Определение периода сложных сигналов и диагностических коэффициентов при контроле насосного оборудования нефтепромыслов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Ли, Дмитрий Валентинович

• Ли, Дмитрий Валентинович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ли, Дмитрий Валентинович

Перечень принятых сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы по вопросам определения периода сложного сигнала и диагностических коэффициентов. Уточнение решаемых задач

1.1. Общие сведения и классификация методов определения периода и диагностических коэффициентов

1.2. Факторы, затрудняющие определение периода

1.3. Основные требования к разрабатываемым методикам

1.4. Задачи, решаемые в диссертационной работе

Глава 2. Определение периода сложных сигналов по нулевым переходам

2.1. Общие соображения по методике определения периода сложного сигнала по нулевым переходам

2.2. Алгоритм определения периода сложного сигнала по нулевым переходам с учётом влияния постоянной составляющей и шума

2.3. Описание программы нахождения периода сложного сигнала по нулевым переходам

2.4. Исследование работоспособности программы нахождения периода сложного сигнала по нулевым переходам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение периода сложных сигналов и диагностических коэффициентов при контроле насосного оборудования нефтепромыслов»

Актуальность проблемы. Эффективное использование различных электротехнических и электромеханических систем и устройств в промышленности, как правило, сопряжено с детальным изучением и анализом рабочих циклов оборудования и со снижением потребления энергоресурсов (электроэнергии) этими системами и устройствами. В совокупности с этим своевременные и оперативные ремонтные мероприятия, грамотный контроль работоспособности оборудования дают возможность сэкономить значительные финансовые средства. Именно по этой причине возникла необходимость создания средств функционального контроля и диагностики (ФКиД), с помощью которых представляется возможным своевременно вмешаться в процесс эксплуатации различных систем, выявить и устранить причины, способствующие предаварийным и аварийным режимам.

Одним из перспективных направлений ФКиД сложных электротехнических и электромеханических систем, к примеру, штанговых глубинных насосных установок (ШГНУ) на нефтепромыслах, является возможность оперирования с этими системами без их вывода из рабочего состояния, на основе использования, как наиболее информативных, мгновенных значений их токов и напряжений. Именно такое направление на протяжении ряда лет разрабатывается на ряде кафедр ТПУ.

Идеализированный случай предполагает работу средств функционального контроля и диагностики в режиме реального времени. Однако громоздкие алгоритмы и, как следствие, аппаратно-программное обеспечение позволяют лишь в некоторой степени приблизиться к обработке соответствующих сигналов тока и (или) напряжения рассматриваемых систем в реальном времени благодаря внедрению систем цифровой записи и обработки сигналов. С помощью применения цифровых регистраторов представляется возможным обработка интересуемых сигналов и выдача результатов с некоторой задержкой по времени, необходимой на вычислительный процесс.

Возможность работы средств функционального контроля и диагностики в режиме реального времени особенно актуально при организации дистанционного контроля и диагностики насосного оборудования, когда с многих объёктов (в нашем случае это ШГНУ) информация о состоянии оборудования попадает на главный пункт управления и сбора информации.

В данной диссертации рассматривается возможность функционального контроля и диагностики насосного оборудования по диагностическим коэффициентам, определяемым с помощью аппарата преобразования Фурье. Реализация преобразования Фурье возможна только при наличии информации о периоде рассматриваемых сигналов. Помимо этого, такие задачи как вычисление среднего и действующего значений, проведение распознавания сложных сигналов, передаваемых по цифровым каналам связи и т.д. решаемы лишь при известной величине периода. Именно вопросам определения периода сложных сигналов уделено основное внимание в настоящей работе.

На практике задача определения периода сложных сигналов усложняется при воздействии нежелательных факторов - присутствии в исходном сигнале постоянной составляющей, наличии кратных и промежуточных (не кратных основной) гармоник, фазовых сдвигов и помех. В Российской федерации не существует устоявшегося термина, характеризующего гармоники, не кратные основной по частоте. По этой причине термин «промежуточная гармоника» был позаимствован автором из стандартов Германии. Добавим, что некоторые авторы называют такие гармоники интергармониками [25]. Ясно, что наличие промежуточных гармоник существенно усложняет процесс определения периода сигнала.

Дать качественную оценку работоспособности какой-либо методики определения периода сложных сигналов и выявить границы её применимости, по мнению автора, представляется возможным лишь на основе использования тестовых сигналов, искомые параметры которых известны. Понятно, что чем разнообразнее ряд тестовых сигналов, тем в более полной мере будет произведено тестирование.

В различных прикладных задачах использование величины периода носит, как правило, промежуточный характер для последующих вычислений. В диссертации рассматривается возможность использования величины периода в качестве основной информативной компоненты при организации дистанционного контроля и диагностики насосного оборудования.

Завершая краткое введение в проблематику диссертационной работы, подчеркнём, что конечным результатом проводимых исследований будет нахождение диагностических коэффициентов, используемых при поиске ответов на вопросы о работоспособности насосной установки (в терминах «норма» - «авария») и обеспечении минимального энергопотребления за счёт должного механического уравновешивания ШГНУ.

Целью диссертационной работы является: разработка методик и алгоритмов определения периода сложных сигналов и их применение в задачах функционального контроля и диагностики насосного оборудования на нефтепромыслах по диагностическим коэффициентам, получаемых на основе преобразования Фурье; исследование работоспособности этих методик и возможности использования величины периода в качестве основной информативной компоненты при дистанционном контроле и диагностике насосного оборудования.

Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:

1. создания тестовых сигналов;

2. разработки алгоритмического и программного обеспечения процедуры определения периода сложных сигналов при условиях воздействия описанных выше нежелательных факторов;

3. тестирования разработанных процедур поиска периода с помощью тестовых сигналов;

4. апробации разработанных процедур поиска периода с помощью реальных сигналов;

5. разработки алгоритмического и программного обеспечения вычисления диагностических коэффициентов на основе ДПФ с предварительным определением периода анализируемых сигналов и его тестирование с помощью тестовых и реальных сигналов;

6. тестирования ДПФ с предварительным определением периода с помощью тестовых и реальных сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются методы теории цифровой обработки информации: численное моделирование, сглаживание и фильтрация временных последовательностей данных, гармонический анализ. Экспериментальные исследования проводились с помощью вычислительного эксперимента.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. При решении задачи поиска периода сложных сигналов впервые рассмотрено совокупное влияние таких нежелательных факторов как наличие в рассматриваемых сигналах постоянной составляющей, кратных и промежуточных гармоник, фазовых сдвигов между гармоническими составляющими, шума.

2. Впервые рассмотрена реализация комплексного дискретного преобразования Фурье совместно с процедурой предварительного определения периода сложных сигналов.

3. Проведены исследования по возможности использования величины периода в качестве основной информативной компоненты при передаче и распознавании информации в частотных системах и получены не описанные ранее в научно-технической литературе результаты.

4. Создано алгоритмическое обеспечение, которое может быть применено в диагностических комплексах и в частотных системах обмена телеметрической информации. Часть алгоритмов может использоваться в качестве ПО для ЭВМ.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработаны оригинальные методики определения периода сложных сигналов, которые в последующем нашли применение при составлении трёх заявок на получение патентов РФ, характеризующих оригинальную конкурентоспособную продукцию, а также при разработке лабораторных работ по курсу «Информационное обеспечение управления энергосистемами» работ, использованных в учебном процессе в ТПУ.

2. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение оригинальных методик определения периода сложных сигналов и ДПФ, совмещённого с процедурой определения периода; произведено тестирование программного продукта на реальных и тестовых сигналах и получены свидетельства на регистрацию данных программ.

3. Метод определения периода по средним квадратичным отклонениям нашёл применение при разработке программного обеспечения системы функционального контроля и диагностики штанговых глубинных насосных установок.

Реализация результатов работы. Созданы алгоритмы и программы поиска периода сложных сигналов, вычисления диагностических коэффициентов на основе преобразования Фурье, совмещённого с процедурой определения периода сложных сигналов при функциональном контроле и диагностике насосного оборудования на нефтепромыслах. Практическая реализация подтверждается соответствующими документами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были изложены и обсуждены на ряде научных конференциях: 7 Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 2001); 7 Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2001); 8 Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2002); Международной конференции EECCES-2003 (Екатеринбург, 2003); Международной конференции IWK-2003 (Ильменау, ФРГ, 2003).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 работ, из которых 3 патента РФ, 1 монография, 5 свидетельств о регистрации программных продуктов. Перечень работ прилагается.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, и заключения, изложенных на 94 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунков, 14 таблиц. Библиографический перечень используемой литературы включает 82 наименования. Приложение содержит сведения о полученных патентах РФ и свидетельств о регистрации программных продуктов, справки об использовании научных исследований диссертационной работы, акт о внедрении, краткое описание программного комплекса «Контроль и диагностика штанговых глубинных насосных установок по мгновенным значениям тока и напряжения» и занимает 25 страниц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Ли, Дмитрий Валентинович

вывода данных {0;!}

Помеха

Фиг. 1 п

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ли, Дмитрий Валентинович, 2004 год

1. Абдуллазянов Э.Ю., Ахметвалеева JI.B., Максимов Н.В., Федотов А.И. Программно-аппаратный комплекс определения показателей качества напряжения // Проблемы энергетики. 2002. - №11-12. - с. 65-73.

2. Абраменков В.В. Накопление сигнала при использовании современных методов цифрового спектрального оценивания // Радиотехника. 2002. -№12.-с. 88-91.

3. Абраменков В.В., Быстрое А.В., Савинов Ю.И. Использование метода наименьших квадратов в задаче цифрового спектрального анализа коротких последовательностей // Радиотехника. 1999. - №2. - с. 15-18.

4. Адриянов А.В. Спектральный анализ сигналов на основе БПФ // Радиотехника. 1986. - №7. - с. 49-50.

5. Алиев Т.А., Таирова Х.С. Робастные алгоритмы спектрального анализа измерительной информации // Автометрия. 2001. - №5. - с.44-50.

6. Антонов В.И., Ильин А.А., Лазарева Н.М. Адаптивные алгоритмы оценки частоты для цифровых систем релейной защиты и автоматики // Электротехника. 1995. - №8. - с. 29-31.

7. Антонов В.И., Пуляев В.И. Определение частоты в энергосистеме путём цифровой обработки электрических сигналов // Энергетик. 2002. - №4. -с. 15-16.

8. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. Иваново: 1999.

9. Богданович В.А., Вострецов А.Г. Теория устойчивого обнаружения, различения и оценивания сигналов. М.: Физматлит, 2003. - 320с.

10. Болыианин Г.А., Безносов Е.А. Учёт дробных высших гармонических и субгармонических составляющих тока и напряжения // Труды 5-й Всероссийской научно-технической конференции / ТПУ. Томск: Изд-во ТПУ, 1999. -с.16-17.

11. Гельман JI.M., Удовенко JI.H. Новые признаки, основанные на преобразовании Фурье, для диагностики и распознавания образов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2001. - №3. - с. 27-28.

12. Гнатенко М.А. Алгоритм измерения фликера в аппаратно-программном комплексе контроля качества электрической энергии // Сборник научных трудов НГТУ. 2000. - №1(18). - с. 91-95.

13. Гольдштейн Е.И., Даниленко Т.Г. Универсальная методика определения периода многочастотного сигнала, представленного в цифровой форме // Измерительная техника. 2001. - №6. - с. 47-49.

14. Гольдштейн Е.И., Коробко П.Ф. Технология решения инженерных задач: Учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 1999. - 140 с.

15. Гольдштейн Е.И., Ли Д.В. Дискретное преобразование Фурье по коротким выборкам при наличии шумов // Измерительная техника. 2004. -№4.-с. 11-14.

16. Гольдштейн Е.И., Цапко И.В. Нетрадиционные способы функционального контроля и диагностики электромеханических, электротехнических и электротехнологических систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. -№1. - с. 81-85.

17. Григорьев А.В., Осотов В.Н. О неоднозначности понимания и употребления терминов технической диагностики // Энергосистема: управление,качество, безопасность: Сборник трудов ВНТК / УГТУ-УПИ. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001. - с. 385-388.

18. Двинских В.А. Вычисление параметров периодических составляющих дискретных данных с ограниченным интервалом наблюдения // Измерительная техника. 1999. - №2. - с. 10-12.

19. Двинских В.А. Вычисление параметров спектра и фильтрация периодических составляющих цифровых сигналов // Энергетик. 1995. - №10. -с. 58-60.

20. Двинских В.А. Определение параметров периодических составляющих цифровых сигналов // Радиотехника. 1989. - №8. - с. 54-55.

21. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука, 1989. - 240с.

22. Евсиков М.Ю. Распознавание многочастотных сигналов, передаваемых по цифровым каналам связи. // Электросвязь. 1998. - №11. - с. 19-21.

23. Егоров В.А. Определение частоты синусоидального сигнала. // Измерительная техника. 1998. - №9. - с. 34-35.

24. Жежеленко И.В. и др. Интергармоники в промышленных электрических сетях и методы их минимизации // Материалы Междунар. научно-техн. конф. Томск: ТГУ, 2004. - с. 66-69.

25. Иориш Ю.М. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963.

26. Калинин А.В. Об измерении реактивной мощности при несинусоидаль-. ных режимах // 6 МНПК студентов, аспирантов и молодых учёных СТТ-2000. Томск: ТПУ, 2000. - с. 50-52.

27. Каримов Р.Н., Кац Е.Я., Червякова О.В. Быстрый алгоритм обнаружения сигналов заданной частоты в линиях связи. // Межвуз. науч. сборник: Саратов, 1998. с. 52-59.

28. Кузнецов В.А. и др. Измерения в электронике: Справочник / под ред. В.А. Кузнецова. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

29. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986.

30. Лабутин С.А., Пугин М.В. Помехоустойчивость и быстродействие методов измерения частоты по короткой реализации гармонического сигнала. // Измерительная техника. 1998. - №9. - с. 34-36.

31. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. М.: Мир, 1983. - Т. I.e. 184-213.

32. Марченко Е.А. Качество частоты в ЕЭС России в свете западноевропейских требований. // Электрические станции. 2001. - №2. - с. 47-51.

33. Минц М.Я., Чинков В.Н. Применение цифровых фильтров для определения частоты гармонического сигнала. // Измерительная техника. -1994.-№8.-с. 60-63.

34. Михотин В.Д., Прокофьев О.В. Цифровые устройства измерения частоты с весовым усреднением. // Измерения, контроль, автоматизация. -1992. -№3-4. -с. 3-18.

35. Попов B.C., Шумаров Е.В. Измерение периода электрических сигналов, представленных в цифровой форме. // Измерительная техника. 1995. -№1. - с. 50-54.

36. Прасов М.Т., Тютякин А.В., Шеварыкин А.Ю. О повышении точности определения параметров сигналов при спектральном анализе // Приборы и системы управления. 1999. - №3. - с.40-41.

37. Пуляев В.И. Некоторые аспекты структурного анализа цифровых осциллограмм // Электро. 2000. - №1. - с.6-11.

38. Рабинер Д., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.-М.: Мир, 1978.

39. Романюк Ф.А., Глинский Е.В. Алгоритмы получения действующих значений сигналов в микропроцессорных защита // Энергетика. 1994. -№1-2. - с.14-16.

40. Семотюк М.В. Численно-аналитический метод спектрального анализа тональных сигналов // Управляющие системы и машины. 2001. - №1. -с. 36-42.

41. Сидоров И.М., Тимофеев В.В. Многочастотные колебания в нелинейных системах управления. М.: Наука, 1984.

42. Соболев B.C., Кащеева Г.А, Щербаченко A.M. Анализ алгоритма оценки мгновенной частоты аналитического сигнала. // Измерительная техника. -2000.-№8.-с. 57-62.

43. Стадник В.В., Чинков В.Н. Микропроцессорные мультиметры, основанные на цифровой обработке мгновенных значений сигналов // ИВУЗ энергетика. 1995. - №9. - с. 53-55.

44. Терешков В.В., Пономаренко Т.З., Корчагин А.В., Аванесов В.М. Быстродействующий измеритель отклонения промышленной частоты // Промышленная энергетика. 2002. - №10. - с. 41-44.

45. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. М.: Радио и связь. 1986.

46. Тутевич В.Н. Телемеханика. Учебное пособие для вузов. — М.: Энергия, 1973,384 с.

47. Ханбеков В.Г., Дружаев А.А. Система контроля и диагностики электронных устройств // Энергетик. 2001. - №9. - с. 28-30.

48. Цифровая обработка сигналов: Справочник / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Ма-тюшкин, М.Н. Поляк. М.: Радио и связь. 1985.

49. Чекушкин В.В. Реализация преобразования представлений ортогональных составляющих сигналов в амплитуду и фазу // Измерительная техника. 2001. - №4. с. 18-22.

50. Шмурьев В.Я. Анализ осциллограмм цифровых регистраторов во внешней среде // Энергетик. 2001. - №8. - с. 33-35.

51. Шутова И.А. Алгоритмы и программы обработки ваттметрической информации для технического диагностирования скважных штанговых насосных установок. Дис. . канд. техн. наук. Томск. 1992. 192 с.

52. А.с. 453643 СССР, G 01 R 23/10. Способ измерения частоты электрических колебаний / Кушко Б.Т. // Бюл. изобрет. 1974. - №46.

53. А.с. 1538285 СССР, Н 04 Q 11/02. Способ передачи и приёма цифровой информации / Ильинская Э.П., Корнеев Д.Я., Митяков А.И. // Бюл. изобрет. 1990. -№3.

54. А.с. 1601782 СССР, Н 04 Q 1/46. Устройство для приёма многочастотных сигналов / Голубничий Н.И., Егоров С.В., Корнилов А.И., Патлах А.С. // Бюл. изобрет. 1990. - №39.

55. А.с. 1663784 СССР, Н 04 Q 1/46. Устройство для приёма многочастотных сигналов / Аснин Л.Б., Брайнина И.С., Фролов А.П. // Бюл. изобрет. -1991.-№26.

56. А.с. 2107302 РФ, G 01 R 23/02. Способ определения частоты электрической сети / Лямец Ю.Я., Антонов В.И., Арсентьев А.П. // Бюл. изобрет. -1998.-№8.

57. А.с. 1707239 СССР, 5 F 04 В 51/00/ Способ диагностики штанговых насосных установок / Е. И. Гольдштейн, Б.Н. Даурих, JI.K. Конради // Бюл. изобрет. 1992.-№3.

58. А.с. 1784947 СССР, 5 G 05 В 23/02. Способ диагностики штанговых насосных установок / Е.И. Гольдштейн, И.А. Шутова // Бюл. изобрет. -1992.-№48.

59. Пат. 2129666 РФ, 6 F 04 В 51/00. Способ диагностирования уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок / Е. И. Гольдштейн, Е. Н. Ермакова // Бюл. изобрет. 1999. - №12.

60. Пат. 2129667 РФ, 6 F 04 В 51/00. Способ дихотомического диагностирования неуравновешенной установоки / Е.И. Гольдштейн, Е.Н. Ермакова // Там же.

61. Пат. 2190126 РФ, 7 F 04 В 51/00. Способ диагностики штанговых насосных установок с известным состоянием уравновешенности / Е.И. Гольдштейн, Д.В. Иванов, И.В. Цапко // Бюл. изобрет. 2002. - №27.

62. Пат. 2204736 РФ, 7 F 04 В 51/00. Способ диагностики штанговых насосных установок / Е.И. Гольдштейн, Т.Г. Даниленко, И.В. Цапко // Бюл. изобрет. 2003. - №14.

63. Заявка 20021191185 РФ, F 04 В 51/00. Способ диагностики уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок / Е.И. Гольдштейн, И.Н. Исаченко. Заявл. 16.07.2002.

64. Заявка 2002129205 РФ, F 04 В 51/00. Способ диагностики уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок / Е.И. Гольд-штейн, И.Н. Исаченко, С.В. Полякова. Заявл. 31.10.2002.

65. Заявка 2002129166 РФ, F 04 В 51/00. Способ диагностики уравновешенности станков-качалок штанговых насосных установок / Е.И. Гольд-штейн, И.Н. Исаченко, С.В. Полякова. Заявл. 31.10.2002.

66. Пат. 2189703 РФ, 7 Н 04 Q 1/457, Н 04 В 3/46, Н 04 L 27/10. Способ передачи и приёма кодовых комбинаций / Е.И. Гольдштейн, Д.В. Ли // Бюл. изобрет. 2002. - №26.

67. Пат. 2208293 РФ, 7 Н 03 М 1/00, Н 04 L 27/10. Способ передачи и распознавания двоичной информации / Е.И. Гольдштейн, Д.В. Ли // Бюл. изобрет. 2003 .-№ 19.

68. Пат. 2226696 РФ, 7 G 01 R 23/02. Способ определения периода многочастотного сигнала, представленного в цифровой форме / Е.И. Гольдштейн, Д.В. Ли // Бюл. изобрет. 2004. - №10.

69. Свидетельство №2001611047 РФ о регистрации программ для ПЭВМ. Программа вычисления периода сложного периодического сигнала / Ли Д.В.//Опубл. 20.08.01.

70. Свидетельство №2002610401 РФ о регистрации программ для ПЭВМ. Программы вычисления периода гармонического сигнала по минимуму его среднего значения / Ли Д.В. // Опубл. 25.03.02.

71. Свидетельство №2003611784 РФ о регистрации программ для ПЭВМ. Программа вычисления спектрального состава с помощью дискретного преобразования Фурье / Ли Д.В. // Опубл. 25.07.03.

72. Свидетельство №2003611785 РФ о регистрации программ для ПЭВМ. Программа вычисления периода полигармонического сигнала по минимумам его среднего значения / Ли Д.В. // Опубл. 25.07.03.

73. Свидетельство №2003611786 РФ о регистрации программ для ПЭВМ. Программа вычисления периода полигармонического сигнала по средне-квадратической оценке / Ли Д.В. // Опубл. 25.07.03.

74. Amy Mar. Digital Signal Processing Applications Using the ADSP-2100 Family // Prentice Hall. Englewood Cliffs. - New Jersey. - 1992. - PP. 457465.

75. Ingle V.K., Proakis J.G. Digital Signal Processing Laboratory Using the ADSP-2101 Microcomputer // Prentice Hall. Englewood Cliffs. - New Jersey. - 1991.-PP. 265-269.til

76. Lee D.V. Determination of the compound signals period // Proceed. Of the 8 Inter. Scient. Conf. «Modern Technique and Technologies» (МТГ 2002), Tomsk, TPU, pp. 20-21, 2002.