pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna
Transkrypt
pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 2, 34-36 INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA str. 34 Nr 2/2012 Bogdan ŻÓŁTOWSKI e-mail: [email protected] Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz Elementy racjonalnej eksploatacji systemów technicznych Wstęp Współczesne maszyny pracujące w przemyśle, budownictwie i transporcie są bardzo wydajne, a jednocześnie skomplikowane i drogie. Każda awaria, uszkodzenie i postój z tym związany powodują często duże straty ekonomiczne oraz zagrożenia środowiskowe. Dla potrzeb utrzymania zdatności w procesie użytkowania oraz zapewnienia bezpieczeństwa i ochrony środowiska rozwija się teorię i praktykę obsługiwania technicznego, doskonaląc istniejące strategie eksploatacji. Ciągle rozwijany i doskonalony jest system wymian profilaktycznych dla obiektów, doskonalone są modele takiego rozwiązania. Efektywne strategie eksploatacji pozyskując informacje o użytkowaniu i obsługiwaniu technicznym wykorzystują szybką, wiarygodną i przyjazną dla użytkownika informację o stanie z diagnostyki technicznej. Nowoczesne technologie informacyjne dostarczają wiele oryginalnych rozwiązań z obszaru pozyskiwania, przetwarzania i redundancji informacji ułatwiając modelowanie przyczynowo-skutkowe, wnioskowanie o stanie, prognozowanie i genezowanie stanu. Trudna droga drążenia danych dla wytworzenia wiedzy wywołuje kolejne problemy wymuszające opracowanie i budowę systemu uzgadniania decyzji oraz dedykowanych systemów diagnostycznych w podejściu wielowymiarowym dla oceny jakości konstrukcji współczesnych maszyn. Celem pracy jest omówienie nowych elementów strategii eksploatacji według stanu technicznego, zaproponowanie nowej strategii tolerowanych uszkodzeń oraz wskazanie oprogramowania do badania stanu złożonych maszyn. Strategie eksploatacji maszyn Współcześnie pod pojęciem „eksploatacja” rozumie się zespół celowych działań ludzi z urządzeniami technicznymi oraz wzajemne relacje występujące między nimi od chwili przejęcia urządzenia do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, aż do jego utylizacji po likwidacji [Żółtowski, 1996; Żółtowski, Niziński, 2002; Żółtowski, Niziński, 2004; Żółtowski, Cempel, 2005]. Patrząc na obecne trendy rozwojowe w budowie i eksploatacji maszyn trzeba uznać, że współcześnie ich jakość zawarta jest głównie w sferze automatyzacji i miniaturyzacji oraz racjonalizacji kosztów ich eksploatacji. Kształtowanie i ocena jakości maszyn wiąże się ściśle z koniecznością utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech użytkowych w określonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniające wymogi reprezentatywnych dla stanu obiektu, winny być określone już na etapie wartościowania i konstruowania, a weryfikowane podczas wytwarzania i eksploatacji. Działalność eksploatacyjna przebiega w obrębie logistyki, w ramach różnych systemów produkujących rozliczne produkty i świadczących przeróżne usługi. Systemy te są na ogół złożone i wydzielenie w nich podsystemu eksploatacji wcale nie jest łatwe. Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwania maszyn występujących w tych systemach. Strategia eksploatacji polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i obsługiwania maszyn oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów. W literaturze znane są następujące strategie eksploatacji maszyn: wg niezawodności, wg efektywności ekonomicznej, wg ilości wykonanej pracy, wg stanu technicznego oraz nowa propozycja, przedstawiona w tej pracy – strategia tolerowanych uszkodzeń. Najczęściej w oparciu o jedną z powyższych strategii buduje się system eksploatacji przedsiębiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii są często jego uzupełnieniem. W praktyce przemysłowej występują więc najczęściej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane do wymagań i warunków eksploatowanych maszyn. Wybór strategii eksploatacji dla nowocześnie zarządzanych (ERP, MRP-II) złożonych maszyn jest wielokryterialny i głównie jednak oparty na całkowitych kosztach eksploatacji [Niziński, Żółtowski, 2002; Żółtowski, Niziński, 2002; Żółtowski, Cempel, 2005]. Nowe modele wymian profilaktycznych Przez obsługiwanie profilaktyczne należy rozumieć wymianę, naprawę lub diagnozowanie stanu - uprzedzające stan niezdatności obiektu technicznego. To nowoczesny nurt badań modelowych, związanych z analizą, modelowaniem i weryfikacją numeryczną oraz praktyczną – strategii obsługiwań profilaktycznych. Ograniczenie się do przeprowadzania obsługiwania tylko po uszkodzeniu obiektu technicznego prowadzi najczęściej do dużych strat i kosztów ekonomicznych. Opracowuje się zatem różne strategie prowadzenia obsługiwań profilaktycznych polegających na tym, że wykonywane są one przed i po uszkodzeniu obiektu, co musi mieć uzasadnienie ekonomiczne. Obsługiwanie w przypadku, gdy obiekt jest sprawny nazwano prewencyjnym, zaś w przypadku uszkodzenia – obsługiwaniem korekcyjnym. Momenty czasowe przeprowadzenia obsługiwań prewencyjnych zależą od wielu czynników – głównie od struktury niezawodnościowej obiektu, od relacji kosztów związanych z uszkodzeniami do kosztów obsługiwania profilaktycznego, czy od czasu trwania obsługiwania [Knopik, 2010]. Opracowane modele wymian profilaktycznych dla systemów eksploatacji uwzględniają następujące założenia: – czasy przebywania obiektu w analizowanych stanach procesu eksploatacji są zmiennymi losowymi, – odnowa (naprawa) obiektu i wymiana profilaktyczna nie zawsze prowadzi do pełnej zdatności obiektu technicznego, – czas T do uszkodzenia obiektu może mieć rozkład z jednomodalną funkcją intensywności uszkodzeń. Zdefiniowane dla przyjętych założeń rozkłady czasów życia stosowane do wymian według wieku i klasy rozkładów niezawodności wskazują wprost na rozważane rozkłady z jednomodalną funkcją intensywności uszkodzeń. Najnowsze prace dotyczą zastosowań wymian według wieku obiektów oraz problemów związanych z rozkładem czasu życia obiektu technicznego. Główny nacisk w tych rozważaniach kładzie się na optymalizację zysku na jednostkę czasu i współczynnik gotowości systemu eksploatacji, przy modelowaniu procesu uszkodzeń z wannową i jednomodalną funkcją intensywności uszkodzeń. W szczególności dotyczy to znanych literaturowo rozkładów, jak i nowych rozkładów prawdopodobieństwa budowanych za pomocą skończonych mieszanin [Knopik, 2010]. Ważnymi stwierdzeniami takiego podejścia są: losowe zdarzenia procesów eksploatacji, losowe zmiany stanów zdatności, brak pewności co do jakości wykonywanych obsługiwani i napraw oraz możliwa w użytkowaniu maszyn - jednomodalna funkcja intensywności uszkodzeń. Jeśli obiekt ma stałą lub malejącą funkcję intensywności uszkodzeń, to wymiana przed uszkodzeniem nie zmniejsza prawdopodobieństwa uszkodzenia w następnej chwili, mimo że obiekt stary zastąpiono nowym. Innym warunkiem jest zachowanie odpowiedniej relacji kosztów związanych z wymianą korekcyjną (po uszkodzeniu) do kosztów związanych z wymianą profilaktyczną (przeprowadzonej przed uszkodzeniem obiektu). Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 2, 34-36 Nr 2/2012 INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA Stosowanie racjonalnych (optymalnych) obsługiwań prewencyjnych wymaga znajomości wielu cech charakteryzujących dany obiekt, takich jak: rozkłady czasów poprawnej pracy elementów obiektu, czasy odnów obiektu, czasy trwania uszkodzeń, koszty uszkodzeń i obsługiwań profilaktycznych. Wyznaczanie tych wielkości wymusza zbieranie danych statystycznych i korzystanie z metod statystyki matematycznej. Jedną z ważniejszych strategii wymian profilaktycznych jest strategia wymian według wieku obiektu, która może być prowadzona bez gwarancji producenta, albo z gwarancją producenta. Badania modelu wymian według wieku obiektów z gwarancją prowadzi się przy założeniu, że niepomijalne są czasy wymiany i naprawy. Efektywność działania systemu eksploatacji jest wówczas wyrażana przez zysk przypadający na jednostkę czasu i współczynnik gotowości systemu eksploatacji [Knopik, 2010]. Diagnostyczny system utrzymania zdatności Procesy destrukcji systemów technicznych wymuszają potrzebę nadzorowania zmian ich stanu, szczególnie na etapie eksploatacji. Metody i środki nowoczesnej diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania ich stanu technicznego, co umożliwia racjonalną i bezpieczną ich eksploatację [Niziński, Żółtowski, 2002; Żółtowski, 1996; Żółtowski, Niziński, 2002; Żółtowski, Niziński, 2004; Żółtowski, Cempel, 2005]. Pozyskiwanie i przetwarzanie danych pomiarowych w diagnostyce, często kojarzone jest z odkrywaniem wiedzy, co ma na celu identyfikację regularności istniejących w zbiorze danych. Regularność określana jest poprzez pewien obraz oraz zakres, w którym ten obraz występuje. Proces odkrywania wiedzy ma wiele stadiów, z których najbardziej znanym jest drążenie danych. W procesie tym istnieje wiele możliwości iteracji, których celem jest wielokrotna selekcja danych, ich wstępne przetwarzanie, drążenie danych w celu automatycznego poszukiwania zależności o charakterze jakościowym i ilościowym, a wreszcie interpretacja otrzymanych zależności przez adresata wyników. Tak pozyskana informacja stanowi podstawę diagnostycznego systemu eksploatacji maszyn, dla którego należy określić: symptomy stanu, wartości graniczne mierzonych symptomów, terminy kolejnych badań stanu. Strategia tolerowanych uszkodzeń Na początku fazy eksploatacji system posiada określony zasób potencjału użytkowego będący wynikiem procesu konstruowania i wytwarzania. W trakcie użytkowania, pod wpływem oddziaływania czynników degradacji, maleje jego potencjał użytkowy. Z tego powodu realizowane są procesy zapewnienia zdatności przywracania ilość tego potencjału, celem umożliwienia realizacji kolejnych zadań. Wyznaczenie stanu zdatności systemu technicznego umożliwia pośrednie wyznaczenie ilości dysponowanej potencjału użytkowego. W chwili, kiedy ilość dysponowana potencjału użytkowego jest bliska zeru, mierzony symptom stanu systemu osiąga wartość graniczną. Jest to stan, w którym system posiada symptomy zużycia kwalifikujące go do obsługiwania – przywrócenia zdatności, wymiany. Taka strategia eksploatacji nazywana jest strategią według stanu technicznego i znajduje ona coraz częstsze zastosowania w przemyśle. Umożliwia ona wykorzystanie istniejącego poziomu potencjału użytkowego w stopniu optymalnym. W przypadku realizacji procesów eksploatacyjnych zgodnie ze strategią według ilości wykonanej pracy proces przywracania zdatności rozpoczyna się w chwili osiągnięcia przez system stanu granicznego prawnego. Jest to chwila, w której wyczerpany został ustalony przez producenta czas poprawnej pracy, po którym należy wymienić element niezależnie od jego stanu. Miarą ilości wykonanej pracy może być: czas użytkowania, czas jego eksploatacji, przebieg kilometrowy, liczba uruchomień, wielkość produkcji. Tak więc, zarówno w przypadku realizacji procesów eksploatacyjnych zgodnie ze strategią według stanu, jak i strategią według ilości pracy, w chwili rozpoczęcia procesu przywracania zdatności ilość za- str. 35 wartego w systemie potencjału użytkowego może być większa od zera. Rozpoczęcie procesu przywracania zdatności powoduje utratę pewnej ilości niewykorzystanego potencjału użytkowego. Istota eksploatacyjnej strategii tolerowanych uszkodzeń w przestrzeni stanów technicznych systemu sprowadza się do zmiany trajektorii, po jakiej przemieszcza się aktualny punkt stanu technicznego systemu w taki sposób, aby w chwili zakończenia procesu użytkowania punkt stanu systemu znajdował się jak najbliżej punktu stanu granicznego. Przeprowadzone rozważania pozwoliły na dopracowanie definicji strategii tolerowanych uszkodzeń, nadzorującej wykryte rozwijające się uszkodzenie dedykowanym systemem diagnostycznym, jako odległość wartości symptomu stanu od jego wartości granicznej w przestrzeni cech stanu. Podwyższanie niezawodności systemów można uzyskać poprzez tolerowanie uszkodzeń, które powstają w trakcie ich pracy. Tolerowanie uszkodzeń jest to zabezpieczenie systemu przed skutkami uszkodzeń jego elementów, których wystąpienie uważa się za nieuchronne. W ten sposób system ma możliwość kontynuowania poprawnego wykonywania przewidzianych zadań pomimo wystąpienia uszkodzeń wewnątrz systemu. Tolerowanie uszkodzeń w systemie zawsze wymaga wprowadzenia pewnego typu nadmiaru (redundancji) do systemu, który może być nadmiarem sprzętowym, informacyjnym, programowym lub czasowym. Poprawne funkcjonowanie takiej strategii wymaga opracowania i uruchomienia dedykowanych systemów diagnostycznych, systemu uzgadniana decyzji oraz systemu pomiarowego (SIBI). Dedykowane systemy diagnostyczne Dedykowane reguły wnioskowania stanowią niezbędny element oprogramowania pokładowych systemów rozpoznawania stanu degradacji maszyny. Pokładowy system rozpoznawania stanu maszyny powinien charakteryzować się [Tylicki, 2011; Żółtowski, Cempel, 2005]: a) prostym, możliwie optymalnym algorytmem funkcjonowania; b) uniwersalnością, tzn. możliwościami rozpoznawania stanu maszyn różnych typów; c) automatycznym generowaniem diagnoz; d) jednoznacznością i czytelnością przedstawiania diagnoz; e) prostotą obsługiwania. Do realizowania powyższych funkcji systemu należy wykorzystać procedury programowania obiektowego, gdzie podstawowym modułem systemu rozpoznawania stanu maszyny jest baza wiedzy <OBIEKT, ATRYBUT (cecha stanu) – WARTOŚĆ>. Obiektem definiowanym w systemie rozpoznawania stanu są zespoły i układy maszyny. Atrybutem będą natomiast dane, których (opisujące je) wartości (wybrane parametry) określać będą stan maszyny. Struktury relacji mogących zachodzić między obiektami definiowane są na etapie projektowania. Obiekty zdefiniowane w systemie mogą zawierać zbiory informacji o podobnych strukturach. Powoduje to, że najpierw konieczne staje się tworzenie bazy danych, a następnie łączenie wybranych obiektów systemu z określonymi zasobami bazy, np. za pomocą dedykowanych odpowiednim grupom maszyn reguł wnioskowania diagnostycznego. Informacje o stanie maszyny mają strukturę hierarchiczną, gdzie ogólne informacje zajmują poziom najwyższy, np. dla oceny stanu (kontrola stanu maszyny), a poziomy niższe przeznaczone są dla informacji szczegółowych (lokalizacja uszkodzeń układu). 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 [Tylicki, 2011]. System uzgadniania decyzji o stanie obiektu Podejmowanie decyzji w ujęciu jednowymiarowym w diagnostyce jest dobrze opanowane, gdyż mając dobry symptom i jego wartość gra- Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 2, 34-36 INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA str. 36 niczną można oceniać stan maszyny, genezować oraz prognozować. Problem komplikuje się dla wielowymiarowej oceny stanu, dostarczającej wielu symptomów w czasie eksploatacji, których wykorzystanie wymaga systemu podejmowania decyzji. Zadanie podjęcia decyzji na podstawie t-wymiarowego modelu można sformułować następująco: • w przedziale <a; b> danych jest (t – 1)(n + 1) różnych punktów x0, x1,….xt(n+1), które można nazwać węzłami decyzyjnymi oraz wartości funkcji y(x) w tych punktach wynoszą odpowiednio f(x0) = y0, f(x1) = y1,…, f(xt(n+1)) = yt(n+1) (1) • do zbioru węzłów decyzyjnych nie są zaliczane punkty wyznaczone przez symptom osiągający najszybciej wartość graniczną, punkty te dla rozróżnienia nazwano skrajnymi węzłami decyzyjnymi, a wartość funkcji w tym punkcie wynosi y = fs(x)y (2) • dysponując węzłami decyzyjnymi można wyznaczyć średnie węzły decyzyjne w przedziale <a; b> będące średnią ważoną dla t–1 miar symptomów, Sn = w1 y1 (xn) + ... + wt - 1 yt - 1 (xn) w1 + ... + wt - 1 (3) gdzie: wo,…wt–1 – wagi poszczególnych symptomów • dysponując średnimi węzłami decyzyjnymi aproksymuje się je wielomianem n-tego stopnia i otrzymuje się funkcję ciągłą nazwaną dalej funkcją średnią dla t–1 symptomów, a wartość funkcji w tym punkcie wynosi (4) y = ft–1(x) • w celu wyznaczenia brzegowej funkcji decyzyjnej wprowadzono pojęcie odległości profilaktycznej w przedziale <a; b>, przy czym odległość profilaktyczna dx0 jest to liczba nieujemna jednoznacznie przypisana odcinkowi spełniającemu następujące warunki: – |AB| = 0 wtedy i tylko wtedy, gdy A = B, – |AB| = |BA|, – |AC| ≤ |AB| + |BC|. gdzie A, B i C – dowolne punkty płaszczyzny, |AB| – odległość profilaktyczna punktu A od punktu B AB = dx0 = 6 max0 # n # t - 1 fn (x0) - ft - 1 (x0) @2 (5) gdy A = (x0, max0x nxt–1 fn(x0)) i B = (x0, ft–1(x0)) • dysponując odległością profilaktyczną dx0 w punkcie x0 wyznacza się brzegowe węzły decyzyjne w punkcie x0 należącym do przedziału <a; b>, • brzegowy węzeł decyzyjny jest zdefiniowany następująco: Bw0 = (x0, dx0 + fs(x0)) (6) • dysponując brzegowymi węzłami decyzyjnymi w przedziale <a, b> aproksymuje się je wielomianem n-tego stopnia i otrzymuje funkcję ciągłą nazwaną dalej brzegową funkcją decyzyjną dla t symptomów, a wartość funkcji w tym punkcie wynosi y = fD(x) (7) Dysponując brzegową funkcją decyzyjną można podjąć decyzję o stanie obiektu z wykorzystaniem wielu symptomów. System informatyczny badań identyfikacyjnych Program ten jest wynikiem wielu badań i zastosowań przemysłowych, stworzony w środowisku MATLAB z wieloma aplikacjami dla potrzeb: Nr 2/2012 – – – – – – akwizycji sygnałów diagnostycznych, przetwarzania sygnałów i miar sygnałów, badania współzależności mierzonych sygnałów, badania wrażliwości symptomów diagnostycznych, wnioskowania statystycznego, wizualizacji wyników analizy. Program SIBI jest narzędziem wspomagającym realizację eksperymentów, a jego modułowa konstrukcja umożliwia realizację wielu oddzielnych zadań, z możliwością szybkiej identyfikacji rozwijających się uszkodzeń. System oprogramowania porządkuje dane pomiarowe (.unv), tworzy wiele dostępnych programowo miar sygnałów (Generate Symptoms), ocenia wrażliwość informacyjną badanych miar sygnałów (BEDIND, PCA, OPTIMUM), ocenia wielowymiarowo stan obiektu (SVD), generuje proste modele przyczynowo – skutkowe, a także graficznie jest przyjazny dla użytkownika [Niziński, Żółtowski, 2002; Uhl, 1997; Żółtowski, Niziński, 2002; Żółtowski, Cempel, 2005]. Wykorzystanie praktyczne oprogramowania znacząco wpływa na jakość i skuteczność diagnozowania obiektów w aspekcie oceny ich zdatności, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska w systemie eksploatacji maszyn. Wnioski Problematyka podjęta w pracy dotyczy podstawowej i nowej wiedzy z zakresu podstaw inżynierii eksploatacji maszyn, traktowanych jako główne zagadnienia poprawności pracy maszyn, stanowiących szczególne zagrożenie dla ludzi, środowiska i jakości produkcji. Na obecnym etapie rozwoju teorii eksploatacji diagnostyka jest czynnikiem niezbędnym do utrzymania wymaganej gotowości i zdatności zadaniowej nadzorowanych maszyn oraz do zapewnienia racjonalnej ich eksploatacji. Nie bez znaczenia są też podniesione w tym opracowaniu zagadnienia dziedzin pokrewnych, ściśle związanych z utrzymaniem maszyn w zdatności, kształtowania jakości maszyn w procesie konstruowania i wytwarzania metodami wirtualnymi. Treści tej pracy inspirują do dalszej wytężonej pracy w tematyce inżynierii eksploatacji maszyn, szczególnie w zakresie praktycznych wdrożeń diagnostyki technicznej maszyn, doskonalenia metodologii badań diagnostycznych, jak i sposobów liczenia efektów ekonomicznych, a więc zagadnień racjonalnej eksploatacji maszyn. LITERATURA Dziama A., 1985. Metodyka konstruowania maszyn. PWN, Warszawa. Gendarz P., 2009. Elastyczne systemy modułowe konstrukcji maszyn. PŚ, Gliwice. Korbicz J., Kościelny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (Red.), 2002. Diagnostyka procesów. Modele, Metody sztucznej inteligencji, Zastosowania. WNT, Warszawa. Knopik L., 2010. Metoda wyboru efektywnej strategii eksploatacji obiektów technicznych. Rozprawy 145, UTP, Bydgoszcz. Kulikowski J.L., 1993. Komputery w badaniach doświadczalnych. PWN, Warszawa. Niziński S., Żółtowski B., 2002. Zarządzanie eksploatacją obiektów technicznych za pomocą rachunku kosztów. ISBN – 83-916198-0-X, OlsztynBydgoszcz, s.156. Tylicki H., 2011. Dedykowane systemy pokładowe diagnostyki. POIG, Bydgoszcz. Uhl T., 1997. Komputerowe wspomaganie identyfikacji modeli konstrukcji mechanicznych. WNT, Warszawa. Żółtowski B., 1996. Podstawy diagnostyki maszyn. Wyd. ATR. Bydgoszcz, s.467. Żółtowski B., Niziński S., 2002. Modelowanie procesów eksploatacji maszyn. ISBN – 83-916198-3-4, Bydgoszcz - Sulejówek,s.250. Żółtowski B., Niziński S., 2004. System informatyczny eksploatacji pojazdów mechanicznych. Wyd. PWSZ, Piła, s.234. Żółtowski B., Cempel C., 2005. Inżynieria diagnostyki maszyn. ITE-PIB, Radom.