Ứng dụng lý thuyết thông tin trong chẩn đoán kỹ thuật hệ thống nhiên liệu của thiết bị động lực tàu thủy

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT THÔNG TIN TRONG CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CỦA THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY APPLICATION OF INFORMATION THEORY ON TECHNICAL DIAGNOSIS OF THE FUEL SYSTEM OF POWER EQUIQMENT Đào Hữu Ninh1, Trần Trung Sơn2 Ngày nhận bài: 02/6/2014; Ngày phản biện thông qua: 09/10/2014; Ngày duyệt đăng: 10/6/2015 TÓM TẮT Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứ u chẩn đoán kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu động cơ máy chính M503 trên tàu thủy bằng lý thuyết thông tin. Chẩn đoán kỹ thuật của hệ thống được thực hiện trên cơ sở sử lý mối quan hệ giữa thông số chẩn đoán và các hư hỏng của hệ thống. Việc kết hợp lý thuyết thông tin với lập trình Pascal cho phép xác định được các thông số tối ưu dùng để chẩn đoán kỹ thuật và đồng thời cũng cho phép dự báo hư hỏng của hệ thống. Từ khoá: Hệ thống nhiên liệu, chẩn đoán kỹ thuật, lý thuyết thông tin ABSTRACT This paper presents the research results of technical diagnosis of the fuel system on the main engine M503 by information theory. Technical diagnosis of the fuel system are made on the basis of processing the relationship between running parameters and system failures. The combination of information theory with Pascal programming allows to determine the optimal parameters for diagnostic techniques and also allow prediction of system failure at the same time. Key words: fuel system, technical diagnosis, information theory I. ĐẶT VẤN ĐỀ tính năng kỹ thuật diễn ra nhanh hơn so với các Ngày nay, trên thế giới chẩn đoán kỹ thuật đã động cơ tàu thủy chậm tốc khác. Việc xác định các được áp dụng rộng dãi trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt hư hỏng khi có sự cố diễn ra hoặc dự báo hư hỏng là trong chẩn đoán kỹ thuật động cơ đốt trong. Ở là hết sức khó khăn trên các loại tàu này. Thực tế Việt nam chẩn kỹ thuật mới chỉ dừng lại ở mức độ khai thác thời gian qua cho thấy xuất hiện rất nhiều dự báo hư hỏng mà chưa chỉ ra chính xác vị trí hư các hư hỏng xảy ra cho động cơ, làm ảnh hưởng hỏng cũng như nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của không nhỏ tới việc đảm bảo độ tin cậy, tính an toàn động cơ dốt trong. của hệ động lực tàu. Vì thế việc xác định nhanh Ở Việt Nam, Lực lượng tàu hải quân được chóng và chính xác các hư hỏng của hệ thống nhiên trang bị nhiều loại tàu thủy khác nhau. Trong đó có liệu trên tàu quân sự là hết sức quan trọng và cần các thế hệ tàu của Liên Xô sản xuất từ những năm thiết đối với người quản lý và người khai thác tàu. 1980. Do vậy trong quá trình khai thác động cơ và Chẩn đoán kỹ thuật của hệ thống nhiên liệu các hệ thống phục vụ tính năng kỹ thuật đã thay đổi động cơ máy chính tàu thủy bằng lý thuyết thông theo chiều hướng xấu đi. Quá trình thay đổi trạng tin có khả năng dự báo sự cố hoặc hư hỏng có thể thái kỹ thuật này có thể diễn ra một cách rất chậm xảy ra, phát hiện sớm các hỏng hóc và hiện tượng dưới những nguyên nhân tác động của tự nhiên, dẫn đến hỏng hóc cho phép loại trừ được các hỏng của người khai thác trong quá trình làm việc hóc trong quá trình đảm bảo kỹ thuật giúp cho việc Động cơ tàu thủy quân sự đa phần là các động nâng cao chất lượng của công tác định kỳ và bảo cơ cao tốc, công suất lớn cho nên sự thay đổi dưỡng kỹ thuật. 1 Đào Hữu Ninh: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2011 - Trường Đại học Nha Trang 2 TS. Trần Trung Sơn: Trường Sĩ quan Không quân Khánh Hòa 150 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chẩn đoán kỹ thuật hệ thống nhiên liệu của thiết bị động lực tàu thủy bằng lý thuyết thông tin. 2. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống nhiên liệu của động cơ chính M503 tàu thủy. Các thành phần của hệ thống: 1- Két tiêu thụ; 2- Van tay; 3- Phin lọc thô nhiên liệu bên ngoài máy; 4- Bơm sơ bộ dầu cháy; 5,7- Van kép; 6- Cơ cấu tắt máy khẩn cấp; 8- Bơm bánh răng; liệu; P- Cảm biến áp suất; 9- Két dự trữ dầu; 10- Bơm chuyển nhiên liệu; 11- Ống lọc tinh nhiên liệu trước khi nhiên liệu vào bơm cao áp;12-ống gom vòng chia; 13- Phin lọc tinh nhiên; 14- ống gom vòng thoát Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiên liệu động cơ 3. Phương pháp nghiên cứu máy chính tàu thủy [4] Thống kê hư hỏng, áp dụng lý thuyết thông tin vào chẩn đoán hư hỏng của hệ thống nhiên liệu động cơ máy chính trên tàu thủy quân sự. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1.Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống nhiên liệu máy chính Từ hình 1 có thể xây dựng được sơ đồ khối sau (hình 2): Hình 2. Sơ đồ khối TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 151 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 2. Thiết lập tập hợp các thông số đo thu nhận thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống. Bảng 1. Bảng các hư hỏng và các thông số chẩn đoán của hệ thống nhiên liệu máy chính M503 Các hư hỏng của hệ thống Các thông số chẩn đoán d1 Hết nhiên liệu trong két tiêu thụ f1 Mức dầu trong két tiêu thụ d2 Hỏng van chặn f2 Chênh áp trước và sau lọc thô d3 Hỏng van 1 chiều f3 Lưu lượng xả e hệ thống d4 Hỏng bơm sơ bộ f4 Lưu lượng qua van 1 chiều d5 Hỏng bơm thấp áp f5 Dòng điện điều khiển van tắt máy khẩn cấp d6 Hỏng van tắt máy khẩn cấp f6 Lưu lượng qua van tràn d7 Hỏng cơ cấu tự động thay đổi góc phun sớm nhiên liệu f7 Áp lực sau bơm thấp áp d8 Hỏng van tràn f8 Lưu lượng qua lọc tinh d9 Hỏng đường ống thấp áp f9 Áp lực trên đường ống cao áp d10 Hỏng hỏng vòi phun f10 Nhiệt độ khí cháy trong xy lanh d11 Hỏng bơm cao áp f11 Nhiệt độ khí xả trên ống xả d12 Hỏng bơm chuyển nhiên liệu f12 Thành phần khí xả d13 Nhiên liệu lẫn tạp chất f13 Tạp chất trong nhiên liệu d14 Hỏng điều tốc f14 Màu khí xả d15 Hỏng lọc thô f15 Lưu lượng trên đường dầu hồi d16 Hỏng lọc tinh f16 Áp suất khí cháy trong buồng đốt f17 Tốc độ động cơ Phương pháp chẩn đoán hư hỏng hệ thống bằng lý thuyết thông tin dựa trên sự phân tích bằng trạng thái, trong đó cột tương ứng với tất cả trạng thái có thể có, hàng tất cả các tham số dự đoán có thể, đặc trưng cho trạng thái này [5]. Nếu các tham số phản ánh trạng thái đã cho thì trong bảng có trị số là 1 còn nếu không phản ánh là 0. Giả thiết rằng hệ thống có tất cả n trạng thái lập nên nhóm sự kiện có xác suất bằng nhau (Pi=1/n) Trước khi chẩn đoán động cơ, độ bất định của hệ thống được xác định: n H(s) = Σ pilog2Pi = log2nm n = 1 n H(s) = Σ n = 1 pilog2pi = log2nm Kiểm tra lại mỗi một xi mang một thông tin xác định về trạng thái động cơ. I1(xj) = H(s) – H(s/xj) Giá trị H(s/xj) xác định như một tổng Entropi của 2 hệ con, đưa vào một trong các hệ con đó m trạng thái, các trạng thái đó làm thay đổi xj, còn trong hệ con khác đưa vào một trạng thái nó không làm thay đổi xj. Giá trị m là số con số 1, □ là số con con số 0 ở các hàng trong bảng tham số đã cho. Suy ra: m l H(s/x ) =  log m +  log l j n 2 n 2 m m l l I (x ) = -  log  +  log  1 j ( n 2 n n 2 n ) Áp dụng tính cho bảng thông số chẩn đoán sau: 152 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 Bảng 2. Các hư hỏng và các thông số chẩn đoán hư hỏng của hệ thống nhiên liệu động cơ chính trên tàu thủy quân sự Các thông số Các thông số hư hỏng chẩn đoán d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13 d14 d15 d16 f1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 f2 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 f3 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 f4 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 f5 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f6 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 f7 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 f8 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 f9 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 f10 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 f11 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 f12 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 f13 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 f14 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 f15 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 f16 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 f17 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 Để sử số liệu bảng trên theo lý thuyết thông tin có thể sử dụng phần mền tính toán bằng Pascal hoặc Matlab. Hình 3. Sơ đồ thuật toán chuẩn đoán theo lý thuyết thông tin Sau khi lập trình Pascal, chương trình tính toán cho ra bảng số liệu kết quả sau: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 153 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 Bảng 3. Bảng kết quả sử lý số liệu lần 1 Từ bảng 3 chọn được I(f2)max = 1.000 ra dùng để chẩn đoán Để tính giá trị thông tin của mỗi một tham số kể từ bảng 2 trở đi sử dụng biểu thức; [6] L m +  l  m   m   l  l I2(xj) = - Σ log2 + log2 i = 1 n ( m + l m + l m + l m + l ) Ở đây: i-số của nhóm; m- Số số 1 trong nhóm; □ - Số số 0 trong nhóm Bảng 4. Bảng kết quả sử lý số liệu tính toán lần 2 của hệ thống nhiên liệu Các T.số Số thông tin Các thông số hư hỏng di chẩn đoán trong các fi fi 3 5 6 9 11 13 15 16 4 10 2 12 1 14 7 8 I (fi) 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0.954 3 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0.977 4 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0.883 5 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.272 6 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0.954 7 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0.477 8 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0.677 9 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0.883 10 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0.406 11 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0.677 12 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0.749 13 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0.906 14 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0.883 15 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0.811 16 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0.677 17 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0.404 Việc tính toán các bảng tiếp theo làm tương tự cho đến khi độ bất định của hệ thống đảm bảo lượng thông tin: H(s) = I(f1)+I(f2)+I(f3)+I(f9)+I(f13)+I(f15) = 1.000 + 0.977 + 0.851 + 0.422 +0.375 + 0.375 = log216 = 4.000 Như vậy qua quá trình tính toán từ 17 thông số ban đầu chọn được 6 thông số tối ưu nhất dùng để chẩn đoán là: f1: Mức dầu trong két tiêu thụ; f2: Chênh áp trước và sau lọc thô f3: Lưu lượng xả e hệ thống; f9: Áp lực trên đường ống cao áp f13: Tạp chất trong nhiên liệu; f15: Lưu lượng trên đường dầu hồi 154 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 Các tham số này đã chứa đựng toàn bộ thông tin về trạng thái cũng như xác định hư hỏng của hệ thống. Sau khi chạy chương trình tính ta chọn được 6 thông số lập thành bảng sau: Bảng 5. Bảng thông số tối ưu dùng để chẩn đoán hư hỏng của hệ thống nhiên liệu máy chính M503 di d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 d11 d12 d13 d14 d15 d16 fi f1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 f2 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 f3 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 f9 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 f13 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 f15 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 Người khai thác sẽ dùng bảng này để chẩn liên quan đến hàng loạt các yếu tố và liên quan đến đoán kỹ thuật của hệ thống khi động cơ đang làm cả các hệ thống khác. Vì vậy xây dựng bảng chẩn việc. Giả sử khi động cơ đang làm việc 6 thông số đoán không thể hoàn toàn chính xác, điều này ảnh cho tín hiệu như trên bảng 5 ta thấy cột d9 có phản hưởng đến kết quả chẩn đoán; nghiên cứu này mới ánh với cả 6 thông số nên hư hỏng đường ống thấp chỉ xác định hư hỏng cho hệ thống nhiên liệu của áp đang sảy ra. Từ đó người khai thác phải nhanh động cơ chính, chưa đề cập đến các cơ cấu, hệ chóng khắc phục hư hỏng đường ống thấp áp để thống khác cũng như các động cơ khác. đưa động cơ trở lại làm việc. Mặt khác tại cột 13 có phản ánh với 5 thông số nên lượng tạp chất có 2. Kiến nghị trong nhiên liệu cao, cần tiến hành lọc để tránh sự - Đề nghị tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện phương cố cho động cơ. pháp chẩn đoán kỹ thuật bằng lý thuyết thông tin. - Đề nghị ứng dụng phương pháp này để chẩn IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ đoán tình trạng kỹ thuật cho các hệ thống còn lại 1. Kết quả đạt được và hạn chế của trên tàu thủy (hệ thống bôi trơn, hệ thống làm 1.1. Kết quả đạt được mát, hệ thống khởi động,...) cũng như các trang - Xây dựng được thuật toán xử lý thông tin trạng thiết bị khác. thái làm việc của Hệ thống nhiên liệu máy M503 trên - Các đơn vị tàu, cơ quan quản lý kỹ thuật các tàu thủy quân sự; cấp cần thống kê đầy đủ các hư hỏng của trang bị - Xây dựng được phần mềm chẩn đoán kỹ thuật kỹ thuật để việc chẩn đoán được chính xác hơn. Hệ thống nhiên liệu máy M503. - Kết quả nghiên cứu này cũng có thể áp dụng 1.2. Hạn chế để chẩn đoán hư hỏng hệ thống và động cơ trên các Số liệu thống kê hư hỏng của hệ thống chưa tàu thủy vận tải. Do vậy đề nghị áp dụng để nâng thật đầy đủ; chẩn đoán bằng phương pháp này cao độ tin cậy cho hệ thống tàu vận tải. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Bình, Trần Thông Quế, Cơ sở lý thuyết truyền tin, Học viện Kỹ thuật Quân sự - 1985. 2. Nguyễn Bình, Trương Nhữ Tuyên, Phạm Đạo. Bài giảng lý thuyết thông tin, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông - 2000. 3. Hoàng Đình Cường, Khai thác động cơ đốt trong tàu chiến; Tài liệu dịch từ Tiếng Nga, Trường sĩ quan CH-KT Hải quân năm 1987. 4. Nguyễn Trung Hải, Thuyết minh kỹ thuật động cơ diesel M503, Học viện Hải quân - 2009 Tếng Nga 5. Mikhaiin Peterrop,Теория информации и статистика вероятности, издатели науки и техники Mockba - 1981. 6. H. H. Cirochin, U.M.Korôpkin, Техническая диагностика турбины, машина издатель Mockba - 1979. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 155