2. BADANIA STANU DEGRADACJI MASZYN
2.3. Eksperymenty diagnostyczne
2.3. EKSPERYMENTY DIAGNOSTYCZNE
Celem badań diagnostycznych jest określenie stanu degradacji maszyny (jakości pro-cesu) w chwili uznanej za ważną, przez porównanie stanu rzeczywistego (chwilowego) ze stanem wzorcowym. Każdy stan maszyny może być wyrażony przez zbiór wartości liczbo-wych charakteryzujących jego strukturę oraz intensywność procesów zachodzących podczas funkcjonowania maszyny. Stan maszyny jest zatem określany zbiorem wartości liczbowych zmiennych opisujących maszynę w chwili badania diagnostycznego [11,43].
Własności losowe procesów wytwarzania, kontroli i eksploatacji oraz złożoność maszyn powodują, że bezpośrednie przewidywanie relacji między cechami sygnałów diagnostycznych i cechami stanu maszyny jest utrudnione. Cecha obiektu jest to wiel-kość fizyczna, charakteryzująca go ze względu na działanie zgodne z przeznaczeniem.
Wśród cech obiektu wyróżnić można:
• cechy funkcjonalne – za pomocą których określa się zadania (funkcje) obiektu lub sprawdza jakość (stopień) wykonywania tych zadań; ich spis zawarty jest zwykle w wymaganiach technicznych,
• cechy konstrukcyjne – opisujące obiekt lub jego elementy ze względu na zasadę pracy, sposób współdziałania elementów lub ich wykonanie; przedstawia się je czę-sto w postaci rysunku technicznego,
• cechy obsługowe – których wartość może być zmieniana w czasie obsługiwania (np. przez regulacje, zabiegi konserwacyjne itp),
• cechy diagnostyczne – kontrolowane w czasie działań diagnostycznych; przy pomocy tych cech opisuje się zazwyczaj stany obiektu; dlatego nazywane są też cechami stanu.
Dla ustalenia jednolitej terminologii badań diagnostycznych przyjmuje się dalej następujące określenia:
a) cecha stanu, związana z właściwością maszyny wielkość fizyczna posiadająca mia-rę, wzorzec i poziom odniesienia, jednoznacznie opisująca wartość składowej wek-tora chwilowego stanu maszyny,
b) parametr diagnostyczny, związany zawsze z obserwowalnym opisem obiektu diagnozowanego za pomocą sygnałów (procesów) diagnostycznych, określający po-średnio wartości cech stanu obiektu,
c) symptom diagnostyczny, to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału, odwzo-rowująca określony typ uszkodzenia.
Stan techniczny obiektu można określać obserwując funkcjonowanie obiektu, tzn.
jego wyjście główne przekształconej energii (lub produktu) oraz wyjście dyssypacyjne, gdzie obserwuje się różnego typu procesy resztkowe (termiczne, wibracyjne, akustycz-ne, elektromagnetyczne)
Znalezienie zadawalającego opisu modelu jest zazwyczaj utrudnione, gdyż nie wszystkie wielkości charakteryzujące model są znane, dostępne i mierzalne. Sygnały wyjściowe są bezpośrednio mierzalne i są związane ze zmiennymi stanu, sterowaniami, a także z zakłóceniami.
66
Budowa efektywnych modeli diagnostycznych dla wielowymiarowych obiektów złożonych, do których zaliczane są maszyny, objętych sprzężeniami zwrotnymi napoty-ka na duże trudności. Główne powody tego są następujące: zmienne warunki pracy maszyny; maskowanie informacji diagnostycznej; trudności wprowadzenia określonych stanów zużycia lub stopnia uszkodzenia elementów; nieznajomość torów rozprzestrze-niania się sygnałów diagnostycznych od miejsc uszkodzeń do punktów odbioru w zło-żonym obiekcie; inne.
W ostatnich latach nastąpił szczególny rozwój metodyki badań doświadczalnych, zwanej teorią eksperymentu. Złożoność obiektów zmusza do przeprowadzania do-świadczeń obejmujących coraz to większą liczbę badanych wielkości. Występują przy tym trzy istotne fakty, które spowodowały powstanie teorii eksperymentu [1,14,26,43]:
– po pierwsze: liczba kombinacji wartości czynników badanych przekracza praktycz-nie możliwości realizacji doświadczeń,
– po drugie: nie wszystkie czynniki mogą być badane oddzielnie, gdyż wpływ jedne-go czynnika na wynik badania zależy często od wartości innejedne-go czynnika dotych-czas z różnych przyczyn nie uwzględnianego w realizowanym doświadczeniu, – po trzecie: istnieją czynniki, których wartości nie można ustalić na stałym
pozio-mie, a nawet są czynniki w ogóle niemierzalne lub po prostu nie znane, które jednak wpływają na wynik doświadczenia.
W naukach empirycznych tworzenie wartościowych informacji poznawczych jest zawsze uzależnione od sposobu przeprowadzenia badań empirycznych, mających na celu zebranie odpowiednich wyników pomiarów lub weryfikację sformułowanych hipo-tez i założeń badawczych.
Wśród badań empirycznych rozróżnia się (rys. 2.14):
• obserwacje,
• doświadczenia,
• eksperymenty.
Obserwacje mają miejsce wtedy, gdy badacz B lub system badający B może tylko odbierać sygnały pochodzące z systemu badanego S i nie wywiera na ten system żadnego wpływu. Zrozumienie odbieranych sygnałów przez badającego B dostarcza mu informacji o źródle sygnałów. Na rysunku 2.14 A przedstawiono schemat badania empirycznego.
Badany system S zawiera wartościowe dla badającego B informacje zawarte w zbiorach Is1 oraz Is2. Na skutek niedoskonałości aparatury pomiarowej, ułomności badają-cego lub innych losowo-uzależnionych przyczyn, co ilustruje filtr F1, system B otrzymuje tylko pewien podzbiór Is2 wartościowych informacji. Korzystając z wiedzy badacza WB pobiera on IWB informacji, które wykorzystuje do przetworzenia informacji Is2. Jeżeli sys-tem B nie wykorzysta wszystkich wartościowych informacji, tracąc informacje zbioru IB1, co ilustruje filtr F2, to wyprowadza na zewnątrz ich część IB2 jako końcowy zbiór informacji Ik. Informacje te są także gromadzone przez badającego B, zwiększając jego wiedzę WB.
Schemat badania empirycznego polegającego na przeprowadzaniu doświadczeń przedstawiono na rysunku 2.14 B, w którym występuje dodatkowo blok wiedzy badacza o modelu matematycznym lub fizycznym M(S). W celu uproszczenia opisu i schematu nie zaznaczono już w tym i następnym schemacie filtrów F1 i F2, mimo iż istnieją one rów-nież i odgrywają identyczną rolę co poprzednio. Badający system B korzystając ze swej wiedzy WB opracowuje za pomocą zbioru wartościowych informacji IWB1 model bada-nego systemu, optymalizujący przebieg badania. Wartość informacji IB2 wytworzonych przez system B jest zdecydowanie większa niż w poprzednim przypadku.
Eksperyment, którego schemat badania przedstawiono na rysunku 2.14 C w porów-naniu z doświadczeniem różni się dodatkowym wprowadzeniem następujących urządzeń:
– systemów pomiarowych ISP, przekazujących bezpośrednio informacje do komputera, – komputera o konfiguracji wynikającej z celu badania,
– banku informacji w zewnętrznej pamięci komputera,
– systemem sterowania stanami badanego systemu S za pomocą sygnałów Ir.
A).
B).
C).
OBSERWACJA
WB
I w B
I S1
SYSTEM Badacz I B2 I K
I S2 IB1
F 1 F 2
DOŚWIADCZENIE
I WB1
M(S ) WB
I MS 1 I B1 I WB1 I B 2
I S1
SYSTEM Badacz
I B2 IK
EKSPERYMENT
I B 2
M(S) WB I R M (S)1 IWB1
I B 2
ISP Badacz
SYSTEM IS1 IB2 =IK
I K2 I B 2
I K1
I i1
Komputer Bank
I S1 Ii2 informacji I i3
Rys. 2.14. Formy badań empirycznych: obserwacja (A), doświadczenie (B), eksperyment (C)
68
Ten schemat badania systemu S pozwala na uzyskiwanie informacji o jeszcze większej wartości niż poprzednio. Z banku informacji na każde żądanie możliwe jest uzyskiwa-nie dodatkowych informacji o badanym systemie S.
Przebieg procesu tworzenia wartościowych informacji poznawczych przez system badający B na systemie empirycznym S ilustruje schemat przedstawiony na rysunku 2.15. System badający B składa się zawsze ze zbioru ludzi oraz aparatury pomiarowej.
System ten posiada wiedzę o badanym obiekcie S w postaci zbioru Ip. Podczas badań system B otrzymuje o systemie S informacje Is, które przetwarza metodami M i algo-rytmami A. Rezultatem tych działań są wytworzone informacje poznawcze I o badanym systemie S.
Rys. 2.15. Schemat procesu wytwarzania nowych informacji
Uznając generalnie za słuszny przyczynowo-skutkowy model (stan – symptom) działania obiektu diagnostyki, dotyczącej maszyny w ruchu z zaznaczeniem wejść i wyjść typu: zasilanie Z, sterowanie E, zakłócenia N, stan eksploatacyjny X i generowane symp-tomy stanu S, można obserwowalność stanu rzeczywistego zapisać zależnością [43]:
S(θ,r) ≡ A(r) X(θ) + N(θ,r) (2.25)
przy założeniu: Z, E = const. Obiekt badań w ujęciu potrzeb diagnostyki istnieje zatem na trzech poziomach (miary czasu i przestrzeni):
a) na poziomie dynamiki z czasem dynamicznym „t”, gdzie generowane są sygnały i symptomy Sj (t, θ, Z, X, E, N),
b) na poziomie czasu życia (eksploatacji) „θ”, od którego zależy stan obiektu X i generowane sygnały wyjściowe (procesy dynamiczne) wykorzystywane dalej w rozróżnianiu stanu,
c) na poziomie rozległości przestrzennej obiektu ze współrzędną „r”, związaną z miejscem odbioru sygnału diagnostycznego.
Eksperymenty diagnostyczne są warunkowane możliwościami ich realizacji i mo-gą być prowadzone według jednego z trzech wariantów – rysunek 2.16.
Eksperyment czynny jest stosowany szczególnie w ustalaniu relacji "stan – sygnał"
w warunkach laboratoryjnych z kontrolowaną zmianą cech stanu {X} i sterowania {E}.
Mamy więc tu znane cechy stanu obiektu, jak i wartości odpowiadających im symptomów diagnostycznych. Jest on szczególnie przydatny w przypadkach krótkiego czasu na
bada-nia i niewielkiej ilości danych pomiarowych. Stosowany jest najczęściej dla potrzeb iden-tyfikacji i optymalizacji modelu matematycznego nowego lub modernizowanego obiektu.
-wybór przetwornika
-wybór miejsc odbioru sygnału
SYGNAŁ
-wybór miar sygnału
PROCESOR (analogowy, cyfrowy)
SYMPTOMY, WARTOŚCI GRANICZNE
METODY WNIOSKOWANIA
SYMPTOM STANU PRAWDOPODOBNY DOMNIEMANY
Z,E -const. (zadane, znane) N -przypadkowe
Rys. 2.16. Podział eksperymentów diagnostycznych [S – wektor symptomów, X – wektor cech stanu obiektu, Z – wektor zasileń, E – wektor sterowań, N – wektor zakłóceń]
Praktyczne stosowanie tej formy badań w diagnostyce jest stosunkowo częste, chociaż wymaga doboru odpowiedniej organizacji eksperymentu czynnego i jest moż-liwe w zasadzie tylko w warunkach laboratoryjnych.
Eksperyment bierny polega na badaniu obiektu w naturalnych warunkach jego pracy, bez znajomości cech stanu {X}, a jedynie przy założeniu jego sposobu zużywania się.
W tym przypadku dysponuje się jedynie wynikami pomiarów diagnostycznych, a pozostaje problem zastosowania metody opracowania tych wyników i konstruowania modelu, który możliwie dobrze przybliża rzeczywistość. Do ograniczeń tej formy badań należy zaliczy:
a) długi czas zbierania koniecznej informacji w postaci wektora obserwacji {S}, b) fragmentaryczność zebranych informacji ze względu na niewielki zazwyczaj zakres
zmian wartości parametrów w czasie normalnej pracy,
c) możliwość skonstruowania błędnego modelu w przypadku pominięcia istniejących wspólnych zależności czynników wpływających na własności wyjść modelu oraz wejść sterujących, przez nieznane dla eksperymentatora zakłócenia, trudności z wy-znaczeniem analitycznej postaci modelu matematycznego.
W tym eksperymencie obserwuje się procesy fizyczne podczas naturalnego zużywania się obiektów, tworząc w kategoriach różnych symptomów diagnostycznych, tzw.
"krzywe życia". Uzyskane wyniki kolejnych pomiarów dają składowe macierzy
obser-70
wacji umożliwiające dalej poszukiwania ortogonalnych wektorów własnych o maksy-malnym zasobie zmienności. Wykorzystywane są one w budowie modelu diagnostycz-nego obiektu w postaci składowych głównych wektora obserwacji.
Eksperyment bierno – czynny polega na obserwacji sygnałów diagnostycznych, z równoczesnym pomiarem cech stanu dla jednej lub dwu wartości czasu eksploatacji, jednak bez możliwości ingerencji w wartości cech stanu badanego obiektu. Lepszym wariantem jest dwupunktowe zbieranie informacji, gdzie badań cech stanu dokonuje się pierwszy raz z chwilą uruchomienia maszyny, zaś drugi podobnie jak poprzednio, przy planowanej naprawie lub po zaistniałej awarii. W takim postawieniu eksperymentu, przy zastosowaniu statystycznych technik opracowania wyników badań można uzyskać solidne podstawy do wyrażenia relacji "stan-symptom", wyznaczenia wartości granicz-nych do dwustanowej klasyfikacji obiektów (zdatny/niezdatny).
Organizację czynności podczas przebiegu eksperymentu można schematycznie przedstawić jak na rysunku 2.17, wyróżniając:
a) warstwę bezpośredniego sterowania eksperymentem, polegającego na uzmiennianiu wielkości wejściowych i wykonywaniu pomiarów zgodnie z planem badań,
b) warstwę przetwarzania wstępnego i dokładnego danych pomiarowych, badania modelowe i porównywanie ich z danymi pomiarowymi,
c) warstwę decyzji, w której eksperymentator na podstawie wyników częściowych dokonuje korekt dalszego przebiegu eksperymentu, zmian w modelu i obiekcie.
Zmiana OBIEKT Pomiary
Rys. 2.17. Organizacja prac eksperymentalnych
Wymienione czynności są pracochłonne, ich realizacja natomiast kosztowna z po-wodu złożoności i wysokich kosztów eksploatacji współczesnych stanowisk badaw-czych. Funkcje pomiarowo-analizujące mogą spełniać przyrządy o różnej konstrukcji i zasadzie działania (analogowej, cyfrowej, hybrydowej), przy czym dynamika rynku
tych przyrządów jest tak duża, że mija się z celem opisywanie poszczególnych typów i zasady ich działania.
Przykładowy zestaw aparatury do pomiarów analogowych przedstawiono na ry-sunku 2.18, gdzie całe przetwarzanie analogowe rejestrowanych z obiektu sygnałów przeprowadzane jest w procesorze analogowym. Może to być, np. przyrząd mierzący wprost wymagany parametr, który jest obliczany bezpośrednio w tym przyrządzie (po-miar temperatury, analizator widma, korelator, wartość ciśnienia itd.).
zakłócenia Wy
CZUJNIKI PROCESOR PREZEN- We OBIEKTY lub ANALO- TACJA BADAŃ PRZETWORNIKI GOWY WYNIKÓW lub
sterowanie
zasilanie W – WZMACNIACZ
M – MAGNETOFON
ANALOGOWE M STANOWISKO BADAWCZE
W
Rys. 2.18. Analogowe stanowisko badawcze
Możliwości technik informatycznych, wspieranych dynamicznym rozwojem elek-troniki oraz sztucznej inteligencji (systemów ekspertowych i sieci neuronowych z udzia-łem logiki rozmytej) zrewolucjonizowały dotychczasowe sposoby badania diagnostycz-nego. Obserwuje się tworzenie układów pomiarowych mieszanych, gdzie dokonuje się pomiarów zarówno w torach analogowych oraz równolegle w torach cyfrowych (rys.
2.19) oraz układy pomiarowe oparte tylko na technice cyfrowej (rys. 2.20).
BADANY OBIEKT
INFORMACJA Z OBIEKTU SYGNAŁY STERUJĄCE
SYGNAŁY SYGNAŁY SYGNAŁY SYGNAŁY ANALOGOWE CYFROWE ANALOGOWE CYFROWE
Przetworniki Rejestry Przetworniki Rejestry A/C wejściowe C/A wyjściowe
Z Ł Ą C Z E P O M I A R O W E
MONITOR INNE MIKROKOMPUTER
DRUKARKA
Rys. 2.19. Analogowo-cyfrowy układ pomiarowy
72
Układ pomiarowy w takiej konfiguracji składa się z przenośnego zestawu kompu-terowego (KSRWE) dla potrzeb badań obiektów rozmieszczonych często w różnych miejscach w zakładzie. Ponadto układ ten zawiera w swej konstrukcji przetworniki A/C wraz z układami kondycjonowania sygnałów oraz odpowiedni program planowania kolejności zadań diagnostycznych w danym dniu. Po wykonaniu zadania diagnostycz-nego dalsze przetwarzanie odbywa się w KSPID za pomocą oprogramowania o nieo-graniczonych wręcz możliwościach.
Dokonania w zakresie rozpoznania potrzeb diagnostycznych, metodyki badań, symptomów stanu, wartości granicznych i decyzji diagnostyczno-eksploatacyjnych są coraz częściej finalizowane w postaci mikrokomputerowych urządzeń diagnostycznych dla określonych obiektów.
OBIEKT BADAŃ – MIKROKOMPUTER – KOMPUTER STACJONARNY
PROGRAMY PROGRAMY M K P
OBIEKTY MINI KANAŁ PREZENTACJA BADAŃ PRZEMYS- M MKP KST WYNIKÓW ŁOWY
K S R W E K S P I D
MKP - mikrokomputer, KST - komputer stacjonarny, M - magnetofon, KSRWE - komputerowe stanowisko rejestracji wyników eksperymentu, KSPID - komputerowe stanowisko przetwarzania informacji diagnostycznej
Rys. 2.20. Cyfrowy układ pomiarowy w wersji stacjonarno-przenośnej
Pojawiają się więc specjalizowane mikrokomputerowe urządzenia diagnostyczne w konfiguracji przykładowo przedstawionej na rys. 2.21.
OBIEKT BADAŃ – KOMPUTER SPECJALIZOWANY
OBIEKTY MIKROKOMPUTER PREZENTACJA WYNIKÓW BADAŃ DIAGNOSTYCZNY
- DETEKCJA USZKODZEŃ - PROGNOZA
- PLANOWANIE ZAKRESU PRAC OBSŁUGOWYCH
Rys. 2.21. Specjalizowany mikrokomputer diagnostyczny
Tylko kompleksowe stosowanie diagnostyki i efektywnych procedur diagnozowania stanu degradacji maszyn, wyodrębnionych w eksperymentach diagnostycznych dają gwa-rancję niezawodnego funkcjonowania maszyn w przyjętych strukturach eksploatacji.
Złożoność operacji koniecznych do przeprowadzenia pomiarów jest wykonalna jedynie pod warunkiem użycia metody pomiarów elektrycznych, opierającej się na przekształce-niu mierzonej wielkości mechanicznej w równoważny jej sygnał elektryczny.