Stan techniczny obiektu

Dla potrzeb procesu diagnozowania, każdy obiekt techniczny, może być rozpatrywany tak jak to pokazano na rys. 2.3. Dla tak przyjętego modelu obiektu, możliwe jest wyróżnienie następujących zbiorów sygnałów:

ˆ wejścia U – zewnętrzne oddziaływania na obiekt, w postaci znanych sygnałów wymusza-jących, sterujących itp.,

ˆ wyjścia Y – oddziaływania rozpatrywanego obiektu na otoczenie, np. zmienne procesowe,

ˆ zakłócenia D – zewnętrzne oddziaływania na obiekt, o nieznanych wartościach,

ˆ uszkodzenia F – zewnętrzne i/lub wewnętrzne (od wybranych podzespołów) oddziaływania na obiekt.

Obiekt techniczny Wejścia U

Wyjścia Y

Uszkodzenia F Zakłócenia D

Rys. 2.3: Model obiektu diagnozowania (Korbicz i in., 2002)

Obiekt techniczny poddany działaniu wyżej wymienionych sygnałów, w dowolnej chwili cza-su t, znajduje się w jednym z tzw. stanów obiektu. W zależności od dziedziny techniki, w li-teraturze można znaleźć różne definicje terminu stan obiektu. Dla potrzeb diagnostyki maszyn i procesów przyjmuje się (Korbicz i in., 2002), że stan techniczny obiektu opisany jest zbiorem chwilowych wartości pewnych parametrów, wykorzystywanych do jednoznacznego opisu tego obiektu (tzw. współrzędne stanu). W wielu przypadkach (Korbicz i in., 2002) nie istnieje po-trzeba (lub jest to technicznie niemożliwe), rozpatrywania dokładnych wartości współrzędnych stanu. Wystarcza jedynie ograniczenie się do klas stanu, np. sprawność maszyny poniżej war-tości nominalnej. W najprostszym przypadku możliwe jest rozróżnienie jedynie dwóch stanów technicznych, tzw. dwustanowy sens niezawodnościowy, tj. stan zdatności oraz stan niezdatności obiektu technicznego. Stan zdatności rozumiany jest jako stan obiektu, w którym jest on zdol-ny do działania zgodnie z określoną w procesie projektowo-konstrukcyjzdol-nym funkcją celu. Stan obiektu eksploatacji, który wyklucza jego poprawne działanie jest natomiast interpretowany jako stan niezdatności.

Zmiana stanu technicznego następuje w wyniku wystąpienia określonych zdarzeń eksploata-cyjnych (rys. 2.4). Dla potrzeb diagnostyki technicznej przyjmuje się założenie (Korbicz i in., 2002), że wszystkie one są rozpatrywane jako uszkodzenia. Przy czym możliwe jest rozpatry-wanie uszkodzeń jako zdarzeń nagłych oraz naturalnych (rys. 2.5). Można zatem stwierdzić, że stan techniczny obiektu z(t) jest funkcją uszkodzeń:

z(t) = z[f(t)] (2.4)

i jest on zmienny w czasie. Uwzględniając fakt, że dla dowolnego obiektu technicznego możliwe

Diagnozowanie stanu maszyn i procesów 10

t

stan zdatności stan niezdatności uszkodzenie

stan zdatności

nieznane znane

Td Tn

Tzi Tui Tzi+1

Rys. 2.4: Schemat wystąpienia uszkodzenia w trakcie eksploatacji obiektu, T_d – czas diagnozo-wania, T_n – czas naprawy, T_ui – czas trwania i-tego uszkodzenia, T_zi, T_zi+1 – czas poprawnej pracy pomiędzy uszkodzeniami

obszar zdatności

ts

czas wartość

cechy

obszar zdatności

ts

czas wartość

cechy

(a) (b)

Rys. 2.5: Przebieg uszkodzenia nagłego (a) oraz naturalnego (b), t_s – czas detekcji uszkodzenia

jest dysponowanie pewnym skończonym zbiorem znanych uszkodzeń:

F = {fk∶ k = 1, 2, . . . K} (2.5)

oraz, że możliwe jest jednoczesne występowanie więcej niż jednego uszkodzenia, możliwe jest rozpatrywanie stanu obiektu jako zależności wyrażonej poprzez stany poszczególnych uszkodzeń:

Z = {z(f¹), z(f²), z(f^k) . . . z(f^K)}, (2.6) przy czym stan uszkodzenia z(fk), definiowany jest jako:

z(fk) = { 0 bez uszkodzenia f_k

1 z uszkodzeniem f_k. (2.7)

Poprzez przyjęcie takiego sposobu postępowania, liczba wszystkich możliwych stanów technicz-nych rozpatrywanego obiektu jest równa:

card(Z) = 2^K. (2.8)

Przejście z jednego stanu technicznego w drugi, może odbywać się w sposób płynny z uwagi na występującą w trakcie eksploatacji obiektu propagację uszkodzeń (Gabbar, 2007b; Psiuk, 2001;

Gao i in., 2008).

Uwzględniając aktualne dane o obiekcie, proces rozpoznawania stanu technicznego może

Diagnozowanie stanu maszyn i procesów 11 być (Korbicz i in., 2002) rozpatrywany jako:

ˆ diagnozowanie – celem, którego jest ustalenie aktualnego stanu obiektu, jest to podstawowe zadanie diagnostyczne,

ˆ genezowanie – celem, którego jest ustalenie wcześniejszych stanów obiektu,

ˆ prognozowanie – celem, którego jest ustalenie przyszłych stanów obiektu.

Wyróżnia się (Isermann i Balle, 1997) trzy podstawowe etapy procesu oceny aktualnego stanu technicznego. Są nimi detekcja, lokalizacja oraz identyfikacja uszkodzenia. Detekcja uszkodzenia (ang. fault detection) to wykrycie/zaobserwowanie wystąpienia pewnego uszkodzenia w obiekcie, w pewnej chwili czasu. Po detekcji uszkodzenia następuje etap lokalizacji uszkodzenia (ang. fault isolation), czyli określenie rodzaju, miejsca i czasu w którym wystąpiło dane uszkodzenie. Ostat-nim etapem jest identyfikacja uszkodzenia (ang. fault identification), polegająca na określeniu rozmiaru oraz charakteru zmienności w czasie danego uszkodzenia. W wielu przypadkach (Kor-bicz i in., 2002) nie jest możliwe pełne określenie stanu technicznego, tj. przeprowadzenie wszyst-kich wymienionych etapów procesu. Zazwyczaj ogranicza się on zatem do detekcji i lokalizacji uszkodzenia, co w większości przypadków jest wystarczające.

Dla potrzeb przeprowadzania procesu wnioskowania o stanie technicznym obiektu, konieczne jest pozyskiwanie sygnałów diagnostycznych. Przyjmuje się (Korbicz i in., 2002), że sygnał dia-gnostyczny jest przebiegiem dowolnej wielkości fizycznej będącej nośnikiem informacji o stanie technicznym rozpatrywanego obiektu. Zazwyczaj tylko jedynie wybrane cechy danego sygnału (np. wartość skuteczna, wartość maksymalna itp.), pozwalają na prawidłową i skuteczną ocenę stanu technicznego. Jako sygnały diagnostyczne mogą być (Kościelny, 2001; Korbicz i in., 2002) wykorzystywane m.in.:

ˆ zmienne procesowe i procesy resztkowe,

ˆ residua generowane na podstawie modeli obiektów,

ˆ binarne lub wielowartościowe sygnały wyznaczone w wyniku oceny wartości residuów.

Na podstawie oceny wartości sygnałów diagnostycznych, możliwe jest stwierdzenie czy wy-znaczona wartość sygnału może być uznana za symptom wystąpienia określonego uszkodze-nia. W wielu przypadkach wystąpienie określonego uszkodzenia, połączone jest z pojawieniem się więcej niż jednego symptomu. Zestawienie symptomów związanych z wystąpieniem danego uszkodzenia nazywane jest sygnaturą uszkodzenia. Uszkodzenia oraz ich sygnatury mogą być zestawione w tzw. binarną macierz diagnostyczną (tab. 2.1). Dwa lub więcej uszkodzeń

bę-Tab. 2.1: Przykład binarnej macierzy diagnostycznej S/F f1 f2 f3 f4 f5

s₁ 1 1 1 1 1

s2 1 1 1 1

s₃ 1 1 1

s₄ 1 1 1 1

dzie nierozróżnialnych względem siebie, jeżeli będą posiadały identyczną sygnaturę uszkodzenia (np. uszkodzenia f₄oraz f₅z tab. 2.1). W takich przypadkach, konieczne jest rozszerzenie zbioru dostępnych sygnałów diagnostycznych o dodatkowe sygnały, które pozwolą na rozróżnienie tych uszkodzeń.

Diagnozowanie stanu maszyn i procesów 12