ZASTOSOWANIE SYSTEMU WNIOSKOWANIA ROZMYTEGO DO DIAGNOSTYKI SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO

Transkrypt

1 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/ Maciej Sułowicz, Intytut Elektrotechniki, Warzawa Konra Weinreb, Tomaz Węgiel, Marek Maiewicz, Politechnika Krakowka, Kraków ZASTOSOWAIE SYSTEMU WIOSKOWAIA ROZMYTEGO DO DIAGOSTYKI SILIKA IDUKCYJEGO KLATKOWEGO APPLICATIO OF FUZZY IFERECE SYSTEM FOR DIAGOSTIC CAGE IDUCTIO MOTOR Abtract: Thi paper preent a iagnotic concluion block, bae on a fuzzy logic approach. It propoe implementation of a eciion making, algorithm bae iagnotic ytem, in orer to achieve an uninterrupte work cycle of the quirrel cage motor rive. The iagnotic concluion interface ha been eigne on the bai of the iagnotic ata, obtaine from the analyi of the phae current pectra an ymmetrical component of the current pectra. Inicator for the iagnotic evaluation have been electe on the bai of the olution of the mathematical moel of the motor, which take into conieration the eccentricity of the rotor. The principle of work of the iagnotic concluion block eigne to evaluate the tate of the rotor ha been preente for a electe motor. Artificial intelligence, incluing fuzzy logic, applie in the concluion ytem increae the ytem ability to erive characteritic relationhip an correlation, which are not recognizable by traitional iagnotic metho, thu giving a higher poibility of forming a correct iagnoi. Thi i epecially important in ituation, when the correct interpretation of the meaurement ata an the iagnotic inicator require knowlege, coming from the engineering experience. 1. Wtęp Dla zapewnienie niezawonej pracy ukłaów napęowych z ilnikami inukcyjnymi klatkowymi itotne znaczenie ma toowanie ytemów o iagnozowania ich tanu w czaie normalnej ekploatacji. Itnieje wiele poobów i algorytmów oceny iagnotycznej, poczynając o ytemów opartych o klayczne reguły wniokowania a kończąc na metoach ztucznej inteligencji, wśró których najczęściej ą toowane ieci neuronowe i logika rozmyta. Zatoowanie ztucznej inteligencji a w tym ieci neuronowych i logiki rozmytej, twarza więkze możliwości potrzegania przez ytem iagnotyczny charakterytycznych cech i zależności, które nie ą o uchwycenia przy klaycznych rozwiązaniach, a tym amym itnieje możliwość wyania trafnej iagnozy. Głównymi zaaniami meto iagnotycznych wykorzytujących moele matematyczne jet wyznaczenie wkaźników o oceny tanu elementów kłaowych ukłau napęowego a w zczególności wirnika ilnika, na roze analizy otępnych ygnałów iagnotycznych oraz porównanie ich z wartościami obliczonymi na potawie moeli matematycznych i w konekwencji potawienie iagnozy co o aktualnego tanu mazyny. Częto ocena tanu ilnika jet utruniona przez wpływ różnego rozaju zakłóceń i zumów na ygnał nioący informacje iagnotyczne oraz przez błęy pomiarowe, wynikające ze poobu pomiaru i zatoowanej aparatury pomiarowej. Prawiłowa interpretacja wyników pomiarów i wkaźników oceny iagnotycznej wymaga oświaczenia płynącego z praktyki ekploatacyjnej. Uwzglęnienie wieloletniego oświaczenia inżyniera i znajomość relacji pomięzy zmiennymi świaczącymi o tanie mazyny, można uwzglęnić w analizie poprzez zapianie reguł i proceur wniokowania w moelu rozmytym poejmowania ecyzji. Logika rozmyta jet barzo kutecznym poobem przetwarzania informacji niepewnej i nieprecyzyjnej. Przypomina proce luzkiego myślenia i twarza możliwość pojęcia ecyzji, w przypaku niejanej informacji. Proce iagnozowania tanu obiektu technicznego, można zautomatyzować przez toowanie w algorytmach iagnotycznych zapiu relacji pomięzy uzkozeniem a tanem obiektu oraz proceur wniokowania rozmytego W artykule przetawiono blok wniokowania ytemu iagnotycznego, oparty o reguły wniokowania rozmytego la oceny tanu mazyny inukcyjnej klatkowej w przypaku wytępowania ekcentryczności wirnika.

2 192 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/ Przygotowanie wkaźników oceny la ytemu wniokowania rozmytego W pracach [6],[7],[8] zotała zaprezentowana metoa tworzenia wkaźników o oceny iagnotycznej na potawie rozwiązań moelu matematycznego ilnika uwzglęniającego ekcentryczność wirnika zczegółowo przetawionego w pracach [8],[5]. Metoa ta polega na rozziale amplitu kłaowych wima Fouriera prąu tojana pełniających określone czętotliwości na cztery charakterytyczne zbiory opowiaające tanom ymetrii, ekcentryczności tatycznej, ynamicznej oraz miezanej. atępnie wzytkie cechy zakwalifikowane o ane zbioru ą umowane weług normy I =. k I k Ry. 1. Wkaźniki oceny ekcentryczności tatycznej Ry. 2. Wkaźniki oceny ekcentryczności ynamicznej ym( a tej potawie ą wyznaczane cztery wkaźniki oceny ilościowej wima, których wartości ą onieione o wartości la tanu ymetrii mazyny. Onieienie wartości wkaźników o wartości wkaźnika I ε ) i zrezygnowanie ze wkaźnika la ekcentryczności miezanej pozwala zreukować ilość wkaźników z czterech o wóch. I ta ) I yn ) (1) f ta ) = f yn ) = I ) ym I yn ) Powyżza reukcja wynika z niezależności tylko wóch typów ekcentryczności: tatycznej i ynamicznej. Opiane formułą (1) funkcje przynależności przetawiono na Ry.1 i Ry.2. Taki poób efinicji wkaźników pozwala na prawie całkowite wyeliminowanie wpływu poślizgu na kztałt tworzonych przez nie powierzchni. a Ry. 1 i Ry. 2 przetawiono powierzchnie la zmian poślizgu o wartości opowiaających pracy ilnika na biegu jałowym aż o poślizgu znamionowego. Tak zefiniowane wartości wkaźników oceny, wyznaczone z charakterytycznych cech wima prąu, mogą być anymi wejściowymi o proponowanego ukłau wniokowania iagnotycznego. Z porównania powierzchni tworzonych na Ry.1 przez wkaźnik charakteryzujący ekcentryczność tatyczną wiać znaczące różnice w przebiegu wkaźnika la fazy a i la pozotałych wóch faz. Dla ekcentryczności ynamicznej opowienie wartości wkaźnika la każej fazy ą takie ame. Potawienie iagnozy co o tanu wirnika mazyny na potawie wkaźników prezentowanych na Ry. 1 i Ry. 2 prowaza ię o znalezienia w przetrzeni opuzczalnych przypaków ekcentryczności aktualnego punktu pracy, określonego przez parę wartości ). Pozukiwanie tego punktu w przetrzeni opuzczalnych tanów może obywać ię na wiele poobów. Do utalenia wzglęnych poziomów ekcentryczności tatycznej i ynamicznej zatoowano metoę przecięcia krzywych powtałych po zrzutowaniu na płazczyznę xy wpólnej krawęzi powierzchni tworzącej wkaźniki oraz opowienio płazczyzn z=f ta1 i z=f yn1. Wartości f ta1 i f yn1 ą to konkretne ane liczbowe wkaźników wyznaczone la baanego przypaku wima prąu ilnika, la którego pozukujemy pary liczb ) określających poziom ekcentryczności. Wpływ wytępujących różnic w wartości wkaźników la pozczególnych faz prąu tojana na wynik oceny iagnotycznej poziomów ekcentryczności przetawiono na Ry.3 w obzarze opuzczalnych poziomów ekcen-

3 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/ tryczności. Założono przy tym, że umaryczna wartość wzglęnej ekcentryczności tatycznej i ynamicznej nie może przekroczyć 0.8 ( 0 ε 0. 8, 0 ε 0. 8, 0 ε + ε 0. 8 ). Ry. 6. Wkaźniki oceny ekcentryczności ynamicznej la kłaowej zgonej Ry. 3. Dopuzczalny obzar analizy i wyznaczenie poziomów ekcentryczności Jenym ze poobów, pozwalającym na uniknięcie niejenoznaczności w poejmowaniu ecyzji jet wprowazenie analogicznych wkaźników la wim kłaowych ymetrycznych prąu tojana. Ry. 4. Wkaźniki oceny ekcentryczności tatycznej la kłaowej zgonej Ry. 5. Wkaźniki oceny ekcentryczności tatycznej la kłaowej przeciwnej Ry. 7. Wkaźniki oceny ekcentryczności ynamicznej la kłaowej przeciwnej Spoób tworzenia takich wkaźników zotał poany w pracy [6]. a Ry.4 o Ry.7 przetawiono wkaźniki oceny z poziałem na wkaźnik la kłaowej zgonej i kłaowej przeciwnej. Analogiczne zmiany wkaźników la kłaowej zgonej i kłaowej przeciwnej zarówno w przypaku ekcentryczności tatycznej jak i ekcentryczności ynamicznej pozwalają na otateczne przyjęcie wkaźników oceny ekcentryczności jako umy la obu kłaowych. W tym przypaku otrzymamy tylko wa wkaźniki ozwiercielające cechy trzech prąów fazowych, przy jenoznacznym określeniu poziomów każej z ekcentryczności. Przetawione w potaci graficznej metoy pozukiwania poziomów ekcentryczności la anego obciążenia ilnika przyjęto za potawę o buowy bazy reguł wniokowania określającego tan mazyny na potawie wartości wkaźników oceny.

4 194 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/2005 Funkcje przynależności la ekcentryczności ynamicznej yn p1 yn p2 yn o1 yn o2 yn awa Stopień przynależności Ry. 8. Jenoznaczne określenie poziomów ekcentryczności tatycznej i ynamicznej 3. Buowa ytemu wniokowania Sytem wniokowania zotał zbuowany przy pomocy Fuzzy Logic Toolbox, otępnym w programie MATLAB. W ekperymentach numerycznych zatoowano ytemy wniokowania rozmytego typu Mamaniego Zaeha, Takagi Sugeno Kanga (TSK) oraz ytem oparty o trukturę neuropoobną typu AFIS (ang. Aaptive-etwork-bae Fuzzy Inference Sytem) [1]. Danymi wejściowymi o ytemu wniokowania ą wartości zmian wkaźników la ekcentryczności tatycznej i ynamicznej. a wyjściu ytemu uzykuje ię informację o umie wzglęnych poziomów ekcentryczności tatycznej i ynamicznej. Wartości wejściowe zotały pozielone na pięć obzarów w celu okłanego owzorowania tanu mazyny. Każemu z obzarów zotała przypiana funkcja przynależności określająca topień przynależności o anego przeziału. Przykłaowe funkcje przynależności zotały przetawione na Ry.9 i Ry.10. Stopień przynależności ta p1 ta p2 ta o1 ta o2 ta awa Funkcje przynależności la ekcentryczności tatycznej f ta Ry. 9. Funkcje przynależności opiujące wejście 1 - ekcentryczność tatyczną Ry. 10. Funkcje przynależności opiujące wejście 2 - ekcentryczność ynamiczną f yn Każą ze zmiennych wejściowych charakteryzuje pięć tanów pracy mazyny: pierwzy oznaczony p1 tan ilnika obry, rugi - oznaczony p2 tan ilnika zaawalający, trzeci oznaczony o1 tan ilnika niezaowalający, czwarty oznaczony o2 tan ilnika zły, piąty oznaczony awa awaria ilnika. Określone tany mazyny zotały wyznaczone la natępujących poziomów ekcentryczności: p1 la u=0.1 i u=0.1 p2 la u=0.2 i u=0.2 o1 la u=0.3 i u=0.3 o2 la u=0.4 i u=0.4 awa la u>0.4 i u>0.4 a wyjściu ukłau okonano poziału zakreu umarycznych poziomów ekcentryczności na trzy przeziały, opowiaające natępującym tanom pracy: zielone la u+u < 0.25 poprawna praca ilnika, żółte la 0.25< u+u < 0.55 praca ilnika wymaga tałego monitorowania, czerwone la u+u>0.55 awaryjny tan pracy ilnika. Utalone poziomy pracy mazyny jak i wzytkie przetawione wcześniej funkcje przynależności można owolnie zmieniać i otoować o potrzeb w zależności o warunków ekploatacyjnych mazyny. Dla tak zefiniowanych zmiennych określono bazę reguł. Reguły zotały tworzone la wzytkich możliwych przypaków wytąpienia ekcentryczności, wynikających z przyjętych w rozważaniach tanach pracy mazyny.

5 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/ Dla zbuowanego ytemu wniokowania w ogólnym przypaku reguły przyjmują potać: If wej1 i p1 an wej2 i p1, Then wyj i zielone If wej1 i p1 an wej2 i p2, Then wyj i zielone If wej1 i p1 an wej2 i o1, Then wyj i żółte If wej1 i o2 an wej2 i awa, Then wyj i czerwone kilka procent. Poprawność ziałania ytemu prawzono na anych bęących ymulacją pomiaru tzn. la wartości harmonicznych wyliczonych z moelu matematycznego utworzono przebiegi czaowe prąu. atępnie te przebiegi czaowe poawano tranformacji o kłaowych ymetrycznych oraz analizie FFT otrzymanych w ten poób ygnałów. Przy tworzeniu bazy reguł wykorzytano przetawiony w rozziale 2 algorytm pozukiwania poziomów ekcentryczności. ajlepze wyniki oceny iagnotycznej aktualnego tanu ilnika, na potawie wóch charakterytycznych wkaźników, uzykano przy zatoowaniu truktury neuronowej AFIS [1]. Strukturę tego ytemu wniokowania o poziomie ekcentryczności, przy poziale wejść na trzy przeziały, przetawiono na Ry. 11. f ta f ta f yn A 1 A 2 A 3 B 1 B 2 B 3 M M f = ε + ε ta yn Ry. 12. Przykła iagnozy ekcentryczności la poprawnej pracy ilnika Ry. 11. Schemat ytemu wniokowania oparty o trukturę AFIS Sytemy wniokowania oparte o rozmyte ieci neuronowe tanowią połączenie techniki moelowania rozmytego oraz meto uczenia ieci neuronowych. Dla tego ukłau wniokowania wiezę ekperta wykorzytuje ię o utalenia reguł i wtępnego rozmiezczenia funkcji przynależności, które polegają moyfikacji w proceie uczenia ieci na anych pomiarowych. f yn 4. Przykłaowe wyniki baań Obiektem baań był trójfazowy ilnik inukcyjny SzJe14b o liczbie par biegunów p=2 i liczbie żłobków wirnika =22, zailany ymetrycznie w ukłazie gwiaza bez przewou zerowego o anych znamionowych: P =1.1 kw, U =380 V (Y), I =2.8 A, n =1390 rpm, coϕ =0.77, η = Tety oceny iagnotycznej przeprowazono la kilkuet różnych przypaków wytąpienia ekcentryczności tatycznej i ynamicznej. ajmniejzy błą oceny iagnotycznej zotał uzykany przy zatoowaniu ytemu AFIS i gauowkich funkcji przynależności. Błą oceny w najgorzym przypaku nie przekroczył Ry. 13. Przykła iagnozy ekcentryczności la opuzczalnej pracy ilnika Ry. 14. Przykła iagnozy ekcentryczności la awaryjnej pracy ilnika

6 196 Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne r 72/2005 Interfej programowy ytemu wniokowania i przykłaowe wyniki iagnozy przetawiono na Ry.12 o Ry.14. a ryunkach przetawiono wyniki iagnoz la wybranych poziomów ekcentryczności opowiaającym trzem wyróżnionym tanom pracy, którym przypiane ą opowienio ygnalizatory w kolorze: zielonym, żółtym i czerwonym. a Ry.12 przetawiono wynik iagnozy la ilnika, w którym wytępują niewielkie poziomy ekcentryczności na poziomie10 procent. a Ry.13 przetawiono wynik iagnozy la ilnika, w którym wytępują niewielkie poziomy ekcentryczności tatycznej oraz śreni poziom ekcentryczności ynamicznej. atomiat na Ry. 14. przetawiono wynik iagnozy la użych poziomów ekcentryczności zarówno tatycznej jak i ynamicznej. 5. Wnioki W artykule zotał zaprezentowany blok wniokowania ytemu iagnotycznego oparty o reguły wniokowania rozmytego. Jet to propozycja rozwiązania ukłau poejmowania ecyzji iagnotycznych la zapewnienie niezawonej pracy ukłaów napęowych z ilnikami inukcyjnymi klatkowymi. W oparciu o wkaźniki oceny iagnotycznej, wyznaczone za pomocą metoy rozziału wima prąów fazowych i wima kłaowych ymetrycznych prąów, zotał kontruowany interfej wniokowania iagnotycznego. Wkaźniki o oceny iagnotycznej zotały wyznaczone na potawie rozwiązań moelu matematycznego ilnika uwzglęniającego ekcentryczność wirnika. Dla wybranego ilnika zotał przetawiony poób ziałania bloku wniokowania iagnotycznego o oceny tanu wirnika oraz poano przykłaowe wyniki iagnozy tanu przez opracowany ukła wniokowania iagnotycznego. Poumowując można twierzić, iż wykonany program iagnotyczny pełnił tawiane prze nim zaania oraz uzykane wyniki baań ą zaowalające i twarzają możliwość praktycznej realizacji takiego ytemu wniokowania la konkretnego ilnika pracującego w ukłazie napęowym. 6. Literatura [1]. Jang J.S.R.: AFIS: Aaptive-etwork-bae Fuzzy Inference Sytem. IEEE Tranaction on Sytem, Man, an Cybernetic, Vol. 23, o. 3, 1993, pp [2]. Korbicz J., Kościelny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W.: Diagnotyka Proceów. Moele. Metoy ztucznej inteligencji. Zatoowania. WT, Warzawa [3]. Lachwa A.: Rozmyty świat zbiorów, liczb, relacji, faktów, reguł i ecyzji. Akaemicka Oficyna Wyawnicza EXIT, Warzawa [4]. Oowki S.: Sieci neuronowe o przetwarzania informacji. Oficyna Wyawnicza Politechniki Warzawkiej, Warzawa [5]. Piegat A.: Moelowanie i terowanie rozmyte. Akaemicka Oficyna Wyawnicza EXIT, Warzawa [6]. Sobczyk T.J., Weinreb K., Sułowicz M.: Diagnotyka ilników klatkowych bazująca na kłaowych ymetrycznych prąów tojana. SME 2000, Prace aukowe IMiPE Politechniki Wrocławkiej, r 49, Seria: Stuia i Materiały r 21, Diagnotyka mazyn elektrycznych, tr [7]. Sobczyk T.J., Weinreb K., Węgiel T., Sułowicz M.: Influence of tator an rotor lotting on quantitative preiction of inuction motor rotor eccentricity. Proceeing of the IEEE Int. Symp. on Diagnotic for Electrical Machine, Power Electronic an Drive, IEEE SDEMPED 2001, Grao, 2001, pp [8]. Sobczyk T.J., Weinreb K., Węgiel T., Sułowicz M.: Theoretical tuy of effect ue to rotor eccentricitie in inuction motor. Proc. of IEEE International Sympoium on Diagnotic for Electrical Machine, Power Electronic an Drive SDEMPED 99, Gijon, 1999, pp [9]. Weinreb K., Sułowicz M., Petryna J.: Komplekowa analiza uzkozeń wirnika w mazynach inukcyjnych metoą rozziału wima prąu tojana tuia numeryczne oraz wyniki baań. Zezyty Problemowe Mazyny Elektryczne, r 61, 2000, BOBRME, tr Autorzy mgr inż. M.Sułowicz 1) peulowi@cyf-kr.eu.pl r inż. K. Weinreb 2) peweinre@cyf-kr.eu.pl r inż. T. Węgiel 2) pewegiel@cyf-kr.eu.pl mgr inż. M. Maiewicz 3) maiewicz@o2.pl 1) Intytut Elektrotechniki w Warzawie, Samozielna Pracownia Diagnotyki Ukłaów Elektromechanicznych w Krakowie, ul. Jana Pawła II 37, Kraków 2) Politechnika Krakowka, Wyział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Intytut Elektromechanicznych Przemian Energii, Katera Mazyn i apęów Elektrycznych Kraków, ul. Warzawka 24 3) Zepół Szkół Technicznych, ul. Graniczna 2, Chełm