позволяет существенно повысить уровень надежности, сократить потери из-за отказов и простоев, уменьшить трудоемкость обслуживания. Получаемая при диагностировании информация является единственной достоверной основой для оптимального управления эксплуатацией оборудования ядерной энергетической установки. Поэтому к эффективности СД предъявляются высокие требования, и этой отрасли знаний уделяется значительное внимание в нашей стране и за рубежом. И настоящему времени разработано и применяется множество методов диагностирования, которые предназначены для решения трех задач по определению технического
состояния объекта:
проверка исправности;
проверка работоспособности,
проверка правильности функционирования.
Проверка исправности наиболее полно выясняет техническое состояние объекта и поэтому наиболее сложна. Работоспособность объекта определяется во всех режимах и при всех допустимых сигналах. Недостатком проверки исправности и работоспособности является то, что они не могут выполняться непрерывно в процессе работы оборудования ядерной энергетической установки. В этом смысле особый интерес представляет проверка правильности функционирования (ППФ), которая выполняется в рабочем режиме. К достоинствам ППФ относится ее непрерывность и связанная с этим оперативность получения информации о переходе оборудования ядерной энергетической установки в неисправное состояние.
Различают два вида технического диагностирования: тестовое и функциональное. Тестовое техническое диагностирование - диагностирование, при котором на объект от системы контроля подаются специальные тестовые воздействия. Функциональное техническое диагностирование осуществляется в процессе непосредственного использования объекта контроля по назначению, когда на него поступают только рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования объекта. Определенная совокупность тестовых воздействий и последовательность их выполнения, обеспечивающая диагностирование - это тест диагностирования или сокращенно тест. Тест, предназначенный для оценки работоспособности объекта, является проверяющим; тест, обеспечивающий поиск места отказа, - тестом поиска отказа, или различающим тестом. Совокупность предписаний о проведении диагностирования называется алгоритмом технического диагностирования. Алгоритм задает совокупность элементарных проверок, последовательность их реализации и правила обработки результатов контроля. Эффективность СД в большой степени зависит от правильности выбора диагностических признаков объекта контроля. Под диагностическими признаками объекта понимаются характеристики, используемые для определения его технического состояния. Ими могут быть: выходные сигналы элементов оборудования, параметры объекта и косвенные признаки (температура, уровень вибраций, акустический шум и др.).
Задачи, решаемые технической диагностикой.
Их можно разделить на два взаимосвязанных направления: теоретическое и практическое. К теоретическому направлению относятся следующие задачи: разработка методов построения логических модулей ОД, которые отображают существенные логические связи между принятыми к распознаванию техническими состояниями и признаками состояний объектов;
разработка методов построения математических моделей ОД, которые обеспечивают формальное описание взаимосвязей между техническими состояниями и их признаками;
разработка методов построения оптимальных диагностических
тестов для распознавания работоспособности состояния и поиска места отказа (дефекта) ОД;
построение оптимальных программ диагностирования.
К практическому направлению относятся следующие основные задачи, решаемые при использовании методов теоретического направления:
изучение объекта контроля при его нормальном функционировании;
определение необходимого перечня наиболее вероятных неработоспособных состояний, т.е. отказов элементов и их комбинаций в объекте, которые следует различать в процессе диагностирования; определение вида алгоритма диагностирования объекта; построение логической и математической моделей объекта контроля;
выбор и оптимизация входных воздействий и признаков технических состояний объекта контроля;
анализ технических возможностей контроля выбранных признаков состояний;
построение оптимального алгоритма диагностирования. Классификация методов диагностирования. В зависимости от различных признаков классификации все многообразие методов диагностирования можно разделить на следующие группы (табл. 19.3).
Таблица 19.3
При тестовом диагностировании ОД обычно не используется по прямому назначению, а работает только в целях его контроля. Однако если тестовые воздействия не мешают нормальному рабочему функционированию объекта, то тестовое диагностирование может применяться и в процессе этого функционирования. Тестовые воздействия подаются как на основные входы объекта, необходимые для его применения по назначению, так и на дополнительные входы, организованные специально для целей диагностирования. Аналогично ответы объекта контроля снимаются как с основных, так и с дополнительных выходов. Выходы объекта называются контрольными точками. Система тестового диагностирования показана на рис. 19.5. В нее входят: блок управления, определяющий последовательности проведения элементарных проверок и выдающий команды в блок тестов; блок тестов, вырабатывающий допустимые воздействия я,- элементарных проверок (где П - множество проверок); устройство связи, которое управляется сигналами блока управления и коммутирует каналы связи между блоком тестов и ОД; физическая модель ОД; измерительно-преобразующее устройство, измеряющее реакции ОД различной физической природы и их преобразование в величины единой физической природы; блок сравнения и расширения проверок реакции. В зависимости от задачи, стоящей при техническом диагностировании, вид физической модели меняется. Если решается первая задача - определение вида технического состояния, то реализация физической модели сводится к определению реакций ОД на воздействие проверки. Эта реакция определяется функцией для всех, где Ф - система передаточных функций исправного, работоспособного и правильно функционирующего объекта. При решении второй задачи - поиска отказа при известном виде технического состояния ОД - физическая модель определяется видом технического состояния. Реализация физической модели сводится к определению реакций ОД известного вида технического состояния на воздействия проверки, т.е. к нахождению функций, где i - вид технического состояния ОД. Наличие связи между блоками управления и сравнения и расшифровки проверок зависит от вида алгоритма диагностирования. Если алгоритм технического диагностирования условный, то указанная связь существует, если алгоритм безусловный, то связь между этими блоками отсутствует. В итоге блок срабатывания и расшифровки результатов проверок выдает технический диагноз, указывающий вид технического состояния объекта и отказ с заданной глубиной. Поскольку источником тестовых воздействий является система контроля, то состав и последовательность воздействий можно выбрать из условий максимальной эффективности контроля. Каждое очередное воздействие при диагностировании назначается в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия.
Классификация методов и принципов функционального диагностирования представлена в табл. 19.4. Анализ известных методов ППФ позволяет выделить два основных подхода к контролю за техническим состоянием объектов: в пространстве параметров и в пространстве сигналов. В первом случае тем или иным способом измеряются текущие значения параметров элементов оборудования ядерной энергетической установки (коэффициенты передаточных функций или дифференциальных уравнений, постоянные времени и т.д.) и оцениваются отклонения от номинальных значений. Во втором случае проверяется отклонение выходных сигналов элементов оборудования от теоретических значений. В обоих случаях объекты считаются функционирующими неправильно, если отклонение превышает допустимую величину.
Рис. 19.5. Схема системы тестового диагностирования объекта
Таблица 19.4
Методы функционального диагностирования в пространстве сигналов делятся на две группы. Первая из них использует априори известные сведения о характеристиках сигналов (амплитуде, частотных свойствах и др.) Примером могут служить контроль уровня или динамического диапазона сигнала, максимальной скорости его изменения, колебательности, спектра. Сюда же относятся методы диагностирования, использующие примешивание к входному сигналу системы вспомогательного сигнала, небольшой амплитуды и последующее выделение и анализ соответствующей ему составляющей в выходном сигнале.
Дублирование и резервирование.
К достоинствам методов этой группы относится их универсальность и наглядность. В простейшем случае дублирования блока выступает второй экземпляр ОД, на который подают те же входные сигналы. Диагностирование проводится сравнением выходных сигналов основного и дублирующего блоков в соответствии с векторным контрольным условием:
которое должно выполняться в процессе функционирования системы ЯЭУ. В качестве таких систем могут быть однотипные участки петель, оборудование функционально-группового управления (ФГУ), элементы СУЗ и другие резервированные элементы оборудования ядерной энергетической установки. Главный недостаток этих методов - большие затраты на диагностирование, связанные с большой аппаратурной избыточностью. Однако, если резервирование оборудования предусмотрено в целях повышения надежности, данные методы диагностирования весьма эффективны.
Построение моделей. Для уменьшения аппаратурной избыточности можно использовать не дубликат объекта, а его модель. Размерность модели может совпадать с размерностью объекта или быть меньше. В последнем случае говорят об упрощенной или аппроксимирующей модели. Формальное описание объекта (математическая модель) может быть представлено в аналитической, табличной, векторной, графической или другой форме и задано в явном или неявном виде. Вообще, эффективное обнаружение и локализация неисправностей возможны в том случае, если основные закономерности диагностируемой системы представлены в виде математической модели. Процедура построения моделей обычно сводится к следующим трем этапам.
- этап. Определение структуры математической модели объекта. На этом этапе, используя основные физические законы механики, термодинамики, электродинамики, квантовой механики и др. (сохранения энергии и вещества, тяготения, Бернулли, Гука, Ньютона, Кирхгофа и т.д.) определяется порядок уравнений, описывающих связь "вход-выход", вид нелинейных зависимостей, законы изменения нестационарных параметров. Здесь же принимаются в основном эвристические решения о том, какую модель использовать - динамическую или статическую, нелинейную или линеаризованную, с постоянными коэффициентами или нестационарную, детерминированную или стохастическую.
- этап. Оценивание параметров, входящих в выбранную модель. Существует множество методов оценки параметров модели. Выбирается тот или иной метод после сравнивания методов оценки по точности, по аппаратурным или программным затратам на его реализацию и т.п. Выполнение двух первых этапов построения модели составляют суть задачи идентификации в широком смысле, а решение только задачи оценивания параметров является содержанием идентификации в узком смысле.
- этап. Практическая проверка модели. Если модель оказывается неработоспособной, то возвращаются на первый или второй этап, т.е. либо уточняют структуру модели, либо выбирают более точный метод оценивания. Здесь также необходимо отмечать следующие два момента. Во-первых, выбор модели и точность оценок ее параметров оказывают существенное влияние на выбор метода и способ реализации устройства диагностирования, а также на его точностные характеристики. Во-вторых, в состав систем ЯЭУ входит разнообразное оборудование: механические конструкции, трубопроводы, насосы, приводы и механизмы передачи, системы управления, вычислительные машины и устройства. Разнородность математического описания всех компонентов ЯЭУ приводит к громоздкости и трудности создания и использования "глобальной" модели ЯЭУ. Поэтому имеет смысл составить математические модели отдельных систем и подсистем, входящих в ЯЭУ, разделить их на группы, имеющие сходное математическое описание, и разработать устройства или алгоритмы диагностирования каждой из этих групп.
В зависимости от природы контролируемых параметров объектов контроля различают параметрические и физические методы диагностирования. Параметрические методы диагностирования основаны на контроле входных, выходных и внутренних параметров, характеризующих правильное или неправильное функционирование ОД (§19.2 и 19.3).
Физические методы диагностирования основаны на контроле характеристик тех явлений в ОД, которые являются следствием его правильного или неправильного функционирования (нагрев, магнитные поля, радиационные и световые излучения, шумы и т.д.). В соответствии с этим различаются акустические, тепловые, радиационные, оптические, электрофизические и другие методы диагностирования (§19.2).
По признаку временных характеристик контролируемых параметров различают динамические и статические методы диагностирования. Динамические методы предполагают контроль динамических характеристик объектов (длительности переходных процессов, числа перерегулирований, амплитудно-частотных характеристик, функционалов и т.д.). Статические методы основаны на контроле статических (установившихся) характеристик ОД. В ряде случаев при диагностировании контролируются как статические, так и динамические характеристики параметров объектов.
Показатели эффективности диагностирования.
ГОСТ 23564-79 определяет показатели диагностирования как критерии качества систем технического диагностирования (СТД). Эти критерии позволяют оценить достоинства и недостатки СТД, установить степень удовлетворения предъявляемых к ним требований, сравнить различные варианты СТД и выбрать из них лучшую. Так как СТД обладают методическими и инструментальными погрешностями, то результаты диагностирования могут не совпадать с реальным состоянием исследуемого ОД.
Поэтому одним из основных критериев оценки качества СТД является вероятность правильности результатов процесса диагностирования или вероятность правильного диагностирования. В ряде работ эта характеристика определяется как достоверность диагностирования.
