Expert systemen in de maritieme techniek - De ontwikkeling van een prototype van een diagnostisch expert systeem ten behoeve van de turbo-compressor van een dieselmotor

EXPERT SYSTEMEN IN DE MARITIEME TECHNIEK

De ontwikkeling van een prototype

van een diagnostisch expert systeem

ten behoeve van de turbo-compressor

van een dieselmotor

RAPPORT OEMO 89/02

R.H.T.M. Overes Delft, april 1989.

Technische Universiteit Delft Vakgroep OEMO

Faculteit der Werktuigbouwkunde Maritieme Werktuigkunde

en Maritieme Techniek TNO IWECO

-OPDRACHT-OMSCHRIJVING

Recent is, als voorbereiding op de afstudeeropdracht, een onderzoek naar de (mogelijke) toepassingen van expert systemen bij de bediening, bewaking en onderhoudsbeheersing van machine-installaties verricht (Rapport OEMO 88/054). Uit deze voorstudie is onder andere gebleken dat:

Expert systemen in de toekomst een belangrijke rol bij de bediening, bewaking en onderhoudsbeheersing van

machine-installaties kunnen vervullen. Zij zullen daarbij fungeren als een beslissingsondersteunend hulpmiddel voor de maritieme

officier.

Een expert systeem shell te preferen is boven de

programmeertalen LISP of PROLOG, bij de ontwikkeling van een prototype van een expert systeem.

Aansluitend op deze voorstudie Merit als afstudeeropdracht een werkend prototype van een diagnostisch expert systeem ontwikkeld te worden.

Dit expert systeem heeft als domein de turbo-compressor van een dieselmotor. Net doel van een dergelijk expert systeem is tot een uitspraak te komen omtrent de performance van de turbo-compressor

en het doen van eventuele aanbevelingen ter correctie van instellingen en storingen.

De expertkennis omtrent de dieselmotor en bijbehorende

turbo-compressor dient in samenwerking met Stork Werkspoor Diesel expliciet gemaakt te warden, waarbij uitgegaan wordt van de

proefstand gegevens van een nader te bepalen motor.

Per bepaling van de waarden van de benodigde procesparameters als

functie van de belasting mogen de proefstand gegevens geinter-poleerd warden.

Net prototype client te warden ontwikkeld met het expert systeem shell "DELFI2+".

In de rapportage dienen de volgende onderwerpen te worden behandeld:

Een beschrijving van het expert systeem shell "Delfi2+". Een beschrijving van het applicatie-domein.

Het opstellen van een fouten/symptomen matrix m.b.v. FMEA. De bouw van het prototype aan de hand van een nader te bepalen ontwerpmethodiek.

Mening van experts met betrekking tot het gebruik van het prototype expert sys teem.

Conclusies en voorstellen voor toekomstig onderzoek.

De opdracht wordt uitgevoerd in samenwerking met TNO/IWECO en Stork Werkspoor Diesel, waar respectievelijk de heren Ir. B.W. Jaspers en Ir. G. Veenstra uw begeleiders zijn.

Deze opdracht is aangevangen op 2 januari 1989.

Het rapport met referentienummer 0EM089/02 dient ingebonden in TU-band 1 mei 1989 ingeleverd te worden.

VOORWOORD

keg

Dit rapport is het resultaat van het afstudeerwerk, _{uitgevoerd ten} behoeve van de vakgroep OEM% sectie Maritieme Werktuigkunde _van

de faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek

van de

Technische Universiteit te Delft. Het onderzoek is uitgevoerd bij TNO-IWECO, in nauwe samenwerking met Stork Werkspoor Diesel, in de period& van januari 1989 - april 1989.

Gaarne wil ik Dhr. B.W.: Jaspers van TNO-IWECO, Dhr% G. Veenstra van Stork Werkspoor Diesel en Prof. J. Klein Woud van de faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek bedanken voor hun begeleiding tijdens het onderzoek.

TeVens

wil. ik Si de medewerkers

van Stork Werkspoor Diesel,

afdeling research bedanken voor hun medewerking en bereidheid zich een aantal maal te laten interviewen ten behoeve van de kennis-acquisitie.

Deift, aPril 1389

_Ovens

in

SAMENVATTING

Gedurende de laatste decennia is de dieselmotor voorzien _{van vele} sensoren, met als doel de (scheeps)werktuigkundige informatie _te verschaffen omtrent de conditie van de dieselmotor. De huidige toegepaste sensoren, registratie- en display-instrumentatieleveren real-time een grote hoeveelheid informatie omtrent de _performance en conditie van de dieselmotor. De interpretatie en beoordeling van deze grate hoeveelheid diverse informatie ligt echter _{nog steeds}

bij de _{(scheeps)werktuigkundige. Door samenvoeging van de}

systeemkennis en de ervaringskennis in een kennissysteem1 is het

mogelijk een intelligent hulpmiddel te creeren dat de

werktuigkundige assisteert bij zijn werkzaamheden. Hiermee wordt diens werkbelasting gereduceerd, wat kan leiden tot een verdere optimalisatie van het aantal bemanningsleden.

Een tweede oorzaak die in de toekomst aanleiding kan geven tot de invoering van kennissystemen als beslissingsondersteund hulpmiddel is het felt dat de specialistische werktuigkundige met vele jaren ervaring van board dreigt te verdwijnen. Zijn pleats wordt ingenomen door

een meer

algemeen inzetbare Maritiem Officier

(MAROF)2. Een kennissysteem met daarin opgeslagen kennis en

ervaring van de voormalige werktuigkundige alsmede kennis

van

leverancier van de werktuigen, kan als compensatie dienen voor het wegvallen van bovengenoemde specialistische kennis.

Een methode om de kennis omtrent de prestatie en de conditie _van de dieselmotor in kaart te brengen is uit te gaan van de kennis omtrent de relaties tussen oorzaak en gevolg, ook wel de "cause-effect knowledge" genoemd. Deze kennis

is met behulp van een

"Storingen/Symptomen Matrix" op een overzichtelijke wijze te

presenteren. Een intelligent computer systeem dat in staat is de kennis uit deze matrix te manipuleren kan nu aangewend warden als

1 Alternatieve benaming voor expert systeem.

2

_{Een MAROF}

doet

zowel dienst op de long. als

in de

machinekamer.

een _{ondersteunend hulpmiddel, welke de scheepswerktuigkundige}

assisteert bij het interpreteren van de grote hoeveelheid motordata. Hiernaast heeft een dergelijk probleemoplossend systeem

een zekere didactische waarde voor de onervaren

scheepswerktuigkundige. Deze kan via het systeem veel leren van de ervaringskennis van zijn voorganaers.

INHOUDSOPGAVE

OPDRACHT-OMSCHRIJVING (

vooRwompt

SAMENVATTING , . R .S,;(

INLEIDING - 1

2 HET DELFI2+ EXPERT SYSTEEM . . : i

2-1 Inleiding 3

2.21 Be architectuur van DELFI2+ i

-

4 , 5

2.2.1 De knowledge-base . . . 5

2.2.2 Net consultatie-systeem

3 HET APPLICATIE-DOMEIN 11,

3.1 Inleiding , 4

- 4

.

11

3.2 Het fysieke systeem

3.3

Principes van de turbo-compressor ....

. 15

3.4 Thermodynamische relaties van turbo-compressor

4 BOUW VAN EEN PROTOTYPE' EXPERT SYSTEEM . , , 4 28

4.1 Inleiding

...

. «

as

4.2 Structuurdiagram prototype expert systeem - 29

4,3 De identificatie fase ,

f 4

+. 30

4.3.1 De achterliggende oorzaken , 4

,

m 31

4.3.2 De waarneembare symptomen - _ , «. 32

4.3.3 De modulering van de kennis « « - . 32

4.3.4 De Interactie met de gebruiker . . 34

4,4 Be conceptie fase 35

4.4.1 Be functionele beschrijving - « 35

4.4.1.1 Het compressor systeem , « 36

4.4.1.2 Net turbine systeem . - « _ - - 316

4.4.1.3 Net koelwater systeem .

.. . 37

4.4.1.4 Net smeerolie systeem « « . 37

4,4.2 De evaluatiemethodieken . . . 381

4.4.2.1 De causale evaluatiemethode . .

4.4.2.2 Be anti-causale evaluatiemethode , 40

4.4.3 Relaties tussen storingen en symptomen 41

4.4.4 Be storingen/symptomen matrix . - - 56 4.5 De formalisatie fase . - . . . « r - 58 4.6 Be implementatie fase . - - . 601 1 4.7 Be evaluatie fase . . « - .. . 61 5 PROJECTVOORSTELLEN . « 4 63

5.1 Aanpassingen van 'knowledge-base - - -

-5.2 KwantiLice,efl de 3ymptomen, F5, 65

5.3 Interactie dieselmotor turbo-compressor

...

5.4 Uitbreiding naar expert systeem voor gehele motor 66

Automatische data-aquisitie . . _

- «

4 66 vi iv 1 3 8 12 19 . 63 65 5.5

11/11/6M

LIJST VAN BIJLAGEN

BIJLAGE A Algemene omschrijving van turbo-compressor . . . 71

BIJLAGE B Proefstandgegevens van de 18 TMS410 VL 72

BIJLAGE C Bepaling druk uitlaatgassen voor turbine 73

BIJLAGE D Bepaling polynomen van procesparameters 75

BIJLAGE E Acquisitie van expertkennis 86

BIJLAGE F Voorbeeld van consultatiesessie 89

BIJLAGE G Listing van knowledge-base file 90

BIJLAGE H Listing van externe programmatuur 91

vii

6 CONCLUSIES 67

7 LITERATUURVERWIJZING 69

SYMBOLEN LIJST 70

1 INLEIDING

Het steeds complexer worden van scheepsmachine-installaties, de vermindering van het aantal deskundigen op het gebied van

bediening, bewaking en onderhoudsbeheersing van deze installaties

en de onbevredigende resultaten van de tot nu toe

ontwikkelde automatische hulpmiddelen ten behoeve van de bovengenoemde aspecten, hebben ertoe geleid om de mogelijkheden van toepassing van de "Kunstmatige Intelligentie" te gaan onderzoeken.

Expert systemen, de eerste praktische toepassing van de kunstmatige intelligentie, lijken perspectieven te bieden.

Een voorbeeld van een recent ontwikkeld expert systeem is DEEDS (Diesel Engine Expert Diagnosis System) ontwikkeld door Lloyds Registor of Shipping [Lit.1]. Hoewel dit systeem zich nog in de prototypefase bevindt, verwacht men dat het uitkomst aan de

bovengenoemde problematiek kan bieden.

Uit een voorstudie [Lit.1] naar de mogelijke toepassing van expert systemen bij de bediening, bewaking en onderhoudsbeheersing van machine-installaties, is

gebleken dat het ontwikkelen van een

diagnostisch expert systeem voor de (scheeps)dieselmotor in

principe haalbaar en gewenst is.

In dit hoofdstuk worden de uitgangspunten beschreven die hebben geleid tot de ontwikkeling van een prototype diagnostisch expert systeem voor de turbo-compressor van een dieselmotor.

Omdat het, in verband met de omvang en complexiteit, onmogelijk is direct voor de gehele voorstuwingsinstallatie een diagnostisch expert systeem te ontwikkelen, zal men zich in het begin moeten toespitsen op een (geschikt) subsysteem. In principe kan hiervoor elk goed afgebakend systeem voor worden geselecteerd.

In deze orienterende fase is gekozen voor de turbo-compressor van de dieselmotor. Dit omdat dit systeem aan al de eisen voldoet die

aan een mogelijke applicatie gesteia moecen wyrden om te kunnen beoordelen of toepassing van de expert systeem technologie aanvaardbaar is [Lit.1].

beze eisen zijn als volgt te formuleren:

Probleemgebied is niet te triviaal Mi Probleemgebied is niet te complex

Probleemgebied is goed afgebakend Expertkennis is expliciet te maken Experts willen participeren in project

M Probleem is niet op eenvoudige wijze met conventionele technieken op te lossen

Dear de implementatie van deze applicatie zal gesch±ieden met behulp van het expert systeem shell "Delfi2+", is in hoofdstuk 2 een,

algemene beschrijving van deze shell weergegeven.

In hoofdstuk 3 zal vervolgens de turbo=compressor in detail worden beschreven. Hierbij zullen de systeemgrenzen worden vastgesteld en zullen tevens een aantal vereenvoudigingen omtrent het applicatie-domein worden gemaakt.

Tot slot wordt nog de nodige aandacht

besteed aan de thermo-dynamische relaties van dit werktuig.

In hoofdstuk 4 wordt aan de hand van een ontwerpmethodiek de bouw van het prototype besproken. Met behulp van de "Failure Mode and Effect Analyses" worden de verbanden tussen oorzaak en gevolg van de, mogelijke storingen in kaart gebracht, waarna deze gegevens in een "Storingen/ Symptomen Matrix" gepresenteerd worden. Deze matrix

als uitgangspunt voor het expert systeem

In hoofstuk 5. wordt tot slot een aantal Veorstellen. gedaan ter voortzetting van dit project In de

toekomst-2,

2 _HET_DELFI2+ EXPERT SYSTEM,

2-1 Inleiding

Uit een voorstudie [Lit.111 die uitgevoerd is ter bepaling van de haalbaarheid van expert systemen ten behoeve van de bediening, bewaking en onderhoudsbeheersing van machine-installaties, is

gebleken dat voor de bouw van een prototype van een expert systeerth een expert systeem shell een te prefereren hulpmiddel is.

Er is momenteel een grate keus op het gebied van shells. ten 'behoeve

van expert systemen fLit.2]. In essentie zijn al deze programme's qua opbouw identiek- De verschillen uiten zich in:

De gebruikte programmeertaal,

m De hardware en het operating systeem. Het inferentiemechanisme

De kennisrepresentatie,

De. uitlegfaciliteiten,

II, Het gebruikersinterface.

Voor de ontwikkeling van dit prototype is gekozen voor het expert systeem shell "DELFI2+" . Dit shell programma, dat ontwikkeld is

aan de Technische Universiteit te Delft,

is voor dit project

kosteloos beschikbaar gesteld, hetgeen een belangrijke reden, was am dit systeem te gaan gebruiken.

DELFI2+ is een gereedschap am expert systemen te construeren en raadplegen. In DELFI2+ wordt kennis gerepresenteerd door objecten

met hun attributen, en een verzameling productieregels. Samen

warden deze onderdelen aangeduid als de knowledge-base.

DELFI2+ beschikt over een redeneermechanismer waarmee op grond Van de kennis in de knowledge-base afleidingen kunnen warden gemaakt,

conclusies kunnen worden getrokken en aanbevelingen kunnen warden

:3

gedaan. Vaak wordt daarbij gebruik gemaakt _{van extern opgeslagen} gegevens en afzonderlijke programma's.

Het programma DELFI2+ is geschreven in Pascal en draait onder het operating systeem UNIX op een SUN micro computer. Er zijn eveneens versies van DELFI2+ te verkrijgen die geschikt zijn voor het 0S-2 operating system, en daardoor te implementeren op geavanceerde personal computers. Hierbij dient opgemerkt te warden dat de te gebruiken PC minimaal 2MB geheugencapaciteit dient te bezitten. Het Delfi2+ expert systeem shell, geschikt voor PC kost

fl 4950,-1 (excl. BTW).

1 Nadere informatie bij Dhr. H de Swaan Arons, Groep Knowledge Engineering en Expert Systems, Studierichting Informatica, Technische Universiteit Delft.

2.2 _{De architectuur van DELFI2+}

Het DELFI2+ expert systeem is opgebouwd uit de volgende componenten:

De knowledge-base,

Het consultatie-systeem.

De specifieke eigenschappen van beide onderdelen warden in de

volgende paragrafen beschreven.

2.2.1 De knowledge-base

De DELFI2+ knowledge-base bezit de volgende structuur:

KBASE

Definities van objecten

Definities van sets en constanten Definities van tasks

De productieregels ENDKBASE

De objecten en de productieregels vormen de kern van de

knowledge-base en zullen in elke applicatie voorkomen. Zij representeren de kennis in een bepaald domein. In sommige applicaties dienen extern& programma's te worden uitgevoerd. De daarvoor benodigde aanwijzingen (welke procedure of functie moet worden uitgevoerd, welke zijn de argumenten en van welk

type zijn deze, etc.) vallen onder "tasks".

-7 r

In een kno*ledge-base kunnen en zullen ook vaak diverse taken zijn gedefinieerd. De, constanten en,

sets vormen hierbij

nuttige hulpmiddelen, die veel werk uit

handen van

de knowledge-engineer nemen.

Obiecteri en attributer':

Een object in DELFI2+ wordt gebruikt teneinde een entiteit uit het applicatiegebied te beschrijven. Een object staat voor een verzameling attributen (de kenmerken van het object), waarvan de waarden direct of indirect bepaald kunnen worden.

Zoals eerder gezegd dieneniobjecten als beschrijving van entiteiten uit een applicatiegebied. In het algemeen mai deze beschrijving van

de werkelijkheid zeer complex zijn. Teneinde toch een goed overzicht te kunnen houden

is het

mogelijk de objecten te

structureren. Dit kan gebeuren door de objecten onder te verdelen in hoofd- en subobjecten.

Een attribuut is, een kenmerk van een, object..

Tijdens een

consultatie krijgen sommige attributen waarden toegekend- Het

vinden van waarden van sommige attributen (de goal-attributen) is

is het doel van de consultatie, de waarden van andere attributen zijn nodig om de waarden van de goal-attributen te kunnen bepaleh-Het bepalen van attribuutwaarden kan op de volgende vier manieren geschieden:

Via een vraag aap de gebruiker*

Via een afleiding uit de productieregels, Via een externe procedure (task),

MI Via het inlezen vanuit een data-base of file.

'Eiji de bepaling van de attribuut-Waarden kunnen _{we de. volgende}

"trace-klassen" onderscheiden:

LII TRACECLASS GOAL,

TRACECLASS KEY,

TRACECLASS INITIALDATA,

Door een attribuut be voorzien van, de trace-klasse "GOAL" worat aangegeveh dat het betreffende attribuut doelattribuut is. De

consultatie-sessie is er op gericht de waarde van dat attribuut te bepalen. De waarden van een. daelattribuut zullen nooit aan de gebruiker gevraagd worden.

De trace-klasse "INITIALDATA" geeft a&n. dat de waarde van het betreffende attribuut voorafgaande aan de consultatie vastgesteld dient te warden. Vaak betreffen deze attributen routine-gegevens. Tijdens de consultatie wordt het als hinderlijk ervaren wanneer op een willekeurig moment dergelijke gegevens aan,, de gebruiker

gevraagd warden.

De "KEY" trace-klasSe geeft aan dat de waarde van het betreffende attribuut uit een externe data-base gehaald dient te warden.

Constanten en sets

In pleats van in diverse productieregels,, steeds dezelfde getallen te gebruiken, kan gebruik warden gemaakt van "constanten". Het

gebruik hiervan is identiek aan het gebruik van constanten in

conventionele programmeertalen.

Met behulp van een "SET" kan de knowledge-engineer een verzameling

definieren. Zo,

kunnen

elle landen van de EEG in een SET EEG warden

ondergebracht. Elke keer dat in een afleidingsregel aan de landen an de EEG wordt gerefereerd, kan warden volstaan met het gebruik van de set EEG.

Het voordeel van het georuik vao constanten eh sets is dat verandering van een waarde van een constante of van de inhoud van een set, iet elle praductieregels aangepast behoevep te warden.

bij

Tasks

Door middel van beschikbare standaard functies (sin, cos, etc) kan Delfi2+ intern berekeningen uitvoeren. Het is echter ook mogelijk om complexe functies of procedures te definieren met behulp van zogenamde "TASKS".

Deze tasks zijn externe executeerbare programma's. Ze kunnen in een willekeurige programmeertaal (Pascal, C, Fortran77) geschrevenzijn en vanuit DELFI2+ worden geexecuteerd.

2.2.2 Het consultatie-svsteem

Het consultatie-systeem is het domein-onafhankelijke gedeelte van DELFI2+ dat de knowledge-base file manipuleert, op grond van de inhoud van de knowledge-base redeneringen opzet, tot conclusies

komt en de resultaten prensenteert; dit alles al dan niet in

interactie met de gebruiker.

Het systeem bestaat globaal uit de volgende onderdelen:

Het inferentie-mechanisme, Het gebruikers interface.

Deze onderdelen zullen vervolgens apart beschreven worden.

De werkinq van het inferentie-mechanisme

Strikt genomen is het de taak van DELFI2+ om de waarden van een of meer vooraf gedefinieerde (doel-)attributen vast te stellen. Dit proces wordt de consultatie genoemd.

Het afleiden van deze waarden wordt verzorgd door het het inferentie-mechanisme.

Net inferentie-mechanisme kent twee methoden om attribuutwaarden vast te ateliers:,

Achterwaarts redeneren, Voorwaarts

redeneren-Beide methoden zijn beschreven in de vborstudie [Lit.1].

Het inferentie-mechanisme van DELFI2+ werkt met een combinatie van voor- en achterwaarts redeneren, Het gebruikt hierbiji 2 structuren:

De goal-stack,

r

De forwardqueue:

OP de goal-stack staan attributen die hog getraceerd moeten warden en in de forwardqueue staan getraceerde attributen waarmee nog niet voorwaarts is geredeneerd.

Aan het begin van de consultatie 'warden an het hoofobject +(het eerste object in de knowledge-base) de GOAL-, INITIALDATA- en KEY-attributen op de goal-stack geplaatst. Het inferentie-mechanisme probeert nu in een aantal itteratieslagen de goal-stack leeg te maken door de daarin aanwezige attributen te traceren. In elke slag wordt afwisselend, backward- en forwardchaining toegepast.

Het aebruikersinterface

Het gebruikersinterface, welke de dialoog tussen de gebruiker eh het expert systeem mogelijk maakt, biedt de volgende faciliteiten:

s

De uitleg faciliteit- Deze geeft de gebruiker de mogelijkheid om tijdens de consultatie, de gebruikte

afleidingsregels en de afgeleide feiten. te inspecteren_ In het bijzonder kan hierbij informatie worden verkregen over de reden waarom vragen worden gesteld en hoe feiten zijn. afgeleid.

De trace faciliteit. Deze faciliteit biedt de mogelijkheid, om met een vooraf in te stellen nivo van detaillering, alle

informatie waarover het consultatie-systeem tijdens de consultatie beschikt aan de gebruiker te tonen.

De antwoord modificatie faciliteit. Hiermee wordt de

gebruiker de mogelijkheid gegeven om zowel tijdens als na de sessie reeds gestelde vragen op te roepen en de

antwoorden daarop te modificeren, waarna gekeken kan worden wat de invloed van deze mutatie op de consultatie is.

De bovengenoemde faciliteiten zijn zowel een hulpmiddel voor de knowledge-engineer bij de constructie en evaluatie van de knowledge-base, als voor de uiteindelijke gebruiker van het

systeem.

3 HET APPLICATIE-DOMEIN

3.1 Inleidinq

Nadat in hoofdstuk 1 het teimplementeren probleemgebied is' gekozen zal in dit hoofdstuk het applicatie-domein warden gedefini&erd. Een van de meest voorkomende fouten bij de ontwikkeling van expert systemen is, dat men reeds in de prototypefase te hoge verwachtingen heeft van het gebruik van deze systemen. Hiertoe heeft de uitbundige publiciteit random dit thema aanleiding

gegeven. Het is raadzaam, juist in deze beginperiode de gestelde doelen eenvoudig te houden en niet meteen op een

""state of the art"-niveau te mikken- Haeronder zijn daarom nogmaals de richtlijnen gegeven,

welke van toepassingen zijn op de

te

implementeren kennis en de kens, op een succesvol prototype kunnen

vergrotem

Probleemgebied niet is te triviaal, Probleemgebied niet is te complex, Probleemgebied goed is afgebakend, j. Expertkennis is expliciet te maken,

,Experts willen participeren in project,

Probleem is niet op eenvoudige wijze met conventiOnele technieken op te. lossen.

Uit het bovenstaande blijkt duidelijk dat men bij het formuleren van het doel van het project rekening moet houden met de omvang van het probleemgebied.

Het doel van het project is de ontwikkeling van een diagnostisch expert systeem voor de turbo-compressor van een mieseimotor. Dit deelsysteem is echter nog dentate complex dat, wanneer met zich tot doel stelt het systeem direct in zijn geheel te implementeren, men

de kans loopt het overzicht _{te verliezen. Om deZe rat:len zal een} vereenvoudigd probleemgebied gedefinieerd moeten worden,,, het

zogenaamde 'applicatie-domein".

Dit vereenvoudigen van het probleemgebiedtal enetzijds _betrekking hebben op de fysieke grenzen van het systeem _{en anderzijds op de}

te stellen diagnose. In een later stadium is het mogelijk het

systeem zowel in de breedte als in de diepte uit te

breiden-3-2 Net frsieke gysteelm

Het ontwikkelen van een expert systeem is een aangelegenheid die, naarmate het te implementeren systeem in omvang toeneemtb veelomvattender wordt. Er zal zeker bij de ontwikkeling van een, prototype een geschikt applicatie-domein moeten worden gekozen. Dit is de reden waarom in deze paragraaf fysieke grenzen aan het technische systeem gesteld worden.

In deze eerste fase beschouwen we de turbo=compressor als _{een van} de dieselmotor geisoleerd subsysteem. Daar het echter onmogelijk is

de interactie tussen de dieselmotor en de turbo-compressor

geheel te verwaarlozen zullen we de dieselmotor als een "black-box" beschouwen met daarin een aantal vereenvoudigde relaties tussen vermogen, motortoerental en luchtverbruik. Hierbij gaan we er in eerste instantie van uit dat de motor volgens de schroefwet belast wordt.

Pe = C" * [3.1]

pet Pe = effectief vermogen [WI C = constante

n F toerental motor rsomw/s1

IIW.Ar

tier'

Gikalitqt).

-1.3frt . Km- \car

tid

ossorp

In een _{later ontwikkelingsstadium}

_{kuanen belastingen met een}

constant toerental (generatorbedrijf) en eventueel een constant

jc pe.1.1 worden toegevoegd. In essentie maakt het geen verschil welke

belastingsvorm gekozen wordt.

Een tweede aanname in dit stadium

is dat we uitgaan van

een.

kwalitatieve benadering- Net nauwkeurig kwantificeren van de

Tot slot nemen we de-h, dat de turbo-compressor 21ch _{in een}

"stationaire toestand" bavindt. net prototype expert systeem verkrijgthierdoor een tijdsonathankelijk karaktere Dit impliceert,

dat men pas aan een consultatie met het systeem kan beginnen

-wanneer de de turbo-compressor zich in een evenwichtstoestand

1.3

symptomen die optreden als gevolg van een storing is een zeer

complexe aangelegenheid, daar er zeer weinig meetgegevens aanwezig

zijn. Kwantificeren is

slechts mogelijk door een uitgebreide

computersimulatie of door een systematische beproevingen van een motor op een proefstand, waarbij verschillende itoringen geintroduceerd vorden, waarvan vervolgens de effecten worden bepaald

Beide methoden zijn zeer tijdrovend en daarom in, het kader van dit afstudeerproject achterwege gelaten.

Cy.

Een derde vereenvoudiging

ia

de aannaMe Van de zgn. "'Single Failure

Hypothese". Deze hypothese geeft aan dat er slechts

earl

storing'

gelijktijdig 2a1 optreden en hiermee een unieke set symptomen

tentoonspreidt. Door aanname van deze hypothese is het mogelijk een kennisstructuur te construeren, die verbanden legt

tussen de

mogelijke storingen en de effecten daarvan op het systeemi zonder rekening te houden met complexe interferentie verschijnselen. Deze interferentie verschijnselen welke _{optreden doordat meerdere} storingen op hetzelfde tijdstip optreden,

kunnen in een later

bevindt; dit wil zeggen dat de toerentallen van de turbo-compressor en de dieselmotor constant dienen te zijn.

Deze (beperkende) voorwaarde brengt de volgende voordelen met zich meet

De eenduidigheid van de waarneembare symptomen wordt hiermee bevorderd,

De procesparameters zijn eenvoudig met sensoren te registreren.

Samenvattend ziet het applicatie-domein er als volgt uit:

De turbocompressor is geisoleerd van de dieselmotor. De motor is belast volgens schroefwet.

De symptomen zijn gekwalificeerd. De "single failure hypothese" geldt.

De turbo-compressor bevindt zich in een stationaire toes tand.

Hiermee is het applicatie-domein gedefinielerd. Voordat begonnen kan worden met de werkelijke ontwikkeling van het prototype is het van belang inzicht te verschaffen in

de principes van

de turbo-compressor en de thermodynamische relaties tussen de proces-parameters. Dit teneinde in een later stadium gefundeerde uitspraken te doen omtrent de kwalitatieve relaties tussen deze parameters.

3.3 Principes van de turbo-compressor

Het vermogen dat door een verbrandingsmotor wordt geleverd is:

z-Vsffipe.N

Pe

-met Pe : effectief vermogen (W)

pe : gem. effectieve druk (N/m2) z : aantal cilinders

Vs : slagvolume per ci1inder (m3)

N : toerental (omw/s)

i : aantal omwentelingen per procescyclus

Dit vermogen is bij een dieselmotor met gegeven afmetingen alleen te vergroten door verhoging van het toerental N of door toename van de gemiddelde effectieve druk Pe. Verhoging van het toerental leidt ,echter tot grotere waarden voor de gemiddelde zuigersnelheid, die

vanwege de optredende versnellings- en vertragingskrachten de waarde van 10 m/s zelden zal overschrijden.

De enige resterende mogelijkheid om het vermogen te verhogen is verhoging van de gemiddelde effectieve druk _PC.

Uit vergelijking [3.2] [Lit.7] blijkt dat de te bereiken effectieve gemiddelde druk ongeveer evenredig is met de aanvangscompressie-druk, en omgekeerd evenredig met de aanvangscompressietemperatuur.

pi nt 273.H0-01 pe

= (1+a-131)ns*- *

Ti b ,000A-1

VA~

15

144

C) (W)

[3.1]

(N/m2) [3.2]

1 -Vc Figuur 3. 2c

_At

A.A.?

0.0.1>

Fjpiur 31

Fig uur 3,2a

Vs

met: a = compressieruimte in % van Vs

01 = % van doorlopen slagvolume bij aanvang compressie As = spoeleffect - _

pi = druk bij aanvang compressie (N/m2)

Ti = temperatuur bij aanvang compressie (K)

nt

= motorrendement = luchtovermaat

Lib = theoretische luchthoeveelheid voor verbranding van brandstof (kg lucht/kg brandstof)

Ho = onderste verbrandingswaarde van de brandstof (J/kg)

al = soortelijke massa lucht bij 1 bar en 273 K (kg/m3)

In figuur 3.1 is het verband tussen Vs, a en pi weergegeven.

Het motorvermogen kan dus worden vergroot door het verhogen van de spoelluchtdruk en door het koelen van de spoellucht, die door het comprimeren een hogere temperatuur verkregen heeft (verg. 4.1).

Om drukvulling te verkrijgen kunnen we de volgende methoden onderscheiden:

m Mechanische drukvulling, waarbij de spoellucht op druk wordt gebracht met behulp van een zuigerpomp of roterende

compressor, die door de motor zelf, of door een afzonderlijk werktuig wordt aangedreven.

Afvoergassen drukvulling, waarbij de verbrandingslucht door middel van een turbocompressor wordt aangevoerd. Deze

compressor wordt aangedreven door een turbine waarin de uitlaatgassen van de motor expanderen en zo hun energie

afdragen.

Vooral de turbodrukvulling wordt momenteel op grote schaal bij dieselmotoren toegepast. Het grote voordeel van dit systeem is gelegen in het feit dat de conpressie-arbeid wordt verkregen uit expansie-arbeid die anders voor een groot deel verloren zou zijn

gegaan.

al=

De werkwijze is schematisch weergegeven in fig 3.2a

Een theoretisch p - V diagram is afgebeeld in fig 3.2b. In dit diagram is eenvoudigheidshalve aangenomen dat p2=p3 (druk na

compressor = druk voor turbine)

Oppervlak ABCDE stelt de arbeid verricht in de motorcilinder voor, terwijl het oppervlak begrensd door de punten 1-2-5-6 de in de compressor verrichte arbeid voorstelt.

Na expansie van het gas in de motorcilinder ken de toestand ervan worden voorgesteld door het punt E. De nog in het gas aanwezige expansie-arbeid kan, wanneer dit zou kunnen expanderen tot de druk voor de turbine pa, worden voorgesteld door het oppervlak 2-3'-E.

Omdat het gas vanuit de cilinder in een uitlaatgassenleiding

stroomt, gaat deze arbeid door werveling verloren en wordt omgezet in warmte. Net volume van het uitstromende gas wordt daarom niet aangegeven door het punt 3', maar door punt 3. De in de turbine verrichte arbeid wordt nu voorgesteld door het oppervlak 3-4-6-5. Het diagramoppervlak dat de (theoretische) turbine-arbeid voorstelt is groter dan het oppervlak dat de (theoretische) compressorarbeid voorstelt. Hiermee is de thermodynamische mogelijkheid van het systeem aangetoond.

Bij toepassing van turbodrukvulling worden twee systemen onderscheiden:

"Gelijkdruk"systeem, waarbij de uitlaatgassen van alle cilinders uitstromen in een gemeenschappelijke uitlaat-gassenleiding, waarin een nagenoeg constante druk heerst.

"Stoot"systeem, waarbij de cilinders op korte, relatief nauwe, individuele uitlaatgassenleidingen aangesloten zijn. Hierin ontstaat direct na het openen van de uitlaatklep een drukgolf.

In de hierna volgende thermodynamische _{beschouwing zal worden} uitgegaan van het "gelijkdruk"systeem. Hiermee kan namelijk de essentie van het hele proces worden beschreven.

Deze beschouwing kan later worden uitgebreid voor het

"stoot"systeem, door een zgn. stootfactor 5 te introduceren.

3.4 Thermodynamische relaties van turbo-compressor

Voor een stationair draaiende turbo-compressor geldt:

Het door de turbine geleverde vermogen is gelijk aan het door de compressor opgenomen vermogen.

Pc ra PT

[3.3]

Hierbij is nog geen rekening gehouden met wrijvingsverliezen. Deze

verliezen kunnen we met het mechanisch rendement no

als volgt

introduceren:

Pc

n. =

[3.4]

PT

De massastroom door de turbine is gelijk aan de som van de massastroom geleverd door de compressor en de massastroom

brands tof.

1+Ytot Lth

.

mT::-. 1.03 mc

IN0 t -Lt b

Wanneer we uitgaan van een stochiometrische luchthoeveelheid van 14.5 kg lucht/kg brandstof en een luchtovermaat van 1.8 (4 takt motor met directe inspuiting) volgt tilt vergelijking [3.5]:

19

[3.6]

(i(J/kg.K)!

Flguur 3.2c

hs diagram voor icentrifugaal, compressor

h

(kJ/kg)

Volgens de thermodynamica is de isentkopische arbeid die door een compressor wodt opgenomen gelij,k aan:

XL

(XL-11/XL

WinC = ptvi, /Pt) dolik

flea,

met: Wise = isentropische compressor arbeid (Nm) PI = druk bij aanvang compressie. (N/m2) Vi = volume bij aanvangcompressie, (m31 p2/p1= compressie verhouding.

EL = isentropische exponent = cp/c.

Met behulp van de gaswet voor een ideaal gas:

p-v=

£3.0

net: R = ugasconstante J/kg-X

Ran 13_7j omgeschreven Wotden tot

(tc-1)/TL

zwri

1(1- tpapii 1 Ulm) L3.9]

tLl

'Dear

p2/pi

l

is de compressor arbeid negatief. DIt houdt in dat

er, arbeid dient worden toegeleverd,4

Door het irreversibele verloop van het proces is de werkelijke enthalpietoename h" groter dan de enthalpietoename huts in het

ideale geval: figuur 3.2c. Het verschil tussen de werkelijke enthalpietoename en de isentropische enthalpietoename.:

h"-

/"is

[3.10a]j

is tewijten aan wrijving en turbulentie in het loopschoepenkanaal,

20

[1- [3.7]

Wisc =

>

-We definidren _{nu het isentropisch rendement als de verhouding} van

de totale

_{enthalpietoename in het ideale geval}

_{en de totale}

enthalpietoename in werkelijkheid:

h"

is

nit

=i _10b1

h"

Met [3-10b] wordt de werkelijke compressor larbeidv

Wise

We = (Nm] [3.10c1

nt.ci

Indieh de massa ó ilit ergelijking 13-91 vervahgen wordt door de massastroom

I,

dan verkrijgen we een uitdrukkingvoor het cpgenomen

-vermogeni van de compressor,

(tL-1)Itc

Pc = ILRTi [1= 1p2/p11 J

(in

_E3.111

tL-1 lust

Voor de turbine gelden dezelfde thermodynamische relatieeT

'CC (IG-1)/t

PT =

ICRT3 --- [1-

_(434/0)

₁

* ntsr

_*

_On

13.12] ts-1

21

Combinatie van [3;4], f3.11] en (3-12] geeft.:

(Tc-1)/t4 7ti. _(XL-104/XL.

1[1-

{p4/pa

jflFsT2fl.I

1. te

1P2/pit 1*

(,3.13).

met p =i stootfactor X 1 bij gelijkdruksysteem].

We definieren vervolgenS:; ,nc c TIT = T3 "CL 6

=, nc

-fir - 13 Ti 'gubstitutie in p.131 geefti Pa ir (tc-l)/tc nc= 11+ 'it:

Ll - 4134/P3)

t

0.143

mc

Dit is de eerste basisvergelijking van een uitlaatgassen turbine. De drukverhouding pill% aan de turbine-zijde wordt verkregen uit de

tweeds basisvergelijking [Lit.6].:t

a-ATe q DT [3.15g

'EL

-\--7

Deze Vergelijking is als voagt verkregent

1 MGRT3 3.5.

-

1 3.5 =

( 2 R T3 )

22

'

/tot.

Figuur 3.2c

Stroming van een gas door een straalpijp.

Gas is afkomstig tilt een zeer groot reservoir

met constante reservoirdruk.

De door een gegeven doorsnede A gaande massastroom gas bedraagt op grond van continuiteits-overwegingen:

a-c-A (kg/s) [3.15a]

met :a = soortelijke massa gas (kg/m3)

A = oppervlak van doortocht (m2)

c = snelheid van het doorstromende gas (m/s)

De snelheid van gas dat vanuit een reservoir door een straalpijp stroomt (figuur 3.2c) kan bepaald warden met de energiebalans voor een open systeem:

q + wt the - ) (35co2 - %ci2 )

met : q = hoeveelheid warmte (J/kg)

wt.= arbeid (J)

--h

= enthalpie (J/kg )

c = snelheid (m/s)

[3.15b]

/

6/AAA-4...e.4-4"fc

Indien geen warmte of arbeid wordt toegeleverd en we de snelheid aan de inlaat verwaarlozen, onstaat de volgende vergelijking

voor c (formule van Zeuner)

c =

I 2(ho

-

[3.15c]

Indien we uitgaan van een ideaal gas, dan is voor een willekeurige doorsnede met behulp van vergelijking [3.7] te schrijven:

(ts-1)

/Ts

c =

V12

-po -vo [1 (p/po) (Nm) [3.15d]

"Cc

1

Met de bovengenoemde uitdrukking voor c kan worden uitgeschreven tot de volgende vorm:

23

+

It 2/x

(tc+1)/tG

24 MT =- Mite' 03

R.T31(pe/p3X

(134/p3)

]

13.15f]

tG=1

1/toi

Po

to

4xs-1)/xs

m =

Oo-IP/pol-io-H

2- 1P/Pot ] [3.15e]

Co To-1

Met beh4lp van de gaswet is deze vergelijking, on te schrifve±t

tat.:

i(2-xc 2/x VCC +1) itCtl

in = A -oo 2-To-liP/P0) - (p/poD

[3.159

xc-1

Deze algemene vergelijking voor een stationair stromingsproces door een straalbuis kan als volgt worden gebruikt. voor de stroming van gassen door een uitlaatgassenturbine

Thy

(TG-1)/xs

'-: ---[1= (p/po)

1

Orim)u

PAM

C. !='

Co

tc-1

Met behulp van de didrukkingein

o = 1/v p-v! = konstant.,

-Volgt

tut

(3.15a2 en [3.15d1

;

-(1-== kwad rant 4 kwadrant 3 cm1:6 a. 0.4 0. s. 0.6 0.8

ERRATA bij "ontwikkeling di agnosti sch expert systeem ten behoeve van de turbo-compressor van

een dieselmotor"' 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.6 2.4 2.2 2.0

t

1.8 0: 1.2 1.0 0 0.2 bar 1.0 1.2 1.4 16 P3/ P4 Figuur 3.3" P2/Pi 26 2.24. 1,8, 14 v." (0 F4guur 3.4 1.0 07 2.0' I Q02 MilaAregj I

Ar

a 0.2 0.4 bar 0.6 "IT T3 (1)T.P -3 _{a AT" k2} - - -kwad rant 2 c-T-11C117Ti nP

Arra

FAME

CT/ AV

-4/SaFr

SFr

Err

_ArLiall

\10 I y-1.4

Err

IIIW"

"C:-1,34 ' il. 1 .114h4SINIIIIIIIIIiiiIINN.

.glkiLki__

--___

... 1 P4-=0.6 bar 1 c

--r -

-.4111/143..

itic 1 tPTP3 , ₇₀ thy VT I

-

, Ct ATea k3 2.8 13 I! rp,' -1c1143 ;1"k?,T:, kwadrant_ 12.4 2.0 to 16 1.2 = TrT P3/P 1.0 1.2 14 15 1:8 20; 1.8 1.2 0.8! 1

Hierin is Mei, gelijk aan het oppervlak van de doortocht van de leidschoepen en loopschoepen in serie, inclusief een contractie-coefficient.

De factor a geeft de invloed weer bij het stootsysteem. (a = 1 bij gelijkdruksysteem).

Met OT, de "turbine flow parameter" die als volgt is gedefinieerd:

1 Ts 2/TG

(tc+1)/tc

[(P4/P3)

- (p4/p3)

)

Ts

-is vergelijking [3.15] afgeleid. 133

Met o3 = wordt vergelijking [3.15] It

ern

arm

met

k2 =

/(21R) [3.17]

a AT eq k2

De hierboven afgeleide thermodynamische relaties van de turbo-compressor kunnen op overzichtelijke wijze grafisch gepresenteerd worden in het zgn. "Zinner"-diagram.

Dit diagram

(figuur 3.3) beeld- kwalitatief het samenspel van

uitlaatgassenturbine en compressor uit onder invloed van alle

significante parameters.

In het diagram

is de drukverhouding

p2/pi

van de

compressor

.:itgezot teen de drukverhouding

p3/p4

van de turbine, met 6 als

parameter.

Daar dit diagram, uitgezonderd de temperaturen, alleen maar

drukverhoudingen bevat, is dit diagram onafhankelijk van de

25

afmeting van de verschillende componenten en daardoor toepasbaar voor elke enkeltraps turbo-compressor.

Bij dit diagram is uitgegaan van:

j

3 ar /

MC = 1.03

Uit het figuur blijkt dat uitgaande van evenwichtstoestand

Bij een toename van de rendements term ncenT van 12-5 % het, werkpunt verschuift van punt 1 naar punt 2. Uit het diagram blijkt dat de drukverhouding daarbij toeneemt.

u Bij een verhoging van de temperatuur 41'3[ de factor

Drep3

met

een factor 113 (punt3") toeneemt en daardoor een verhogiffd van de drukverhouding pilp, (punt 3') teweeg brengt. Als gevolg hiervan zal ook de drukverhouding pa/pi toenemen.

Bij een gegeven motorvermogen is de drukverhouding

p2/pt

afhankelijk van het het doorstroom oppervlak van de

leid- en loopschoepen. Wanneer ATeq afneemt, zullen hierdoor

121.-p3 (punt 4") en pilp, (punt 4'1 en pill,' (punt 4) elle

toenemen,

FigUur 3.3 beVat

de Meest essentiele telaties van de

turbo-compressor, =ear ter vereenvoudiging van, de berekeningen kan het diagram met twee kaadranten worden. uitgebreid iffiguur

Kwadrant (3) met daarin de verhouding tussen

Mr/aAreq

en 0/1.3

als functie van de turbine intree temperatuur Tas

Kwadrant 44Y met daarin de verhouding tussen de massastroom ,gas en de massastroom lucht. Dit kwadrant is vail belang

indien een tweede parallel geplaatste mechanische turbo compressor wordt toegepast.,

26

1:

Met behulp van dit diagram kan nu voor elke situatie op grafische wijze de evenwichtstoestand van de turbo-compressor bepaald worden. Hiertoe kan in elk willekeurig kwadrant gestart worden.

In paragraaf 4.4.3 zullen de hierboven gevonden relaties gebruikt worden bij de bepaling van nieuwe evenwichtspunten bij een variatie van een of meerdere parameters ten gevolge van een storing.

SII11

4 BOUW VAN EEN PROTOTYPE EXPERT SYSTEEM

4.1 Inleiding

In de praktijk is de bouw van een (prototype) expert systeem een moeizaam en langdurig proces,

waarbij voor ieder probleem een

andere oplossing moet warden gevonden. Er zijn nog geen standaard methoden en technieken, die in elle gevallen tot het gewenste doel

leiden. Ondanks het feit dat voor de constructie van het expert systeem beschikt kan warden over een empty shell systeem, moet toch warden toegegeven dat veel energie geinvesteerd dient te warden am

tot een bruikbaar geheel te komen.

Het is daarom raadzaam am

systematisch te werk te gaan.

Het verdient de aanbeveling am bij de ontwikkeling van een computer-programma te beginnen met het opstellen van een globaal structuur-diagram, met daarin op schematische wijze aangegeven uit welke onderdelen het te ontwikkelen programma gaat bestaan en wat de specifieke taken van deze onderdelen zijn. Dit teneinde bij het verloop van het project de grote lijn niet te verliezen.

Verder kan terwille van een gestructureerde aanpak bij de

ontwikkeling van technische systemen, waaronder de expert systemen de volgende fasering warden aangebracht [Lit.4]:

De identificatie fase, De conceptie fase, De formalisatie fase, De implementatie fase, De evaluatie fase.

Deze fasen zullen in de volgende paragrafen beschreven warden.

Figuur 4.1

Structuurdiagram expert systeem

voor storingsdiagnose turbo-compressor

Proef stand

gegevens

huidige

toestand

correcties

diagnose

verwachting

Belasting

iso temp.

iso druk

kennis

4.2 Structuurdiagram

prototype

expert systeem

In figuur 4.1 zijn op schematische wijze de te ontwikkelen programma onderdelen in kaart gebracht.

We gaan hierbij uit van de proefstandgegevens van een bepaalde dieselmotor. (In dit geval van de 18 TMS410 VL, een 18 cilinder

V-motor gefabriceerd door

Stork Werkspoor Diesel) De gebruikte proefstandgegevens zijn in Bijlage B opgenomen.

De proefstandgegevens, die verkregen zijn bij het testen van een nieuwe motor op de proefstand zullen bij dit prototype als

referentiewaarde dienen. Daar de beproeving van een motor op de proefstand onder omgevingscondities geschied, dienen de verkregen metingen genormaliseerd te worden near standaardcondities voor

temperatuur en druk. Dit om in een later stadium de referentie-waarden te kunnen vergelijken met andere genormaliseerde meet-waarden.

Als standaardcondities gaan we uit van de iso-condities:

tiucht = 27 °C

pi IICht = 1 bar

De voor de ontwikkeling van dit prototype relevante, genormali-seerde ref erentiewaarden, die in het proefstandprotocol gediscretiseerd naar vijf belastingstoestanden zijn weergegeven, worden vervolgens met behulp van curvefitting programmatuur getransformeerd naar polynomen, als functie van het motorvermogen. In Bijlage C zijn deze polynomen, met bijbehorende functievoor-schriften weergegeven.

Met behulp van externe programmatuur is het mogelijk deze polynomen te manipuleren teneinde bij elk willekeurig gekozen vermogen, de referentiewaarden van de procesparameters te bepalen.

nrn

Als alternatief voor het gebruik van de proefstandgegevens. is het mogelijk de waarden van de procesparameters te traceren met behulp van numerieke simulatie van het motor/turbo-compressor gedrag. Zen dergeljjke-Ranpak heeft als voordeel dat er een meer uniform systeem verkregen wordt. Hiertoe dient echter eerst een bruikbaar model van het gaswisselsysteem van de dieselmotor ontwikkeld te worden. In hoofdstuk 5,, "Projectvoortstellen" zal. hier nog nader op teruggekomen

worden-Me op hierboven beschreven wijze verkregen procesparameters, warden

vervolgens vergeleken met de momentane waarden van de

proces-parameters. Deze waarden, die met behulp sensoren en registratie-apparatuur te bepalen zijn, dienen echter eerst naar standaard omgevingscondities genormaliseerd te worden,

Wordat

ze in

aanmerking komen om vergeleken te warden,

'Het verschil tussen de referentie waarden eh de atomentahe viiarden is een maat voor de performance van de turbo-compressor. Als gevolg van continu verlopende processen zoals slijtage en vervuiling -zullen na verloop van tijd de verschillen hier symptomen genoemd,

steeds groter warden.

Door deze symptomen te manipuleren met de geldende thermo= dynamische relaties (paragraaf 3.4) aangevuld met ervaringSkennig van experts,

zal het expert systeem in staat moeten 2ijn ten

diagnose te stellen.

Hierbij zijn we in eerste instantie vooral geinteresseerd in, het type storing. Later kan het systeem uitgebreid warden opdat hit aanbevelingen geeft over nieuwe motorinstellingen of te plegen toestandsafhankelijk onderhoud.

4.:3 De identificatie rasa

In deze paragraaf

zulleh

enkele belangrijke aspecten van het, in het vorige hoofdstuk gedefinieerde applicatie-domein worden vastgesteld- Teneinde dit te kunnen verwezenlijken

is het van

STORINGEN

Turbo-compressor

Turbine deel

straalpijpring vervuild

straalpijpring beschadigd

Ioopschoepen vervuild

loopschoepen beschadigd

afdekring vervuild

-afdekring versleten

Compressor deel

-compressor vervuild

compressor beschadigd

diffusor vervuild

-diffusor beschadigd

inlaatfilter vervuild

Smeerolie systeem

temperatuur storing

_t;.

druk storing

-lager storing

Koelwater systeem

temperatuur storing

druk storing

interne lekkage

Turbine sheeting storing

Compressor spoeling storing

aTcrk_

Tabel 4.2

SYMPTOMEN

Turbo-compressor

Turbine deel

-temp. gas turbine intree

ET_T_II

druk gas turbine intree

IT_P_II

temp. gas turbine uittree

1T_T_U]

druk gas turbine uittree

[T_P_UI

Compressor deel

drukverschil over

filter

-temp.

lucht na compresor

[C_T_Ul

druk lucht na compressor

[C_P_U]

Koel water systeem

temp. koelwater turbine intree

[K_T_I]

druk koelwater turbine intree

IK_P_II

temp. koelwater turbine uittree [K_T_U]

druk koelwater turbine uittree 1K_P_U1

Smeerolie systeem

temp. smeerolie voor turbo-compr[S_T_II

druk smeerolie voor turbo-compr IS_P_II

-temp. smeerolie na turbo-compr [S_T_U]

-druk smeerolie na turbo-compr

[S_P_Ll]

Algemeen

-toerental turbo-compressor

-trilingsnivo turbo-compressor

-geluidsnivo turbo-compressor

[n_turbl

C_P_F)

belang terug

te blikken naar het doel van het project:

"Het

ontwikkelen van een prototype diagnostisch expert systeem". De volgende vraag is nu evident: Wat omvat een diagnose eigenlijk? Men dient een systeem aan een diagnose tc anderworpcn, indicn het

een ongebruikelijk gedrag vertoont, hetgeen kan worden vastgesteld omdat er waarneembare symptomen zijn; het systeem werkt niet naar behoren, er treedt een alarm in werking, er is geen reactie op de invoer etc. Deze waarneembare symptomen hebben achterliggende

oorzaken, die meestal in verband staan met bepaalde onderdelen van het systeem, die gereinigd, gerepareerd of vervangen dienen te warden am de genoemde symptomen te elimineren.

Diagnose heeft tot taak deze achterliggende oorzaken op te sporen. lilt deze beschrijving volgt dat het expert systeem, met behulp van de geimplementeerde kennis, eenduidige verbanden zal moeten kunnen

leggen tussen de waarneembare symptomen en de achterliggende oorzaken om tot een correcte diagnose te komen.

4.3.1 De achterliggende oorzaken

Zoals reeds vermeld zal een niet correct functionerend systeem een ongebruikelijk gedrag tentoonspreiden. Dit gedrag is in de meeste gevallen het gevolg van het falen van een (of meerdere) componenten van het systeem.

Een component heeft gefaald wanneer het zijn

specifieke functie niet meer kan uitoefenen. Een component kan op een tweetal manieren falen [Lit.5], het kan of zijn functie totaal niet meer vervullen (complete failure) of een van zijn tolerantie-intervallen overschreden hebben (partial failure). In beide

gevallen zal dit invloed hebben op functie vervulling van het

sys teem.

Het moge duidelijk zijn dat voor het stellen van een diagnose van een complex technisch systeem, kennis over de faalwijzen van de systeemcomponenten van essentieel belang is.

Teneinde dit te bewerkstelligen zijn systematisch al de mogelijke faalvormen die bij de turbo-compressor kunnen optreden achterhaald. Een lijst van de storingen is gegeven in tabel 4.1.

4.3.2 De waarneembare symptomen

Expert systemen dienen in voortdurend contact met bus omgeving te staan. Vanuit deze omgeving betrekken zij "on-line" dan wel "off-line" allerlei soorten gegevens als input. Deze input kan bestaan uit waarden van procesparameters, informatie over systeemcondities en/of andere waarneembare symptomen zoals trillings- en geluids-nivo.

Deza waargenomen symptomen, velke voortvloeien uit een Storing,

bezitten vaak eigenschappen die op verschillende

manieren te

interpreteren zijn. Met deze eigenschappen zal in de volgende fasen terdege rekening moeten warden gehouden, teneinde verlies van eenduidigheid van de diagnose niet te riskeren. Deze eenduidigheid

is

erg belangrijk in verband met

het beperken van het aantal

onnodige acties, zoals wijzigingen van instellingenr, reparaties of onderhoudswerkzaamheden.

In tabel 4.2 is een lijst weergegeven met

daarin systematisCh

vermeld al de waarneembare symptomen die relevant kunnen zijn bij de storingsdiagnose van een turbo-compressor. Bij het opstellen van deze lijst is rekening gehouden met haalbaarheid van de metingen.

Deze lijst impliceert echter niet dat al

de ,genoemde proces-parameters werkelijk geregistreerd worden,.

APAA-Vvt

ttbt4d

/RA-4mt/L 4_3 3 De moduierIng van de ienni.

32

Teneinde de overzichtelijkheid van het applicatie-domein te

vergroten zijn binnen het systeem de "turbo-compressor" de volgende subsystemen gedefinieerd:

Het compressor systeem Het turbine systeem Het koelwater systeem Het smeerolie systeem

tis

Deze subsystemen, die in de knowledge-base overeenkomen met de

objecten, bezitten allemaal hun specifieke storingsvormen en

symptomen. Het op deze wijze moduleren van kennis heeft de volgende voordelen:

De kennis in de modules is gemakkelijk tilt te breiden en te corrigeren, zonder dat dit consequenties heeft voor de structuur van de gehele knowledge base.

Een module behoeft slechts eenmaal te worden gedefinieerd om vervolgens meerdere malen in verschillende subsystemen

te kunnen worden toegepast.

koelwater

systeem

Figuur 4.3

Functioneel blok diagram

Turbo-compressor

koelwater

I KOE LE Fl

Dieselmotor

It

smeerolie

smeerolie

systeem

4.3-4 I) anteractie met de gebruiker

tegenwoordig wordt bij het. diagnostiseren van storingen bij

complexe systemen gebruik gemaakt van onderhoudsboeken. In deze boeken zijn voor veel voorkomende storingen de relaties tussen de

symptomen en de storing vermeld.

Net is echter niet altijd direct mogelijk een eenduidig verbamd tussen symptomen en storingen aan te geven. Afhankelijk van de grootte en complexiteit van het systeem, client meestal een aantal vragen te worden beantwoord en/of testen te worden uitgevoerd, dit alles met het doel duidelijkheid te verkrijgen over de conditie van het systeem.

Het stellen van een diagnoSe

geschiedt sneller naarmate de

te

beantwoorden vragen en de te verrichten tests simpeler van aafd

zijn.

Bij een expert systeem dienen de door de gebruiker te beantwoorden vragen en de uit te voeren tests eveneens simpel van aard te zijn.

Tevens dient de kwantiteit van de te

stellen vragen zo gering

mogelijk te zijn, waarbij niet elk villekeurig gegeven geschikt is on gevraagd te worden. Men moet de gebruiker dus niet vragen een temperatuur te meten op een onbereikbare pleats of tern een test laten uitvoeren, waarbiji h&j eerst het gehele werktuig client te demonteren.

De constructeur van het expert systeem zal dus goed moeten weten wat hij wel en wat hij niet aan de gebruiker kan vragen.

Net behoeft verder geen betoog dat bovenstaande van invloed is pp mde structuur van de te implementeren kennis.

conceptie rase

_ _

In

de conceptie fase

zal met behu1p. van de gegevens uit de

identificatie fase een eerste concept van de

te implementeren kennisstructuur worden gemaakt.

Hiertoe wordt allereerst een functionele beschouwing van de turbo-compressor, waarbij alle subsystemen besproken worden, gegeven.

Vervolgens zullen de relaties tussen de waarneembare symptomen en de achterliggende oorzaken met behulp van een nader te bepalen geschikte evaluatiemethodiek worden

bepaa1d-4-4.1 De functionele beschriiving

Na het bestuderen van een technisch systeem is

men

in staat een functioneel blokschema van het systeem op, te stellen. Het functionele blokschema is in feite een volgens de systeemhierarchie

opgebouwde indeling van een technisch systeem. Het systeem is

daarbij volgens de te vervullen functies opgedeeld in subsystemen, weergegeven in een blokschema, waaruit tevens de functionele relaties tussen de subsystemen naar voren komen. Vervolgens worden

de functies van de subsystemen vastgesteld,

en kan van ieder

subsysteem een functioneel blokschema worden opgebouwd. Het is mogelijk hiermee door te gaan tot uiteindelijk het onderdelennivo is bereikt. Het doel van deze grafische, weergave is in de eerste pleats duidelijkheia. In figuur AR.3 is het functionele blokschemat van een turbo-compressor weergegeven.

Deze functionele benadering van het

technische systeem wordt tijdens de verdere ontwikkeling van het expert systeem als

basisgegeven

beschouwd-35

Zoals reeds in paragraaf 4.3.3 is beschreven kunnen

we het systeemi

"turbo-compressor" opdelen

in vier

subsystemen,

die

elle

een

specifieke

functie

vervullen.

Deze

subsystemen,

met

hun

ter

vervullen functies en met de belangrijkste componenten waaruit zij

opgebouwd zijn, zullen in de volgende paragrafen worden beschrevem.

4 4 1 1

Het compressor systeem

Functie: Het via een roterende as arbeid aan een stroMehd medium

thier lucht) toeleveren

met als

doe een

drukverhoging

te bewerkstelligent. flit druknivo is afhankelijk van het

toerental van en de massastroom door de turbo-compressor.

Componenten:

De geluidsdemper

Net inlaat luchtfiltero

De impeller,

De diffusor.

Diverse sensoren,

4-4.1.2 Het turbine systeemi

Functiei:

Het er doorheen stromende medium Nitlaatgassen) arbeid

te laten afgeven aan een roterende as. Deze arbeid wordt

verkregen door expansie van, de uitlaatgassen. De op deze

wijze

verkregen

arbeid

vordt

aangewend

voor

de

aandrijving van de compressor.

domponenten:

De straalpijpringe

Het loopschoepen

De afdekring,

Diverse sensoren,

.36f) , wiel,

&Ix)" °L62-L

()-0,Af\-

cvn'

r-

'Ar1e--2lw-er?

4.4.1.3 Het koelwater

systeemU'AAA'

--GV\11-1/6;''

dtit"

CThpl,t4r1.01-

_{0/3 -}

bite,

Functie: Het koelen van het turbinehuis, dat door de

langsstromende uitlaatgassen zeer warm kan worden. Het koelsysteem is normaliter een deel van het totale zoetkoelwater systeem van de dieselmotor.

Componenten: Toe- en afvoerleidingen.

Een netwerk van koelwaterkanalen door het turbine

huis.

Diverse sensoren.

4.4.1.4 Het smeerolie systeem

Functie: Het verlagen van de wrijvingsweerstand tussen rotoras en lagers teneinde slijtage te voorkomen alsmede het

afvoeren van wrijvingswarmte en reduceren van

cons tructiegeluid.

Net smeerolie systeem is even als het koelwater systeem, onderdeel van het smeerolie systeem van de gehele motor, doch met dit verschil dat er op een bepaalde hoogte boven de turbo-compressor een aflooptank is geplaatst, die er voor zorgt dat bij falen van het systeem, de lagers nog gedurende enige tijd (de uitlooptijd van de turbine) gesmeerd blijven.

De smeerolie wordt onder druk naar de lager toegevoerd, alwaar de olie na zijn smerende werking te hebben verricht atmosferisch afloopt.

Componenten: Toe- en afvoerleidingen,

De lagers aan de turbine- en compressorzijde. Diverse sensoren.

4.4.2 De evaluatiemethodieken

Sinds de laatste jaren toont de gebruiker grote belangstelling in de bedrijfszekerheid van technische systemen. Aan de onderhoud-baarheid en de veiligheid warden ook steeds hogere eisen door de gebruiker gesteld. In de jaren 40 is men dan ook begonnen met het ontwikkelen van evaluatiemethoden voor de analyse van de

beschikbaarheid en veiligheid van technische systemen. Met deze methoden is men in staat in een vroegtijdig stadium ontwerpfouten

aan te tonen. Deze methodieken zijn in wezen niets enders dan

procedures die de mogelijke storingen achterhalen en deze koppelen aan de optredende symptomen.

Dergelijke methoden kunnen hierdoor oak een bruikbaar hulpmiddel zijn bij het construeren van een diagnostisch expert systeem. De evaluatiemethodieken zijn op te delen in twee groepen:

De eerste groep doorloopt de relaties tussen oorzaak en gevolg in causale richting. Vanuit de veroorzakende

gebeurtenis wordt de gevolggebeurtenis bepaald, hierdoor wordt deze evaluatiemethode ook wel de 'causale' of

'forward' methode genoemd.

Be tweed& groep van evaluatiemethoden heeft een deductief karakter. Men stelt hier eerst vast dat het systeem gefaald heeft en noemt dit voorval de "topgebeurtenis". Vervolgens wordt systematisch teruggeredeneerd tot aan de gefaalde component die de ongewenste togebeurtenis heeftveroorzaakt. Deze methode wordt ook wel de "anti-causale", "backward" of "top-down" methode genoemd.

Seidel evaluatiemethodieken zullen in de volgende paragrafen warden besproken, waarna de meest bruikbare wordt geselecteerd.

4.4.2.1 De causale evaluatiemethode

Een causale evaluatie is

_{een systematische evaluatie van een}

systeem of subsysteem die begint met elementaire gebeurtenissen die plaatsvinden op het laagst zinvolle systeemnivo. Een van de

bekendste methoden van deze groep is de "Failure Mode and Effect Analyses" (FMEA). Het betreft hier een kwalitatieve benadering (wat

zijn de gevolgen van een storing?)

met het doel de mogelijke

storingsvormen of faalwijzen (failures modes) van een systeem te catalogiseren en de effecten daarvan op de systeem functie na te gaan. Over het bestaan van verschillende soorten faalwijzen is reeds in paragraaf 4.2.1 gesproken.

Bij de FMEA-methode warden achtereenvolgens de volgende stappen doorlopen:

Ontleed het beschouwde systeem in een functioneel blokschema en geef een

beschrijving van het doel en de werking van ieder blok.

Maak per blok een lijst van alle onderdelen en de bijbehorende storingsvormen.

Beschrijf de relaties van een falend onderdeel ten opzichte van het totale sys teem.

4.4.2.2 De anti-causale evaluatiemethode

De anti-causale evaluatiemethode gaat ervan uit dat het systeem heeft gefaald, dit falen wordt de topgebeurtenis genoemd. Deze topgebeurtenis wordt deductief opgesplitst in alle andere gebeurtenissen die tot deze topgebeurtenis hebben kunnen leiden.

Een voordeel van deze methode is

dat gecombineerde storingen verwerkt kunnen worden, dit in tegenstelling tot de causale evaluatiemethode en dat de relaties tussen oorzaak en gevolg vanaf systeemniveau tot componentniveau gevolgd kunnen worden.

Een nadeel van deze methode is dat er mogelijk oorzaken die tot de topgebeurtenis leiden, vergeten worden.

Een zeer bekende anti-causale evaluatiemethode is de "Fault Tree Analyses" methode (foutenboomanalyse).

Voor de ontwikkeling van een diagnostisch expert systeem ten

behoeve van de turbo-compressor van een dieselmotor blijkt dat de hierboven beschreven "FMEA" evaluatiemethode zeer doelgericht

werkt. De met deze methode verkregen relaties tussen

storings-vormen en symptomen zijn rechtstreeks in de knowledge base te

implementeren.

In de volgende paragraaf is systematisch aangegeven wat de effecten van de in paragraaf 4.3.1 vermelde storingen zijn.

Ter verkrijging van de relaties tussen storing en symptoom is

gebruik gemaakt van de thermodynamische relaties welke beschreven zijn in paragraaf 3.4. Deze feitenkennis is zonodig aangevuld met ervaringskennis van een aantal experts op het gebied van turbo-compressoren.

De methode die is toegepast ter acquisitie van deze ervaringskennis is beschreven in bijlage C.

o

,;) r_

0

co OF

a

gll

h

0111111 911111

fill

1111111

II 110111 11/10/11 111 1 1 '11111

lill

i

ill1111011 11111 01;10141111

II

11111101111111 IlliIl NO 11100

Mil

ill III 11111111111[1.1i1;t1illillfilh

' Ill II

Iii Nil 111011 NI II

1111

,.. _

, 1

P

im ilimer-L1F0 ars

trill 9

orI

l'ill I 111111"n441tIll's'ifri 14/11/1110 I

'11 616 11 IlioNoSIARIhillt,i

I, f 1ilii ii i

1111

1111111 III 11

ill

1111 11 11111 11/11/11 1,111141111$111411111 'POI I i m 0 1111 II III!

lid 111,,it Iti tlitikirt.i : IN

III 11h1 11 :hi iegliill 111v h14 Ilt

illiill

'hill III 1011 1

Hi 1 OM 11/11/11 11 IIIII" 911 111 Ili till 0 1 101111111110111111111111 liiiiiiiii 11r;1r111 11811) 11111111111 1111111 111114 . Ii iiiiiMill 14141i Pkilqt14111111111.111111111

likplii

Ilkhlivibd1141114111111114111PYItr III 1:11111 11111 11101111111111 III 11 111

h '

1

Ili

11 III' IIIIiill

iiiiplogllishitihiro.11.11,111

iminiiiii 1 1,19ditmoiniiiim

Hi Mil 1111 IN8:111111

dill Inl

II _{III .1}

'

1-_z_ 110111 11/11/00 filillitootimuili iiili ill

....11.3

__, ri; 7.,

1111

Irooliiill

Ill 1111111 Ho ollil

illimorioliiil

god

III

lirsiliiliiimpliloiliihill

oillo

idol

iliiiiiq

lo

lltd

inigiol goo Hirai

1111101/ 11°1110111111H11 11 11 ill 11 1111 Iii 11/11/11 Ill 110ffl 111110 III 11 III RH I II 11 1 1 MEI 11111111101111111111 11/11/11 11191111114

ii !fide NI

111111111.:11:"111:1111111

MI I I TIM Wel

1111 NMI hi

1

111 11 NI

3 11/11/1Iii

11

oi wool

11U11 !Med IN I I II

!!!! "tit

III 111 I U1III1 111011 II 1 II IIUI 11 111111111 111101 1 1 111 01/11/1111 11 11110 11111011111 11/11/11

111d1 bill

II 011 II HA

niIiuhiiiioQi

11/11/11

illiilorrAnn

IINIIIIIUHI!IIIIO! 1011111 IIMUIIIIH I 1101111 hill II liflIllIll

hull

iii

LIMON

111111111111 II

or

.1

in

eu 111hIG:11'11;111 nI11111I111011111111 1E/11/11M" 1111101 111111 II fill Ui II Il NI UI 111 111 III NB 0011 ii II III Ii I 11111 11111 II _Ill

consequenties:

H toerental van de turbo-compressor _{/etal afnemen.}

ViCtjM s

4.4.3 Relaties tussen storinaen _{en symptomen}

Straalpijpring slijtage

Ten gevolge van de schurende werking van gassei door de straal-pijpen zal op den duur de doortocht door slijtage toenemen.

Deze vergrote doortocht heeft voor de turbo-comi,ressor de volgende

oorzaak: continuiteitsformule : m = c-A-)= constant

dus minder kinetische energie in gassen.

met

1 :

massastroom (m3/sec)

: soortelijke massa _(kg/m3)

A : oppervlakte van doortocht (m2)

c : snelheid (m/s)

Een verlaging van het toerental zal bij een constant

-compressorrendement leiden tot een lagere drukverhouding nc

en een geringere massastroom lucht.

bewijs: Volgt uit compressorkarakteristiekl. (fig 4.5a)

Een lagers drukverhouding nc leidt bij een constante inlaatdruk pi tot een lagere eindcompressiedruk

_p2.

Een lagere p2 leidt bij constant motortoerental en vermoaen en dus bij een constante inwendige wrijving tot een

(r

,..._ evenredige verlaging van

pa.

?el wow (AA

JZ/V CAir. f 2. lo

'

De compressorkarakteristiek is gegeven in volumestromen die genormaliseerd zijn naar aanzuigcondities. Daar de massastromen ook genormaliseerd zijn is de verhoudino tussen beide een constante waarde voor c.

0 1-rii1J1

ck,frA kr)

Up\ t\QA,

v,\,661PAil

5

1t 2,0,440411_

41

Al--.

0,C I Figuur 4.5b I Srraaipijpring slijtage ? hiL, 0 1

,

4?₀ , ril r ' ` m C r, at il 3,2 Ti n = 11 P Ti C T A

II4

.A.44

KO

_n1

kikl.

II I

ri-,

2,8 I

r

,

.4 Ars

IF

Arampw

-Ali

raPAPararS

wiri-asois

_{-aill .---.a}

.1 2t4

r seraligi

u

\4-

r".

..4._...a.

SOI,

_Aiorraislir

-0-,---, , _ ,,,s,\:\.\

aim

00!

---- ,

1,6

r

111,0"er P2

ithl

al.. I

Ti c = . br - ---,-13, P 1 ,0 3.6 3,2 28 24 20 1,6 12 12 1,8 2,0 2,2 2* 26 V 160 kg/scm2 0,040 0030 020 0,010 rhT 02 4 ATea NA-1.400 I \ \N.

II

No-1.345

Mari

MI

04 s

\ .41a

ilh.

I a

so1/47IW

I ,17 liZil th.-11111111Ell Q 11°' pc. Al1

A

bz:

i'

[ ,o 41/4t

cc) la

irs t,L, 1

i

I =11111Iiiiih...111\--/00 1 1,2

'

3

bar I, 1 I fl

I4

I 1,4 3,6