Соглашение №14.574.21.0023

Тема: «Разработка принципов построения и создание интеллектуальной системы обеспечения безопасности и энергетической эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций».

Научный руководитель: В.В. Алексеев

Основные результаты проекта на этапе №1:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 №14.574.21.0023 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 17.06.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1.1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.

1.2. Выбор направления исследований, в том числе:

– разработка возможных направлений проведения исследований систем диагностики технического состояния АГНКС;

– разработка возможных научно-технологических решений в области мониторинга энергопотребления компрессорного оборудования;

– сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований;

– метрологический анализ задачи диагностики технического состояния АГНКС;

– обоснование выбора оптимального варианта направления исследований.

1.3. Исследование и обоснование принципов построения систем диагностики технического состояния АГНКС.

1.4. Разработка алгоритмов мониторинга технического состояния АГНКС.

1.5. Теоретические исследования систем технической диагностики и мониторинга состояния оборудования АГНКС, в том числе:

– анализ предметной области диагностики газокомпрессорного оборудования;

– анализ типовых отказов, влияющих на эффективность работы АГНКС, их классификация (внезапный – постепенный, наблюдаемый – ненаблюдаемый);

сопоставление отказам диагностических признаков;

– выбор дополнительных физических величин, предназначенных для диагностики АГНКС;

– анализ применяющихся средств измерений, с точки зрения их метрологических характеристик, достаточности или необходимости расширения;

– разработка алгоритмов накопления информации и выработки диагностических признаков путем сопоставления значений данных, динамики их изменения, связи с термодинамической моделью процесса сжатия газа.

1.6. Разработка концепции взаимодействия измерительной и информационно-вычислительной подсистем.

1.7. Создание макета информационно-вычислительной подсистемы.

Макет информационно-вычислительной подсистемы

Измерительный блок сбора данных для АГНКС

1.8. Проведение маркетинговых исследований с целью изучения перспектив коммерциализации систем технической диагностики и мониторинга состояния оборудования АГНКС

1.9. Проведение патентного исследования.

При этом были получены следующие результаты:

1) Проведенный анализ предметной области показал, что наибольшему износу подвержены компрессорные установки, они же являются наиболее сложными для контроля и диагностики неисправностей. В качестве диагностических параметров используются параметры давления и температуры газа ступеней компрессора, его производительность, температура охлаждающей воды в холодильниках, рубашках цилиндров, ее расход, ток, потребляемый электродвигателем из сети.

Проведен метрологический анализ задачи с учетом применения косвенных и совокупных измерений. Проведено сравнение характеристик средств измерений, использующих различные физические принципы получения информации с целью выявления оптимальных по чувствительности, диапазону и частотным свойствам решений.

Показано, что для обеспечения наибольшей эффективности при построении системы мониторинга следует использовать минимально необходимое число датчиков процессов, сопровождающих работу оборудования и технологической системы в целом, которое способно обеспечить наблюдаемость технического состояния, и минимально необходимое число процедур обработки выходных сигналов датчиков. При этом должен использоваться принцип структурной гибкости и программируемости, обеспечивающий реализацию оптимальной параллельно-последовательной структуры системы мониторинга, исходя из критериев необходимого быстродействия при минимальной стоимости.

Проведен сравнительный анализ частотных методов идентификации предаварийных ситуаций АГНКС. Вибрационный портрет представляет набор частотных диапазонов, отражающих рабочие частоты отдельных элементов электросиловых установок. В случае компрессорных установок, эксплуатируемых на АГНКС – 500 типа 4HR3KN-200 или 2ГМ4–1,3/12–250 или на БКИ–250 типа 4ГМ2,5–1,2/10–250, диагностические частоты можно разделить на две группы: дефекты шатунных, поршневых и цилиндрических узлов – диапазоны частот от 512 Гц до 4094 Гц (высокие частоты); дефекты, проявляющиеся на низких частотах, в том числе и подшипники – от 4 Гц до 128 Гц, что соответствует трем и пяти уровням вейвлет-разложения.

Разработан алгоритм, использующий прямые измерения параметров для формирования диагностических выводов. Надежность идентификации неисправности определяется точностью измерений и принятой модели и требует проведения дополнительного метрологического анализа. Показано, что результаты контроля технологических параметров позволяют выделить только группы неисправностей, что приводит к необходимости выбирать для контроля физические величины, непосредственно зависящие от изменения технического состояния компрессора – потребляемый ток, виброускорение в ряде точек конструкции, а также производные этих физических величин.

Разработаны алгоритмические решения в области мониторинга энергопотребления компрессорного оборудования.

Разработана концепция взаимодействия измерительной и информационно-вычислительной подсистем и макет информационно-вычислительной подсистемы, включающий информационно-измерительные подсистемы контроля параметров АГНКС и подсистему мониторинга, размещенную на сервере.

2) Элементы новизны заключаются в комплексном мониторинге с анализом технологических параметров, а также диагностических – энергопотребления и вибраций, применении вейвлет-анализа для обработки сигналов. Проведен патентный поиск, проведено маркетинговое исследование.

3) Результаты соответствуют требованиям технического задания и плану-графику исполнения обязательств.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Основные результаты проекта на этапе №2:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 №14.574.21.0023 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №2 в период с 1.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

2.1 Анализ применяющихся средств обработки данных (технологические ПЛК, промышленные компьютеры, входящие в состав систем автоматизации).

2.2 Разработка аппаратно-программных средств измерительного канала энергетической диагностики АГНКС.

2.3 Проведение экспериментальных исследований для накопления статистических данных по потреблению электрической энергии от находящегося в эксплуатации оборудования, проверка диагностических выводов на имеющихся данных.

2.4 Разработка аппаратно-программных средств измерительного канала вибрационной диагностики АГНКС.

2.5 Проведение экспериментальных исследований для накопления статистических данных по вибрационной диагностике от находящегося в эксплуатации оборудования, проверка диагностических выводов на имеющихся данных.

2.6 Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец СТД АГНКС.

2.7 Изготовление и монтаж экспериментального образца СТД АГНКС.

2.8 Разработка программного обеспечения экспериментального образца СТД АГНКС.

2.9 Разработка программы и методики исследовательских испытаний программного обеспечения экспериментального образца СТД АГНКС.

2.10 Испытания программного обеспечения СТД АГНКС.

2.11 Оснащение компрессорного оборудования АГНКС необходимыми датчиками и устройствами сбора и обработки данных;

2.12 Комплексная наладка СТД АГНКС, организация линии связи для получения данных от СТД АГНКС.

2.13 Разработка программы и методики исследовательских испытаний экспериментального образца СТД АГНКС.

2.14 Подготовка заявки на охранный документ; оплата государственных пошлин при подаче заявки на охранный документ.

2.15 Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ (конференция, выставка).

При этом были получены следующие результаты:

-Разработаны алгоритмические решения в области мониторинга энергопотребления компрессорного оборудования.

-Разработана концепция взаимодействия измерительной и информационно-вычислительной подсистем и макет информационно-вычислительной подсистемы.

-Проведен патентный поиск, проведено маркетинговое исследование.

На втором этапе проекта:

- проведен анализ применяющихся средств обработки данных (технологические ПЛК, промышленные компьютеры, входящие в состав систем автоматизации).

- разработаны аппаратно-программных средства измерительного канала энергетической диагностики АГНКС.

- проведены экспериментальные исследования для накопления статистических данных по потреблению электрической энергии от находящегося в эксплуатации оборудования, проверены диагностические выводы на имеющихся данных.

- разработаны аппаратно-программные средства измерительного канала вибрационной диагностики АГНКС.

- проведены экспериментальных исследований для накопления статистических данных по вибрационной диагностике от находящегося в эксплуатации оборудования, проверены диагностические выводы на имеющихся данных.

- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец СТД АГНКС.

- изготовлен и смонтирован экспериментальный образец СТД АГНКС.

- разработано программное обеспечение экспериментального образца СТД АГНКС.

- разработана программа и методика исследовательских испытаний программного обеспечения экспериментального образца СТД АГНКС.

- проведены испытания программного обеспечения СТД АГНКС.

- компрессорное оборудование АГНКС оснащено необходимыми датчиками и устройствами сбора и обработки данных;

- выполнена комплексная наладка СТД АГНКС, организована линия связи для получения данных от СТД АГНКС.

- разработана программа и методика исследовательских испытаний экспериментального образца СТД АГНКС.

Рассмотрены возможные варианты построения СТД АГНКС с помощью технических средств этой фирмы «SIEMENS», «OMRON», «Fastwel», «Advantech», «WAGO». Проанализированы технические характеристики процессорных модулей, технические и метрологические характеристики модулей аналогового и дискретного ввода-вывода. Выбор сделан в пользу семейства модулей «WAGO-750», удовлетворяющих требованиям по точности и допускающим применение доступных по цене средств поддержки разработок.

Разработаны функциональные схемы измерительного канала тока, применяющегося для энергетической диагностики КУ, измерительного канала вибрации, в общем случае состоящие из первичного измерительного преобразователя, нормирующего преобразователя, аналого-цифрового преобразователя и вычислительного устройства, осуществляющего программирование АЦП, получение результата преобразования и передачу его в подсистему обработки. Эксперименты проводились с каналами на основе датчиков Холла и измерительных трансформаторов тока. Разработаны программные части каналов энергетической и вибрационной диагностики.

Проведен анализ результатов измерений параметров потребления электроэнергии и вибрации действующего оборудования.

В соответствии с ГОСТ 2.102-68 и п. 2.7 технического задания на стадии создания экспериментального образца разрабатывается эскизная конструкторская документация (схема функциональная, схема соединений, габаритный чертеж) СТД АГНКС. Оборудование, входящее в состав СТД АГНКС запланировано к установке на компрессорные установки трех газозаправочных станций (объект 1, объект 2, объект 3). В связи с чем, для каждой отдельной составной части проработана функциональная схема (рис. 6.1, 6.2 и 6.3). Различия в схемах обусловлены конструктивными особенностями компрессорных установок 2ГМ4-1,3/12-250, 4ГМ2,5-1,2/10, и 4HR3KN-200, а также составом измерительных каналов действующих систем автоматизированного управления АГНКС.

Информационная структура программного обеспечения СТД АГНКС может быть представлена в виде нескольких логических уровней:

нижний уровень – подсистема сбора данных соответствует первому уровню организации СТД АГНКС;
операционный уровень – управления системой сбора соответствует второму уровню организации СТД АГНКС;
сервисный уровень (система обмена сообщениями) – образует третий системный уровень;

клиентский уровень – верхний уровень системы, предоставляющий пользователям системы функции контроля и управления.

Шкаф приборный

Кабельная система подключения датчиков к ИБ

3) Результаты соответствуют требованиям технического задания и плану-графику исполнения обязательств.

Основные результаты проекта на этапе №3:

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.06.2014 №14.574.21.0023 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

1 Анализ применяющихся средств обработки данных (технологические ПЛК, промышленные компьютеры, входящие в состав систем автоматизации).

2 Разработка аппаратно-программных средств измерительного канала энергетической диагностики АГНКС.

3 Проведение экспериментальных исследований для накопления статистических данных по потреблению электрической энергии от находящегося в эксплуатации оборудования, проверка диагностических выводов на имеющихся данных.

4 Разработка аппаратно-программных средств измерительного канала вибрационной диагностики АГНКС.

5 Проведение экспериментальных исследований для накопления статистических данных по вибрационной диагностике от находящегося в эксплуатации оборудования, проверка диагностических выводов на имеющихся данных.

6 Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец СТД АГНКС.

7 Изготовление и монтаж экспериментального образца СТД АГНКС.

8 Разработка программного обеспечения экспериментального образца СТД АГНКС.

9 Разработка программы и методики исследовательских испытаний программного обеспечения экспериментального образца СТД АГНКС.

10 Испытания программного обеспечения СТД АГНКС.

11 Оснащение компрессорного оборудования АГНКС необходимыми датчиками и устройствами сбора и обработки данных;

12 Комплексная наладка СТД АГНКС, организация линии связи для получения данных от СТД АГНКС.

13 Разработка программы и методики исследовательских испытаний экспериментального образца СТД АГНКС.

14 Подготовка заявки на охранный документ; оплата государственных пошлин при подаче заявки на охранный документ.

15 Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ (конференция, выставка).

При этом были получены следующие результаты:

-Проведен патентный поиск, проведено маркетинговое исследование.

На втором этапе проекта:

- разработаны аппаратно-программных средства измерительного канала энергетической диагностики АГНКС.

- разработаны аппаратно-программные средства измерительного канала вибрационной диагностики АГНКС.

- разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец СТД АГНКС.

- изготовлен и смонтирован экспериментальный образец СТД АГНКС.

- разработано программное обеспечение экспериментального образца СТД АГНКС.

- проведены испытания программного обеспечения СТД АГНКС.

- компрессорное оборудование АГНКС оснащено необходимыми датчиками и устройствами сбора и обработки данных;

- выполнена комплексная наладка СТД АГНКС, организована линия связи для получения данных от СТД АГНКС.

- разработана программа и методика исследовательских испытаний экспериментального образца СТД АГНКС.

В соответствии с ГОСТ 2.102-68 и п. 2.7 технического задания на стадии создания экспериментального образца разрабатывается эскизная конструкторская документация (схема функциональная, схема соединений, габаритный чертеж) СТД АГНКС. Оборудование, входящее в состав СТД АГНКС запланировано к установке на компрессорные установки трех газозаправочных станций (объект 1, объект 2, объект 3). В связи с чем, для каждой отдельной составной части проработана функциональная схема. Различия в схемах обусловлены конструктивными особенностями компрессорных установок 2ГМ4-1,3/12-250, 4ГМ2,5-1,2/10, и 4HR3KN-200, а также составом измерительных каналов действующих систем автоматизированного управления АГНКС.

нижний уровень – подсистема сбора данных соответствует первому уровню организации СТД АГНКС;
операционный уровень – управления системой сбора соответствует второму уровню организации СТД АГНКС;
сервисный уровень (система обмена сообщениями) – образует третий системный уровень;

На третьем этапе проекта:

– проведены испытания экспериментального образца СТД АГНКС;

– накоплены данные и произведена корректировка системы правил формирования диагностических выводов;

– оценено техническое состояние оборудования по результатам испытаний экспериментального образца СТД АГНКС;

– скорректировано программное обеспечение и программная документация СТД АГНКС по результатам испытаний;

– скорректирована эскизная конструкторская документация экспериментального образца СТД АГНКС;

– осуществлена наладка обновленного программного обеспечения

– обобщены и проанализированы результаты ПНИ и они проверены на соответствие требованиям Технического Задания;

– оценены результативность ПНИ и эффективность результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;

– проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов;

– разработан проект технического задания на проведение ОКР «Разработка интеллектуальной системы обеспечения безопасности и энергетической эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций»;

– разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Получен патент на полезную модель, № 155504, опубл. 10.10.2015 бюл. №28, зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей 16.09.2015, «Устройство диагностики состояния поршневого компрессора», РФ. заявка № 2015114062 от 15.04.2015 РФ.

Исполнитель и Индустриальный партнер заключили лицензионный договор (ЛД) не передачу неисключительного права на данную полезную модель. ЛД зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности;

3) Результаты соответствуют требованиям технического задания и плану-графику исполнения обязательств.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению исполненными надлежащим образом.