Доклад Минеева Е.Н. - Академия Государственной
advertisement
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России Кафедра информационных технологий УНК АСИТ Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук «Модели и алгоритмы оценки надежности автоматизированных систем предотвращения пожаров в электрооборудовании промышленных объектов» Минеев Евгений Николаевич 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (отрасль – промышленность) Тема диссертации соответствует пп. 5, 14 паспорта номенклатуры специальностей научных работников Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Топольский Н.Г. Москва 2015 г. Актуальность темы исследования: Отсутствие автоматизированного контроля за предаварийными режимами Короткое замыкание Около 35 % пожаров от электрооборудования Токи утечки Решение: Разработка алгоритмов предотвращения пожаров, вызванных токами утечки и коротким замыканием в электрооборудовании, а также определение необходимого технического обслуживания электрических аппаратов защиты. 2 Цель и задачи исследования Цель диссертационной работы - повышение уровня пожарной безопасности промышленного объекта на основе оценки надежности автоматизированных систем предотвращения пожаров, вызванных токами утечки и коротким замыканием в электрооборудовании. Задачи: 1. Провести комплексный анализ пожарной опасности промышленных объектов России, включающий статистическую оценку пожаров от электрооборудования; провести анализ надежности систем предотвращения пожароопасных режимов работы электрооборудования; определить методы автоматизированного контроля и противопожарной защиты. 2. Разработать методику экспериментального определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты. Определить параметры оценки надежности электрических аппаратов защиты сети промышленных объектов. 3. Разработать обобщенную структуру и алгоритмы функционирования автоматизированной системы предотвращения предаварийных режимов на промышленных объектах, вызванных токами утечки и коротким замыканием. 4. Разработать алгоритм функционирования автоматизированной подсистемы определения необходимого технического обслуживания электрических аппаратов защиты сети промышленного предприятия. 5. Разработать модель определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты электросети промышленного объекта. 3 Объект, предмет исследования Объект исследования – автоматизированная система предотвращения пожаров, вызванных токами утечки и коротким замыканием в электрооборудовании. Предмет исследования – модели и алгоритмы оценки надежности функционирования автоматизированной системы предупреждения пожаров от токов утечки и короткого замыкания. 4 Научная новизна работы Научная новизна работы заключается в том, что впервые: - разработана модель определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты электросети промышленного объекта; - предложена обобщенная структура и алгоритмы функционирования автоматизированной системы предотвращения предаварийных режимов работы электрооборудования на промышленных объектах, вызванных токами утечки и коротким замыканием; Анализ технологических процессов промышленного объекта Построение моделей функционирования АСУ промышленного объекта, определение элементов защиты Модель функционирования АСУ промышленного объекта Элементы защиты Человеческий ресурс Начало Начало Рабочий персонал Информация системы Нормативная документация об оборудовании и материалах, входящих в систему. Паспорта на все Протоколы контроля, текущих проверок и оборудование и материалы, эксплуатационная технического документация. обслуживания системы. Сбор данных с приборов УПП и КТУ Руководство объекта Оборудование объекта Управление технологическим процессом объекта Информация Продукты выпуска Начало Деятельность Ресурсы Материальные ценности Автоматизированные системы обработки информации В штатном режиме В условиях ЧС Сбор данных сети Эксплуатация электрооборудования В штатном режиме В условиях ЧС Обеспечение безопасности Эксплуатация электрических средств защиты Выдача на экране прибора Сбор данных сети Техногенная среда Да Соответствует Нет нет Выбор и классификация мероприятий по обеспечению безопасности элементов защиты от возможных угроз Соответствует Техническое состояние системы работоспособно Да Классификация мер защиты Нет Обнаружена поломка либо частично работоспособное Организационные Технические Физические Произошел отказ Пригодность к ремонту Неисправность УЗО, либо проводка Нет Да Неплановый ремонт отказавшего элемента Нет Включение автоматических выключателей по очереди Нет Наработка больше оптимальной Наработка меньше граничного значения Плановый ремонт в полном объеме Сработало УЗО Неисправность нестабильна. Заменить сопротивление изоляции и нагрузок. Да Неисправна линия с данной нагрузкой. Найти неисправность. Да Проверка выдала отрицательный результат Контрольные испытания Установка даты на безопасную эксплуатацию Нет Демонтаж оборудования Оптимизация перечня мероприятий по обеспечению безопасности объекта Отключить все нагрузки на проверяемой линии. Взвести УЗО. Включить автоматические выключатели Замена, регулировка, восстановление Да да Техническое состояние системы находится в исправном либо работоспособном состоянии Эксплуатация разрешена Нет Конец Сработало УЗО Монтаж оборудования Испытание электрического аппарата защиты Вывод из эксплуатирования Передача данных на АРМ диспетчера, отключение сети Замена оборудования и материалов системы Конец Испытание и контроль технического состояния Разработка концепции безопасности объекта Запрещено продление срока безопасного эксплуатирования Разработка плана мероприятий по обеспечению комплексной безопасности объекта Нет Внедрение технических средств и автоматизированных систем безопасности, сопряженные с АСУ Разработка штатной структуры и должностных обязанностей, схем соединения элементов, схем оповещения и оперативного реагирования, планов действия в условиях ЧС и нештатных ситуаций, обучение персонала Неисправность изоляции или неисправное подключение линии питания. Конец K L1 (А) L L2 (В) K L L3 (С) НАГРУЗКА Реализация системы обеспечения комплексной безопасности промышленного объекта ЛИНИЯ - предложен алгоритм оценки работоспособного состояния автоматизированной системы предотвращения пожаров при обнаружении токов утечки и короткого замыкания в электрооборудовании с учетом надежности системы. Нет Построение уровня безопасности и уязвимости объекта Разрешено продление срока безопасного эксплуатирования Конец Сработало УЗО Да Нет Работоспособно с учетом прогнозированния Анализ эффективности мероприятий по обеспечению безопасности элементов защиты от возможных угроз Да Ремонт Отключить все нулевые рабочие проводники от выхода УЗО. Взвести УЗО Нет Нет Оперативные Да Сравнение параметров с нормативными Передача на АРМ диспетчера и на сервер да Да Сработало УЗО Да Эксплуатация электрических средств защиты Построение спектра рисков в случае возникновения аварийной ситуации Да Да Техническое состояние системы исправно нет Нет Соответствует нормативному Да Сравнение параметров с нормативными Нет Оборудование имеет контролируемые параметры Определение возможного ущерба при реализации каждой угрозы для каждого элемента защиты Анализ возможности перевода элементов в работоспособное состояние без проведения ремонта Нет Сбор данных сети Неисправность нестабильна. Если повторное отключение, замерить изоляцию сети и нагрузок. Да Отключить автоматические выключатели Природная среда Источники угроз Определение величины наработки на отказ Сработало УЗО СПВБ объекта Классификация угроз для каждого элемента Человеческий фактор Анализ параметров технического состояния объектов Проверка соответствия параметров технического состояния требованиям нормативной документации. Контроль сети КТУ Контроль сети УПП Нет Начало Вводной щит Iискр Исполнительный орган Блок измерения суммарного тока Rперех ЭО КОММ. ПОРТ Блок формирования команды R1 R2 ЭО Блок формирования ВЧ спектра ЭО Блок сравнения 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 6 7 9 5 8 11 10 12 Блок усиления Блок управления Блок накопления Блок питания Блок определения величины тока искрения РАСЦЕПЛЕНИЕ На АРМ Сеть Блок выпрямления 5 На защиту выносятся 1. Математическая модель экспериментального определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты. 2. Обобщенная структура и алгоритмы функционирования автоматизированной системы предотвращения предаварийных режимов работы электрооборудования на промышленных объектах, вызванных токами утечки и коротким замыканием. 3. Метод оценки надежности функционирования автоматизированной системы предотвращения пожаров на промышленных объектах при обнаружении токов утечки и короткого замыкания в электрооборудовании, с возможностью принятия решений по ремонту, замене и профилактическим мероприятиям элементов системы. 6 Анализ пожарной опасности промышленных объектов Динамика числа погибших за 10 лет в России. Динамика числа пожаров за период 10 лет в России. 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 250000 200000 150000 100000 50000 0 Гибель на пожарах, чел. Прямой материальный ущерб за 10 лет в России. На промышленных объектах Всего 20000000 15000000 10000000 Ежегодно в среднем в России происходит более 200 тысяч пожаров, каждый из которых причинил материальный ущерб на сумму более 40 тысяч рублей. 5000000 0 Ущерб отпожаров, тыс. рублей 7 Анализ состояния пожарной безопасности электрооборудования Пожары от электрооборудования на промышленных объектах за 10 лет в России. 123 1156 334 2153 229 2474 2874 2274 632 299 938 250000 Количество, ед. Диаграмма распределения числа пожаров от электротехнических изделий за 10 лет в России. 200000 150000 100000 50000 0 5655 108 Годы От электро-оборудования Всего 30911 Пожары от электрооборудования за 10 лет в России. За 10 лет в России число пожаров от электрооборудования составляет более 20 % от общего числа пожаров, а число пожаров от электрооборудования на промышленных объектах составляет более 35 % от общего числа пожаров на них. Количество, ед. 10000 5000 0 Годы От электро-оборудования 8 Схема экспериментальной установки испытания электрических аппаратов защиты электросети Принципиальная схема испытательной установки 1-электрощит, 2-реостат; 3-устройство защитного отключения; 4-автоматический выключатель; 5-амперметр; 6-вольтметр; 7-сопротивление (лампа); 8-термометр; L-фаза, N-ноль. N L Алгоритм испытания на экспериментальной установке Начало 1 Сбор показателей приборов 3 Да 8 А Проверка условия Ic < Iп 4 5 Нет Повторный сбор показателей приборов 7 V 2 Конец 6 Разработанная методика, позволяет экспериментальным путем определять наработку на отказ электрических аппаратов защиты. 9 Обработка полученных результатов Изменение температуры от времени испытаний Зависимость величины сопротивления сети в установке от времени испытаний 70 25 60 Сопротивлени сети, Ом 30 20 15 y = 18,94e0,0019x R² = 0,93 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 Время, 50 40 30 y = 19,01x0,21 R² = 0,91 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 Время, Зависимость напряжения сети от времени испытаний 230 Напряжение сети, В Температура, 0С 35 225 В ходе экспериментального исследования растет температура, увеличивается сопротивление сети, напряжение сети постоянно меняется. 220 215 210 205 200 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 Время, мин 10 Расчет наработки на отказ электрических аппаратов защиты I. Плотность распределения Х вычисляется по формуле: f (t ) e t II. Определяются середины интервалов и число отказов на каждом интервале αi. Определяется относительная частота fi 104. i где λ – параметр экспоненциального распределения. По полученным данным параметр λ вычисляется по формуле: fi N (t ) N (t ) i 1 . Определяется эмпирическая функция надежности на интервале: t (i) (n N (t )) Pt где N – количество отказавших изделий; N – количество подконтрольных ЭАЗ; τ – назначенный ресурс ЭАЗ; N (t ) i1 t (i) – сумма часов отказов ЭАЗ. III. Вычисляется средняя наработка на отказ (математическое ожидание): n t i n N t . n Определяется эмпирическая функция интенсивности отказов λ(t)i. t f i . i P(ti 1 ) Зависимость наработки на отказ от силы тока 450000 T t P (ti ). i 1 Вычисляется распределения: значение плотности f (ti ) e ti . С увеличением наработки на отказ вероятность Р того, что электрический аппарат защиты не сработает, увеличивается, т.е. Р стремится к максимуму (единице). Падение сопротивления сети ведет к возрастанию силы тока, а следовательно жизненный цикл электрических аппаратов защиты стремится к нулю. Наработка на отказ, час. n 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 0 10 20 30 40 Сила тока, А 11 Моделирование показателей эксплуатационной надежности электрических аппаратов защиты электросети I. Обобщенную наработку D электрических аппаратов защиты сети следует представить некоторым эмпирически обоснованным функционалом: D = F (T, L, W, C, S, R, K). в котором учитывается динамика основных эксплуатационных факторов: срок эксплуатации (T), параметры электрической сети такие, как напряжение сети (L), сила тока в электросети (W), сопротивление в электросети (C), электрический заряд протекающий, через электрический аппарат защиты (Q), температура при протекании электрического тока (S), а также климатические условия (R), с учетом условий эксплуатации (K). Полный дифференциал в пространстве основных переменных Т и Q имеет вид: dD = G (K, S)δT + N (R, W)δQ. где G (K, S) и N (R, W) представляют собой некоторые функции вышеуказанных дополнительных факторов. III. Из экспериментального определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты электросети было установлено, что срок эксплуатации электрических аппаратов защиты электросети зависит от силы тока, можно с хорошим приближением считать: и принять: II. Количество поломок за все время эксплуатации является некой монотонной интегральной функцией, имеющей экспоненциальный вид: Интенсивность отказов λ электрических аппаратов защиты как полная производная по времени от интегральной функции износа принимает вид: IV. При эксплуатации электрических аппаратов защиты электросети, имеющих близкие значения срока эксплуатации T при протекании электрического заряда через аппарат защиты, различие их общей наработки допустимо представить как: ∆D = G∆T + N∆Q, (∆D<<D). Проделав дополнительные приближения получили линейную относительность переменных T и q адитивно-мультипликативной функции вида: 12 Обобщенная структура автоматизированной системы предотвращения пожаров при обнаружении токов утечки и короткого замыкания Автоматизированная система предназначена для раннего обнаружения места возникновения тока утечки и короткого замыкания. Система осуществляет мониторинг пожарной опасности электрической сети промышленного объекта и условий функционирования электрических аппаратов защиты. 13 ЛИНИЯ Вводной щит Iискр Исполнительный орган Блок измерения суммарного тока K L1 (А) L L2 (В) K L L3 (С) НАГРУЗКА Алгоритм функционирования автоматизированной системы предотвращения пожаров при обнаружении токов утечки и короткого замыкания Rперех ЭО Блок формирования команды ЭО Блок формирования ВЧ спектра КОММ. ПОРТ ЭО Блок сравнения R1 R2 Блок усиления Блок управления Блок накопления Блок питания Блок определения величины тока искрения На АРМ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 5 4 8 6 7 9 11 10 12 Сеть Блок выпрямления РАСЦЕПЛЕНИЕ Осуществление контроля токов утечки в электрических сети осуществляется с использованием контроллера токов утечки (КТУ), а также устройства предотвращения пожара (УПП) при обнаружении неисправности типа «искрение» и «короткое замыкание». 14 Алгоритм мониторинга и определения регламента технического обслуживания Разработанный алгоритм оценивает необходимость ремонтных работ, замены, количество запасного оборудования и прогнозирует вероятность возникновения предаварийной ситуации. Предложена автоматизация определения обслуживания и ремонта электрических аппаратов защиты с учетом их фактического технического состояния. Предложен алгоритм проверки устройства защитного отключения, включающий проверку автоматических выключателей. 15 Экономическое обоснование внедрения системы Интегральный экономический эффект внедрения системы: Т 1 И / M П1 М П2 / / Р2 Р1 / ) K 2 K1 t 1 НД t 0 где М(П1) и М(П2) - расчетные годовые материальные потери в базовом и планируемом вариантах, руб/год; К1 и К2 - капитальные вложения на осуществление противопожарных мероприятий в базовом и планируемом вариантах, руб.; P2 и Р1 - эксплуатационные расходы в базовом и планируемом вариантах в t-м году, руб/год. В качестве расчетного периода T принимается либо срок службы здания, либо иной, более короткий обоснованный период. R J F CT Fпож (1 р1 ) ( р2 р1 ) где J – частота возникновения пожара на объекте 1/год; F – площадь объекта защиты, кв. м; СT – стоимость кв. м объекта защиты, руб; Fпож – площадь пожара, кв. м. Площадь промышленного объекта (F), м2. Математическое ожидание спасенного ущерба (R), руб. Стоимость монтажа системы (К), руб. Стоимость годового обслуживания (О), тысяч руб. 500 1000 1500 2000 200 000 350 000 500 000 650 000 500 000 1 000 000 1 500 000 2 000 000 50 000 100 000 150 000 200 000 16 Практическая значимость работы По результатам исследований автором опубликовано 17 работ, том числе 4 работы опубликованы в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России, получено 2 свидетельства Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ. Получено 4 акта о внедрении результатов диссертационной работы. 17 Апробация работы Результаты работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: 21 - 23 Международных научно-практических конференциях «Системы безопасности» международного форума информатизации (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012 – 2014 гг.); I - IV Научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012 – 2015 гг.); VI международной научно-практической конференции «Вопросы обеспечения комплексной безопасности деятельности в арктическом регионе» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2014 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, студентов и молодых ученых с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Воронеж, Воронежский институт ГПС МЧС России, 2015 г.); Научно-технических семинарах учебно-научного комплекса автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС России (2012 – 2015 гг.). 18 Основные научные результаты, выводы и предложения На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты: 1.Проведен анализ особенностей пожарной опасности промышленных предприятий. Анализ показал, что промышленные предприятия являются объектами повышенной опасности. Анализ пожарной опасности электрооборудования за последние 10 лет выявил, что число пожаров от электрооборудования составляет более 20 % от общего числа пожаров, а число пожаров от электрооборудования на промышленных объектах составляет более 35 % от общего числа пожаров на них. Основными причинами отказов электрических средств защиты являются: несрабатывание приводов, механические повреждения, износ дугогасительных камер, обгорание контактов, перекрытие изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях, а также влияние климатических условий. 2. Разработана методика экспериментального определения наработки на отказ электрических аппаратов защиты. Разработана принципиальная схема для проведения экспериментального исследования по определению фактических показателей безотказности, характеризующих эксплуатационную надежность электрических аппаратов защиты. Предложен алгоритм проведения испытаний на разработанной автором экспериментальной установке. Определен объем выборки (100 изделий) для проведения экспериментального исследования. Определены интервалы экспериментального исследования на основе форсированных испытаний наработки на отказ электрических аппаратов защиты. 3. Определены коэффициенты, влияющие на периодичность технического обслуживания электрических аппаратов защиты. Для реализации этой задачи использовано моделирование реализации случайной величины, которая распределена по показательному закону. Определена зависимость интенсивности отказов электрических аппаратов защиты от характеристик параметров электросети (силы тока, сопротивления электросети). Установлено, что с уменьшением сопротивления сети (ростом силы тока) интенсивность отказов увеличивается. Установлено, что с увеличением наработки на отказ вероятность того, что электрический аппарат защиты не сработает, увеличивается и стремится к максимуму (единице). 19 Основные научные результаты, выводы и предложения (продолжение) 4. Разработана система предотвращения и контроля токов утечки и короткого замыкания в электрической сети промышленного объекта. Предложен метод контроля предаварийного режима, вызванного токами утечки и типа "искрение" в электрической сети. Разработан алгоритм функционирования автоматизированной системы предотвращения предпожарных режимов электродвигателей при обнаружении токов утечки и короткого замыкания. Данный алгоритм осуществляет мониторинг пожарной опасности электрической сети предприятия, а также условия функционирования электрических аппаратов защиты. 5. Разработан алгоритм диагностики системы, находящейся в неисправном техническом состоянии. Данный алгоритм позволяет решить вопрос о работоспособности и исправности объектов системы, поиске в них неисправностей при проверке устройств и после их изготовления. 6. Разработаны алгоритм технического обслуживания электрических аппаратов защиты и ремонта с учетом фактического технического состояния электрической сети и алгоритм проверки устройства защитного отключения, включающий проверку автоматических выключателей. Данные алгоритмы основываются на проведении профилактических, восстановительных и диагностических работах через интервалы времени (наработки), определенные по фактическим показателям надежности, результатам предыдущих диагностических контролей, значениям параметров оценки работоспособного состояния данного вида оборудования с учетом их срока службы. 20 Академия Государственной противопожарной службы МЧС России Кафедра информационных технологий УНК АСИТ Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук «Модели и алгоритмы оценки надежности автоматизированных систем предотвращения пожаров в электрооборудовании промышленных объектов» Минеев Евгений Николаевич 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (отрасль – промышленность) Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Топольский Н.Г. Москва 2015 г. 21
