Prognozowanie stanu maszyny

1. Prognozowanie wartości parametru diagnostycznego yj*

:

a) za pomocą metody adaptacyjnej Browna – Mayera rzędu 1 (B-M1) z współczynnikiem =(0,1-0,9) dla horyzontu prognozy =3 wyznaczonej dla przedziału czasu (1,b);

b) za pomocą metody adaptacyjnej Holta z współczynnikiem = (0,05-0,3) i =(0,4-0,9) dla horyzontu prognozy =3 wyznaczonej dla przedziału czasu (1,b);

c) za pomocą metod analitycznych (liniowa, wykładnicza, potęgowa drugiego i trzeciego rzędu dla horyzontu prognozy =3 wyznaczonej dla przedziału czasu (1,b);

d) wyznaczenie terminu następnego obsługiwania i diagnozowania maszyny d:

- d1 za pomocą metody poziomowania błędu prognozy dla promienia błędu prognozy r (dla poziomu istotności 1=0,05; 2=0,1),

- d2 za pomocą metody poziomowania wartości granicznej parametru diagnostycznego (yjg1= yjg; yjg1= yjg +(yjn – yjg) dla yjn > yjg oraz yjg1= yjg; yjg1= yjg –

 (y_jg – y_jn) dla y_jg > y_jn), np. dla  =0,1,

b) wyznaczenie terminu następnego obsługiwania i diagnozowania maszyny: _d^*= min (_d1, _d2).

Dedykowane reguły wnioskowania w rozpoznawaniu stanu maszyn

Z analizy wymagań działaniowych i konfiguracji systemu rozpoznawania stanu maszyny wynika, że system w obszarze rozpoznawania stanu, powinien zapewnić:

a) konfigurowanie systemu w zakresie wyznaczonych uprzednio potrzeb, w tym obejmujących wprowadzenie odpowiedniej liczby parametrów diagnostycznych, ich wartości granicznych i wartości nominalnych parametrów diagnostycznych, stanów maszyny i czasu pracy maszyny;

b) wnioskowanie diagnostyczne w oparciu o analizę relacji między wartościami wzorcowymi a mierzonymi na podstawie analizy reguł wnioskowania diagnostycznego;

c) wizualizację stanu maszyny, w tym generowanie decyzji eksploatacyjnych w zakresie rozpoznawania stanu (zdatny, niezdatny, lokalizacja uszkodzenia, określenie przyczyny stanu niezdatności w chwili b, prognozowanie stanu).

Wynika z tego, że konieczne staje się utworzenie bazy danych, w której obok zbiorów wartości granicznych i nominalnych oraz zbioru wartości parametrów diagnostycznych rejestrowanych podczas eksploatacji są reguły wnioskowania diagnostycznego.

Analiza opracowanych reguł wnioskowania [ ] wskazuje na duże ich podobieństwo z wyjątkiem reguł optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych Y^o, co wskazuje na uniwersalność metodyki rozpoznawania stanu maszyn.

Pokładowy system rozpoznawania stanu maszyny

Na podstawie przeprowadzonych badań procesu rozpoznawania stanu sformułowano, założenia pokładowego systemu rozpoznawania stanu maszyn oraz zasady jego projektowania. Główne założenia pokładowego systemu rozpoznawania stanu maszyny są następujące [74,75,89]:

1. Pokładowy system rozpoznawania stanu maszyny powinien umożliwiać:

a) kontrolę stanu;

b) lokalizację uszkodzeń w przypadku niezdatności maszyny;

c) genezowanie stanu i określenie prawdopodobnej przyczyny wystąpienia uszkodzenia;

d) prognozowanie stanu w przypadku zdatności maszyny, co w praktyce sprowadza się do ustalenia terminu jego następnego diagnozowania.

2. Pokładowy system rozpoznawania stanu maszyny powinien charakteryzować się:

a) prostym, możliwie optymalnym algorytmem funkcjonowania;

b) uniwersalnością, tzn. możliwościami rozpoznawania stanu maszyn różnych typów;

c) możliwościami rozpoznawania stanu maszyn o małym i dużym stopniu złożoności;

d) automatycznym generowaniem diagnoz;

e) jednoznacznością i czytelnością przedstawiania diagnoz;

f) prostotą obsługiwania.

3. System rozpoznawania stanu maszyny powinien spełniać wymagania dotyczące jakości wyrobów zgodnie z obowiązującymi normami.

Koncepcja pokładowego systemu rozpoznawania stanu maszyny powinna obejmować (rys.5.29) następujące zagadnienia z obszaru projektowania, wytwarzania i eksploatacji:

a) cechy funkcjonalne;

b) cechy konstrukcyjne;

c) warunki użytkowania i obsługiwania;

d) potencjał zaplecza obsługowego;

e) rachunek ekonomiczny.

Rys.5.29. Schemat konfiguracji pokładowego systemu rozpoznawania stanu maszyny Uwzględniając wyniki badań uznano, że:

a) system rozpoznawania stanu maszyny powinien wykorzystywać zbiory parametrów diagnostycznych na podstawie analizy wartości wag parametrów diagnostycznych maszyny;

b) uzupełnieniem powyższego powinno być uwzględnienie parametrów diagnostycznych preferowanych przez użytkownika maszyny, np. w aspekcie bezpieczeństwa maszyny;

c) system rozpoznawania stanu powinien zapewnić kontrolę stanu i lokalizację uszkodzeń maszyny;

d) w przypadku zdatności maszyny (pozytywny wynik realizacji testu kontroli stanu) system powinien zapewnić prognozowanie stanu maszyny, co przekłada się na wyznaczeniu terminu obsługiwania maszyny;

e) w przypadku niezdatności maszyny (negatywny wynik realizacji testu kontroli stanu) realizacja testu lokalizacji uszkodzeń) system powinien zapewnić genezowanie stanu maszyny, co przekłada się na określeniu prawdopodobnej przyczyny zlokalizowanego, w czasie realizacji testu, uszkodzenia maszyny.

Uwzględniając powyższe ustalenia, warunki eksploatacji maszyn oraz analizy wyników badań metodyki rozpoznawania stanu maszyn etapy opracowania pokładowego systemu rozpoznawania stanu obejmują:

1. Analizę przedsięwzięcia – dotyczy analizy potrzeb i możliwych rozwiązań problemu, analizy rachunku ekonomicznego obejmującego budowę systemu, a także analizy wymagań funkcjonalnych, technicznych, informatycznych i ekonomicznych obejmujących relację kosztów wytworzenia i eksploatacji systemu a uzyskanych korzyści w wyniku jego zastosowania;

2. Projektowanie systemu – dotyczy określenia architektury mikroprocesora, modułów, interfejsów i innych części składowych oraz oprogramowania w aspekcie spełniania cech użytkowych systemu obejmujących:

a) projekt logiczny – dotyczy logicznych aspektów organizacji systemu oraz procesów i przepływu informacji,

b) projekt funkcjonalny – dotyczy opisu funkcji elementów składowych systemu oraz ich współdziałania,

c) projekt konstrukcyjny – dotyczy opisu struktury elementów systemu (np.: procesora, pamięci, komunikacji, wejść i wyjść, zegara, zasilania);

3. Budowę symulatora pracy systemu (komputerowego) – jego celem jest zapewnienie wstępnej oceny pracy systemu przy symulowanych stanach maszyny;

4. Implementację systemu – celem jest opracowanie i budowa modelu fizycznego spełniające założone funkcje systemu;

5. Zapewnienie jakości systemu – dotyczy testowania programów i badań eksploatacyjnych;

6. Wykonanie dokumentacji systemu – obejmujących budowę, wymagania i ograniczenia, funkcjonowanie i procedury obsługowe.

Reasumując pokładowy system rozpoznawania stanu maszyny powinien spełniać oddzielnie lub łącznie funkcje określone na podstawie, dedykowanych dla różnych typów i rodzajów maszyn, reguł wnioskowania diagnostycznego w obszarach:

a) optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych;

b) kontroli stanu i lokalizacji uszkodzenia;

c) prognozowania stanu;

d) genezowania stanu.

Spełnianie wymienionych funkcji jest możliwe następującymi sposobami:

1. Realizacja algorytmu kontroli stanu, algorytmu prognozowania stanu maszyny, a w przypadku jego niezdatności algorytmu lokalizacji uszkodzeń i genezowania stanu odbywa się za pomocą oddzielnych modułów pokładowego systemu rozpoznawania stanu.

Diagnosta na podstawie zbioru wyników sprawdzeń podejmuje decyzje o stanie maszyny.

W tym przypadku koszt badań diagnostycznych maszyny jest wysoki.

2. Pokładowy system rozpoznawania stanu realizuje algorytm kontroli stanu, a w przypadkach koniecznych również algorytm lokalizacji uszkodzeń. Diagnosta bierze również udział w podejmowaniu decyzji o stanie maszyny. Istotnie skraca się czas i koszty diagnozowania obiektu. Jednak jest wyższy koszt urządzenia diagnostycznego;

3. Pokładowy system rozpoznawania stanu realizuje łącznie uprzednio wymienione cztery funkcje. Zatem do funkcji kontroli stanu i lokalizacji uszkodzeń dochodzi funkcja

prognozowania stanu oraz genezowania stanu. Z racji spełnionych funkcji system można nazwać systemem uniwersalnym. Rola diagnosty sprowadza się do podjęcia ostatecznej decyzji o stanie maszyny i wykonaniu pewnych operacji pomocniczych. Zwiększa się wiarygodność diagnozy, zmniejsza się czas i koszt badań diagnostycznych maszyny, oraz niestety rosną koszty systemu.

Idealny system rozpoznawania stanu to pokładowy system rozpoznawania stanu spełniający funkcje kontroli stanu, prognozowania stanu, lokalizacji uszkodzeń obiektu oraz genezowania stanu. W tym przypadku wzrasta koszt maszyny, jednak efektywność eksploatacji maszyny staje się wyższa, bowiem realizowane są wszystkie funkcje rozpoznawania stanu maszyny. Takie rozwiązanie systemu rozpoznawania stanu może być odpowiednie dla maszyn krytycznych lub innych maszyn specjalnych.

Innym rozwiązaniem jest zewnętrzny systemu rozpoznawania stanu dołączany, na czas badań, do gniazda diagnostycznego maszyny z możliwością oceny stanu, prognozowania stanu i genezowania stanu. Może to być system uniwersalny lub specjalizowany wyłącznie do rozpoznawania stanu określonych maszyn.

System rozpoznawania stanu maszyn o konfiguracji jak na rys.5.26, można umownie opisać zależnością [75]:

S_S = < O_T, S_P, S_R, S_M, S_Z, R_TZ > (5.49) gdzie: O_T – obiekt diagnozy;

S_P – podsystem pomiarowy;

S_R – podsystem rozpoznawania stanu;

S_M – podsystem magistrali (adresy, dane, sterowanie);

S_Z – podsystem zobrazowania informacji;

R_TZ – relacje.

Podsystem pomiarowy obejmuje (rys.5.30) zestaw czujników, przetworników A/C, wzmacniaczy, złącz układów dopasowujących w aspekcie zgodności informatycznej, metrologicznej i eksploatacyjnej sygnału, a także procesor sygnałów.

Obiekt

diagnozowania Zestaw

czujników Układy

dopasowania Procesor sygnałów Podsystem pomiarowy

Układ podejmowania

decyzji Układ gromadzenia

informacji Podsystem rozpoznawania stanów

Podsystem

magistrali: adresowa, danych, sterowania

Klawiatura Monitor Drukarka

Stacja dysków FDD, CD-ROM, DVD-ROM, HDD

Wskaźniki cyfrowe analogowe Podsystem zobrazowania informacji System rozpoznawania stanu maszyny

Rys. 5.30. System rozpoznawania stanów maszyn w aspekcie funkcjonalnym [75]

Procesor sygnałów – służy do przetwarzania sygnałów według określonych algorytmów celem uzyskania ich miar w dziedzinie amplitud czasu i częstotliwości.

Podsystem rozpoznawania stanu obejmuje układ podejmowania decyzji, która służy do ustalenia diagnozy, prognozy, genezy, czyli określenie stanu obiektu w chwili b, b+1,

b-2, a także podsystem gromadzenia informacji.

Podsystem gromadzenia informacji zbiera dane dotyczące: miar sygnałów, wartości granicznych parametrów diagnostycznych i wzorów stanów i inne.

Podsystem magistrali obejmuje szynę: adresową danych i sterowania.

Podsystem zobrazowania informacji może zawierać elementy: klawiaturę, monitor, drukarkę, wskaźniki analogowe i cyfrowe.

Ogólną budowę systemu pokładowego rozpoznawania stanu maszyn jako systemu mikroprocesorowego przedstawiono na rys.5.31.

Obiekt

diagnozy Podsystem

pomiarowy Podsystem

mikroprocesorowy

Podsystem magistrali

Podsystem zobrazowania

informacji

Mikroprocesorowy system rozpoznawania stanu maszyn

Rys. 5.31. System rozpoznawania stanu maszyny jako system mikroprocesorowy [75]

W systemie tym rolę układu rozpoznawania stanów, gromadzenia informacji a także układu dopasowania sygnałów i złącz wyjściowych jest system mikroprocesorowy, obejmujący: pamięć RAM, EEPROM, Flash EEPROM, procesor, magistralę danych, adresową, sterującą a także oprogramowanie.

Zastosowane w pokładowym systemie rozpoznawania stanu maszyny oprogramowanie powinno zapewnić realizację jego zadań. W tym celu powinno wykorzystać się przedstawione powyżej procedury do opracowania algorytmów wnioskowania diagnostycznego na podstawie: testu kontroli stanu, testu lokalizacji uszkodzeń oraz szacowania terminu obsługiwania maszyny (procedura prognozowania stanu) i szacowania przyczyny zlokalizowanego uszkodzenia (procedura genezowania stanu) np. za pomocą reguł wnioskowania diagnostycznego typu „IF – THEN”.

Z analizy wymagań działaniowych i konfiguracji pokładowego systemu rozpoznawania stanu maszyny wynika, że architektura systemu (rys.5.1) powinna zapewnić [74,75,89]:

d) konfigurowanie systemu w zakresie wyznaczonych uprzednio potrzeb, w tym obejmujących wprowadzenie odpowiedniej liczby parametrów diagnostycznych, ich wartości granicznych i wartości nominalnych parametrów diagnostycznych, stany maszyny, czas pracy maszyny;

e) pomiar i rejestrację wartości mierzonych sygnałów diagnostycznych według wyznaczonych warunków (początek i koniec pomiaru, które wielkości i kiedy podlegają rejestracji);

f) wnioskowanie diagnostyczne w oparciu o analizę relacji między wartościami wzorcowymi a mierzonymi na podstawie analizy reguł wnioskowania diagnostycznego;

g) wizualizację stanu maszyny, w tym generowanie decyzji eksploatacyjnych (zdatny, niezdatny, lokalizacja uszkodzenia, inne).

Wynika z tego, że konieczne staje się utworzenie bazy danych, w której obok zbiorów wartości granicznych i nominalnych oraz zbioru wartości parametrów diagnostycznych rejestrowanych podczas eksploatacji, niezbędne są reguły wnioskowania diagnostycznego.

5.7. TECHNIKI INFORMACYJNE W ŻYCIU MASZYNY

Wspomagania informacyjne zarządzania utrzymaniem ruchu

Przedstawiony na rys.5.3 zbiór etapów można traktować jako swoisty cykl "życia"

obiektu, który pozwala na wyodrębnienie najważniejszych obszarów i zadań informatycznego wspomagania inżynierskiego. W takim ujęciu można przyjąć trzy podstawowe obszary wspomagania:

wspomaganie projektowania i konstruowania systemów technicznych, związane z jednej strony z definiowaniem podstawowych założeń budowy i funkcjonowania przyszłego systemu technicznego (w oparciu m.in. o istniejące zasoby danych i wiedzy, narzędzia obliczeniowe oraz narzędzia wspomagające prowadzenie badań w technice), z drugiej zaś z doborem cech konstrukcyjnych ich weryfikacją oraz przygotowaniem dokumentacji stanowiącej podstawę do dalszych etapów procesu zaspokojenia potrzeb (m.in. narzędzia CAD - Computer Aided Design, czy CAMD - Computer Aided Material Design);

wspomaganie wytwarzania systemów technicznych, związane z przygotowaniem i realizacją procesów wytwórczych zgodnie z wcześniej opracowaną dokumentacją techniczną (m. in. systemy CAM – Computer Aided Manufacturing);

wspomaganie eksploatacji systemów technicznych (etap EP), związane z planowaniem i nadzorowaniem prawidłowego przebiegu procesów eksploatacyjnych wynikających zarówno z użytkowania, jak również prowadzenia prac obsługowo-naprawczych (m. in. systemy CMMs/EAM – Computerized Maintenance Management Systems/Enterprise Asset Management).

Rozpoznanie, którego celem jest identyfikacja i ocena wybranych sposobów i środków wspomagania zadań z obszaru utrzymania ruchu w odniesieniu do działań zarządczych wymaga zdefiniowania i jednocześnie uwzględnienia podstawowych aspektów umożliwiających rozwiązanie zagadnienia. W badaniach nad zarządzaniem utrzymaniem ruchu systemów technicznych wyodrębnione zostały główne obszary zadaniowe, których wspomaganie wydaje się możliwe, a są to:

1. zarządzanie obiektami eksploatacji i infrastrukturą przedsiębiorstwa, obejmujące przede