Systemskiss.pdf. Diagnos av elkraftsystem

Systemskiss Diagnos av elkraftsystem i satellit Version 1.0 Ansvarig utgivare: Karin Ohlsson-O hman Datum: 27 september 2010 Status Granskad Godka nd Kursnamn: Projektgrupp: Kurskod: Projekt: EF EF Reglerteknisk projektkurs, CDIO TSRT10 Diagnos av elkraftsystem 2010-09-24 2010-09-24 E-post: Ansvarig utgivare: Utgivarens E-post: Dokumentnamn: Karin Ohlsson-O hman karoh885@student.liu.se Systemskiss.pdf

Projektidentitet Gruppens E-post: Hemsida: Beställare: Kursansvarig: Projektledare: Handledare: Erik Frisk, Linköpings Universitet Tel: +46 (0)13-285714, E-post: frisk@isy.liu.se David Törnqvist, Linköpings Universitet Tel: +46 (0)13-281882, E-post: tornqvist@isy.liu.se Karin Ohlsson-Öhman Daniel Eriksson, Linköpings Universitet Tel: +46 (0)13-28 1327, E-post: daner@isy.liu.se Gruppmedlemmar Namn Ansvarsområde Telefon E-post (@student.liu.se) Karin Ohlsson-Öhman Projektledare 070 8574863 karoh885 Emma Andersson Testansvarig 070 3908021 emman332 Kurt Källkvist Dokumentansvarig 070 4181897 kurka837 Fredrik Johansson Designansvarig 070 4547182 frejo674 Martin Kågebjer Övriga 070 2849955 marka103 Sandra Alfredsson Övriga 070 2432807 sanal785

Dokumenthistorik Version Datum Utförda Ändringar Utförda av Granskad 0.1 22 sep 2010 Första utkastet alla FJ, SA 1.0 24 sep 2010 Första skarpa versionen KOÖ EF, DE

Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Bakgrund............................................. 1 1.2 Mål................................................ 1 1.3 Definitioner............................................ 1 2 System 2 3 Modellering 3 3.1 Batterier.............................................. 3 3.2 Reläer............................................... 3 3.3 Inverterare............................................ 4 3.4 Sensorer.............................................. 4 3.4.1 Spänningssensorer.................................... 4 3.4.2 Strömtransmittorer.................................... 4 3.4.3 Positionssensorer..................................... 5 3.4.4 Temperatursensorer................................... 5 3.4.5 Flödestransmittorer................................... 5 3.4.6 Hastighetstransmittorer................................. 6 3.5 Laster............................................... 6 4 Diagnosalgoritm 7 4.1 Teststorheter........................................... 7 4.2 Trösklar.............................................. 7 4.3 Detekterbarhet.......................................... 7 4.4 Isolerbarhet............................................ 7 4.5 Robusthet............................................. 7 4.6 Beslutsstrukturer......................................... 8 4.7 Optimeringsalgoritm....................................... 8 5 DxC 8 5.1 Mjukvarubeskrivning....................................... 8 5.2 Kodstrukur............................................ 9

Diagnos av elkraftsystem 1 1 Inledning Detta dokument är en systemskiss för diagnossystemet som kommer att utvecklas i projektet Diagnos av elkraftsystem i satellit. Systemskissen är en grov beskrivning av hur arbetet med framtagandet av diagnossystemet kommer att gå till och innehåller även grova beskrivningar av hur modeller kommer att tas fram samt utformningen av mjukvaran. 1.1 Bakgrund NASA är intresserade av att undersöka olika sätt att detektera fel som inträffat i de system de skickar ut i rymden. Det är till stora nytta för dem att veta vad som är fel och hur det eventuellt kan åtgärdas innan de skickar ut någon i rymden för att åtgärda felet eller tar systemet ur drift. Att snabbt kunna identifiera ett fel och vidta åtgärder såsom nedstängning av funktioner kan i vissa fall dessutom förhindra att följdfel uppstår. Tävlingen DxC10 är den andra upplagan av tävlingen. Tävlingen är indelad i olika klasser; Synthetic Track och Industrial Track. Industrial Track-utmaningen är vidare indelad i två klasser, Diagnostics Problem 1 och 2. Vårt projekt antar utmaningen i klassen Industrial Track Diagnostics Problem 2. Tävlingsdeltagarna förväntas leverera en artikel samt en diagnosalgoritm som sedan testas mot DxC-mjukvaran. 1.2 Mål Projektets huvudmål är att skapa en så bra diagnosalgoritm som möjligt utifrån de bedömningskriterier som ställs för DxC under aktuella förutsättningar. Det innebär främst att algoritmen ska få en så låg poäng som möjligt från DxC-mjukvaran vid utvärdering med tillgängliga testscenarier. Vidare ska de fel som bedömts vara detekterbara detekteras och de som dessutom bedömts vara isolerbara isoleras av systemet i enlighet med kravspecifikationen [Ohlsson-Öhman, 2010]. 1.3 Definitioner DxC - Diagnostics Competition, en tävling med syfte att främja forskning inom diagnos av komplexa system utlyst av NASA och PARC (Palo Alto Research Center). ADAPT - Advanced Diagnostics and Prognostics Testbed, ett system NASA använder för att enkelt kunna utvärdera diagnosalgoritmer och verktyg under kontrollerade förhållanden. Systemet är uppbyggt för att efterlikna ett typiskt elkraftsystem i en satellit med olika laster, energikällor, omkopplare, omvandlare och sensorer. DA - Diagnosalgoritm, projektets produkt avsedd att diagnostisera ADAPT-systemet. DxC-mjukvara - Mjukvarupaket tillhandahållet av tävlingsarrangörerna som används för att utvärdera DA. DxC-API - Application Programming Interface, en uppsättning definitioner och funktioner för att kommunicera med DxC-mjukvaran.

Diagnos av elkraftsystem 2 2 System ADAPT-systemet består i huvudsak av tre stycken batterimoduler som förser systemet med elektricitet och två stycken lastbankar som består av lampor, pumpar och fläktar. Eftersom de flesta komponenterna går på växelström och batterimodulerna levererar likström finns två stycken inverterare som omvandlar 24V likström till 120V växelström på 60Hz. För att kunna styra vilka delar av systemet som ska köras finns ett antal styrbara reläer. I ADAPT-systemet finns även sensorer som kan mäta till exempel ström, spänning, flöde från pumparna, rotationshastighet på fläktarna, temperatur (mäts på batterierna och vissa av lamporna) och om reläerna är slutna eller öppna. Ett kretsschema över systemet visas i Figur 1. Figur 1: Kretsschema för ADAPT-systemet

Diagnos av elkraftsystem 3 3 Modellering Eftersom diagnossystemet kommer vara modellbaserat krävs det att modeller för komponenterna i ADAPT-systemet tas fram. Varje modell kommer att valideras mot testdata från NASA förutsatt att tillräckligt med data finns tillgängligt. 3.1 Batterier ADAPT-systemet består av tre stycken batterimoduler. Varje modul består av två stycken seriekopplade 12V batterier. BAT1 och BAT2 i kopplingsschemat är helt identiska och består av två stycken 100 Amp-hr Powersonic PS-121000U-batterier medan BAT3 består av två stycken 50 Amp-hr Exide Select Orbital ORB78DT-84. Alla batterimoduler har dock samma moder, vilket visas i Tabell 1. Då inga ideala spänningskällor existerar kan det vara nödvändigt att ta med batteriernas inre resistans i modelleringen av systemet. Om spänningen över batteriet utan last är V 0 och om en last med resistans R kopplas till batteriet fås följande ekvation: V 0 = (R 0 + R) I, där R 0 är batteriets inre resistans och I strömmen som flyter genom kretsen. Spänningsfallet över resistansen R blir alltså V R = R I = R spänningskälla är R 0 = 0 vilket ger V R = V 0. V 0 (R 0+R). För en ideal Den inre resistansen kan variera mycket beroende på omgivningstemperaturen. Av denna anledning kan en modell för denna behöva göras. Dessutom finns det i ADAPT-systemet temperatursensorer för att övervaka batteriets temperatur. För att lösa problemet med att modellera batteriets temperatur kan antingen en fysikalisk modell eller Black-Box modell göras om tillräckligt med mätdata finns. Önskad spänning Tabell 1: Moder för batterierna Given spänning Mod 24V 24V Nominal 24V - AbruptParasiticLoad 3.2 Reläer Tjugofyra stycken likadana reläer finns i ADAPT-systemet. De har alla samma moder, vilka ges av Tabell 2. En styrsignal kan sluta eller öppna reläet förutsatt att det fungerar felfritt. Då reläet är slutet kommer en ström att flyta genom kretsen och reläet kan betraktas som en resistansfri ledning. Om reläet är öppet kommer ingen ström att flyta genom reläet och det kan då betraktas som ett avbrott. Spänningen över reläet, U relä, är noll om reläet är slutet och nollskilt om reläet är öppet. Önskad position Tabell 2: Moder för reläerna Verklig position Mod Stängd Stängd NominalClosed Öppen Öppen NominalOpen - Öppen StuckOpen - Stängd StuckClosed

Diagnos av elkraftsystem 4 3.3 Inverterare I ADAPT-systemet finns två stycken likadana inverterare av typen Xantrex Prosine 1000, Part No. 806-1051, som omvandlar DC till AC-ström. Spänningen in till inverterarna är mellan 20-32 V (DC). Spänningen ut är 120 V (AC) (±3 procent), uteffekten är 1000 Watt och frekvensen är 60 Hz (±0.05 Hz) [Xantrex Technology Inc.]. Inverterarna har tre olika moder, vilka ges av Tabell 3. U in definieras som spänningen in till inverteraren. U ut är spänningen ut från inverteraren och I ut är strömmen ut från inverteraren. Tabell 3: Moder för inverterarna U in > 20V U ut > 116V I ut > 0 Mod ja ja - NominalOn nej nej nej NominalOff ja nej nej FailedOff När U in och U ut är större än specifika värden fungerar inverteraren som den ska och är i läge NominalOn. När både U in och U ut är små är inverteraren avstängd och är i läge NominalOff. Om U in är högt men U ut lågt fungerar inte inverteraren utan är i läge FailedOff. I de båda senare lägena är strömmen efter inverteraren noll. Utifrån detta kan följande modell ställas upp för inverterarna: U ut = H(U in 20) 120 där H är Heavisidefunktionen. Alltså: om U in är mindre än 20 V blir U ut = 0. Om U in är större än 20 V ska U ut bli 120 V. 3.4 Sensorer ADAPT-systemet innehåller en mängd olika sensorer för att kunna övervaka systemet. Sammanlagt finns 40 sensorer bestående av AC/DC-spänningssensorer, AC/DC-strömtransmittorer, possitionssensorer, temperatursensorer, flödestransmittorer och hastighetstransmittorer. 3.4.1 Spänningssensorer I ADAPT-systemet finns sju sensorer som mäter likspänning (DC) och två som mäter växelspänning (AC). Spänningssensorerna som mäter likspänning har en samplingsfrekvens på antingen 2 Hz eller 10 Hz. Båda AC-sensorerna samplas med 2 Hz. Moderna för båda typerna av sensorer visas i Tabell 4 där U s är det mätvärde sensorn har fastnat på. Tabell 4: Moder för spänningssensorerna, d är en konstant Sensorvärde Verkligt värde Mod U U Nominal U + d U Offset U s U Stuck 3.4.2 Strömtransmittorer I ADAPT-systemet finns även sju sensorer för att mäta strömmen i olika delar av kretsen, fem stycken för likström och två stycken för växelström. Likströmstransmittorerna samplas med 2 Hz eller 10 Hz och har mätområden mellan 0 12.5 A eller 0 50 A. Växelströmstransmittorerna samplas med 2 Hz och har ett mätområde mellan 0 12.5 A.

Diagnos av elkraftsystem 5 Moderna för båda typerna av sensorer visas i Tabell 5 där I s är det mätvärde sensorn har fastnat på. Tabell 5: Moder för strömtransmittorerna, d är en konstant Sensorvärde Verkligt värde Mod I I Nominal I + d I Offset I s I Stuck 3.4.3 Positionssensorer Två olika typer av positionssensorer förekommer i ADAPT-systemet. Dessa används för att mäta om antingen brytare eller reläer är öppna eller stängda. Båda typerna av sensorer samplas med 10 Hz och har datatypen boolesk. Moderna för positionssensorer visas i Tabell 6. Tabell 6: Moder för positionssensorerna Sensorvärde Verklig värde Mod Öppen Öppen Nominal, Stuck(Open) Stängd Stängd Nominal, Stuck(Closed) Öppen Stängd Stuck(Open) Stängd Öppen Stuck(Closed) 3.4.4 Temperatursensorer För att övervaka temperaturen på olika komponenter i ADAPT-systemet finns det totalt elva temperatursensorer. Alla temperatursensorer har samma samplingsfrekvens, 1 Hz och ett mätområde mellan -320 520 F. Moderna för temperatursensorer visas i Tabell 7 där T s är det mätvärde sensorn har fastnat på. Tabell 7: Moder för temperatursensorerna, d är en konstant Sensorvärde Verkligt värde Mod T T Nominal T + d T Offset T s T Stuck 3.4.5 Flödestransmittorer För att kunna mäta flödet från ADAPT-systemets två vattenpumpar finns två stycken flödestransmittorer. Flödestransmittorerna samplas med 2 Hz och har ett mätområde mellan 0 600 GPH (gallons per hour). Moderna för flödestransmittorerna visas i Tabell 8 där Φ s är det mätvärde sensorn har fastnat på.

Diagnos av elkraftsystem 6 Tabell 8: Moder för flödestransmittorerna, d är en konstant Sensorvärde Verkligt värde Mod Φ Φ Nominal Φ + d Φ Offset Φ s Φ Stuck 3.4.6 Hastighetstransmittorer För att mäta rotationshastigheten på de stora fläktarna finns det två stycken hastighetstransmittorer i ADAPT-systemet. Hastighetstransmittorernna samplas med 2 Hz och har ett mätområde mellan 0 600 000 varv per minut. Moderna för hastighetstransmittorerna visas i Tabell 9 där N s är det mätvärde sensorn har fastnat på. Tabell 9: Moder för hastighetstransmittorerna, d är en konstant Sensorvärde Verkligt värde Mod N N Nominal N + d N Offset N s N Stuck 3.5 Laster Lasterna i ADAPT-systemet består av små fläktar, stora fläktar, lampor, vattenpumpar, kretsbrytare och DC-resistorer. Genom att känna lasternas nominella effekter (eller resistanser i fallet med DC-resistorer) kan lasterna modelleras med P = U I, eller U = R I där I är strömmen genom lasten, U är spänningen över lasten, R är lastens resistans och P är effekten. Två stora fläktar (LargeFan) med nominella effekten 120 Watt finns, en i varje lastbank. Moderna för de stora fläktarna är Nominal, Overspeed, Underspeed och FailedOff. En liten fläkt, SmallFan, med nominella effekten 30 Watt finns. Moderna är Nominal och FailedOff. Fläktarna modelleras genom att anta att rotationshastigheten är proportionell mot strömmen enligt: K ω = I, där K är en konstant. Systemet innehåller sex stycken lampor med nominella effekten 25 Watt, tre stycken med effekten 60 Watt och en med effekten 55 Watt. Moderna för samtliga lampor är Nominal och FailedOff. Två likadana vattenpumpar med nominella effekten 35 Watt finns i ADAPT-systemet. Deras moder är Nominal, FlowRestricted och FailedOff. Pumparna modelleras genom att anta att flödet är proportionellt mot effekten: F lödet = C P, där C är en konstant och P är effekten. Två typer av kretsbrytare finns, varav den ena går att reglera med önskemål om position. De moder som är gemensamma för alla brytare är Nominal, Tripped och FailedOpen. För de reglerbara brytarna tillkommer moden StuckClosed. Kretsbrytarna är dessutom olika sinsemellan beroende på amperetal. De reglerbara kretsbrytarnas moder ges i Tabell 10. Sluten brytare = på, öppen brytare = av. Brytarna har en viss resistans när de är slutna. Två likadana DC-resistorer med nominell resistans 12 Ohm finns. Dessa har moderna Nominal och FailedOff.

Diagnos av elkraftsystem 7 Tabell 10: Moder för kretsbrytare Önskad position Verklig position Mod Sluten Sluten Nominal Öppen Öppen Tripped Sluten Öppen FailedOpen Öppen Sluten StuckClosed 4 Diagnosalgoritm Diagnosalgoritmen kommer, utifrån mätvärden och modeller för de ingående delkomponenterna i elkraftsystemet, att detektera och isolera fel då detta är möjligt. En avvägning kommer att göras så att sannolikheten för att detektera fel är så stor som möjligt, samtidigt som sannolikheten för falsklarm är liten. Dessutom kommer algoritmens robusthet att analyseras och i mån av tid kommer en optimeringsalgoritm implementeras. 4.1 Teststorheter För att testa om något fel har uppstått i elkraftsystemet används mätvärden och modeller för de olika komponenterna. Samma storhet i systemet räknas ut på två olika sätt. Det kan exempelvis vara två olika mätningar som via olika modeller beskriver samma fysikaliska storhet. Teststorheten T kommer typiskt vara en konsistensrelation som utgör skillnaden mellan dessa, som då får värdet T = 0 i felfritt läge om modellerna är korrekta. 4.2 Trösklar På grund av att mätningar alltid är brusiga jämförs varje teststorhet T med en tröskel J. Om teststorhetens värde överskrider tröskeln dras slutsatsen att ett fel har uppstått. Om tröskeln väljs till ett för litet värde finns risken att diagnossystemet detekterar falska fel på grund av mätbruset. Väljs tröskeln istället för hög finns risken att fel inte detekteras alls. Trösklarna väljs som en rimlig avvägning mellan sannolikheten för att detektera ett fel och sannolikheten för falsklarm. 4.3 Detekterbarhet Allteftersom modeller för de olika komponenterna tas fram kommer dessa analyseras för att avgöra vilka fel som är detekterbara. 4.4 Isolerbarhet Isolerbarheten kommer att analyseras utifrån de teststorheter som skapas. Isolerbarhetsanalysen kommer att illustreras med en isolerbarhetsmatris. 4.5 Robusthet Algoritmens robusthet kommer analyseras för att avgöra hur känslig den är för störningar utifrån referenstillståndet. Dessa störningar skulle till exempel kunna vara förändrad omgivningstemperatur eller slitage av komponenter.

Diagnos av elkraftsystem 8 4.6 Beslutsstrukturer För att kunna bestämma vilka av felmoderna som kan förklara ett larm behövs kunskap om vilka olika fel varje given teststorhet reagerar på. Utifrån denna kunskap kan tänkbara felmoder bestämmas med hjälp av logik. Diagnossystemet kommer i första hand sluta sig till de mer sannolika diagnoserna. Eftersom enkelfel är betydligt mer sannolika än multipelfel kommer systemet i första hand rikta in sig på enkelfel. 4.7 Optimeringsalgoritm I mån av tid kommer även en optimeringsalgoritm implementeras för att åstadkomma optimala värden på diagnossystemets parametrar. Med optimal menas här att poängen för systemet vid utvärdering med hjälp av DxC-mjukvaran minimeras. Parametrarna kan innefatta till exempel förstärkningar och trösklar. 5 DxC DxC-mjukvaran används för att utvärdera en diagnosalgoritm (DA). 5.1 Mjukvarubeskrivning Scenario Loader Laddar data source, diagnosis algorithm, recorder and oracle Förfrågan Skickar sensordata och kommandonsekvens Diagnosis Algorithm Oracle Scenario Data Source Skickar diagnos Åtgärdsinformation Skickar information om injicerade fel Scenario Recorder Utdata Scenario Results Behandlas av Evaluator Figur 2: Systemöversikt av DxC-mjukvaran Startpunkten i DxC-mjukvaran [Kurtoglu et al., 2010] är Scenario Loader, se Figur 2. Den ansvarar för att starta övriga moduler samt rensa upp efter avslutad körning.

Diagnos av elkraftsystem 9 Scenario Data Source-modulen levererar data i form av kommandosekvenser och sensordata till DA samt information om injicerade fel till Scenario Recorder-modulen. Scenario Recorder-modulen tar hand om information om injicerade fel samt diagnosinformationen från DA och sparar informationen tillsammans med tidsstämplar i en fil för vidare utvärdering. Oracle-modulen tar hand om förfrågningar från DA genom att antingen returnera billigaste responsen till en given diagnos eller returnera kostnaden för en given kombination av diagnos och respons. Diagnosalgoritmen består av en exekverbar fil som tar emot sensor- och kommandodata, analyserar den och skickar en diagnos till Scenario Recorder-modulen. Evaluator-modulen analyserar datafilen från Scenario Recorder och poängsätter DA utifrån en mängd prestandamått. 5.2 Kodstrukur Gränssnittet mellan DxC-mjukvaran och DA kommer att hanteras med hjälp av DxC- API. Det innehåller nödvändiga protokoll, datatyper och vissa funktioner för att ta emot data från Scenario Data Source, samt för att skicka diagnoser till Scenario Recorder. DxC-mjukvaran levereras dessutom med exempelfiler som visar några av grunderna vid användning av DxC-API.

Diagnos av elkraftsystem 10 Referenser T. Kurtoglu, S. Narasimhan, S. Poll, D. Garcia, L. Kuhn, J. de Kleer, and A. Feldman. Second international diagnostic competition (dxc 10). http://www.phmsociety.org/ sites/phmsociety.org/files/wp10-dxc.pdf, Maj 2010. hämtad: 2010-09-20. K. Ohlsson-Öhman. Kravspecifikation diagnos av elkraftsystem i satellit. September 2010. Xantrex Technology Inc. Prosine 1000/1800. http://www.go2mhz.com/specimages/ Statpower/Prosine%201000%20and%201800%20revA.PDF, 2003. hämtad: 2010-09-15.