Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Савченко Александр Владимирович. Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных лодок : диссертация... кандидата технических наук : 05.13.06 Санкт-Петербург, 2007 180 с. РГБ ОД, 61:07-5/3146

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА І.ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ 15

1.1. Обзор основных составляющих корабельной энергетической системы 15

1.2. Электрохимические характеристики и процессы в аккумуляторных батареях 20

1.2.1. Конструкция АБ 21

1.2.2. Электрические характеристики АБ 23

1.2.3. Режимы АБ 25

1.3. Анализ существующих методов и средств контроля и диагностики АБ 35

1.3.1. Диагностика АБ по разрядно-зарядному циклу 36

1.3.2. Диагностика АБ по внутренним параметрам батареи 37

1.3.3. Диагностика АБ на форсированном температурном цикле 38

1.3.4. Контроль заряженности по напряжению АБ 38

1.3.5. Контроль заряженности АБ при помощи импульсного разряда 39

1.3.6. Учет полученного и отданного батареей количества электричества 40

1.3.7. Поэлементный контроль состояния АБ 40

1.3.8. Комбинированный метод контроля параметров АБ 41

1.4. Постановка задач автоматизации процесса эксплуатации свинцово- кислотных АБ ДЭПЛ 45

Выводы по главе 1 46

ГЛАВА 2.КОМПЫОТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АБ 48

2.1. Анализ существующих моделей АБ 48

2.2. Синтез компьютерной модели АБ 53

2.3. Математическое описание компьютерной модели АБ 60

2.4 Методика автокоррекции канала определения плотности 62

2.5. Методика имитационного моделирования режимов работы АБ 68

2.5.1. Имитация режимов работы АБ - заряд, разряд, хранение 68

2.5.2. Имитация нештатных ситуаций 69

2.5.3. Имитация влияния работы системы механического перемешивания электролита на АБ 70

2.5.4. Моделирование влияния работы системы водяного охлаждения на АБ 70

Выводы по главе 2 71

ГЛАВА З.МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ АБ. УТОЧНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ АБ 73

3.1. Математический аппарат статистической обработки данных в системе контроля параметров и диагностики состояния АБ 73

3.1.1. Предварительная обработка данных 74

3.1.2. Дисперсионный анализ и гистограммы распределения AU 79

3.1.3. Корреляционный анализ процессов заряда и разряда 88

3.1.4. Сравнение параметров отдельных элементов 93

3.1.5. Сравнение ЭДС элементов при холостом ходе 94

3.2. Уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ 99

3.3. Адаптация метода оценки плотности электролита аккумулятора и уточнение компьютерной модели АБ 102

3.3.1. Определение плотности электролита аккумулятора в процессе разряда АБ 103

3.3.2. Адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению для режима заряда АБ 103

3.4. Модифицированный метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений 107

Выводы по главе 3 ПО

ГЛАВА 4.РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ МОНИТОРИНГА И ИМИТАЦИИ АБ 112

4.1. Реализация автоматизированной системы контроля параметров и диагностики состояния АБ 112

4.1.1. Проектирование многоуровневой архитектуры системы 112

4.1.2. Разработка канала измерения тока 115

4.1.3. Создание программного обеспечения 119

4.2. Создание компьютерной обучающей программы СКД АБ 124

4.3. Разработка тренажера СКД АБ и имитационное моделирование АБ 127

4.3.1. Имитация устройства контроля уровня и температуры АБ 129

4.3.2. Имитация системы механического перемешивания электролита АБ 129

4.3.3. Имитация системы водяного охлаждения АБ 130

4.3.4. Имитация устройств контроля параметров аккумуляторов 130

4.3.5. Программное обеспечение управления тренировкой 131

4.3.6. Межуровневый обмен данными в тренажере 137

Выводы по главе 4 138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140

ЛИТЕРАТУРА 143

ПРИЛОЖЕНИЯ 158

Приложение 1. Алгоритмы электронной вычислительной машины 159

Приложение 2. Алгоритмы блока обработки информации 163

Приложение 3. Алгоритмы устройства контроля параметров аккумулятора 169

Приложение 4. Свидетельства о регистрации ПО, сертификат, патент 175 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Важнейшим аспектом в эксплуатации дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) является контроль параметров аккумуляторной батареи (АБ), а также диагностирование и прогнозирование ее состояния [1]. Эксплуатация АБ ПЛ, питающих новые мощные корабельные электронные комплексы, предполагает широкое использование систем автоматизации технологического процесса эксплуатации этих АБ. Это приводит к необходимости внедрения системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей (СКД АБ) в состав современных корабельных электроэнергетических комплексов.

Впервые работы по автоматизации контроля параметров АБ были выполнены специалистами ФГУП «НПО «Аврора» [2]. Мониторинг состояния АБ осуществлялся частично по четырем аккумуляторам из группы АБ и не позволял объективно оценить состояние всей АБ. При этом автоматизированным был только контроль напряжения аккумуляторов и температуры электролита, а остальные параметры необходимо было контролировать вручную. В ходе выполнения этих работ функция контроля параметров была возложена на комплексную систему управления техническими средствами (КСУ ТС), что резко ограничивало процесс автоматизированного мониторинга АБ, как по быстродействию, так и по объемам обрабатываемой статистической информации об АБ. Создать насыщенную по функциональности систему, удовлетворяющую широкому ряду технологических требований, представлялось весьма проблематичным, так как для этого требовались высокоинтегри-рованная элементная база и новые программно-инструментальные средства проектирования программного обеспечения (ПО) [3-4, 35-42], отсутствующие в то время. Необходимо отметить также, что существующие математические модели электрохимических процессов, протекающих при различных режимах работы АБ [5-10], носят в большей степени качественный характер. На их базе невозможно с необходимой точностью прогнозировать ресурс корабельной АБ, а, тем более, автоматизировать процесс контроля ее парамет ров. Этим определяется необходимость создания компьютерной модели (КМ) реального времени для свинцово-кислотной АБ и методов диагностирования ее состояния.

На современном этапе постановка задачи автоматизации контроля параметров и диагностики корабельных АБ была сформулирована специалистами ФГУ «1ЦНИИ МО РФ» [11] и ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин» [16]. Большой вклад в решение указанной проблемы как научно-технического направления внесли ЗАО «Электротяга» [12] и Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) -ЮРГТУ (НИИ) [13]. При этом с развитием методов интеграции [14] стало возможным и признано целесообразным возложить задачи контроля и диагностики состояния АБ непосредственно на СКД АБ в составе КСУ ТС.

Свинцовые аккумуляторы были и остаются основными химическими источниками питания ДЭПЛ. От энергоемкости АБ зависит длительность пребывания ДЭПЛ в подводном положении, минимальное время нахождения ее в надводном положении при проведении заряда батареи, скрытность ПЛ как в режимах переходов, так и боевого патрулирования, а также дальность плавания. Поэтому согласно эксплуатационным требованиям АБ возникает объективная необходимость в периодических проверках обслуживающим персоналом состояния АБ. Это приводит к необходимости постоянного присутствия человека в непосредственной близости к батарее, определяя существенную роль человеческого фактора в надежности всей бортовой системы питания. В свою очередь, обслуживание и оперативный контроль состояния АБ затруднены ввиду особенностей ее компоновки и ограниченности свободного пространства аккумуляторной ямы [1]. Таким образом, снижение трудоемкости и влияния человеческого фактора при эксплуатации АБ на ДЭПЛ представляется важной задачей, которая может быть решена созданием автоматизированной СКД АБ. Поэтому тема диссертационной работы «Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных лодок» является актуальной.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов построения СКД АБ, обеспечивающих автоматизацию эксплуатации АБ ДЭПЛ, а также практическая реализация СКД АБ и ее ПО с применением результатов исследования.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи. 1 Анализ существующих методов и средств контроля параметров и диагностики состояния АБ.

2. Создание компьютерной модели АБ с уточненным математическим описанием взаимосвязи основных параметров АБ для применения в СКД АБ.

3. Развитие существующих и создание новых методов контроля параметров и диагностики состояния АБ.

4. Разработка функционально-алгоритмической структуры СКД АБ и создание программного обеспечения СКД АБ реального времени.

5. Синтез новых технических решений в проектировании, реализации и сопровождении многоуровневых систем мониторинга АБ.

6. Имитационное моделирование АБ и создание компьютерной обучающей программы.

Объектом исследования в работе является свинцово-кислотная аккумуляторная батарея в составе информационной системы контроля параметров и диагностики состояния аккумуляторных батарей, интегрированной в систему верхнего уровня.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Компьютерная модель АБ, включающая уточненное математическое описание взаимосвязи основных параметров АБ для различных эксплуатационных режимов, отличающаяся наличием программных средств статистической обработки данных за весь период эксплуатации АБ для выявления тенденций изменения свойств элементов АБ, а также наличием встроенного анализатора состояний АБ, выполняющего функцию самонастройки канала определения плотности электролита.

2. Методы контроля параметров АБ, позволяющие проводить мониторинг, исключив дорогостоящие ненадежные аппаратные датчики плотности, и прогнозировать состояние АБ:

- уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ;

- адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению его для режима заряда АБ;

- модифицированный метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений.

3. Трехуровневая функционально-алгоритмическая структура СКД АБ с иерархическим подчинением каждого уровня, позволяющая автоматизировать процесс эксплуатации АБ в режиме реального времени и интегрировать СКД АБ в комплексную систему управления техническими средствами (КСУ ТС) ДЭПЛ.

4. Схемотехнические и алгоритмические решения построения токового канала, позволяющие определять значение тока в эксплуатационном диапазоне его изменения с требуемой точностью в условиях электромагнитных помех, созданных корабельными комплексами.

5. Методика имитационного моделирования режимов работы АБ, позволяющая моделировать значения контролируемых параметров АБ в соответствии с их изменениями, происходящими в реальных аккумуляторах, с учетом введенного инструктором при обучении режима эксплуатации АБ, коэффициента ускорения процесса и наличия нештатных ситуаций.

Методы исследования. В работе используются методы системного анализа, математического моделирования, математической статистики, теории вероятностей и надежности, теории свинцового аккумулятора, схемотехники, теории алгоритмов и языков программирования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием анализа результатов исследований опытных и поставочных образцов СКД АБ в лабораторных условиях и на ДЭПЛ. Достоверность полученных автором результатов подтверждается: - корректным использованием апробированных методов, а также сов падением результатов расчетов с данными, полученными при натурных экспериментах;

- сертификатом (ФГУ «32 ГНИЙ МО РФ») утверждения типа средств измерения военного назначения и соответствием требованиям технических условий на продукцию, испытательное оборудование и методы испытаний.

Практическая ценность работы. Практическое значение работы определяется результатами, достигнутыми при разработке и совершенствовании многоуровневых систем мониторинга АБ. Внедрение СКД АБ реального времени позволило обеспечить постоянный и непрерывный сбор информации по основным параметрам (напряжение, ток, ёмкость, уровень электролита, температура, плотность) каждого элемента аккумуляторной батареи, сократить ручной сбор информации и численность обслуживающего персонала, облегчить эксплуатацию аккумуляторных батарей.

Внедрение результатов работы. На основе теоретических положений, обоснованных в диссертации, получены следующие практические результаты:

1. Разработана и внедрена система контроля и диагностики аккумуляторных батарей (ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», ФГУП «Адмиралтейские верфи», СПб., 2005 г.).

2. Разработана и реализована компьютерная обучающая программа «Система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования АБ. Устройство, принцип работы и управление» (ООО «Центр тренажеростроения и подготовки персонала», М., 2004 г.).

3. Выполнен технический проект и реализован макетный образец тренажера «Система контроля параметров аккумуляторов и диагностирования АБ» (ФГУП «СПМБМ «Малахит», СПб., 2006 г.).

4. Создан универсальный комплекс, предназначенный для проведения испытаний различных информационно-цифровых систем. Он был использован для испытаний опытных и поставочных образцов СКД АБ (Филиал ФГУП «ПКП «Ирис», г. Новочеркасск, 2005 г.).

5. Получен на СКД АБ сертификат (ФГУ «32 ГНИЙ МО РФ») утверждения типа средств измерения военного назначения.

Разработки автора и выполненные с их использованием промышленные образцы СКД АБ впервые освоены ФФГУП «ПКП «Ирис», г. Новочеркасск, 2005-2006 гг. в серийном производстве в отечественной промышленности и имеют высокий экспортный потенциал.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Электропривод и автоматика» ЮРГТУ (НПИ) в курсах лекций для специальности «Электрооборудование и автоматика судов» [17, 21, 22].

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- научно-техническом семинаре «Электропитание», Зеленоград, Ассоциация разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания, 2003 г.;

- межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника в бортовых системах электроснабжения и электроприводах», посвященном 40-летию совместной научной технической деятельности РСПКБ-ПКП «Ирис» и ФГУП «НПО «Аврора», Ростов-на-Дону, 2003 г.;

- VII международной научно-практической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2004 г.;

- межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов», Новочеркасск, Филиал ФГУП «ПКП «Ирис», 2005 г.

Публикации, патенты. Основное содержание работы отражено в двенадцати научных трудах: в восьми печатных работах (одна статья в журнале из перечня ВАК и семь тезисов докладов конференций), одном патенте РФ на изобретение и свидетельствах о регистрации трех программ.

Объем и структура работы (рис. 1): введение, четыре главы, заключение, четыре приложения, количество страниц - 180, рисунков - 55, таблиц -10, число наименований используемой литературы-159.

В первой главе определена роль АБ в составе корабельной энергетической системы. Проведен обзор основных параметров, характеризующих электрохимические процессы в свинцово-кислотной АБ ДЭПЛ, для различных режимов ее работы. Проанализированы существующие методы и средства контроля параметров и диагностики состояния АБ, выполнен обзор научно-технической литературы. На основе проведенного анализа определена необходимость развития существующих и создания новых методов контроля и диагностики состояния АБ, что впервые стало возможным только при реали зации современной системы реального времени для автоматизации процесса эксплуатации свинцово-кислотных АБ ДЭПЛ. Для достижения этой цели автором сформулированы и обоснованы задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена развитию методов компьютерного моделирования свинцово-кислотных АБ ДЭПЛ. На основе анализа существующих моделей приведена классификация этих моделей. В ней используется компьютерная модель АБ, как совокупность моделей различного рода. Проведенный обзор публикаций показал, что модели, ориентированные на исследование параметров АБ с учетом влияния внешних воздействий на внутренние электрохимические и технологические процессы, которые связаны с эксплуатационным обслуживанием, в настоящее время развиты недостаточно для использования в цифровых системах контроля и диагностирования состояний АБ в режиме реального времени. Тем самым определена необходимость создания компьютерной модели свинцово-кислотной АБ. Предложенная автором компьютерная модель АБ является результатом синтеза математической и физической моделей и включает в себя уточненное математическое описание взаимосвязи основных параметров АБ для различных эксплуатационных режимов. Кроме этого, в главе раскрыта методика имитационного моделирования режимов работы АБ, позволяющая моделировать значения контролируемых параметров АБ в соответствии с их изменениями, происходящими в реальных аккумуляторах, используемая в компьютерной обучающей программе СКД АБ при подготовке специалистов электромеханической боевой части экипажа ПЛ.

Третья глава посвящена развитию существующих и созданию новых методов контроля параметров и диагностики состояния АБ и вопросам экспериментальной проверки компьютерной модели на адекватность реальному объекту, и ее последующему уточнению. Выработаны основные аспекты статистической обработки данных в процессе разряда и заряда АБ, применяемые в анализаторе состояний КМ АБ, для определения остаточного ресурса и диагностика состояния АБ. На основе данных экспериментальной проверки КМ АБ автором предложены уточненный метод определения текущей и остаточной емкости АБ, адаптированный метод оценки плотности электролита аккумулятора к применению для режима заряда АБ и метод определения концентрации серной кислоты на базе потенциометрических измерений.

Четвертая глава посвящена программной реализации компьютерной модели АБ, методов контроля ее параметров, проектированию первичных преобразователей и основных узлов СКД АБ, а также созданию компьютерной обучающей программы и тренажера СКД АБ для экипажа ПЛ. Автором предложены схемотехнические и алгоритмические решения построения токового канала, позволяющие определять значение тока в эксплуатационном диапазоне его изменения с требуемой точностью в условиях электромагнитных помех, созданных корабельными комплексами. Приведена трехуровневая функционально-алгоритмическая структура СКД АБ с иерархическим подчинением каждого уровня, позволившая автоматизировать процесс эксплуатации АБ в режиме реального времени и интегрировать СКД АБ в КСУ ТС «Лена».

Алгоритмическая насыщенность программного обеспечения СКД АБ, обусловленная технологическим процессом эксплуатации АБ, требует от оператора ЭВМ верхнего уровня достаточно глубоких знаний в области эксплуатации АБ, пользовательского интерфейса и алгоритмических особенностей программного обеспечения СКД АБ. В связи с этим в конце главы рассмотрены основные аспекты связанные, с созданием компьютерной обучающей программы и тренажера СКД АБ, в которых реализована предложенная автором методика имитационного моделирования АБ.

В заключении приведены основные выводы по диссертации.

В приложениях представлены алгоритмы работы ЭВМ, БОИ, УКПА, свидетельства о регистрации ПО, патент и сертификат на СКД АБ.

Подобные работы
Андриевский Александр Леонидович
Разработка системы контроля движения нефтепродуктов нефтехимического предприятия (На примере Ангарской Нефтехимической Компании)
Посмитный Евгений Владимирович
Разработка автоматизированной системы контроля игристых свойств шампанских вин на основе анализа динамики выделения CO2 из вина
Дроздов Юрий Владимирович
Разработка автоматической системы контроля и управления положением слоя стеблей при получении тр#паного льна
Киреев Дмитрий Сергеевич
Разработка автоматической системы аналитического контроля очистки технологических растворов от ионов цветных и черных металлов
Баринов Александр Петрович
Разработка системы информационной поддержки контроля производственных процессов на базе терм-связности элементов электронного документооборота
Шадло Саид
Разработка информационной системы для контроля промышленных объектов государства Иран
Хомина Лариса Степановна
Разработка автоматизированной системы оперативного контроля качества продукции нефтехимического предприятия (На примере Ангарской нефтехимической компании)
Камынин Виталий Александрович
Разработка и исследование автоматизированной системы контроля взрывоопасности рудничной атмосферы
Лобзов Александр Валерьевич
Разработка автоматизированной системы управления, учета и контроля регистрируемых почтовых отправлений на основе радиочастотной идентификации
Саркисова Ирина Олеговна
Разработка методов и моделей адаптивного тестового контроля в системе подготовки и аттестации персонала транспортных предприятий

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net