Способ выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке

Изобретение относится к области контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок. Согласно способу измеряют мгновенные значения процесса (ПР) на входе электропривода насосной установки, выделяют m-групп информативных периодичностей (П) процесса, для каждой определяют свою первую частоту (Ч) по максимальному уровню мгновенной спектральной плотности в диапазоне Ч соответствующей группы. С помощью мгновенной спектральной плотности определяют Ч, амплитуды и фазы всех П данной группы в локальных диапазонах Ч. Затем определенные параметры запоминают и с помощью генератора синусоидальных сигналов генерируют ПР с параметрами выделенных П. Сгенерированный ПР инвертируют и синхронно с исходным ПР подают на сумматор, получая при этом остаточный ПР, равный разности исходного и сгенерированного ПР. Затем повторяют вышеуказанную последовательность действий для следующей группы П, причем последовательность операций повторяют m раз и прекращают при определении параметров всех групп информативных П. При этом каждый раз поиск Ч производят в новом остаточном ПР. Изобретение направлено на создание простого и быстрого способа выделения П процесса, информативных для контроля и диагностики установок. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области контроля и диагностики погружных электроцентробежных насосных установок.

Известен способ выделения скрытых периодичностей процесса по результатам его измерения [И.М.Сидоров, В.В.Тимофеев. Многочастотные колебания в нелинейных системах управления. - М.: Наука, 1984, c.241], выбранный за прототип, заключающийся в том, что определяют мгновенную спектральную плотность (МСП) по выражению

где x(t) - рассматриваемый процесс;

S(ω) - распределение мгновенной спектральной плотности по частотам;

S1(ω) и S2(ω) - синусная и косинусная составляющие мгновенной спектральной плотности соответственно;

ω₀ и ω_пр - начальная и предельная частоты поиска, рад/с;

Т_п - интервал поиска, с,

определяют значения частот по максимумам мгновенной спектральной плотности S(ω), уточняют значения амплитуд (Am_k) и фаз (Ψ_k) с помощью фильтров, устраняют выделенную периодическую составляющую из исходного процесса, вновь и вновь повторяют всю последовательность действий.

Недостатками данного способа являются значительные временные затраты на процесс поиска и нечеткость критерия, по которому можно судить о возможности закончить поиск.

Частоты, амплитуды и фазы также можно определять по известным выражениям

где Am_k - амплитуда частотной составляющей, у.е.;

Ψ_k - фаза частотной составляющей, град;

f_k - частота, Гц.

Задачей изобретения является создание простого и быстрого способа выделения наиболее информативных для контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок периодичностей процесса.

Это достигается тем, что в способе выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке, как и в прототипе, измеряют мгновенные значения процесса x(t), определяют периодические составляющие процесса (Am_k, ω_k, Ψ_k), устраняют выделенные периодические составляющие из исходного процесса и вновь повторяют всю последовательность операций.

Согласно изобретению выделяют m групп информативных периодичностей процесса, для каждой определяют свою первую частоту по максимальному уровню мгновенной спектральной плотности в диапазоне частот

где ω'₁ - первая частота в группе, рад/с;

ω'_о и ω'_пр - начальная и предельная частоты поиска первой частоты соответствующей группы, рад/с.

Определяют частоты (ω_k), амплитуды (Am_k) и фазы (Ψ_k) всех периодичностей данной группы в локальных диапазонах частот

где ω'_n - n-ая частота группы, рад/с;

L - радиус локализации диапазона поиска, рад/с;

n - номер частоты в группе.

Затем определенные параметры запоминают и с помощью генератора синусоидальных сигналов генерируют процесс с параметрами выделенных периодичностей (Am_k, ω_k, Ψ_k)

где x^,(t) - сгенерированный процесс;

k - индекс частоты в группе, изменяемый от 1 до р;

р - количество частот в группе;

Am_k, ω_k, Ψ_k - амплитуда, частота и фаза k-й частотной составляющей.

Сгенерированный процесс инвертируют и синхронно с исходным процессом подают на сумматор, получая при этом остаточный процесс

где x(t) - исходный процесс;

x(t)' - сгенерированный процесс;

x(t)'' - остаточный процесс.

Затем повторяют вышеуказанную последовательность действий для следующей группы периодичностей, причем последовательность операций повторяют m раз и прекращают при определении параметров всех групп информативных периодичностей. При этом каждый раз поиск частот производят в новом остаточном процессе.

Достоверность определения значений можно оценить по известным выражениям

где x''_i u'' и x''_i p'' - исходный и сгенерированный процессы соответственно;

СКО - среднеквадратичное отклонение;

Аm_д - действующее значение процесса, у.е.;

П_сш - показатель сигнал/шум;

δА_д - разность действующих значений, у.е.

В основе изобретения лежат два подхода к задаче контроля и диагностики электроцентробежной насосной установки. Первый заключается в том, что входящий в состав погружной электроцентробежной насосной установки асинхронный двигатель можно использовать как датчик технического состояния насосной установки, а информационные сигналы измерять по цепи электропитания двигателя. То есть дефекты в узлах насосной установки оказывают влияние на форму электрических сигналов на входе питания, а с изменением формы сигналов соответственно меняется и их спектральный состав. Второй подход заключается в том, что определяются не все периодичности, а только информативные, с точки зрения контроля и диагностики. Одной из трудностей, которая возникает при анализе зависимости мгновенной спектральной плотности, это то, что каждой частоте, содержащейся в рассматриваемом процессе, соответствует экстремум мгновенной спектральной плотности, но не каждому локальному экстремуму мгновенной спектральной плотности отвечает гармоническая составляющая, реально содержащаяся в процессе. То есть встает проблема выделения экстремумов, соответствующих действительным частотам. Кроме этого, наши знания о природе анализируемого процесса и анализ эмпирических данных позволяют выделить несколько групп частот, которые обозначены как информативные. Каждая из этих групп в своем составе имеет некую основную частоту и частоты, кратные ей. То есть F_осн., 2F_осн., 3F_осн., и т.д. На фиг.1 представлены спектральные портреты электрического тока, полученные по цепи питания со скважин, оснащенных электроцентробежными насосными установками (скважины №1, 2 и 3). В данных примерах удалось выделить две группы информативных частот: частоты, кратные частоте питания, и дополнительная группа частот, первая частота которой изменялась в диапазоне от 500 до 750 Гц, для различных скважин. Если рассматривать только информативные, с точки зрения контроля и диагностики, частоты, то процесс выделения периодичностей сводится к определению основной частоты группы и частот, ей кратных в пределах каждой из групп. Устранение определенных периодичностей из исходного сигнала позволяет повысить точность определения амплитуд, а иногда и фаз остальных составляющих.

Тот факт, что рассматривается не весь частотный диапазон, а только несколько локальных зон, позволяет значительно сократить временные затраты.

Предложенный способ выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке отличается простотой реализации и небольшими временными затратами при исследовании.

На фиг.1 показаны спектральные портреты сигналов электрического тока, полученных по цепи питания со скважин, оснащенных погружными электроцентробежными насосными установками (скважины №1, 2 и 3).

На фиг.2 приведена функциональная блок-схема способа.

На фиг.3 приведен спектральный портрет сигнала электрического тока на входе погружной электроцентробежной насосной установки (скважина №4).

В таблице 1 приведены числовые результаты применения предлагаемого способа выделения информативных периодичностей процесса для реального процесса - сигнала электрического тока на входе электроцентробежной насосной установки.

В таблице 2 приведены точностные характеристики результатов использования предлагаемого способа выделения периодичностей.

Предложенный способ выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке может быть реализован, например, в виде функциональной блок-схемы, которая представлена на фиг.2. Она содержит: аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП); блок определения точностных характеристик 2 (БОТХ); блок определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС); инвертор постоянной составляющей 4 (Инвертор 1); блок памяти результатов 5 (Память); блок управления 6 (Блок управления); сумматор постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1); сумматор периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2); инвертор периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2); генератор периодических составляющих процесса 10 (Генератор); буфер промежуточных значений 11 (Буфер); блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1); блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот, кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2); задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик).

На вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП) поступает аналоговый процесс. Выходы преобразователя 1 (АЦП) связаны с входами блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ), блока определения постоянной составляющей 3 (БОПС) и сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1). Выходы блока определения постоянной составляющей 3 (БОПС) связаны с входом блока памяти результатов 5 (Память) и с входом инвертора постоянной составляющей 4 (Инвертор 1), выход которого, в свою очередь, связан с входом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1). Входы сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) связаны с выходом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1), выходом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) и выходом буфера промежуточных значений 11 (Буфер). Выход сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) связан с входом буфера промежуточных значений 11 (Буфер). Выход буфера промежуточных значений 11 (Буфер) связан с входом блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1). Другой вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) связан с выходом задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик). Выход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) связан с входом блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот, кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2), выходы которого, в свою очередь, связаны с входами генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор) и блока памяти результатов 5 (Память). Выход генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор) связан с входом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2). Выход блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ) связан с входом блока памяти результатов 5 (Память), также имеется обратная связь выхода блока памяти 5 (Память) с входом блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ). Выходы блока управления 6 (блок управления) связаны с входами аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), блока определения точностных характеристик 2 (БОТХ), блока памяти результатов 5 (Память), сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) и задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик).

Аппаратно предложенный способ выделения периодичностей может быть реализован, например: блок 1 (АЦП) - аналого-цифрового преобразователь серии МАХ186 (12 бит). Блок управления 6 (Блок управления) - микроконтроллер серии 51 производителя atmel AT89S53. Функции блоков определения точностных характеристик 2 (БОТХ), определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС), инвертора постоянной составляющей 4 (Инвертор 1), сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1), сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2), инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2), генератора периодических составляющих процесса 10 (Генератор), буфера промежуточных значений 11 (Буфер), определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1), определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот, кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2), и задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) могут быть выполнены на том же процессоре. Блок памяти результатов 5 (Память) может быть реализован на внешней перезаписываемой памятью данных той же фирмы AT25L256 (32 кБайта).

Рассмотрим работу способа выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке по функциональной блок-схеме (фиг.2). В качестве процесса будет выступать электрический ток в цепи питания нефтедобывающей скважины, оснащенной электроцентробежной насосной установкой (скважина №4). Измерения тока на этой скважине, как и на скважинах, спектральные портреты которых представлены на фиг.1, произведены в Томской обл., г.Стрежевой, Советское месторождение. Цех №2.

Аналоговый сигнал с датчика тока поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП) и под управлением сигнала с блока управления 6 (Блок управления) производится преобразование аналогового сигнала в цифровой на интервале наблюдения Т_n=1 с с интервалом дискретизации dt=100 мкс. Оцифрованный сигнал тока поступает на блок определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС) и одновременно на блок определения точностных характеристик 2 (БОТХ). В блоке определения постоянной составляющей процесса 3 (БОПС) определяется значение постоянной составляющей по выражению

где N - число дискретных отсчетов, при Т_n=1 с и dt=100 мкс N=10000;

x_i(t) - дискретные значения исходного процесса;

i - индекс, изменяется от ноля до N-1.

Для рассматриваемого примера значение постоянной составляющей составило 113,8 у.е. (табл.1).

Далее значение А0 инвертируется в инверторе постоянной составляющей 4 (Инвертор 1) и подается на сумматор постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1) одновременно с сигналом с выхода 1 (АЦП). Таким образом, производится устранение постоянной составляющей из процесса. Значение А0 записывается в блоке памяти результатов 5 (Память). Далее процесс поступает на сумматор периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2), который управляется блоком управления 6 (Блок управления). Сумматор периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2) имеет три входа; вход, который связан с выходом сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1), активен только в начале измерения, когда буфер промежуточных значений 11 (Буфер) пуст, далее он закрывается блоком управления. На данный момент содержимое буфера промежуточных значений 11 (Буфер) равно нулю, и сигнал с инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) также равен нулю, поэтому процесс с выхода сумматора постоянной составляющей процесса 7 (Сумматор 1) записывается в буфер промежуточных значений 11 (Буфер) и через него подается на блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1). Одновременно на блок определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) с выхода задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) подаются нижнее и верхнее значения диапазона частоты поиска. Первая группа информативных периодичностей включает в себя частоты, кратные частоте питания сети, и первая частота в этой группе приблизительно равна 50 Гц. Поэтому с задатчика поступают пределы поиска:

Тут же блок управления переключает задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) на следующий диапазон (группу частот ). А в блоке определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) производится определение основной частоты данной группы по выражению (2) с интервалом поиска по частоте dF=1 Гц. С выхода блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) на вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот, кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2), поступает значение основной частоты данной группы F_осн. Для рассматриваемого примера F_осн=50 Гц (табл.1).

В блоке определения мгновенной спектральной плотности для выделения частот, кратных основной в группе 13 (МСП преобразователь 2), производится уточнение частоты, амплитуды и фазы для основной частоты данной группы, а также всех частот, кратных ей по выражению (2), с интервалом поиска по частоте dF=0,1 Гц в локальных частотных зонах F_осн±1 Гц, 2 F_осн±1 Гц, 3 F_осн±1 Гц и т.д.

Радиус локализации диапазона поиска равен 1 герц (L=1 Гц.).

Для рассматриваемого примера в первую группу вошли частоты 50, 150, 250 и 350 Гц. Значения амплитуд и фаз приведены в табл.1.

Далее определенные значения частоты, амплитуды и фазы данной группы частот поступают на генератор периодических составляющих процесса 10 (Генератор) и одновременно запоминаются в блоке памяти результатов 5 (Память). В генераторе периодических составляющих процесса 10 (Генератор) производится генерация синусоидальной последовательности из полученных значений частот, амплитуд и фаз с интервалом дискретизации, равном 100 мкс. Далее данная последовательность инвертируется в инверторе периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) и подается на вход сумматора периодических составляющих процесса 8 (Сумматор 2), который по сигналу с блока управления 6 (Блок управления) считывает данные с буфера промежуточных значений 11 (Буфер), суммирует их с выходом инвертора периодических составляющих процесса 9 (Инвертор 2) и записывает результат обратно в буфер промежуточных значений 11 (Буфер). С выхода буфера промежуточных значений 11 (Буфер) процесс опять поступает на вход блока определения мгновенной спектральной плотности для выделения основной частоты группы 12 (МСП преобразователь 1) и одновременно с этим с входа задатчика диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) подается нижнее и верхнее значение диапазона частоты поиска следующей группы частот ().

В процессах данного вида, на данный момент выделены две группы информативных периодичностей, который вероятно расширится; вся последовательность действий повторяется до тех пор, пока не обнулится задатчик диапазона поиска основной частоты в группе 14 (Задатчик) - исчерпаются группы информативных частот.

Для рассматриваемого примера определены частоты второй группы - 604,6, 1209,2 и 1813,8 Гц. Значения амплитуд и фаз приведены в табл.1 (см. в конце описания).

К этому времени в блоке памяти результатов 5 (Память) будут записаны исходный сигнал и результаты определения. По сигналам блока управления 6 (Блок управления) в блоке определения точностных характеристик 2 (БОТХ) формируются точностные характеристики, определяемые по выражению (3). После чего блоком управления 6 (Блок управления) формируется и выдается сигнал результата.

Числовые значения точностных характеристик для рассматриваемого примера представлены в табл.2 (см. в конце описания).

На фиг.3 представлена зависимость мгновенной спектральной плотности для рассматриваемого примера, построенная на всем диапазоне частот с шагом дискретизации по частоте 1 Гц. Сравнение фиг.3 и табл.1 показывает, что определены наиболее значимые периодические составляющие процесса. На фиг.3 индексами I и II показаны результаты из табл.1. Результаты из табл.2 показывают, насколько точно определены параметры периодических составляющих. Выделение периодичностей по данному способу в сравнении с анализом всего спектра позволило сократить время исследования более чем в 8 раз.

Результаты, представленные на фиг.1 и фиг.3, предлагается использовать в задачах контроля и диагностики электроцентробежных насосных установок как диагностический параметр на наличие и уровень тех или иных периодичностей.

Таким образом, разработанный способ выделения периодичностей прост по технической реализации и обладает небольшими временными затратами при исследовании, что позволяет применять его при исследованиях в масштабе реального времени.

Способ выделения информативных периодичностей процесса в электронасосной установке, заключающийся в измерении мгновенных значений процесса, определении частот (_k), амплитуд (Am_k) и фаз (Ψ_k) с помощью мгновенной спектральной плотности процесса, устранении выделенных периодических составляющих, отличающийся тем, что выделяют m групп информативных периодичностей процесса, для каждой определяют свою первую частоту по максимальному уровню мгновенной спектральной плотности в диапазоне частот

где - первая частота в группе, рад/с;

и - начальная и предельная частоты поиска первой частоты соответствующей группы, рад/с.

определяют частоты (), амплитуды (Am_k) и фазы (Ψ_k) всех периодичностей данной группы в локальных диапазонах частот

где - n-я частота группы, рад/с;

L - радиус локализации диапазона поиска, рад/с;

n - номер частоты в группе,

затем определенные параметры запоминают и с помощью генератора синусоидальных сигналов генерируют процесс с параметрами выделенных периодичностей (Am_k, , Ψ_k) по выражению

где x^,(t) - сгенерированный процесс;

k - индекс частоты в группе, изменяемый от 1 до р;

р - количество частот в группе;

Am_k, , Ψ_k - амплитуда, частота и фаза k-й частотной составляющей,

сгенерированный процесс инвертируют и синхронно с исходным процессом подают на сумматор, получая при этом остаточный процесс

где x(t) - исходный процесс;

x^,(t) - сгенерированный процесс;

x^,,(t) - остаточный процесс,

затем повторяют вышеуказанную последовательность действий для следующей группы периодичностей, причем последовательность операций повторяют m раз и прекращают при определении параметров всех групп информативных периодичностей, при этом каждый раз поиск частот производят в новом остаточном процессе.