Способ и устройство для прогнозирования отказов в цепях постоянного тока Российский патент 2022 года по МПК G01R31/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к любой цепи постоянного тока, выполненной с возможностью пропускания через нее электрического тока, его проверки и анализа с использованием определенных методик и атрибутов мониторинга деградации для прогнозирования срока будущего отказа цепи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Типовые электрические цепи либо нормально работают, либо находятся в состоянии отказа (ВКЛ либо ВЫКЛ). Как правило, максимально вероятным источником сбоев является проводка внутри этих систем, и поиск неисправностей в этих системах является и затратным по времени, и дорогостоящим. Отказы перемежающегося типа могут приводить к повреждению компонентов и к полному краху операторских планов. Режим отказов данного типа наиболее типичен для автомобильных, авиационных систем и других систем промышленного производства и транспортировки. Предложенная здесь новая технология будет ограниченно рассмотрена для этих систем с цепями постоянного тока, питающимися от аккумуляторных батарей или от других источников.

[0003] Технология рассчитана на использование существующего источника питания для прогнозирования отказов до наступления этих состояний отказа либо в режиме перемежающихся отказов. Хотя эти системы не используются для эксплуатации оборудования, серии импульсов постоянного тока (фиг. 1) генерируются для определения целостности системы. Эти системные тесты выполняют в течение короткого периода времени с запоминанием результатов для сравнения с результатами "нормальной" эксплуатации. Каждый из следующих один за другим потоков данных анализируют путем сравнения с нормальными данными для генерации предиктивного алгоритма, который может быть предоставлен центральному процессору (ЦПУ) для стандартной предупредительной сигнализации. При вхождении алгоритма в режим критичного отказа может быть инициировано тактическое защитное отключение.

[0004] Типичные режимы отказов вследствие окисления, влияния влаги, дефектных соединений, внутреннего повреждения и наружного разрушения могут быть определены до выхода системы из строя, до обнаружения этого состояния человеческим зрением и до возможной выдачи сигналов обратной связи существующей диагностикой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В настоящем изобретении предложен способ для прогнозирования ожидаемого срока службы цепей постоянного тока путем мониторинга трактов и подветвей цепи на наличие деградации.

[0006] Техника предшествующего уровня предоставляла лишь средства для определения исправной или дефектной (отказавшей) цепи. Эти способы с прохождением/непрохождением тестов не обеспечивают средства для предотвращения катастрофического отказа или прогнозирования ожидаемого срока службы.

[0007] Заявленный в изобретении способ мониторинга состояния цепи включает в себя установление известного сигнала базового уровня для конкретного типа цепи (каждого с некоторым отличием от других) и определение характеристик этих цепей в виде угловых составляющих переднего и заднего фронта (в точке перехода через нуль), напряжения (амплитуды) и периода (длительности) колебательного сигнала. В идеальном случае угловая составляющая сигнала прямоугольной формы должна располагаться вертикально, или под углом 90 градусов относительно оси "x" (фиг. 2). Нерегулярный прямоугольный сигнал базового уровня, состоящий из тока, напряжения, любых гармоник этих сигналов или комбинация этих сигналов, которая оптимальным образом отображает предиктивное измерение, назначается конкретному типу контролируемой цепи. Будущие формы сигналов указывают на скорость деградации, основываясь на собранных воедино значениях угловых составляющих, амплитуды и периода точек перехода через нуль (фиг. 3 и 4) при сравнении их с сигналом базового уровня и/или предварительно известным колебательным сигналом конкретного наблюдаемого участка цепи. Скорость деградации включают в прогноз для определения ожидаемого срока службы конкретной цепи.

[0008] Генерируемый импульс постоянного тока настраивают конкретно на тестируемую цепь. Импульс постоянного тока состоит как из положительного (V+), так и отрицательного (V-) напряжения - таких, которые уравновешивают друг друга. Длительность этих импульсов является переменной (T_v), но ее подстраивают под компоненты цепи. Сразу после установления этих характеристик импульса их наносят на схемы и записывают в память в качестве характеристик "нормального" состояния.

[0009] В последующих тестах используют характеристики импульса (V+, V- и Tv), идентичные тем, которые установлены во время "нормальных" состояний. Эти тесты выполняют в выключенной из работы системе с тем, чтобы не мешать эксплуатации системы, и в предварительно заданном интервале времени согласно рекомендациям изготовителя. Характеристики импульсов последующих тестов сравнивают с характеристиками "нормального" состояния и предыдущего теста с помощью алгоритма для определения скорости деградации проводки цепи. Алгоритм составляют для прогнозирования вероятности отказа любой цепи и определения приблизительного местонахождения точки отказа внутри жгута проводов.

[0010] В данном изобретении предложены способы и устройство для предоставления пользователю средств прогнозирования в реальном времени с целью внедрения в практику эффективного профилактического технического обслуживания. Устройство и включающая его в себя коммуникационная сеть позволяют переправлять принятие этих важных решений на централизованный пункт принятия решений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Фиг. 1 представляет собой логическую блок-схему, иллюстрирующую генерацию импульсного сигнала постоянного тока и обработку зарядного потенциала, выходного тока и вычисленных соотношений для ввода в алгоритм.

[0012] На фиг. 2 представлен сгенерированный импульсный сигнал постоянного тока с изменяющимися характеристиками амплитуды, периода и длительности.

[0013] На фиг. 3 изображен сгенерированный импульсный сигнал постоянного тока с деградированными показателями амплитуды, периода и длительности через короткое время (P1) деградации после начального интегрирования цепи в систему.

[0014] На фиг. 4 изображен сгенерированный импульсный сигнал постоянного тока с деградированными показателями амплитуды, периода и длительности через некоторое время (P_x) деградации после начального интегрирования цепи в систему.

[0015] На фиг. 5 показана кривая деградации для цепи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] В настоящем изобретении предложены устройство и способ для измерения каждой из критичных составляющих цепи постоянного тока, проведения комбинированного исследования атрибутов, предиктивного анализа полной наработки на отказ и пересылки отчета к удаленной централизованной логистической системе для принятия решения.

[0017] Как показано на фиг. 1, для типовой цепи 303 постоянного тока требуются источник 101 электропитания и жгут проводов для распределения питания между различными нагрузками внутри системы. Многие из нагрузок оснащены средствами 105 памяти, "встраиваемыми" по мере совершенствования нагрузок. В настоящем изобретении генерируется серия 201 импульсов постоянного тока посредством генератора 102 и инвертированная серия 202 импульсов постоянного тока через инвертор 103. Центральный процессор (ЦПУ) 104 объединяет эти серии 201, 202 импульсов постоянного тока для генерации сигнала 203 чередующихся импульсов постоянного тока специально для цепи 303 постоянного тока с целью построения кривой скорости деградации (фиг. 5) и действия по прогнозированию, необходимого центру принятия решения.

[0018] Запоминающее устройство 105, либо являющееся общим для нагрузки, либо устанавливаемое в качестве составного элемента перехода к более современной версии, имеет возможность запоминания последнего по счету импульсного сигнала 204 постоянного тока для передачи (при выключенной цепи) вдоль жгута проводов, идентичного тому, какой используется для обычной эксплуатации системы.

[0019] В предпочтительном варианте реализации синхронизированный сбор данных о положительном (V+) переднем фронте (L₁^@N+, L₂^@N+, …, L_1+y^@N+), отрицательном (V-) переднем фронте (L₁^@N-, L₂^@N-, …, L_1+y^@N-), положительном (V+) заднем фронте (T₁^@N+, T₂^@N+, …, T_1+y^@N+), отрицательном (V-) заднем фронте (T₁^@N-, T₂^@N-, …, T_1+y^@N-), положительном (V+) напряжении (dV₁^@N+, dV₂^@N+, dV_1+y^@N+,), отрицательном (V-) напряжении (dV₁^@N-, dV₂^@N-, dV_1+y^@N-,); а также о количестве импульсов (1+y) и о длительности импульсов постоянного тока (T_v1, T_v2,…, T_v(1+y)) сохраняется для каждой конкретной рассматриваемой цепи. ЦПУ 104 обрабатывает информацию с помощью аппаратных средств, микропрограмм, программного обеспечения и путем гибридного комбинирования этих средств, как описано внутри. Начальный сигнал 203 чередующихся импульсов постоянного тока сравнивается с последним по времени сигналом 203 импульсов постоянного тока путем использования указанных выше элементов данных и привязанного к требованиям пользователя алгоритма для рассматриваемой цепи. Указанная выше методология анализа может быть дополнена чисто аналоговыми методами или комбинацией аналоговых и цифровых методов, приводящими к получению таких же или аналогичных результатов.

[0020] Сигнал 203 импульсов постоянного тока может быть сгенерирован посредством внешнего источника электропитания. Сигнал 203, 204 импульсов постоянного тока передается при нахождении тестируемой цепи 303 в режиме холостого хода, чтобы не мешать нормальной эксплуатации. Генерируемая серия 203 импульсов постоянного тока специально настроена на анализируемую цепь, и при этом учтены конкретные компоненты, материалы, длина и конструкция заданной конкретной цепи.

[0021] В некоторый период времени (P1) выполняется сбор одних и тех же элементов данных с пропусканием их через алгоритм, приспособленный для определения линейной и угловой деградации этих импульсов постоянного тока для каждого из количеств импульсов (1+y). В другом периоде P(x) эти элементы данных заново регистрируются (фиг. 3) и вводятся в алгоритм с данными нормальной эксплуатации и элементами данных предыдущего периода P(x-1) для определения скорости деградации. Эти моментальные измерения и последующий анализ могут быть выполнены с переменным интервалом в зависимости от скорости деградации рассматриваемой цепи. Деградация цепи имеет вид нелинейного явления (фиг. 5), что указывает на изменение скорости деградации с течением времени.

[0022] Алгоритм скорости деградации основывается на угловой компоненте положительного (V+) переднего фронта (L₁^@N+, L₂^@N+, …, L_1+y^@N+), отрицательного (V-) переднего фронта (L₁^@N-, L₂^@N-, …, L_1+y^@N-), положительного (V+) заднего фронта (T₁^@N+, T₂^@N+, …, T_1+y^н@N+), отрицательного(V-) заднего фронта (T₁^@N-, T₂^@N-, …, T_1+y^@N-) и положительном (V+) напряжении (dV₁^@N+, dV₂^@N+, dV_1+y^@N+,), отрицательном (V-) напряжении (dV₁^@N-, dV₂^@N-, dV_1+y^@N-,); а также на количестве импульсов (1+y) и соотношениях длительности импульсов постоянного тока (T_v1, T_v2,…, T_v(1+y)), вычисляемых в каждом цикле измерений при сравнении с данными исходного состояния и предыдущего цикла измерений. Алгоритмические соотношения каждого элемента характеристических данных настраивают на устранение аномалий, связанных с компонентами рассматриваемой цепи постоянного тока, поскольку они могут вызывать ложные позитивы в анализе кривой деградации.

[0023] Типовые соотношения цепи постоянного тока могут быть представлены в указанном ниже виде.

СООТНОШЕНИЕ ФРОНТОВ = Sine(T₁^@N+ - T₁^@P1+) -Sine(L₁^@N+ - L₁^@P1+) + Sine(T₁^@N- - T₁^@P1-) -Sine(L₁^@N- - L₁^@P1-) + Sine(T₂^@N+ - T₂^@P1+) -Sine(L₂^@N+ - L₂^@P1+) + Sine(T₂^@N- - T₂^@P1-) -Sine(L₂^@N- - L₂^@P1-)+.... + Sine(T_1+y^@N+ - T_1+y^@P1+) -Sine(L_1+y^@N+ - L_1+y^@P1+) + Sine(T_1+y^@N- - T_1+y^@P1-) -Sine(L_1+y^@N- - L_1+y^@P1-)

СООТНОШЕНИЕ ПЕРИОДОВ = (T_v1^@N1 – T_v1^@P(x-1) )/2+ (T_v2^P(x-1)-T_v2@^P(x))/2+(T_v2^@N1 – T_v2^@P(x-1) )/2+ (T_v2^P(x-1)-T_v2@^P(x))/2+...+(T_v(1+y)^@N1 – T_v(1+y)^@P(x-1) )/2+ (T_v(1+y)^P(x-1)-T_v(1+y)@^P(x))/2

СООТНОШЕНИЕ АМПЛИТУД = (dV₁^@N+ [L₁^@N+] - dV₁^@N+ [T₁^@N+]+ dV₁^@N- [L₁^@N-] - dV₁^@N- [T₁^@N-])/2 + (dV₂^@N+ [L₂^@N+] – dV₂^@N+ [T₂^@N+]+ dV₂^@N- [L₂^@N-] – dV₂^@N- [T₂^@N-])/2 +…+(dV_(1+y)^@N+ [L_(1+y)^@N+] – dV_(1+y)^@N+ [T_(1+y)^@N+]+ dV_(1+y)^@N- [L_(1+y)^@N-] – dV_(1+y)^@N- [T_(1+y)^@N-])/2

На основе этих соотношений элементов данных алгоритм может предсказать расчетное время отказа цепи. В случае типового алгоритма применяют коэффициент взвешивания к указанному соотношению после настройки формы сигнала на рассматриваемую цепь, как указано ниже;

Выход _{(алгоритм)} = соотношение фронтов + соотношение периодов x 1,3 + соотношение амплитуд x 0,7

Это позволяет нормализовать данные с целью получения предиктивной кривой деградации для анализа, являющейся специфической для рассматриваемой цепи постоянного тока и показанной на фиг. 5. Поскольку каждая цепь содержит индивидуальные компоненты, отсутствующие в других цепях, для каждой цепи требуется отдельный расчет.

[0024] Возможно запоминание множества точек алгоритмов в хронологических целях, и они могут быть полезны при поиске технических нарушений целостности системы.

[0025] Сразу после установления соответствующего базового уровня для конкретной цепи постоянного тока может быть определен количественный порог с целью вычисления ожидаемого срока службы рассматриваемой цепи. Этот ожидаемый срок службы может быть переустановлен по результатам будущего анализа и могут быть заданы действия по профилактическому техническому обслуживанию, ориентируясь на конец прогнозируемого срока службы.

[0026] Таким образом, было раскрыто изобретение в форме предпочтительных вариантов его реализации, в которых выполняются все без исключения цели настоящего изобретения, как указано выше, и обеспечиваются новые и усовершенствованные способ и устройство для прогнозирования срока службы цепи постоянного тока.

[0027] Конечно, допускается рассмотрение специалистами в данной области различных изменений, поправок и отклонений от положений настоящего изобретения без отступления от заявленной сущности и объема изобретения. Предполагается, что данное изобретение ограничено лишь условиями приложенной формулы изобретения.

Заявленный в изобретении способ мониторинга состояния цепи включает в себя установление сигнала известного базового уровня для конкретного типа цепи (каждого с некоторым отличием от других) и определение характеристик этих цепей в виде угловых составляющих переднего и заднего фронта (в точке перехода через нуль), напряжения (амплитуды) и периода (длительности) колебательного сигнала. В идеальном случае угловая составляющая сигнала прямоугольной формы должна располагаться вертикально, или под углом 90 градусов относительно оси "x" (фиг. 2). Нерегулярный прямоугольный сигнал базового уровня, состоящий из тока, напряжения, любых гармоник этих сигналов или комбинация этих сигналов, которая оптимальным образом отображает предиктивное измерение, назначается конкретному типу контролируемой цепи. Будущие формы сигналов указывают на скорость деградации, основываясь на собранных воедино значениях угловых составляющих, амплитуды и периода в точках перехода через нуль (фиг. 3 и 4) при сравнении их с сигналом базового уровня и/или предварительно известным колебательным сигналом конкретного наблюдаемого участка цепи. Скорость деградации включают в прогноз для определения ожидаемого срока службы конкретной цепи. Техническим результатом при реализации заявленного решения является предоставление пользователю средств прогнозирования в реальном времени с целью внедрения в практику эффективного профилактического технического обслуживания. Устройство и включающая его в себя коммуникационная сеть позволяют переправлять принятие этих важных решений на централизованный пункт принятия решений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ прогнозирования срока службы цепи постоянного тока, включающий в себя:

а) установление базового уровня для конкретной цепи постоянного тока определенной конструкции в форме искажения соотношения амплитуд, флуктуаций соотношения периодов и вариаций соотношения длительностей в точке перехода через нуль сгенерированной серии импульсов постоянного тока;

b) мониторинг и определение соотношений и коэффициентов, идентичных тем, которые определены для цепи постоянного тока в шаге (a), в области перехода через нуль для цепи постоянного тока, находящейся в эксплуатации;

с) сравнение соответствующих соотношений и коэффициентов из шага (a) и шага (b) для построения аналитической кривой скорости деградации таким образом, что аналитические данные скорости деградации можно использовать для установления ожидаемого окончания срока службы и прогнозирования расчетного времени выхода из строя цепи постоянного тока.

2. Способ по п. 1, в котором отдельная цепь является автономной цепью или составным элементом сети цепей внутри системы.

3. Способ по п. 1, в котором в шаге (c) создается кривая деградации, характеризующая скорость ухудшения характеристик анализируемой цепи и ожидаемый срок службы цепи до возникновения отказа.

4. Способ по п. 1, в котором данные, полученные из шага (c), могут быть использованы для поиска и устранения неисправности цепи после полного отказа.

5. Устройство, приспособленное к внедрению на практике способа по п. 1, содержащее:

a) источник постоянного тока (если требуется) для генерации требуемого электропитания;

b) генератор импульсов для генерации серии импульсов;

c) инвертор импульсов для генерации негативной серии импульсов;

d) центральный процессор для генерации импульсной волны, специфической для рассматриваемой цепи;

e) модуль памяти для запоминания импульсных волн вплоть до момента обратной передачи импульсных волн к центральному процессору;

f) средства для определения соотношений, коэффициентов и генерации алгоритма для построения аналитической кривой скорости деградации, причем аналитическую кривую скорости деградации используют для установления ожидаемого окончания срока службы рассматриваемой цепи постоянного тока.