Лекція № 7

Тема. Методи визначення та усунення несправностей інтелектуальних технологічних комплексів

План

1. Методи прогнозування надійності.

2. Етапи та задачі надійності.

3. Прогнозування технічного стану систем.

4. Технічні засоби діагностики.

5. Сучасне обладнання діагностики інтелектуальних технологічних комплексів.

6. Види діагностики технічних засобів і їхні параметри.

7. Автоматизовані діагностичні системи.

1. Методи прогнозування надійності

На сьогодні у різних сферах науки та техніки існує досить багато методів прогнозування показників надійності, що відрізняються сукупністю розв’язуваних завдань і особливостями застосовуваного математичного апарату.

За обсягом інформації, що використовується для прогнозу, ці методи можна розподілити на три групи:

– методи експертних оцінок, що застосовуються в тих випадках, коли відсутня достовірна інформація про об’єкт і дані про зміни його стану за час експлуатації;

– методи, які засновані на екстраполяції та використовуються в тих випадках, коли є достатньо повні дані, але невідомі загальні закономірності зміни стану об’єкта за час експлуатації;

– методи моделювання, які використовуються за наявності достатнього обсягу статистичних даних про зміну стану однотипних об’єктів у процесі експлуатації.

Широко використовуються під час прогнозування технічного стану об’єктів методи екстраполяції.

Основою для прогнозування технічного стану є аналітичне прогнозування. Це означає, що на основі багатовимірного вектора станів S (s1, s2, ..., sn) або діагностичних сигналів X (x1, x2, ..., xm), виміряних у певні моменти часу (t1, t2, ..., ti, ..., tk), необхідно визначити їх значення в наступні моменти часу tj (j = k + 1, ..., k + l).

Аналітичне прогнозування стану технічних об’єктів ґрунтується на об’єктивному існуванні певної тенденції у зміні їхніх параметрів стану або діагностичних сигналів під час експлуатації.

Головні закономірності можна охарактеризувати деякою часовою функцією. При цьому вважається, що ця залежність, яка називається трендом (trend, англ. – тенденція), яка виражає усереднену у часі для певного періоду спостереження тенденцію, може бути екстрапольована на наступні періоди часу.

Використання аналітичних методів під час прогнозування технічного стану об’єкта дозволяє отримати масив ретроспективних значень прогнозованого параметра X(ti). Це включає виділення тренда у вигляді тимчасової функції та оцінку точності прогнозу.

Знаходження функції регресії f(x)=x(t), яка апроксимує зміну параметра або процесу в часі, є важливим етапом прогнозування. Це визначає результати екстраполяції тренда.

Для вибору виду апроксимуючої функції використовуються різні методи. Наприклад, широко використовується метод послідовних різниць, що визначає ступінь апроксимуючого полінома, а також критеріальні методи, що базуються на оцінці критерію близькості фактичної кривої до розрахункової.

2. Етапи та задачі надійності

Головним шляхом забезпечення надійності пристроїв та систем є підвищення якості проектування та виготовлення. Загалом сукупність факторів надійності впливає на роботоздатність базових елементів конструкцій.

Для забезпечення необхідних характеристик пристроїв та визначення їх конструкційної надійності необхідно проводити попередню оцінку в три етапи. Розглянемо базові положення етапів.

На першому етапі проводиться розрахунок і порівняння показників надійності для різних варіантів виконання пристроїв і обирається оптимальний варіант. На цій стадії для розрахунку не потрібно ще знати точних значень показників надійності окремих елементів пристроїв, оскільки проводиться лише порівняльна оцінка розглянутих варіантів.

На другому етапі виконується поглиблене дослідження надійності обраного варіанта, з тим щоб забезпечити виконання заданих умов. При цьому потрібно знати точне значення показників надійності елементів. Наприклад, виробництво сучасних електричних машин здебільшого має серійний характер, що надає машинам кожної серії значний ступінь подібності і полегшує екстраполяцію показників надійності на нові зразки. Кількісні показники надійності комплектувальних виробів повинні бути видані постачальником.

Третій етап контролю надійності включає випробування дослідних зразків і порівняння результатів із розрахунковими значеннями. Результати розрахунків і випробувань дають змогу вносити відповідні корективи в конструкцію, матеріали і інші варіанти виконання пристроїв.

Найважливішими засобами підвищення надійності пристроїв є спрощення та мінімізація конструкцій та застосування якісних активних і конструкційних матеріалів.

Водночас необхідно забезпечити на належному рівні техніко-експлуатаційні показники (питомі витрати активних і конструкційних матеріалів на одиницю потужності, мінімальні габарити й вартості тощо). Ці вимоги суперечать умовам вибору засобів для підвищення надійності, тому під час проектування пристроїв необхідно провести детальний аналіз усіх заходів для отримання заданої надійності. При цьому необхідне також ретельне проведення типових випробувань макетних і дослідних зразків на відповідність технічним вимогам за надійністю та розробка технічних умов, норм експлуатації і інших стандартних документів.

Основою теорії надійності є математичний апарат, що базується на таких розділах сучасної математики, як: теорія ймовірностей і математична статистика, теорія випадкових процесів, теорія масового обслуговування, математична логіка, теорія графів, теорія оптимізації, теорія експертних оцінок, теорія великих систем тощо. Завдяки теорії надійності визначаються практичні завдання, що пов’язані зі статистичною оцінкою та аналізом пристроїв, а також прогнозуванням, випробуванням і оптимізацією технічних рішень щодо забезпечення надійності у процесі проектування, створення та експлуатації електротехнічного обладнання, установок і систем.

Для визначення проблем і вирішення задач надійності роботи систем необхідно:

– проаналізувати фактори, що можуть впливати на негативну роботу системи;

– розробити математичну модель взаємозв’язку окремих явищ, що визначають виникнення пошкоджень і порушень роботи установки та її відновлення як випадковий процес;

– дати пропозиції щодо врахування надійності в моделях прийняття технічних рішень у проектних і експлуатаційних завданнях.

Залежно від конструкції систем, або модулів і елементів, список задач дослідження параметрів надійності може бути розширеним.

3. Прогнозування технічного стану систем

Фізичні основи прогнозування технічного стану та процеси зміни властивостей і розмірів деталей і вузлів підпорядковуються певним законам, за якими можна прогнозувати зміни з певним ступенем точності.

За умовами технології виробництва технічні пристрої виготовляють із певними допусками в розмірах, та з урахуванням хімічних і структурних властивостей матеріалів.

На інтенсивність зношування деталей і вузлів пристроїв істотно впливає організація та періодичність технічного обслуговування й поточного ремонту. Якщо технічне обслуговування та ремонти здійснюють нерегулярно або їх зовсім не проводять, то швидкість зношування вузлів і деталей значно збільшується і зношування швидко досягає своїх граничних значень. Унаслідок цього всі перелічені вище фактори впливають на ймовірність прогнозування роботи обладнання.

Існуючі методи прогнозування не дають можливості передбачати раптові відмови, які характеризуються стрибкоподібною зміною параметрів стану деталі або вузла обладнання до граничного значення. Прогнозувати з певним ступенем точності можна поступові відмови, які характеризуються поступовою зміною параметрів технічного стану й зумовлені зношуванням або старінням матеріалу деталей, або вузлів обладнання. Процеси зношування й старіння деталей і вузлів переважно містять детермінований (визначений) і випадковий складники, кожен із яких може мати переважний вплив для кожного конкретного випадку, що впливає на характер процесів зношування або старіння.

Головним завданням прогнозування є визначення залишкового ресурсу елементів систем і агрегатів.

Ресурс – це напрацювання об’єкта від початку експлуатації або її поновлення після ремонту до настання граничного стану, коли подальша експлуатація повинна бути припинена, зважаючи на вимоги техніки безпеки чи економічні міркування.

У техніці найчастіше для визначення ресурсу користуються такими термінами, як доремонтний, міжремонтний, залишковий і використаний ресурс.

Доремонтний ресурс характеризується напрацюванням нового обладнання від початку експлуатації до першого ремонту, а міжремонтний – напрацюванням між ремонтами.

Під час прогнозування визначається також залишковий ресурс, тобто напрацювання обладнання від моменту діагностування (контролю) до граничного стану, обумовленого технічною документацією. Використаний ресурс характеризується напрацюванням обладнання після виготовлення або ремонту до моменту діагностування (контролю).

Для орієнтовного порівняння технічного стану елементів пристрою, що діагностується, з різними діагностичними параметрами, можна користуватися поняттям коефіцієнта технічного ресурсу, за допомогою якого оцінюють залишковий ресурс деталі, спряження або вузла.

Відмова або загроза відмови зазвичай настає з пошкодження однієї-двох деталей або вузла, що зумовлено різною зносостійкістю деталей або вузлів обладнання. Конструкцією обладнання передбачається нескладна заміна деталей, які швидко зношуються. Після заміни або ремонту деталей, які вичерпали ресурс роботи, пристрій знову стає працездатним і отримує певний запас часу роботи до наступної загрози втрати працездатності.

Шляхи отримання результатів прогнозу об’єднують групи методів прогнозування:

– визначення параметрів технічного стану об’єкта;

– встановлення ймовірності зміни характеристик контрольованих параметрів за певні межі;

– встановлення критеріїв працездатності або довговічності.

Відповідно використовують три методи прогнозування: аналітичний, імовірнісний і статистичної класифікації.

Метод аналітичного прогнозування застосовують для завдань, коли зміна контрольованого параметра інерційна у часі та всі зміни поступово накопичуються. Тоді завданням прогнозування є визначення за відомими значеннями функції контрольованого параметра П(t) у минулому та теперішньому значенні функції, а також у майбутньому при визначенні моменту часу, коли параметр досягне свого допустимого значення Пд.

Метод ймовірнісного прогнозування базується на теорії ймовірності і використовується при вирішенні практичних задач діагностування.

Теорія ймовірностей вивчає закономірності випадкових явищ, що часто повторюються. Для визначення параметрів ймовірнісного прогнозування використовують поняття події та формули Баєса.

Подія – це явище, що відбулося або не відбулося. Події можуть бути вірогідні або неможливі.

4. Технічні засоби діагностики

Засоби, за допомогою яких здійснюється діагностування технічного стану об’єкта, називаються технічними засобами діагностування. Діагностування може виконувати оператор – людина, контролер, наладчик.

Вибір і розробка засобів технічного діагностування здійснюється відповідно до таких факторів:

– наявності серійного випуску систем;

– масовості випуску об’єкта та його складності;

– необхідних якостей діагностичного обладнання (точності, продуктивності, надійності, тощо).

Засоби технічної діагностики створюються одночасно з об’єктом.

Для складних об’єктів істотними стають проблеми підвищення контролепридатності.

Контролепридатність – це властивість об’єкта, що характеризує його пристосованість до проведення контролю заданими засобами. Рівень контролепридатності об’єктів визначає ступінь ефективності вирішення завдань технічного діагностування та впливає на продуктивність процесу виробництва і якість. У процесі експлуатації рівень контролепридатності визначає коефіцієнт готовності (Kg) та витрати, що зумовлені ремонтом.

Коефіцієнт готовності – це показник надійності ремонтованих об’єктів, що характеризує ймовірність працездатності об’єкта у довільно обраний момент часу в проміжках між виконаннями планового технічного обслуговування.

Контролепридатність забезпечується шляхом перетворення структури об’єкта, що перевіряється до вигляду, зручного для проведення діагностування. Для цього в об’єкт ще на етапі його проектування та конструювання вводять додаткові елементи (апаратуру) – вбудовані засоби тестового діагностування.

Серед вбудованих засобів тестового діагностування можна виокремити:

– додаткові контрольні точки;

– додаткові входи для блокування сигналів і завдання необхідних значень сигналів;

– апаратні засоби, які під час діагностики змінюють структуру об’єкта;

– апаратні засоби, які генерують тести й аналізують результати.

Технічні засоби для діагностики (ТЗД) складного автоматизованого технологічного обладнання залежно від призначення поділяються на вбудовані й зовнішні.

Зовнішні системи діагностики можуть бути мобільними та стаціонарними.

Мобільні засоби (пристрої) призначені для контролю параметрів і діагностування об’єктів під час приймально-здавальних випробувань, та під час експлуатації та ремонту.

Стаціонарні (стенди) використовуються переважно для дослідження та випробування об’єктів у процесі їх створення. Під час розробки та використання ТЗД забезпечується метрологічне обслуговування засобів, що включають перевірки (атестацію), юстування та їх ремонт.

Юстування (від нім. Justieren – вивіряти, регулювати, від лат. Justus – правильний) – сукупність операцій із доведенням похибок засобів вимірювань, приладів, механізмів до значень, що відповідають технічним вимогам.

Функціональна діяльність ТЗД полягає у визначенні пошкоджень із заданою ймовірністю, і реєстрації та прийняття рішення про відповідність або невідповідність поточного технічного стану контрольованого обладнання номінальному значенню.

Найчастіше ТЗД використовуються для реалізації таких методів діагностування:

– метод тимчасових інтервалів;

– метод контрольних осцилограм;

– метод контролю параметрів.

Метод тимчасових інтервалів спрямований на контроль часу циклу роботи системи автоматизації, а також його окремих складників.

Метод контрольних (еталонних) осцилограм застосовується для діагностування складних систем автоматизації. Метод базується на використанні графіків функцій різних параметрів у часі, на підставі аналізу яких робиться висновок про працездатність і технічний стан системи і її окремих елементів.

Метод контролю параметрів зводиться до визначення (виміру) тих або інших параметрів, перебування яких визначає працездатність системи або її окремих елементів у встановлених межах.

5. Сучасне обладнання діагностики інтелектуальних технологічних комплексів

Ефективність технічного діагностування інтелектуальних технологічних комплексів забезпечується за допомогою пристосованості конструкції вузлів і агрегатів до діагностичного обстеження.

Засоби, за допомогою яких здійснюється технічна діагностика, доцільно проектувати паралельно з розробкою конструкцій мехатронних пристроїв.

Засобами технічної діагностики є комплекс контрольних і вимірювальних приладів, а також інструментів, стендів, що забезпечують збір достатньої інформації про технічний стан контрольованого вузла або агрегату.

Засоби технічної діагностики, що відповідають вимогам, визначаються експлуатаційними підприємствами, які контролюють головні параметри, що характеризують працездатність вузла або агрегату.

Програма діагностування обмежується межами експлуатаційної необхідності та складається у такий спосіб, щоб уникнути значної кількості підключень апаратів, приладів і механізмів.

Трудомісткість діагностичного обстеження знижується завдяки автоматичному перемиканню, та їх програмуванню.

Результати (інформація) технічного діагнозу отримуються у вигляді картограм, таблограм тощо.

Діагностування може бути загальним або поелементним за всіма головними параметрами. Залежно від поставленої мети застосовується також інша форма діагностичного обслуговування – спеціалізовані пости, що розташовані (окремо або вбудовані в потокову лінію) по об’єктах або комплексні станції для загального обстеження.

Перспективними є бортові системи технічної діагностики, які розташовані в системі управління обладнання. При цьому оператор може одержувати інформацію про ресурс працездатності вузлів і агрегатів обладнання.

6. Види діагностики технічних засобів і їхні параметри

Якість мехатронних систем визначається сукупністю властивостей, що обумовлюють придатність та задовольняють певні потреби відповідно до їхнього призначення. Одним із показників якості систем є показник надійності як безвідмовності, довговічності, зберігання, ремонтопридатності.

Найважливішими принципами, методами та засобами забезпечення надійності є:

– вибір, удосконалення та створення нових матеріалів;

– пошук і реалізація нових фізичних принципів роботи систем автоматизації;

– реалізація нових видів енергії та засобів її перетворення;

– створення захисних умов застосування систем в умовах важких зовнішніх впливів;

– удосконалення технологій виробництва;

– застосування різних видів резервування та надмірності;

– реалізація заходів, що підвищують ефективність отримання, обробки і використання інформації (застосування захисних і перешкодозахисних кодів, розробка якісного математичного забезпечення).

Під час визначення надійності роботи системи використовують поняття:

– резервування (від лат. reservo – зберігаю) – це метод підвищення надійності системи шляхом застосування структурної, функціональної, інформаційної та тимчасової надмірності стосовно мінімально необхідної та достатньої для виконання системою заданих функцій;

– надмірність – це наявність в системи можливостей понад мінімально необхідних для нормального функціонування. Під час діагностики систем необхідно вирішити питання визначення технічного стану об’єкта шляхом визначення працездатності, правильності функціонування на всіх етапах експлуатації систем.

Технічні основи надійності та діагностування пов’язані між собою і закладаються на стадії проектування та подальшого виробництва і експлуатації.

На цей час ідеальна повнота виявлення та глибина пошуку дефектів систем виявляється сучасними засобами шляхом використання діагностичних методів моделювання поведінки системи, як у справному стані, так і за наявністю дефектів.

Широко застосовується тестове діагностування, яке має сукупність і послідовність вхідних впливів.

Тест (англ. test – проба, випробування, дослідження) – це завдання з відомим розв’язанням, що призначене для перевірки якості системи. Перевіряючі тести призначені для перевірки справності або працездатності об’єкта. Тести пошуку дефектів призначені для визначення місця і, можливо, причин дефектів, що порушують справність і працездатність об’єкта діагностування.

Для дискретних об’єктів тести (їх алгоритми) будуються за структурними або за функціональними моделями. Тести можуть бути як чітко визначеними (детермінованими), так і ймовірнісними.

Засоби тестового діагностування містять дві головні частини – генератор тестових впливів і аналізатор відповідей об’єкта на тестовий вплив.

Генератор і аналізатор функціонально та конструктивно окремі один від одного. Генератор зберігає та створює (генерує) тести й подає їх на об’єкт діагностування. Аналізатор зберігає отримані відповіді, порівнює фактичні відповіді з очікуваними та видає результат – діагноз.

Іноді аналізатор становить сукупність еталона (справна копія об’єкта) і схему порівняння. Також нерідко частина функцій генератора й аналізатора покладається на людину.

Сучасним методом визначення параметрів та стану об’єкта є функціональне діагностування, яке здійснюється як безперервно, так і періодично або епізодично.

У разі використання функціонального діагностування визначаються:

– конкретні функції та умови застосування об’єкта, а також його працездатність під час експлуатації;

– типи та переліки дефектів, що підлягають виявленню під час діагностування;

– розподіл завдань діагностики за періодами життєвого циклу об’єкта;

– алгоритм функціонального діагностування та його види;

– глибина функціонального діагностування;

– склад обладнання (апаратний, програмний, автоматичний або ручний, спеціалізований або універсальний, зовнішній або вбудований тощо) функціональної діагностики.

Для формування алгоритмів систем функціонального діагностування (СДФ) використовуються математичні моделі як самого об’єкта, так і його пошкоджень. Установлюється зв’язок між ступенем розвитку пошкоджень і дефектів, а також поведінкою вимірюваних параметрів.

7. Автоматизовані діагностичні системи

У промисловості широко й успішно застосовуються автоматизовані електроприводи з програмним керуванням. Сучасне виробництво висуває до них необхідні вимоги, що пов’язані з надійністю їх роботи. Наявність таких приводів дає змогу використовувати переваги промисловості й виконувати нові завдання, а також створювати ефективні технологічні машини та успішно автоматизувати різноманітні технологічні процеси.

Для забезпечення високого ступеня захисту від дії несприятливих чинників навколишнього середовища мікропроцесорні та приводні системи керування і відображення інформації розміщуються в окремій шафі.

Наявні мікропроцесорні пристрої керування забезпечують інтеграцію приводу або групи приводів до складу єдиної системи управління технологічними процесами, діагностику та віддалений моніторинг стану приводу.

При цьому контролюються стан приводу, параметри значення впливу і похибки позиціонування, які для зручності використання та налаштування виводяться на цифровий індикатор чи інший засіб візуалізації даних.

Можливість ефективного застосування електроприводів у складних технологічних системах підтверджена великим позитивним досвідом їх промислової експлуатації. Це дає змогу впевнено рекомендувати такі приводи для широкого використання в новостворених і модернізованих системах автоматизації.

Нові технологічні рішення у сфері автоматизації значно спрощують і прискорюють розробку промислових систем керування.

З використанням автоматизованої системи управління технологічними процесами (АСУТП) створюється ієрархічне керування виробництвом, транспортом, енергетичними явищами, яке має сучасне обладнання й об’єднується з системами типу SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) або DCS (Distributed Control Systems).

Серед технічних вимог до сучасних підсистем АСУТП слід виділити наступні:

– вибір оптимального обладнання, з точки зору ефективності та надійності, компактності і захищеності від зовнішніх чинників, що задовольняє міжнародним стандартам;

– забезпечення широкого температурного діапазону роботи технічних засобів локальних систем автоматичного управління;

– захист контрольно-вимірювальних та інформаційних каналів від зовнішніх впливів, а також посилення сигналів, що передаються;

– підтримка стандартних каналів обміну технологічною інформацією між окремими автоматизованими об’єктами, централізованою системою управління та контролю;

– можливість обміну даними інформаційними каналами у реальному часі;

– забезпечення високоефективного людино-машинного інтерфейсу у системі візуалізації та моніторингу;

– ефективне, з точки зору витрат часу, реконфігурування, налаштування, а також пошук і усунення пошкоджень. На прикладі створення системи температурного контролю розглянемо головні переваги системи управління та збору даних із використанням Compact RIO і середовища розробки Lab VIEW.

Розглянемо схему системи температурного контролю вентилятора. Система має контролювальний і керувальний пристрій Compact RIO, який складається з таких складових:

– контролера реального часу на базі промислового процесора, що підтримує операції з плаваючою точкою. У контролері використовується промисловий процесор класу Pentium із частотою 200 МГц, на якому виконуються програми LabVIEWReal-TimeModule з детермінованим часом виконання операцій. Велика бібліотека функцій, що поставляється з LabVIEW, доступна для ефективної розробки власних багатопоточних контрольно-вимірювальних систем, що працюють у режимі жорсткого реального часу;

– реконфігурованих шасі із вбудованою ПЛІС (програмована логічна інтегральна схема) на один мільйон логічних вентилів. На базі ПЛІС можна розробляти власні схеми управління та збору даних із тактуванням і синхронізацією процесів. ПЛІС з’єднана з усіма модулями введення – виведення, встановленими в шасі, за топологією «зірка», що забезпечує можливість прямого доступу до кожного з них, і дозволяє здійснювати їх гнучку та точну синхронізацію;

– набору модулів введення – виведення різного типу, починаючи від термопарних модулів із діапазоном вимірювання сигналів ±80 мВ і закінчуючи 250 VAC/VDC універсальними модулями цифрового введення.

На основі показань давачів температури та швидкості обертання вентилятора, підсистема подає необхідну (для підтримки заданої температури) напругу живлення на вентилятор.

За допомогою модульних технологій розробляються роботи та роботизовані системи управління різного призначення та системи керування цими роботами.