Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
На правах рукописи
Матвеев Андрей Владимирович
Интеллектуальная система диагностики погружного электрооборудования на основе вейвлет-преобразования с использованием правил вывода по прецедентам
Специальность: Электроника и наноэлектроника
Магистерская диссертация
| Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ефанов В.Н. |
Уфа - 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Глава 1. Анализ современного состояния задачи диагностики погружного электрооборудования. 111
1.1. Общая характеристика задачи диагностики погружного электрооборудования. 111
1.2. Современный подход к диагностике технического состояния погружного электрооборудования с использованием вейвлет-преобразования. 18
1.3. Системы поддержки принятия решений в задаче диагностики погружного электрооборудования. 27
1.4. Результаты и выводы по первой главе. Постановка задачи исследования 34
Глава 2. Алгоритм поддержки принятия решений для системы диагностики погружного электрооборудования на основе правил вывода по прецедентам с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования. 36
2.1. Метод вибродиагностики погружного электрооборудования с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования. 36
2.2. Интеллектуальный алгоритм поддержки принятия решений в задаче выявления тренда параметров погружного электрооборудования. 43
2.3. Методика количественной оценки степени развития дефектов погружного электрооборудования на основе результатов вейвлет-преобразования. 49
2.4. Результаты и выводы по второй главе. 60
Глава 3. Система диагностики погружного электрооборудования, основанная на использовании SADT-методологии. 62
3.1. Принципы построения систем диагностики погружного электрооборудования с использованием методологии системного моделирования. 62
3.2. Функциональная модель процесса диагностики погружного электрооборудования на основе IDEF0-технологии. 64
3.3. Метод синтеза перспективных структур системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения...78
3.4. Измерительно-вычислительный комплекс системы диагностики погружного электрооборудования. 86
3.5. Результаты и выводы по третьей главе. 991
Глава 4. Оценка эффективности программно-аппаратного комплекса интеллектуальной системы диагностики погружного электрооборудования 922
4.1. Реализация системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения. 922
4.2. Программный комплекс поддержки принятия решений диагностики погружного электрооборудования. 95
4.3. Результаты и выводы по четвертой главе. 105
Заключение. 10606
Список литературы.. 109
Приложение А (Обязательное) Скейлограммы расцентровки с различным числом локальных максимумов. 12526
Приложение Б (Обязательное) Декомпозиции блоков функциональной
модели. 12728
Введение
Актуальность темы исследования. На современном этапе развития нефтедобывающей отрасли лидирующие позиции по объему добытой нефти занимают скважины, оборудованные установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). На их долю приходится от 50 до 60% извлекаемого сырья. При этом практика эксплуатации погружного электрооборудования показывает, что повышение срока службы, надежности и межремонтного периода за счет своевременной диагностики, оценки и прогнозирования технического состояния УЭЦН дает значительно больший экономический эффект, чем улучшение других технико-экономических показателей. Кроме того, устранение предпосылок к внезапным отказам оборудования непосредственно в скважине позволяет избежать дополнительных затрат на аварийное извлечение, а также сократить материальные и временные издержки из-за остановки работы рентабельной скважины. Все это предопределяет повышенный интерес к системам и методам диагностики, позволяющим оценить техническое состояние погружного электрооборудования на всех этапах его жизненного цикла.
Диагностика погружного электрооборудования является сложным процессом, который характеризуется необходимостью принятия решения в условиях неопределенности и недостаточной информации об объекте исследования, поскольку из-за малого зазора между эксплуатационной колонной и работающими агрегатами невозможно разместить достаточное количество датчиков. В связи с этим предпочтение отдается методам вибродиагностики, поскольку уровень вибрации узлов конструкции является наиболее информативным параметром, позволяющим судить о характере дефекта и степени его развития, а также локализовать место возникновения дефекта до того, как он начинает приобретать разрушительный характер. Поскольку процессы, протекающие в погружном электрооборудовании, носят существенно нестационарный характер, для обработки сигналов вибрации приходится использовать методы, способные анализировать вибросигналы как в частотной, так и во временной области. К числу таких методов относится вейвлет-преобразование. Однако результатами такого преобразования являются многомерные зависимости со сложной топологией, что требует разработки специальной методики интеллектуального анализа с целью извлечения необходимой диагностической информации.
Еще одна проблема диагностики погружного электрооборудования связана с необходимостью принимать решения о наличии или отсутствии тренда параметров оборудования на различных стадиях развития неисправности. При этом результаты диагностирования будут корректными лишь в том случае, если будет установлена устойчивая закономерность изменения параметров, регистрируемых в эксплуатации, на фоне случайных помех или закономерного дрейфа, обусловленного нестационарным характером процессов, протекающих в погружном оборудовании. В этих условиях для постановки правильного диагноза необходимо использовать накопленный опыт, знания и индивидуальные представления специалистов о складывающейся ситуации. Все это требует разработки специальной процедуры принятия решения, использующей знания о предыдущих ситуациях и случаях, направленной на структуризацию исходной информации, позволяющей своевременно выявить зарождающиеся дефекты и оперативно их идентифицировать.
Отмеченные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы магистерской работы, направленной на разработку интеллектуальной системы диагностики погружного электрооборудования на основе вейвлет-преобразования с использованием правил вывода по прецедентам.
Степень разработанности темы. Анализу вибрационных процессов в электрооборудовании посвящены работы [6, 12, 17, 18, 19, 47, 86, 100, 127]. В этих работах предложены математические модели вибрационных процессов в электрооборудовании, рассматриваются диагностические признаки различных дефектов на основе спектрального анализа измеренной вибрации. При этом можно утверждать, что большинство работ по диагностике электрооборудования посвящены спектральному анализу вибрации и в гораздо меньшей степени освещают вопросы применения вейвлет-преобразования для анализа сигналов вибрации при формировании диагностических признаков оборудования.
В области вейвлет-анализа известны работы [11, 16, 25, 39, 53, 58, 75, 85, 98, 91, 103, 107, 108, 110, 112, 114, 132, 140, 144, 147], которые освещают основные преимущества и недостатки вейвлет-преобразования, показывают возможность применения данного типа преобразования в различных предметных областях. Вместе с тем, указанные работы в меньшей степени затрагивают вопросы исследования вибрационных процессов для формирования диагностических признаков различного рода оборудования.
Известные работы в области применения правил вывода по прецедентам авторов: [1, 2, 4, 33, 35, 32, 34, 65, 66, 68, 67, 90] - освещают процессы синтеза указанных правил, особенности построения классов прецедентов и ядер эквивалентности в различных областях, а также довольно широкий круг вопросов их практического применения для решения конкретных задач. Однако специфика вопросов разработки интеллектуальных алгоритмов поддержки принятия решений на основе правил вывода по прецедентам применительно к задаче диагностики погружного электрооборудования на основе вейвлет-анализа требует специального исследования.
Целью работы является повышение эффективности системы диагностики погружного электрооборудования за счет интеллектуальной обработки сигналов вибрации с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования и правил вывода по прецедентам.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработка метода диагностики погружного электрооборудования, основанного на аппарате непрерывного вейвлет-преобразования сигналов вибродатчиков, с использованием интеллектуального анализа топологии
2. Разработка алгоритма принятия решений в задаче диагностики погружного электрооборудования, основанного на использовании правил вывода по прецедентам.
3. Разработка методики количественной оценки степени развития дефектов на основе аналитической зависимости результатов вейвлет-преобразования от характеристик сигналов вибрации.
4. Разработка системных моделей, структурных схем и аппаратных решений интеллектуальной системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения с использованием правил вывода по прецедентам.
5. Оценка эффективности интеллектуальной системы диагностики погружного электрооборудования с использованием разработанных программных продуктов, реализующих предложенные алгоритмы и методики.
Методология и методы исследования. Поставленные в магистерской работе задачи решались с использованием методов системного анализа, методологии SADT, функционального анализа, теории идентификации, теории принятия решений, теории информационных систем и обработки данных, теории колебаний, теории непрерывного вейвлет-преобразования.
Объектом исследования являются системы диагностики погружного электрооборудования.
Предмет исследования: методики диагностики, оценки и прогнозирования технического состояния погружного электрооборудования для повышения их эффективности за счет интеллектуализации процедуры обработки сигналов вибрации с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования и правил вывода по прецедентам.
Положения, выносимые на защиту:
1 Метод диагностики погружного электрооборудования, основанный на использовании аппарата непрерывного вейвлет-преобразования сигналов вибродатчиков, позволяющий проводить идентификацию дефектов за счет интеллектуального анализа топологии скейлограмм.
2. Алгоритм принятия решений в задаче диагностики погружного электрооборудования, основанный на использовании правил вывода по прецедентам, позволяющий выявлять тренд параметров оборудования на различных стадиях развития неисправностей.
3. Методика количественной оценки степени развития дефектов на основе аналитической зависимости результатов вейвлет-преобразования от характеристик сигналов вибрации, позволяющая оптимизировать стратегию управления техническим состоянием погружного электрооборудования.
4. Системные модели, структурные схемы и аппаратная реализация интеллектуальной системы диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения с использованием правил вывода по прецедентам, позволяющей идентифицировать вид дефекта и локализовать его местоположение в условиях накопления неисправностей.
Научная новизна:
1. Метод диагностики погружного электрооборудования, основанный на использовании аппарата непрерывного вейвлет-преобразования сигналов вибродатчиков, отличается тем, что в качестве диагностических признаков дефектов при интеллектуальном анализе топологии скейлограмм вибросигналов используется количество локальных максимумов и соответствующие им значения масштабов и сдвигов.
2. Научная новизна алгоритма принятия решений в задаче диагностики погружного электрооборудования заключается в предложенном способе описания прецедентов, правил распознавания, которые учитывают не только количество локальных максимумов анализируемых скейлограмм, но и их расположение по оси масштаба, что отражает индивидуальные особенности проявления различных дефектов.
3. Методика количественной оценки степени развития дефектов на основе аналитической зависимости результатов вейвлет-преобразования от характеристик сигналов вибрации отличается тем, что за счет использования преобразования Карунена-Лоэва трехмерные множества исходных данных удается аппроксимировать линейными многообразиями меньшей размерности.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Метод диагностики погружного электрооборудования на основе непрерывного вейвлет-преобразования позволяет расширить представления о способах идентификации дефектов погружного электрооборудования по виду скейлограмм вибросигналов за счет интеллектуального анализа слабоструктурированных данных о количестве локальных максимумов и об их расположении по осям масштаба и сдвига.
2. Применение алгоритма поддержки принятия решений в задаче диагностики погружного электрооборудования, основанного на использовании правил вывода по прецедентам, позволяет повысить достоверность выявления зарождающихся дефектов за счет использования знаний о предыдущих ситуациях и случаях, которые имели место при эксплуатации аналогичного оборудования.
3. Методика количественной оценки степени развития дефектов на основе аналитической зависимости результатов вейвлет-преобразования от характеристик сигналов вибрации позволяет задавать топологию скейлограмм в более лаконичной форме, выделяя наиболее существенные элементы и исключая избыточную информацию, обеспечивая в то же время восстановление информации, утерянной из-за помех в канале передачи данных, в результате чего появляется возможность для автоматического распознавания дефекта.
4. Интеллектуальная система диагностики погружного электрооборудования на основе распределенных средств измерения с использованием правил вывода по прецедентам обеспечивает повышение срока службы, надежности и межремонтного периода за счет своевременной диагностики, оценки и прогнозирования технического состояния указанного типа оборудования.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов и выводов обосновывается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы, справедливость которых признана в области вибродиагностики погружного электрооборудования, а также известный и корректный математический аппарат непрерывного вейвлет-преобразования и преобразования Карунена-Лоэва; вводимые допущения мотивировались фактами, известными из практики эксплуатации погружного электрооборудования.
Структура и объем работы. Магистерская работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 107 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка, 11 таблиц. Список литературы содержит 151 наименования и занимает 15 страниц. Объем приложений составляет 6 станиц.
Глава 1. Анализ современного состояния задачи диагностики погружного электрооборудования
1.1. Общая характеристика задачи диагностики погружного электрооборудования
Основными способами добычи нефти в России по-прежнему остаются насосные. Согласно статистике последних лет большая часть скважин в России оборудована установками электроцентробежных насосов (УЭЦН). Кроме того, УЭЦН занимают лидирующие позиции по объему добытой нефти по сравнению с другими механизированными способами добычи. Объем нефти, полученной со скважин оборудованных УЭЦН, варьируется от 50 до 60% в зависимости от специфики нефтедобывающей компании. На рисунке 1.1. приведены диаграммы показывающие распределение эксплуатационных скважин по механизированным способам добычи, а также процентное соотношение добытой нефти по способам добычи.
Рисунок 1.1 - Эксплуатационный фонд скважин России
УЭЦН предназначены для добычи из нефтяных эксплуатационных скважин пластовой жидкости, состоящей из водонефтяной эмульсии и попутного газа. УЭЦН имеют очень большой диапазон подач − от 10 до 1000 м3/сутки и способны развивать напор до 3500 м водяного столба. В области больших подач (свыше 80 м3/сутки) УЭЦН имеют самый высокий коэффициент полезного действия (КПД) среди всех механизированных способов добычи нефти [5, 84].
Преимуществом УЭЦН является простое обслуживание, а также более высокий межремонтный период. Работа УЭЦН достаточно легко поддается автоматизации и телеуправлению. При эксплуатации УЭЦН упрощаются процессы исследования скважины.
В зависимости от условий эксплуатации, применяют электроцентробежные насосы различного исполнения. Габаритные размеры, конструкция и характеристики для всех исполнений одинаковы. Секция насоса представляет собой металлический корпус, изготовленный из стальной трубы длиной до 6000 мм, в котором размещаются насосные ступени с лопатками. Каждая ступень состоит из рабочего колеса и направляющего аппарата. Длина насоса определяется числом насосных ступеней.
Чаще других для привода центробежных насосов используются трехфазовые, асинхронные маслозаполненные двигатели с короткозамкнутыми роторами [40, 46]. При частоте тока 50 Гц частота вращения их вала равна 3000 мин-1 (без учета частоты скольжения). Двигатели, как и насосы, имеют малые диаметры, различные для скважин с различными обсадными колоннами. Мощность двигателей достигает 500 кВт, номинальное напряжение от 400 до 2000 В и номинальный ток от 10 до 100 А.
Малые диаметры и большие мощности вызывают необходимость увеличивать длину двигателей, которая в ряде случаев превышает 10 м.
Перечисленное погружное электрооборудование является важнейшей составной частью УЭЦН, поэтому на протяжении всего срока эксплуатации нуждается в контроле технического состояния (ТС). Рассмотрению вопросов анализа режимов работы погружного электрооборудования посвящены труды [88, 89, 121]. Диагностирование дефектов и прогнозирование остаточного ресурса являются очень важными мероприятиями для качественного управления ТС погружного электрооборудования.
Качественное управление его ТС позволяет:
· избежать непредвиденных отказов и поломок оборудования в промысловой скважине;
· повысить коэффициент использования оборудования;
· снизить расходы, связанные с транспортировкой отказавшего оборудования;
· повысить общий ресурс оборудования;
· снизить затраты на ремонт отказавшего оборудования.
Перечисленные аспекты качества управления ТС очень значимы для современной нефтяной компании. Они позволяют повысить общий уровень добываемой нефти, оптимизировать затраты, и т.д.
Кроме того, данные аспекты неразрывно связаны между собой. Непредвиденные отказы и поломки оборудования приводят к необходимости проведения дорогостоящего ремонта скважины (текущий или капитальный ремонт), простою рентабельный скважины на время проведения указанных ремонтных мероприятий. Очевидно, что в связи с этим снижается коэффициент использования оборудования и возникает необходимость проводить ремонт отказавшего оборудования (что значительно дороже ремонта по фактическому состоянию). Отказавшее оборудование подлежит замене после ремонта скважины и поэтому необходимы дополнительные затраты на транспортировку крупногабаритного оборудования к месту расположения промысловой скважины.
Аналогично работе [73] схему управления ТС погружного электрооборудования (рисунок 1.2.) можно описать как многоуровневую систему. Это связано с тем, что современные нефтяные компании представляют собой многоуровневую иерархичную систему с жестко ограниченными правами и строго регламентированными функциями.
На первом уровне расположен исследуемый объект – погружное электрооборудование. На втором уровне расположена станция управления (СУ) УЭЦН, которая контролирует основные параметры и режимы работы погружного электрооборудования в процессе добычи нефти в промысловой скважине. Кроме того, контроллер СУ способен получать информацию от систем погружной телеметрии (ТМС) и отправлять ее на пульт оператора для дальнейшего хранения.
Рисунок 1.2. – Многоуровневая схема управления эксплуатацией погружного электрооборудования
На третьем уровне данной системы находятся цеха обслуживания, диагностики и ремонта погружного оборудования. Данный уровень производит комплекс работ по ремонту отказавшего оборудования, плановые ремонты оборудования, проводит различного рода испытания, и.т.д. Кроме того, на данном уровне ставится заключение о ТС исследуемого оборудования и возможности его дальнейшей эксплуатации. Каждый цех ремонта и диагностики локализован по месторождению и производит обслуживание только подконтрольных ему участков.
Четвертый уровень образуют диспетчерские пункты (службы), предназначенные для решения вопросов связанных с оборудованием в плане отслеживания эффективности по нескольким кустам скважин или месторождениям, контроля исполнения своих функций цехами обслуживания, формирования статистики по более обширной области нефтедобычи. Кроме того, диспетчерские пункты (службы) отслеживают работу оборудования всех видов механизированной добычи нефти.
Пятый уровень описываемой системы представляет собой отделение головного управления нефтяной компанией, отвечающий за эксплуатацию оборудования. На данном уровне решаются в основном наиболее глобальные задачи управления эксплуатацией: составление оптимального плана движения (транспортировки) оборудования (с целью избежать простоя рентабельной скважины); составление отчетов и статистик по использованию оборудования, а также оценка его эффективности; вынесение предписаний более низким уровням иерархии по повышению качества эксплуатации оборудования; составление прогнозов эффективности использования оборудования и т.д. [63].
Стоит отметить, что описанная система является «идеалом», так как во многих компаниях управление эксплуатацией производится в соответствии с ее спецификой и может отличаться от приведенной выше схемы.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что любое погружное электрооборудование является сложным техническим объектом, который требует постоянного методичного контроля его ТС на всех этапах жизненного цикла. Ключевыми уровнями, отвечающими за ТС являются уровни «2» и «3». На данных уровнях решаются практически все задачи связанные с контролем, диагностикой, прогнозированием дальнейшей динамики работы погружного электрооборудования, а также выносится решение о фактическом ТС.
Погружное электрооборудование имеет разные стратегии ремонта и технического обслуживания, которые в корне отличаются друг от друга. В настоящее время используют следующие стратегии технического обслуживания и ремонта [73]:
· техническое обслуживание по наработке (планово-профилактическое обслуживание);
· техническое обслуживание по фактическому состоянию;
· ремонт по наработке;
Техническое обслуживание по наработке предусматривает проведение плановых ремонтов и профилактических работ оборудования по истечению определенного срока эксплуатации или после капитального ремонта. В данном случае проверка ТС производится в заранее определенные сроки (согласно графику использования). Для этого, после определенной наработки, погружное электрооборудование отправляют в ремонтный цех для профилактического обслуживания и, в случае необходимости, производят разборку оборудования и замену дефектных деталей и узлов. В данном случае возможно неполное использование эксплуатационных возможностей погружного оборудования, что снижает общую эффективность использования, повышает затраты на дополнительную перевозку крупногабаритного оборудования и техническое обслуживания в цеху. Данная стратегия не учитывает индивидуальных особенностей каждой единицы оборудования, таких как различия в изготовлении оборудования, как на разных предприятиях-изготовителях, так и в пределах различных сборочных цехов одного предприятия, неоднородность качества обслуживания разных цехов диагностики, и т.д. Кроме того, на безотказную работу большое влияние оказывают условия эксплуатации, т.е. скважинная среда, которая может меняться в зависимости от месторождения (вязкость, плотность, температура нефти, дебит пласта, расположение в скважине). Данную стратегию нельзя назвать эффективной, поскольку большое количество фактов технического обслуживания проводится без необходимости. Также не исключена вероятность появления дефектов при разборке-сборке и транспортировке оборудования.
Ремонт по наработке предусматривает разборку оборудования и замену регламентированных узлов и деталей в зависимости от их наработки. При этом появляется большая вероятность снятия технически пригодных для дальнейшей эксплуатации узлов и агрегатов, что еще больше (по сравнению с обслуживанием по наработке) увеличивает затраты на обслуживание.
Техническое обслуживание по состоянию характеризуется совокупностью операций обслуживания, которые определяются его фактическим ТС в момент начала обслуживания. В данном случае обслуживание проводится тогда, когда это требуется и обусловлено высокой вероятностью отказа в показаниях диагностики и прогноза. Это позволяет получить максимальную эффективность от использования каждой единицы оборудования за счет минимизации ремонтных и профилактических работ, а также максимизации периодов нахождения в непосредственной эксплуатации.
Из проведенного анализа, очевидно, что применение технического обслуживания по состоянию является наиболее оптимальной стратегией для данного типа оборудования.
Практика эксплуатации погружного электрооборудования показывает, что рост наработки основан на всестороннем контроле каждого узла и детали объекта по необходимым параметрам для каждого экземпляра оборудования.
Важными условиями для перевода погружного электрооборудования на обслуживание по состоянию являются:
· повышение качества изготовления отдельных узлов и деталей;
· введение единых норм и стандартов по диагностике и прогнозированию ресурса;
· создание современных средств и методов контроля, диагностики и мониторинга ТС, позволяющих проводить испытания с высокой точностью и достоверностью;
· интегрирование информационных пространств данных диагностики на всех уровнях компании;
· оптимизация всех процессов связанных с эксплуатацией оборудования (ремонт, диагностика, логистика, эксплуатация, управление оборудованием, и т.д.);
· эффективная работа систем диагностики на «скважине»;
· обнаружение и идентификация неисправных узлов.
Стратегия технического обслуживания по состоянию позволяет снизить количество отказов в скважине за счет заранее определенного ресурса оборудования. Кроме того данная стратегия позволяет снизить общие затраты на ремонтные работы за счет того, что узлы объекта не доводятся до разрушения и не разрушают другие узлы и детали.
1.2. Современный подход к диагностике технического состояния погружного электрооборудования с использованием вейвлет-преобразования
Под параметрами контроля в процессе диагностики следует понимать перечень физических величин, измеряемых системой диагностики и контроля, которые используются для анализа ТС погружного электрооборудования.
В рассматриваемом случае, объектом диагностики является вращающееся оборудование. ТС данного типа оборудования может быть оценено по следующим параметрам:
· вибрация узлов конструкции;
· температура корпуса;
· электрические параметры (ток, напряжение, КПД, и т.д.).
Опыт эксплуатации погружного оборудования показывает, что наиболее информативным параметром для диагностики является уровень вибрации узлов конструкции. Вибрация содержит информацию о ТС оборудования, которая может быть проанализирована и использована для оценки состояния узлов конструкции. Кроме того, сигнал вибрации содержит в себе информацию о характере дефекта и степени его развития, что позволяет идентифицировать дефект до того как он начал приобретать разрушающий характер, что в свою очередь дает возможность проводить все необходимые ремонтные мероприятия до наступления отказа. Кроме того, возможно провести локализацию дефекта по вибрации.
Вибрация погружного электрооборудования может возникнуть как вследствие действия механических, так и электромагнитных и гидродинамических факторов. Вибрация появляется в случае некачественной сборки узлов и деталей конструкции, технологических отклонений в размерах при производстве, а также вследствие развивающихся дефектов. Кроме того причиной повышенной вибрации может служить использование частотно-регулируемого привода [26].
Работа оборудования при повышенном уровне вибрации приводит к износу узлов конструкции и преждевременному выходу их из строя, поэтому контроль и анализ являются необходимым для предотвращения отказа
В настоящее время широко распространены два метода анализа вибрации, измеренной системами диагностики:
· анализ СКЗ вибрации;
· спектральный анализ вибрации.
Применение для оценки ТС СКЗ вибрации обусловлено тем, что большинство стандартов по допустимому уровню вибрации составлены с использованием именно этого показателя.
СКЗ определяется по следующей формуле:
(1.1)
где t – анализируемый промежуток времени сигнала вибрации;
V(t) – функция виброскорости.
Чаще для оценки СКЗ используют дискретную запись формулы (1.1)
(1.2)
где n – число отсчетов значений виброскорости в заданном промежутке времени;
Vj – значение виброскорости в j точке.
СКЗ вибрации дает интегральную оценку ТС погружного электрооборудования, поскольку в результате его вычисления получается одно число, которое является численной характеристикой ТС испытуемого оборудования. Данный метод является наиболее простым с точки зрения необходимых вычислительных затрат и дает интегральную оценку ТС погружного электрооборудования. Однако данный метод имеет ряд существенных недостатков, которые значительно ограничивают его применение в качестве математического аппарата вибрационной диагностики на настоящем этапе развития задачи мониторинга и диагностики вращающегося оборудования. В первую очередь это принципиальное отсутствие детального изучения временного сигнала вибрации оборудования, т.к. вычисление СКЗ дает интегральную оценку по всему отрезку времени, когда происходило измерение, во-вторых – это невозможность частотной локализации сигнала вибрации, т.е. оценки каждой из частотной составляющей вибрации по отдельности.
Следующим методом, который является наиболее распространенным в задачах диагностики погружного электрооборудования, является спектральный анализ сигнала измеренной вибрации. Такой анализ применяется с целью выявления составляющих в частотной области. Адекватной областью его использования являются исследования различного рода стационарных сигналов, состоящих из суммы составляющих с постоянным периодом. Указанный метод базируется на прямом преобразовании Фурье.
Специфика анализа сигнала на основе преобразования Фурье прослеживается при анализе сигналов с постоянным периодом (например гармонического). Для этого вещественный сигнал:
(1.3)
с периодом T раскладывают в ряд Фурье по кратным частотам. Этот ряд может быть представлен в тригонометрической форме:
где
, 
,
- коэффициенты.
В комплексной форме:
(1.4)
где 
- комплексный коэффициент.
Для непериодического сигнала ряд Фурье заменяется интегралом Фурье:
(1.5)
(1.6)
Выражение (1.6) называется прямым интегральным преобразованием Фурье, выражение (1.5) – обратным преобразованием [17]. В этих преобразованиях вместо амплитуды используется понятие спектральной составляющей S*(ω) сигнала.
В настоящее время широко используются различные дискретные алгоритмы, реализующие Фурье-преобразование. Произведя дискретизацию x(t) и выполнив соответствующие замены (ω=2πn/N, где N – количество отсчетов на исследуемом промежутке времени (0;T)), выражения (1.6) и (1.5) можно записать в следующей форме:
(1.7)
(1.8)
Приведенная выше система уравнений требует выполнения N2 вычислительных операций. В силу того, что коэффициенты в выражении (1.8) являются сопряженными, появляется возможность разбиения исходной матрицы на матрицы с количеством элементов не превышающем log2 N, каждая из которых содержит 2 ненулевых числа. Подобное преобразование носит название «Быстрое преобразование Фурье» (БПФ). В силу особенностей, указанных выше, оно часто применяется в устройствах исследующих вибрацию (спектроанализаторы) [17].
Подобный математический аппарат позволяет проводить более глубокие исследования вибрации оборудования, производить локализацию сигнала в частотной области, что позволяет представить сигнал в виде отдельных аддитивных составляющих. Данные составляющие имеют характерные особенности для каждого отдельного дефекта что позволяет не только интегрально оценить ТС погружного оборудования, но и с определенной степенью достоверности идентифицировать вид дефекта. Кроме того существуют методы, которые позволяют проводить спектральный анализ с помощью микропроцессорных средств ТМС и проводить отбор необходимой диагностической информации для дальнейшей передачи в наземную часть системы для детальной обработки [95, 96].
Возможность локализации сигнала не только по частоте, но и во времени появляется при использовании вейвлет-преобразования [23, 24, 27, 37]. Основная теория вейвлет-преобразования описана в [23, 37, 57, 106, 120, 134, 148]. Аспекты прикладного использования данного преобразования освящены в [24, 27, 41, 59, 87, 93, 106]. Вейвлет-преобразованием сигнала называют его представление в виде разложения в ряд по системе базисных функций, получаемых из материнского вейвлета ψ (t), посредством операций масштабирования (a) и сдвига по времени(b).
Вейвлетом называется некоторая функция ψ(t), для которой выполняются два условия: среднее значение ψ(t) равно нулю и она быстро убывает при t →±∞. Результатом вейвлет-преобразования сигнала f(t) является выражение, зависящее от двух параметров. Параметр b задает време