ANALIZA METOD DETEKCJI I LOKALIZACJI USZKODZEŃ W SYSTEMACH PRODUKCYJNYCH ODLEWNI

Transkrypt

1 39/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN ANALIZA METOD DETEKCJI I LOKALIZACJI USZKODZEŃ W SYSTEMACH PRODUKCYJNYCH ODLEWNI E. ZIÓŁKOWSKI 1, R. WRONA 2 Wydział Odlewnictwa AGH ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W referacie przedstawiono klasyfikację oraz skróconą analizę metod detekcji i lokalizacji uszkodzeń, występujących w złożonych systemach produkcyjnych odlewni. Omówiono także najistotniejsze funkcje systemów diagnostycznych, które można realizować automatycznie za pomocą komputerów. Key words: fault and isolation detection, monitoring, foundry technologies 1. WPROWADZENIE W zautomatyzowanych systemach, realizujących złożone procesy odlewnicze występuje konieczność stosowania komputerowych systemów precyzyjnego wykry - wania uszkodzeń i stanów awaryjnych w celu możliwie szybkiego przywrócenia prawidłowego funkcjonowania produkcji. Ma to niezwykle istotne znaczenie, nie tylko w aspekcie technicznym, ekonomicznym i ekologicznym, ale także szczególnie w przypadku zagrożenia zdrowia i życia ludzi. Przez detekcję uszkodzenia autorzy publikacji [1] określają fakt wykrycia, zauważenia powstania uszkodzenia w obserwowanym obiekcie systemu, z jedno - czesnym dokładnym określeniem chwili tej detekcji. Lokalizacja uszkodzenia ma na celu jego wyodrębnienie poprzez określenie rodzaju, miejsca i czasu wystąpienia uszkodzenia. Lokalizacja zawsze ma miejsce po detekcji uszkodzenia [1]. W wielu pracach z zakresu diagnostyki procesów przemysłowych, między innymi w [2], wyróżnia się również pojęcia: 1 dr inż., ez@uci.agh.edu.pl 2 prof. dr hab. inż., roman.w@interia.pl

2 292 identyfikacji uszkodzenia, mającej na celu określenie rozmiaru i charakteru zmienności uszkodzenia w czasie, diagnostyki uszkodzenia, określającego zbiór działań obejmujących detekcję, lokalizację i identyfikację uszkodzeń, monitorowania przebiegu procesu, polegającego na przeprowadzaniu w czasie rzeczywistym zbierania i przetwarzania zmiennych procesowych oraz sygnalizacji nieprawidłowych zachowań (alarmów), nadzoru, obejmującego monitorowanie obiektu i podejmowanie czynnoś - ci dla utrzymania jego właściwego działania po wystąpieniu uszkodzeń, W złożonych, zautomatyzowanych częściowo lub całkowicie systemach produkcyjnych, realizujących określoną technologię odlewniczą, występuje duża ilość urządzeń pomiarowych, wykonawczych i sterujących. Pomimo stosowania w tych systemach elementów o dużej niezawodności, nieuchronnie występują jednak uszko - dzenia komponentów instalacji technologicznych i urządzeń automatyki, a także błęd y obsługi operatorskiej. Wzrost stopnia automatyzacji danego procesu technologicznego i często z tym związane zmniejszanie liczby osób załogi oraz możliwość występowania w krótkim czasie dużej liczby alarmów (przeciążenie informacyjne), są przyczynami dodatkowego stresu osób obsługujących i prowadzą do kolejnych błędów obsługi. Kumulacja tych błędów wraz z zaistniałymi wcześniej uszkodzeniami mogą powodo - wać poważne awarie [2]. Wymienione powyżej czynniki wymuszają projektowanie i wdrażanie automatycznych, komputerowych systemów nadzoru procesu technologicznego. Do najważniejszych zadań, jakie powinien realizować komputer w automatycznych systemach diagnozujących funkcjonowanie procesu technologicznego można zaliczyć: detekcję uszkodzeń wraz z sygnalizacją wykrytych symptomów, automatyczną lokalizację i identyfikację uszkodzeń, rejestrowanie wraz z archiwizowaniem danych o uszkodzeniach, uzasadnianie diagnoz oraz precyzyjne doradztwo w stanach awaryjnych. Poniżej zostanie przedstawiona klasyfikacja metod detekcji i lokalizacji uszkodzeń, które mogą znaleźć zastosowanie w komputerowych systemach diagnostycznych, stanowiących element złożonego procesu produkcyjnego, także odlewniczego. W pracy [2], oprócz obu klasyfikacji, zawarto obszerny opis teoretyczny poszczególnych metod detekcji i lokalizacji uszkodzeń, które mogą znaleźć zastosowanie w komputerowych systemach diagnostycznych. 2. KLASYFIKACJA METOD DETEKCJI USZKODZEŃ I) Metody bazujące na kontroli parametrów zmiennych procesowych: a) metody kontroli ograniczeń wartości zmiennych procesowych: kontrola wiarygodności sygnałów, kontrola przekroczeń granicznych, kontrola trendów,

3 293 kontrola wartości zmiennych binarnych; b) metody analizy sygnałów: analiza statystyczna sygnałów (kontrola średnich, wariancji), analiza spektralna sygnałów. II) Metody bazujące na kontroli związków między zmiennymi procesowymi: a) metody wykorzystujące proste związki między sygnałami: wykorzystanie redundancji sprzętowej czujników pomiarowych, kontrola sygnałów sprzężeń zwrotnych, kontrola relacji między wartościami zmiennych procesowych, kontrola związków statystycznych między zmiennymi procesowymi; b) metody wykorzystujące modele analityczne: detekcja z wykorzystaniem modeli fizycznych, detekcja z wykorzystaniem modeli liniowych typu wejściewyjście, detekcja z wykorzystaniem obserwatorów stanu, detekcja na podstawie identyfikacji on-line; c) metody wykorzystujące modelowanie jakościowe i neuronowe: detekcja z wykorzystaniem modeli rozmytych, detekcja z wykorzystaniem modeli neuronowych. Jak podaje J.M. Kościelny [2], w metodach należących do I grupy (bazujących na kontroli parametrów zmiennych procesowych), symptomy uszkodzeń są wykrywane wyłącznie na podstawie analizy i oceny przebiegów jednej zmiennej procesowej. Kontrolowane są zwykle ograniczenia (granice wiarygodności, granice alarmowe, dopuszczalna szybkość zmian) poszczególnych zmiennych lub prowadzona jest analiza statystyczna lub spektralna zmiennych. Metody te są stosunkowo proste, gdyż nie wymagają wiedzy w postaci modeli procesów. Ich wady wynikają z ograniczoności informacji diagnostycznej niesionej przez pojedynczy sygnał, a także wielości i niejednoznaczności przyczyn zmian parametrów sygnałów, co utrudnia określenie związków między symptomami a uszkodzeniami. Metody należące do drugiej grupy (bazujące na kontroli związków między zmiennymi procesowymi) wymagają pozyskania wiedzy o obiekcie w postaci modeli jakościowych lub ilościowych. Bieżąca kontrola tych związków umożliwia wykrywanie zarówno uszkodzeń urządzeń pomiarowych i wykonawczych, jak też komponentów instalacji technologicznej, które są objęte nadzorowanym modelem. Dlatego ta grupa metod detekcji ma podstawowe znaczenie w diagnostyce procesów przemysłowych.

4 KLASYFIKACJA METOD LOKALIZACJI USZKODZEŃ Klasyfikację metod lokalizacji uszkodzeń można przeprowadzać, między innymi, w oparciu o następujące kryteria [2]: I) Kryterium sposobu pozyskiwania wiedzy o relacji uszkodzenia-symptomy oraz sposobu zapisu relacji uszkodzenia-symptomy: a) metody bazujące na relacji uszkodzenia-symptomy wynikającej ze struktury sprzętowej obiektu; redundancja K z N; b) metody bazujące na relacji uszkodzenia-symptomy wyprowadzanej ze struktury modeli matematycznych obiektu: funkcje logiczne dla banku obserwatorów, binarna macierz diagnostyczna, grafy powiązań; c) metody wymagające określenia relacji uszkodzenia-symptomy w fazie uczenia: klasyczne metody rozpoznawania obrazów, sztuczne sieci neuronowe, rozmyte sieci neuronowe; d) metody wymagające określenia relacji uszkodzenia-symptomy przez eksperta: funkcje logiczne wiążące uszkodzenia i sygnały diagnostyczne, reguły JEŻELI TO, grafy diagnostyczne, binarna macierz diagnostyczna, rozmyta relacja diagnostyczna, system informacyjny, rozmyta sieć neuronowa. II) Kryterium stosowania metod wnioskowania w oparciu o: logikę klasyczną, teorię prawdopodobieństwa, logikę rozmytą, logikę przybliżoną, reguły, analizę ścieżek w grafie, klasyczne metody rozpoznawania obrazów, sieci neuronowe. III) Kryterium możliwości lokalizacji uszkodzeń wielokrotnych: a) metody lokalizacji funkcjonujące przy założeniu występowania uszkodzeń pojedynczych: metody o stałym programie interpretacji wyników testów, zaplanowanym w trakcie projektowania systemu,

5 295 metody o zmiennym programie interpretacji wyników testów, zależnym od uzyskiwanych wyników testów, dostępnych sygnałów pomiarowych itp.; b) metody uwzględniające uszkodzenia pojedyncze i wielokrotne. IV) Kryterium pominięcia lub uwzględnienia niepewności występujących we wnioskowaniu diagnostycznym: metody nie uwzględniające niepewności, metody uwzględniające niepewności symptomów, metody uwzględniające niepewności relacji uszkodzenia-symptomy, metody uwzględniające niepewności symptomów i relacji uszkodzenia-symptomy. V) Kryterium możliwości wykorzystania sygnałów diagnostycznych generowanych różnymi metodami detekcji uszkodzeń: metody dostosowane do jednej metody detekcji uszkodzeń, metody umożliwiające wykorzystanie różnych algorytmów detekcyjnych, generujących sygnały diagnostyczne o takim zbiorze wartości, metody umożliwiające wykorzystanie różnych algorytmów detekcyjnych, generujących sygnały diagnostyczne o niejednakowych zbiorach wartości. Wybór właściwej metody lokalizacji uszkodzeń, którą można zastosować w komputerowym systemie sterowania i diagnostyki (określonym odlewniczym procesem technologicznym) wymaga realizacji złożonej analizy funkcjonalnej, prawidłowego jak i nieprawidłowego funkcjonowania całego systemu. W publikacji [4] przedstawiono kilka przykładów struktur przestrzennych podsystemów realizujących różne odlewnicze procesy technologiczne (stacja przygotowania mas formierskich, pole wsadowe pieców elektrycznych, system załadunku żeliwiaków). Omówione w tej pracy zadania, związane wyłącznie z aspektem komputerowego monitorowania pracy tych podsystemów odlewni. Realizacja tych zadań istotnie komplikuje całą strukturę sprzętową, związaną z aparaturą pomiarową oraz transmisją danych do komputera. Uwzględnienie w struktu - rze tych podsystemów rozwiązań, umożliwiających detekcję i lokalizację uszkodzeń w ujednoliconym systemie komputerowym, dodatkowo potęguje stopień ich komplikacji. Analizując pracę poszczególnych urządzeń tych podsystemów wraz z uwzględ - nieniem możliwych stanów awaryjnych każdego z nich można stwierdzić, iż komputerowy system diagnostyczny będzie wymagał zaimplementowania różnych metod detekcji i lokalizacji uszkodzeń, spośród przedstawionych w niniejszej publikacji klasyfikacjach.

6 PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule klasyfikacje metod detekcji i lokalizacji uszkodzeń oraz funkcje komputerowego systemu diagnostycznego obrazują, jak skomplikowane może być projektowanie automatycznego ciągu technologicznego w odlewni. W niektó - rych przypadkach konieczne jest rozważenie decentralizacji zadań, poprzez rozdział funkcji diagnostycznych pomiędzy większą liczbę komputerów. Tworzenie jednolitego systemu diagnostycznego, obejmującego swym zasięgiem całą odlewnię, wymaga współpracy interdyscyplinarnej wielu fachowców z dziedzin odlewnictwa, automatyki przemysłowej i informatyki. Decyzja o realizacji pełnego systemu diagnostycznego musi być także poparta szczegółową analizą ekonomiczną całego przedsięwzięcia. LITERATURA [1] Isermann R., Ballé P.: Terminology in the Field of Supervision. Fault Detection and Diagnosis. SAFEPROCESS, [2] Kościelny J.M.: Diagnostyka zautomatyzowanych procesów przemysłowych. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa [3] Wrona R., Sobieraj R., Siara M.: Projektowanie odlewni. Skrypt AGH nr 759, Kraków (1980). [4] Wrona R., Dobosz S., Ziółkowski E.: Komputerowe systemy monitoringu zużycia materiałów formierskich i wsadowych w odlewni. Archiwum Odlewnictwa. PAN O/Katowice, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2), s AN ANALYSIS OF FAULT DETECTION AND ISOLATION METHODS IN FOUNDRY PRODUCTION SYSTEMS SUMMARY The paper introduces classification and short analysis of fault detection and isolation methods which are present in the foundry complex production systems. The authors present the most important functions of the diagnosis systems which can be used automatically by means of the computers. Recenzował dr hab. Jan Szajnar