DIAGNOSTYKA 30 213 DIAGNOSTYKA I MONITOROWANIE STANU W YCIU SYSTEMÓW MECHATRONICZNYCH Bogdan ÓTOWSKI ATR BYDGOSZCZ bogzol@mail.atr.bydgoszcz.pl Streszczenie W pracy omówiono wybrane problemy diagnostyki technicznej i monitorowania stanu systemów mechatronicznych. Przedstawiona problematyka znajduje swoje uzasadnienie w procesach destrukcji maszyn, towarzyszcych kadej maszynie tu po jej wytworzeniu, a do likwidacji. Daje to podstawy do racjonalnej eksploatacji maszyn w nowo tworzonych diagnostycznych systemach eksploatacji. Ocena stanu zalena od dobrego modelu i waciwych symptomów prowadzi do technologii obiektowych i bioniki istnienia systemów technicznych. Deskryptory diagnostycznego systemu eksploatacji umoliwiaj tworzenie nowoczesnych strategii eksploatacji w zindywidualizowanych informatycznie systemach przedsibiorstwa, zapewniajc nowoczesne utrzymanie maszyn w ruchu. Sowa kluczowe: diagnostyka, monitorowanie, technologie obiektowe, bionika systemów. MONITORING AND DIAGNOSTIC STATE IN LIFE OF THE MECHATRONIC SYSTEMS Summary It the chosen problems of technical diagnostics in running were have talked over was and the monitoring of state the mechatronic systems. Introduced problems finds in processes of destruction of machine engines his reason, concurrent every machine engine near at hand after her producing, until to liquidation. It lets then the basis to rational exploitation of machine engines in newly the created diagnostic systems of exploitation. The state dependent opinion from good patternel and proper symptoms guides to object-oriented technologies and bionics the existences the technical systems. The descriptors of diagnostic system of exploitation make possible creating the modern strategies of exploitation on individualized program the systems of enterprise, assuring modern maintenance in movement the machine engines. Keywords: diagnostics, monitoring, object oriented technologies, bionic of systems. 1. WPROWADZENIE Procesy destrukcji systemów technicznych wymuszaj potrzeb nadzorowania zmian ich stanu, szczególnie na etapie eksploatacji. Metody i rodki nowoczesnej diagnostyki technicznej s narzdziem diagnozowania ich stanu technicznego, co umoliwia racjonaln i bezpieczn ich eksploatacj. System mechatroniczny, to w rozumieniu Autora nowoczesna maszyna zoona z czci mechanicznej, elektronicznej i elektrycznej, zintegrowana nowoczesnymi technologiami informatycznymi w obszarze wytworów, jak i towarzyszcych im procesów. Wspóczesny rozwój automatyzacji i informatyki w zakresie sprztu i oprogramowania stwarza nowe moliwoci realizacji systemów diagnozowania i monitorowania coraz bardziej zoonych konstrukcji mechatronicznych. Te nowe moliwoci s zwizane z nowymi konstrukcjami czujników inteligentnych, moduowego oprogramowania oraz moduów komunikacji i wymiany danych. W tej pracy przedstawiono wybrane problemy nowoczesnego stosowania metod diagnozowania i monitorowania zmian stanu systemów mechatronicznych, wskazujc na róne strategie eksploatacji, ich efektywno, a take zagadnienia stanowice o postpie w zakresie modelowania obiektowego w tworzeniu obiektów samodiagnozujcych. 2. ZMIANY STANU MASZYN Cigy postp techniczny, lepsza organizacja i lepsze zarzdzanie wymagaj posiadania bardziej precyzyjnej informacji w obszarze nadzoru zmieniajcego si stanu coraz bardziej skomplikowanych maszyn. Widoczne jest tu powizanie istniejce pomidzy otrzymywan informacj a stopniem doskonalenia dziaalnoci technicznej i ekonomicznej, wyraajce si uytecznoci informacji, jej wartoci albo cennoci.
214 DIAGNOSTYKA 30 Wiele informacji o sposobach opisu i badania destrukcji maszyn przedstawiono w opracowaniach wczeniejszych autora [7,8,9,11], co pozwala na sygnalne tylko wskazanie gównych elementów tego zagadnienia. Stan techniczno organizacyjny P jest zaleny w czasie od sprawnoci informatywnej poprzez zwizek [11]: Pt 1 P t (1 i ) (1) gdzie sprawno informatywna zalenoci: i jest okrelana I d Wi i (2) I C m I d informacja dostpna, I m informacja moliwa, W i waga informacji, C cykl otrzymywania informacji (czas). Prawo rozwoju technicznego (1) jest tym wiksze im wiksza jest warto sprawnoci informatywnej. Z zalenoci (2) wynika wane przesanie sygnalizujce wag szybkiego otrzymywania, przetwarzania i wykorzystania informacji, z czym wie si problem planowania i prognozowania opartego na wartociowej informacji. Modelowanie dla potrzeb diagnostyki obejmuje modelowanie fizyczne, matematyczne i energetycze, co daje podstawy diagnostyki symptomowej, holistycznej i energetycznej. W badaniach stanu obiektów posugujemy si modelami: fizycznymi lub symbolicznymi, które s przedstawieniem fizycznym lub mylowym badanego oryginau. Modele symboliczne dzieli si na logiczne i matematyczne (modele uogólnienia, interpretacji i analogii), natomiast wród modeli fizycznych (strukturalne, funkcjonalne i mieszane) mona wyróni modele mechaniczne, elektryczne, cieplne itd. Z modelowaniem wie si bardzo cile symulacja (fizyczna lub symboliczna), któr stosujemy wówczas gdy nie moliwoci badania oryginau. Umoliwia ona opis oryginau, genezowanie i prognozowanie zachowania si oryginau oraz nauczanie aktualnej teorii odnoszcej si do oryginau. W inynierii mechanicznej rozwijajca si diagnostyka techniczna potrafi nadzorowa postpujc destrukcj maszyny w caym cyklu jej ycia. Najlepiej to wida na rys.1, gdzie caociowo rol i zadania diagnostyki technicznej pokazano w caym cyklu ycia maszyny. FA Z Y IST N IE N IA M A SZ Y N Y W A RT O C IO W A N IE K O N ST RUO W A N IE W Y T W A RZA N IE E K SPLO A T A C JA K SZ T A T O W A N IE JA K O C I M A SZ Y N W ybór m etod Iden tyfikacja róde O cen a O cen a stan u i rodków podwyszon ej jakoci tech n iczn ego badawczych dyn am iczn oci wytworów m aszyn y-procesu Rys.1 Diagnostyka w yciu maszyny. Ksztatowanie i ocena jakoci maszyn wie si cile z koniecznoci utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech uytkowych w okrelonych warunkach eksploatacji. Cechy te, speniajce wymogi reprezentatywnych dla stanu obiektu, winny by okrelone ju na etapie wartociowania i konstruowania, a weryfikowane podczas wytwarzania i eksploatacji. Do wyrónienia, oceny i podtrzymywania cech uytkowych wykorzystuje si: - moliwoci diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocen jakoci wytworów, diagnostyk eksploata-cyjn, metody i rodki diagnostyki technicznej, - wspomaganie bada diagnostycznych technik komputerow; - badania niezawodnoci maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i poprodukcyjnej przy wykorzystaniu programowanych bada stanowiskowych, modelowania czynników wymuszajcych, wspomagania komputerowego bada niezawodnoci; - metodologi ksztatowania jakoci maszyn przez jakociowy system sterowania przedsibiorstwem z uwzgld-nieniem kryteriów norm jakoci EN serii 29 000; - moliwoci regeneracji czci maszyn, w tym regeneracj wielokrotn, badania zmczeniowe i modelowanie obcie czci regenerowanych, nowe techniki i technologie odtwarzania jakoci czci maszyn; - badania technologicznoci obsugowej i naprawczej maszyn, ksztatowanie intensywnoci starzenia i zuywania si elementów maszyn, ksztatowanie podatnoci oraz ocen efektywnoci eksploatacji maszyn.
DIAGNOSTYKA 30 215 Powysze grupy tematyczne stanowi obszar zainteresowa w zakresie metod i metodologii ksztatowania i podtrzymywania jakoci maszyn, który jest uwarunkowany dynamicznym rozwojem nastpujcych zagadnie : -modelowania obiektów (strukturalnego, symptomowego, energetycznego), - metod diagnozowania, genezowania i prognozowania, - podatnoci diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty), - budowy ekonomicznych i dokadnych rodków badania, - badania moliwoci eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny, - metod oceny efektywnoci zastosowa metod badawczych, - metodologii projektowania i wdraania ukadów pomiarowych, - metod sztucznej inteligencji w badaniach. Przedstawione moliwoci diagnos-tyki w zakresie nadzorowania zmiennoci stanów maszyn (zmian jakoci) s podstaw metody obsugiwania maszyn wedug stanu technicznego. Doskonalenie tej przyszociowej strategii opiera si o nowe, skuteczne metody diagnozowania stanu maszyn, o opracowania pokadowych i stacjonarnych ukadów diagnostycznych, wspieranych technik komputerow i dokonaniami sztucznej inteligencji [2,7]. 3. OCENA STANU SYSTEMU MECHATRO- NICZNEGO Systemy mechatroniczne i ich rozwój, jako kolejny etap rozwoju jakoci konstrukcji maszyn, wi si cile z rozwojem cybernetyki i ogólnej teorii systemów oraz teorii informacji i zarzdzania. Zajmuj si one tymi systemami od strony zoono- ci relacji, sieci i sprze zwrotnych wewntrz systemowych, mechanizmów stabilnoci, dynamiki, samoregulacji, procesów gromadzenia i przetwarzania informacji. Mechatronika staje si przedpolem rozwoju bioniki, która bada zasady budowy i funkcjonowania systemów biologicznych w celu moliwoci konstruowania mechanizmów, maszyn i urzdze technicznych, których charakterystyki zblione s do charakterystyk ywych systemów. Obok mechatroniki, biomechaniki, bioenergetyki i neurobioniki rozwija si bioelektronika, umoliwiajce przewidywa powstawanie mieszanych systemów technicznych skadajcych z czci mechanicznej, elektronicznej i organizmu ywego. Tym wyzwaniom winna sprosta w przyszoci diagnostyka techniczna, dla której naley przewidzie ju teraz nowe wyzwania. Stan aktualny rozwoju diagnostyki technicznej systemów mechatronicznych jest zaledwie pocztkiem wielu nowych, nie zawsze jeszcze do koca znanych wyzwa merytorycznych i metodycznych. Systemy monitorujce takich systemów oparte s na czujnikach zmian stanu róde czstkowych, czujnikach inteligentnych, ukadach zbierania informacji i stacji operatorskiej. Systemy monitorowania stanu maszyn s stosowane jako niezbdny element wyposaenia zoonych maszyn, zabezpieczajcy przed wystpieniem niespodziewanych uszkodze lub awarii. Rozwizania algorytmiczne tych systemów organizuj proces akwizycji, porzdkowania i przetwarzania danych pomiarowych wedug przyjtych regu, wspomagajc klasyfikacj stanów, bd wspomagajcych podejmowanie decyzji diagnostycznych. Rozwizania sprztowe okrelaj wielokanaowe ukady pomiarowe wspópracujce z dowolnymi czujnikami, ukady kontroli wasnych obwodów pomiarowych, cza integrujce oczujnikowanie z rónymi przetwornikami i ukadami wykonawczymi, okrelajcymi sytuacje zagroeniowe, alarmowe lub wyczeniowe [2,6]. Gównym elementem takich ukadów s inteligentne przetworniki pomiarowe, które zawieraj: blok akwizycji, blok przetwarzajco-sterujcy i blok komunikacji z otoczeniem. Ich zalety w porównaniu z poprzedni generacj przyrzdów s nastpujce [2]: - moliwo realizacji czci procedur pomiarowych w postaci cyfrowej; - moliwo realizacji rónych algorytmów przetwarzania bez zmiany struktury przyrzdu; - moliwoci komunikacyjne polegajce na wykorzystaniu interfejsów pomiarowych do generowania decyzji informacyjno-sterujcych. To sprawia, e przetworniki inteligentne maj waciwoci adaptacyjne, umoliwiajce na podstawie warunków pomiaru, waciwoci obiektu, wymaga i ogranicze, wybór algorytmu pomiaru stosownie do badanego problemu. W pamici przetwornika znajduje si oprogramowanie pewnego zestawu algorytmów i program ich wyboru. Wybór jest warunkowany stosownie do realizowanej funkcji, zgromadzonej wiedzy oraz informacji o warunkach pomiaru. Obecnie prowadzone s prace w zakresie oprogramowania i doboru struktury przyrzdu pozwalajce na dostosowywanie si samoczynne do realizowanego zadania, co cz- ciowo dalej pokazano. Powodzenie rónych koncepcji akwizycji i przetwarzania informacji diagnostycznej wie si z doskonaleniem metod pozyskiwania symptomów stanu, modelowaniem obiektowym i budow samodiagnozujcych si obiektów. Wybrane fragmenty dokona tego zakresu przedstawiono w dalszej czci opracowania. 3.1 Sygnay diagnostyczne Fizyka zjawisk towarzyszcych pracy kadej maszyny oparta na modelu generacji sygnaów jest podstaw dobrej diagnostyki i opiera si na znajomoci opisu dynamiki maszyny, co uatwia agodne
216 DIAGNOSTYKA 30 przejcie do obszaru diagnostyki. Wiele opracowa z tego obszaru [1,5,7,9,11] wskazuje jednoznacznie na du przydatno procesów drganiowych w opisie zmian stanu maszyn, co czsto wykorzystywane jest w metodologii prezentacji istoty i dokona diagnostyki. Zmiany stanu maszyn opisywane s dobrze sygnaem drganiowym, odzwierciedlaj si w zmiennych wartociach poziomu (parametrów) drga lub w zmianie transmitancji od punktu uszkodzenia do punktu odbioru. Ocena stanu dynamicznego maszyn za pomoc generowanych przez nie procesów fizycznych wymaga skojarzenia parametrów funkcjonalnych ocenianego obiektu ze zbiorem miar i ocen procesów wyjciowych. Podczas funkcjonowania maszyn, na skutek istnienia szeregu czynników zewntrznych (wymuszenia rodowiska, od innych maszyn) oraz wewntrznych (starzenie, zuycia, wspópraca elementów) w maszynie nastpuj zaburzenia stanów równowagi, które rozchodz si w orodku sprystym - materiale, z którego zbudowana jest maszyna. Zaburzenia maj charakter dynamiczny i zachowuj warunki równowagi pomidzy stanem bezwadnoci, sprystoci, tumienia i wymuszenia. Zaburzenia rozchodz si od róde w postaci fal w sposób zaleny od wasnoci fizycznych oraz granic konfiguracji, wymiarów i ksztatów maszyny. Inne procesy (tarcia i zuycia, termodynamiczne, elektryczne, magne-tyczne, objtociowe), których opis i wykorzystanie w diagnostyce jest jeszcze niewielkie, s ródem wielu obcie dynamicznych znajdujcych swoje odzwierciedlenie w analizie i opisie zmiennych stanów maszyny. Wyodrbniajc w analizie stanu maszyny procesy wejciowe, struktur i procesy wyjciowe, naley pamita o ich losowym charakterze. Wejcie wewntrzne, traktowane jako zbiór wielkoci wymuszajcych okrelajcych struktur maszyny (ksztat, jako wykonania, luzy itd.) i sposób wspópracy elementów jest ksztatowane w warunkach losowych podczas wytwarzania i ujawnia si tymi wasnociami losowymi podczas funkcjonowania. Wejcie zewntrzne, okrelajce warunki wspópracy maszyny z innymi elementami systemu produkcyjnego (zmiany obcie, prdkoci, wpyw rodowiska) ma w praktyce równie charakter losowy. W rezultacie istnienia wejcia i realizacji transformacji stanów reprezentujcych procesy zachodzce w maszynie, powstaje szereg dajcych si mierzy objawów charakterystycznych zawartych w procesach wyjciowych z maszyny. Procesy te s podstaw budowy modeli generacji sygnaów, opisujcych struktur, funkcjonowanie i zmiany stanów obiektu. Opisany cig zaoe prowadzcy do modelu generacji sygnaów [1], który jest w ogólnym przypadku maszyn o dziaaniu okresowym prawdziwy, lecz nie zawsze tak prosty jak na rys.2. napd u x y T 2T T T 2T t t t T - okresowa transformacja Ukad kinematyczna dynamiczny i(t,,r) x(t,)=iri h(t,,r) y=hiri Rys.2 Transformacja sygnau charakterystycznego i w sygna wyjciowy y(dla = const) jako model generacji sygnau w maszynach [1]. Sygna wyjciowy dowolnego punktu odbioru mona wyrazi w przyblieniu wzorem: y k k, r a k h t,, r i (3) i 1 u i t,, r nt,, r gdzie: h(*) - impulsowa funkcja przejcia ujmujca wasnoci korpusu, a(k) daje róne wagi sumowania zwizane z miejscem odbioru r. 3.2. Wybór parametrów diagnostycznych Zbiór parametrów diagnostycznych sygnau wyrónia si ze zbioru parametrów wyjciowych, towarzyszcych pracy maszyny. Na ogó kryteriami wyróniania symptomów s warunki ich niezalenoci, jednoznacznoci i mierzalnoci. Wyznaczanie zbioru wraliwych uszkodzeniowo parametrów diagnostycz-nych powinno uwzgldnia: zdolno odwzorowania zmian stanu w czasie eksploatacji, ilo informacji o stanie technicznym przekadni, wraliwo wartoci parametrów w czasie eksploatacji. Metody wyznaczania symptomów diagnostycznych s nastpujce: metoda maksymalnej wraliwoci parametru na zmian stanu technicznego. metoda maksymalnej wzgldnej zmiany parametru diagnostycznego.
DIAGNOSTYKA 30 217 metoda maksymalnej pojemnoci informacyjnej parametru diagnostycznego. metoda maksymalnej zmiennoci parametru diagnostycznego. Zalet powyszych metod jest to, e pozwalaj wybra ze zbioru parametrów wyjciowych jednoelementowe, jak i wieloelementowe zbiory parametrów diagnostycznych. Kryteria optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych: 1. parametry diagnostyczne powinny charakteryzowa proces destrukcji obiektu i by z nim cile zwizane. 2. parametry diagnostyczne powinny by wraliwe na zmiany zachodzcego procesu pogarszania si zdatnoci obiektu. 3. liczba parametrów diagnostycznych nie moe by zbyt dua, gdy znaczna ich liczba utrudnia, a niekiedy uniemoliwia poznanie i okre- lenie procesu pogarszania si stanu obiektu. 4. parametry diagnostyczne powinny mie charakter mierzalny. 5. musz istnie wiarygodne dane statystyczne i analityczne badanych parametrów. 4. TECHNOLOGIE OBIEKTOWE W DIA- GNOSTYCE TECHNICZNEJ Nowym podejciem w diagnostyce obiektów technicznych jest diagnostyka obiektowa, oparta na nowoczesnych technologiach informatycznych, z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji. Takie podejcie jest niezwykle istotne dla maszyn krytycznych, mobilnych obiektów w ruchu ii, wymagajcych wrcz samodiagnozowania, samonaprawy itd. Obecnie obserwuje si w niemal wszystkich dziedzinach informatyki denie do stosowania technologii obiektowych. Zoono rozwizywanych problemów, dalej silne zdeterminowanie czasowe i kosztorysowe wywoay w zasadzie masowe przejcie do obiektowego postrzegania zada koncepcyjnych i projektowych, majcych szerokie zastosowanie w monitorowaniu stanu. Proces modelowania rzeczywistych, bardzo zoonych systemów, zdaniem wielu autorów, powinien by prowadzony zgodnie z konwencj obiektowoci, co moe przynie wymierne korzyci w procesie analizy i okrelania potrzeb modernizacyjnych [6,8,11]. Podejcie obiektowe ma szereg zalet, do których mona zaliczy: dostpno narzdzi programistycznych i obszernych bibliotek; moliwo wielokrotnego uycia kodów programu; wierne i przystpne pojciowo odzwierciedlenie zdarze i procesów zachodzcych w rzeczywistym obiekcie; stosunkowo atwe modernizowanie prawidowo zaprojektowanych systemów. Wymienione wyej cechy podejcia obiektowego pozwalaj na wczenie metod sztucznej inteligencji do modelu badanego systemu. Podejcie obiektowe mona okreli jako prób modelowania, odwzorowania rzeczywistych bytów jako obiektów. W podejciu tym zadania rozpatrywane s w kategoriach obiektów i komunikatów pomidzy nimi. Obiekt jest niezalen, asynchroniczn jednostk, która przechowuje dane (atrybuty), wykonuje zadania (metody), komunikuje si z innymi obiektami (komunikaty). Obiekt posiada cechy i zachowania odróniajce go od innych obiektów tworzcych system. Pojciem ogólniejszym jest klasa obiektów, która moe by rozumiana jako szablon. Szablon taki okrela, jakie atrybuty ma dana klasa i w jaki sposób obiekty funkcjonuj. Dziaajca aplikacja uaktywnia potrzebne egzemplarze (instancje) klasy - w ten sposób generuje kolejne obiekty. Proponowany system umoliwia pen integracj najróniejszych metod, modeli i danych. Poszczególne klasy obiektów zgrupowano w tematy zgodnie z ich zastosowaniami i waciwociami. W temacie ZARZDZANIE zawarto klasy obiektów odpowiedzialne za konfigu-rowanie systemu wedug potrzeb uytkownika i sterowanie przebiegiem zdarze. W temacie DIAGNOZOWANIE umieszczono klasy pozwalajce na zbudowanie modelu diagnostycznego i wykonanie oblicze. Temat SZTUCZNA INTELIGENCJA zawiera klasy implementujce waciwoci i zastosowania algorytmów genetycznych. W ujciu obiektowym struktur funkcjonaln proponowanego systemu [7] pokazano na rys. 3. Zakada si tu istnienie niezalenych, wirtualnych klas obiektów, generujcych poszczególne instancje obiektów w zalenoci od potrzeb. Zgodnie z wymaganiami uytkownika przetworzenie danych pomiarowych nastpuje przy pomocy metod obiektów klasy PRZETW_OB. Jeeli zachodzi potrzeba wykonania eksperymentu, w którym naley wykona wybór symptomów uyteczny moe by obiekt klasy SYMPTOM_OB wraz z odpowiednio skonfigurowan procedur wyszukiwania zawart w klasie ALG_GEN. BAZA_OB, czyli bank danych powinien zawiera dane empiryczne w postaci np. szeregów czasowych, dotyczce modelowanego systemu diagnostycznego. Dane te mog by wykorzystywane do okrelania parametrów badanych obiektów, parametrów i zwizków funkcjonalnych pomidzy zmiennymi modelu. Bank metod z kolei winien obejmowa dostpne procedury i funkcje matematyczno-statystyczne, które s niezbdne do obróbki danych empirycznych, w przypadku szacowania struktury i parametrów modelu, jak równie walidacji modeli.
218 DIAGNOSTYKA 30 ZA R Z D ZA N IE D IA G N O ZO W A N IE IN T E R FE JS_O B A K W IZY C JA _O B PR Z ET W _O B SY M PTO M _O B SY N CH R O _O B M O D EL _O B B AZ A _O B PRO G NO Z A _O B D A N E _O B S ZT U C Z N A IN T E L IG E N C JA AL G _G EN SIE C I_N EU R M O D EL _O B SY S_E X PE R W SPO M AG _D E C ST R O J_M O D E L U PA R _A T R Y B UTY _M E TO DY O PT Y M A L IZ A C JA Rys.3 Warstwa tematów obiektowego systemu diagnostycznego. Zadaniem klasy MOD_OB jest obsuga zawartego w systemie symulacyjnym banku modeli oraz banku metod. Identyfikuje ona moliwie proste, podstawowe procedury potrzebne do oblicze oraz atrybuty danych wejciowych i wyjciowych. W temacie SZTUCZNA INTELIGENCJA istnieje klasa ALG_GEN pozwalajca na przeprowadzenie operacji genetycznych. Klasa ta moe generowa obiekty obliczeniowe o strukturze dopasowanej do wymaga badanego problemu. Dla atwiejszego posugiwania si systemem symulacyjnym, zaoono dziedziczenie metod i atrybutów ALG_GEN przez obiekty nazwane zgodnie z ich przeznaczeniem: OPTYMALIZACJA, STROJ_MODELU (strojenie modelu), WSPOM_DEC (wybór decyzji) itd. Poza klasami implementujcymi algorytmy inteligentne, zaoono istnienie klas pomocniczych, które bezpo- rednio dziaaj na rzecz konkretnych obiektów. Ich zadaniem jest dobór parametrów pracy w zaleno- ci od struktury przetwarzanych danych. Np. klasa PAR_ALG_GEN ustala dugo cigu kodowego, liczb generacji, liczb równolegle przetwarzanych cigów kodowych, prawdopodobiestwo krzyowania i mutacji. Klasa SYNCHRO_OB zawiera scenariusze prowadzenia oblicze i eksperymentów. Atrybutami tej klasy s listy zdarze potrzebnych do wykonania okrelonego zadania oraz listy dostpnych obiektów. Zrealizowanie zadania sprowadzone zostaje do odpowiedniego wypenienia listy z podaniem potrzebnych obiektów i chronologicznych zdarze. Uytkownik systemu za porednictwem INTERFEJS_OB wybiera gotowe szablony czynnoci zgromadzone w SYNCHRO_OB lub buduje samodzielnie rodowisko tworzc scenariusz dziaania na podstawie listy moliwych do powoania obiektów. 5. BIONIKA ISTNIENIA SYSTEMU W naukach technicznych od dawna zaczto podpatrywa natur po to, aby przenie niektóre mechanizmy przyrody na grunt techniki. Czowiek chce budowa coraz bardziej doskonae maszyny, którym mona byoby zleci wykonanie pracy. Zwaszcza chcemy zmniejszy czas tracony na kontrol stanu maszyn, lokalizacj uszkodze oraz ich usuwanie. Dobrze by byo, gdyby takie mechanizmy byy wbudowane w system techniczny i wykonywayby si automatycznie, czego przykadem jest podejcie obiektowe. Czowiek zmierza do budowania systemów technicznych zawierajcych takie cechy, które charakteryzuj organizmy ywe, m.in. takie jak: samoodtwarzanie, samodoskonalenie, samodostrajanie czy samoregeneracja. S to tylko niektóre cechy samoorganizacji rozumianej jako charakterystyczna zdolno systemów do nieprzerwanego przystosowywania si do zmieniajcych si wewntrznych i zewntrznych warunków ich istnienia oraz nieprzerwanego doskonalenia si zachowania wobec niezmiennych warunków z uwzgldnieniem przeszego dowiadczenia. Badanie tych procesów ma nie tylko warto w biologii, ale take ma praktyczn warto dla wykorzystania mechanizmów przyrody w tworzeniu systemów technicznych. Rónorodne formy uczenia si umoliwiaj kompensacj uszkodzonych elementów, np. uszkodzenie wzroku przez uczenie si, powoduje wyostrzenie innych zmysów. Przez uczenie si, zbieranie informacji o swojej pracy, mona bdzie w systemach technicznych dopasowywa swoj struktur i funkcj do danej klasy zada w ten sposób, eby korzysta z mniejszej liczby elementów ni na pocztku, a zaoszczdzone w ten sposób elementy przeznaczy do rezerwacji, przez co niezawodno systemu wzronie. Wydaje si, e wszystkie wymienione rodzaje regeneracji dla organizmów ywych mog by w przyszoci zastosowane w rónym stopniu do systemów technicznych. Organizmy ywe czerpi z otoczenia pokarm zawierajcy czsteczki niezbdne do tworzenia lub odtwarzania swoich organów. Podobnie system techniczny musi dysponowa "pokarmem" czy "rodowiskiem", co jest rezerw gotowych ele-
DIAGNOSTYKA 30 219 mentów realizujcych okrelone funkcje logiczne lub sieci zoone z jednakowych elementów, w których automatycznie mona usuwa zbdne poczenia drog np. optyczn, elektryczn, czy dziaaniem pól fizycznych. Biorc pod uwag róne mechanizmy samoodtwarzania w organizmach ywych oraz obecne i perspektywiczne moliwoci techniczne proponuje si model samoistniejcego systemu, przedstawiony na rys.4. Realizacja tego modelu nastpuje za pomoc rodków programowo sprztowych w sposób automatyczny. Rys.4 Funkcjonalny model systemu bionicznego: O - obiekt (system dyskretny), SK- system kontrolny, SD - system diagnostyczny, SS - system sterujcy, PN - pami programów naprawy, ZR - zasoby rezerwowe, BN - blok naprawczy, SGI system gromadzenia informacji, X(t) - wejcie do wprowadzania programów naprawy, R(t) - wejcie do wprowadzania zasobów rezerwowych, Z zakócenia. Podobnie jak w organizmach ywych, w pewnych warunkach bdzie zachodzi inhibicja (zahamowanie) procesów istnienia, a w innych aktywacja. Szczególn rol w procesach inhibicji i aktywacji ma SGI, który gromadzi dowiadczenia o uszkodzeniach, trendach itp. Wobec pewnych uszkodze w wyniku dowiadcze moe okaza si, e stosowany dany rodzaj ingerencji jest nieopacalny ze wzgldu na dugi czas trwania, co ma powane nastpstwa w dziaaniu ST, np. due koszty spowodowane nie dziaaniem, bd due przecienie dobrych elementów na czas ingerencji powoduje due ich zuywanie. W takich przypadkach moe okaza si, e lepiej zastosowa inny rodzaj ingerencji, bd zastosowa inne rodki techniczne, mimo e np. nie osignie si wymaganego poziomu dostpnoci funkcjonalnej. 6. DESKRYPTORY DIAGNOSTYCZNEGO SYSTEMU ISTNIENIA MASZYNY Do sterowania utrzymaniem maszyn w stanie zdatnoci funkcjonalnej i zadaniowej nieodzowny jest algorytm sterowania. Powinien on zawiera trzy zasadnicze elementy bada diagnostycznych maszyn: a) badanie i ocen stanów, b) ustalenie przyczyn zaistniaych stanów, c) przewidywanie rozwoju zmian stanów. Zasadniczym dziaaniem jest wic diagnozowanie maszyny. Jeeli maszyna jest zdatna, konieczne jest prognozowanie jej stanu, co w praktyce sprowadza si do ustalenia terminu kolejnego obsugiwania maszyny. Nastpnie wykonuje si niezbdne czynnoci obsugiwania (np. smarowanie) i powrót do uytkowania. W przypadku niezdatnoci maszyny naley ustali tego przyczyn, usun je i powtórnie skontrolowa. Nastpny krok to prognozowanie stanu i w kocu wykonanie dalszych operacji zgodnie z algorytmem. Budowane na bazie znanych strategii eksploatacji [4,7] systemy utrzymania maszyn w ruchu przedstawiono na rys.5. Wskaniki diagnostycznego systemu eksploatacji maszyn Poprawne funkcjonowanie diagnostycz-nego systemu eksploatacji maszyn wymaga zrealizowania wielu zada, organizacyjnych, szkoleniowych i inwestycyjnych. Samo funkcjonowanie systemu diagnostycznego w przedsibiorstwie, od strony metodyki wykorzystania narzdzi diagnostyki technicznej do biecej oceny i prognozowania stanu maszyn wymaga znajomoci [3,7,11]: - symptomów stanu: s 1, s 2,...,s m ;
220 DIAGNOSTYKA 30 s ta tu s o s z c z d n o c io w y U T R Z Y M A N I E K O R E K C Y J N E z a p a s y m a te r ia o w e W A W lo s o w e z a r z d z a n ie p la n u tr z y m a n ia U T R Z Y M A N I E P R E W E N C Y J N E m o n it o r o w a n ie d z ia a W t p t e c h n o lo g ia d z ia a p la n o w a n ie i m o n it o r o w a n ie U T R Z Y M A N I E P R O G N O S T Y C Z N E k o s z ty k o n tr o li s ta n u W D T t e c h n o lo g ia u tr z y m a n ia k o n tr o la s y s te m u u tr z y m a n ia R O Z W Ó J S T R A T E G I I??? U T R Z Y M A N I A d ia g n o s ty c z n y m o d e l p r o d u k c j i i k o n tr o li L O G I S T Y K A ( * * * U T R Z Y M A N I E M A S Z Y N W R U C H U * * * ) S Y S T E M I N F O R M A T Y C Z N Y E K S P L O A T A C J I S Y S T E M I N F O R M A T Y C Z N Y P R Z E D S I B I O R S T W A M O N I T O R O W A N I E I Z A R Z D Z A N I E P R Z E D S I B I O R S T W E M Rys.5 Podstawowe formy utrzymania maszyn w ruchu. - wartoci granicznych symptomów stanu: S gr Pg s ; (4) 2A - okresowoci bada diagnostycznych: T D Pg S gr S m ( 1 )( ) m (5) S m Przedstawione deskryptory diagnostyczne-go systemu eksploatacji maszyn zostay zdefiniowane i uzasadnione we wczeniejszych pracach autora [3,7,11]. Znajomo stanu technicznego w tak funkcjonujcym diagnostycznym systemie eksploatacji (DSEM) jest podstaw podejmowania decyzji eksploatacyjnych: o dalszym uytkowaniu, skierowaniu do obsugiwa technicznych lub do likwidacji. Pozwala to przewidywa niezbdnie konieczne zakupy materiaów lub czci zamiennych, planowa zakres i obcienie stanowisk naprawczych, jak te prognozowa zakupy inwestycyjne. Efekty ekonomiczne z takiego sposobu eksploatacji s niewspómiernie wysze ni w innych strategiach, co warunkuje powodzenie i ogromne zainteresowanie tym rozwizaniem. Podstawowym warunkiem powodzenia tej strategii jest dostpno prostych metod diagnostycznych, najlepiej w konstruowanych w produkowane maszyny, które z kolei s nadzorowane w systemie monitorowania stanu maszyn. Poprawna realizacja tej strategii wymaga skutecznych metod i rodków diagnostyki technicznej oraz przygotowanego personelu technicznego. Wymaga te przezwycienia nieufnoci decydentów, co do efektywnoci takiego sposobu eksploatacji. 7. NOWOCZESNE UTRZYMANIE MASZYN W RUCHU Monitorowanie stanu maszyn, w aspekcie niezawodnoci funkcjonalnej (traktowanej jako zdolno maszyny do wykonania zadania) jak i w sensie diagnostyki fizykalnej (rozpoznawanie przyczyn zaistniaych uszkodze) wystpuje na poziomie utrzymania maszyn w ruchu. Uwzgldniajc dostpne literaturowo warianty moliwych strategii eksploatacji maszyn mona ich praktyczn przydatno dla wybranego przedsibiorstwa oceni przy pomocy uytkowych wskaników efektywnoci. Dla ich wyznaczenia przyjmuje si, e:
DIAGNOSTYKA 30 221 - czas pracy maszyny do uszkodzenia okrela funkcja niezawodnoci [7]: R t PT t f tdt - oczekiwany czas pracy: U t (6) t t P R dt (7) RZCp 0 - przecitny rzeczywisty czas pracy (gówny dla zada utrzymania maszyn w ruchu): Cp 0 t O R dt (8) Pozwala to zdefiniowa - wspóczynnik wykorzystania maszyny WW: kryterium jakoci strategii PRZCp WW (9) O Cp Wedug tego kryterium mona dokona oceny poszczególnych strategii eksploatacji maszyn i dalej ich przydatnoci w praktyce przemysowej. Dla strategii od awarii do awarii stosowanej dla uszkodze o maych skutkach ekonomicznych i bez nastpstw zagroenia bezpieczestwa: W AA = 1. Jest to zatem strategia najbardziej efektywna ekonomicznie, a zadania obsugowo - naprawcze inicjowane s uszkodzeniem. Dla strategii wedug iloci pracy (obligatoryjna), w której przedsiwzicia obsugowo-naprawcze s zaplanowane po z góry okrelonej iloci wykonanej pracy (statystyczne oszacowania sabych ogniw i czasu do awarii): W tp 1. Dla strategii wedug stanu technicznego, w której zakres i czstotliwo czynnoci obsugowonaprawczych limituje stan techniczny wskanik efektywnoci W DT 1. Jakociowa analiza tych wskaników wskazuje, e ich uszeregowanie w postaci: WAA WDT Wtp preferuje, poza strategi uszkodzeniow, strategi wedug stanu technicznego. Przedstawione wskaniki dobrze ilustruj efektywno dziaa obsugowo-naprawczych w rónych strategiach utrzymania maszyn w ruchu. Coraz wiksza ilo informacji wytwarzanej w przedsibiorstwie w sferach zarzdzania, procesów produkcji i procesów pomocniczych wymaga wa- ciwego ich uporzdkowania, przetworzenia i redukcji do zakresu niezbdnego dla podejmowania racjonalnych decyzji. Technika komputerowa ogarna wszystkie sfery dziaalnoci przedsibiorstwa, a ponadto zaamaa dotychczasowe podziay i zachwiaa istniejc dotychczas struktur oraz zmienia jej otoczenie. Jeeli ju dzi nasze przedsibiorstwa nie bd w sposób racjonalny adoptowa si do zmian, to jutro nie bd uczestniczy w wiatowym podziale pracy. Na rys.6 przedstawiono system informatyczny przedsibiorstwa, wyróniajc w nim problematyk utrzymania maszyn w ruchu, gdzie problematyka diagnostyki technicznej znajduje swoje wyrónione miejsce. W takim systemie problematyka monitorowania stanu maszyn i zwizanych z ni wszystkich problemów czstkowych jest wkomponowana w struktur informatyczn przedsibiorstwa. N O W O C Z E S N E SY ST E M I N F O R M A T Y C Z N Y T E C H N O L O G I E P R Z E D SI Ê B I O R ST W A T R A N S P O R T W Y T W Ó R C Z E ( S I P ) D Y S T R Y B U C J A z e l e m. s z t. i n t e l i g. ( R O B O T Y, M A N I P ) S Y S T E M Y I N F. S Y S T E M I N F O R - W Y T W A R Z A N I A I M A T Y C Z N Y Z A R Z D Z A N I E O P I S P R O C E S Ó W N A R Z D Z I A p r z e z : J A K O P R A C E B I U R O W E R A C J O N A L N E J B E Z P I E C Z E S T W O K A L K U L A C J E E K S P L O A T A C J I R O D O W I S K O O P T Y M A L I Z A C J A S Y S T E M I N F O R M A T Y C Z N Y I N F. S T R A T E G I I M A S Z Y N Y F I N A N S E - K S I G O W O M E T O D Y D I A G N O S T Y K A M A S Z Y N D A N E P E R S O N A L N E R O D K I S Y S T E M U T R Z Y M A N I A M A S Z Y N S P R Z E D A T R A N S M I S J A S T R A T E G I E E K S P L O A T A C J I U B E Z P I E C Z E N I A Z A S I L A N I E - L O G I S T Y K A P L A N K O N T R O L I A U T O M A T Y Z A C J A I N F O R M A T Y Z A C J A I N F O R M A T Y Z A C J A E K S P L O A T A C J I M A S Z Y N Z A K A D U I N D Y W I D U A L N Y P R O G R A M P R Z E D S I B I O R S T W A Rys.6 System informatyczny przedsibiorstwa z wyrónionym zadaniem utrzymania maszyn w ruchu.
222 DIAGNOSTYKA 30 8. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy rozwaania dotycz systemów eksploatacji maszyn oraz przyszo- ciowych rozwiza monitorowania i zarzdzania rodkami trwaymi w przedsibiorstwie, przy wyrónieniu zagadnie i obszarów moliwych zastosowa monitorowania stanu i bada diagnostycznych. Do podstawowych stwierdze tego opracowania naley zaliczy: 1. potrzeb wprowadzania nowoczesnych strategii zarzdzania do przedsibiorstw jako: zarzdzanie przez jako, zarzdzanie bezpieczestwem, zarzdzanie rodowiskiem; 2. nadrzdn rol informacji (monitorowanie, badania diagnostyczne) w sterowaniu przedsibiorstwem; 3. potrzeb nowych technologii w zakresie metod monitorowania i transformacji informacji do decydentów (jaka, ile, kiedy, w jakiej postaci, na jaki szczebel); 4. wyrónienie zarzdzania systemem eksploatacji maszyn w systemie logistycznym zakadu, a w nim miejsca na monitorowanie i badania diagnostyczne (przyszo DT); 5. potrzeb opracowania dokumentacji funkcjonowania DT w systemie zarzdzania jakoci, bezpieczestwem, rodowiskiem; 6. konieczno usankcjonowania w PN roli, miejsca i zada DT w nowoczesnych strategiach zarzdzania przedsibiorstwem. Od strony bada diagnostycznych pojawia si potrzeba wykorzystania modelowego opisu energetycznego, bezporednio odpowiedzialnego za zmiany stanu obiektów. Powstajce w ten sposób ewolucyjne modele diagnostyczne winny doskonali metodologi i wnioskowanie diagnostyczno - eksploatacyjne oraz indywidualizowa metody i rodki diagnostyki technicznej. LITERATURA 1. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa 1982. 2. Michalski R.: Pokadowe systemy nadzoru maszyn ze sztuczn inteligencj. Wydawnictwo ART., Olsztyn 1997. 3. Niziski S., ótowski B.: Informatyczne systemy zarzdzania eksploatacj obiektów technicznych. ISBN 83-916198-0-X, Olsztyn- Bydgoszcz, 2001 s.334. 4. Niziski S., ótowski B.: Zarzdzanie eksploatacj obiektów technicznych za pomoc rachunku kosztów. ISBN 83-916198-0-X, Olsztyn-Bydgoszcz, 2002. 5. Uhl T. ii: New trends in design of monitoring and diagnostic systems. ZEM,Z.3, vol.38, 2003 pp.133-144. 6. Ulh T., Batko W.: Wybrane problemy diagnostyki maszyn. CCATIE, Kraków 1996. 7. ótowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn. Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996 (s.467). 8. ótowski B., Niziski S.: Modelowanie procesów eksploatacji maszyn. ISBN 83-916198-3-4, Bydgoszcz-Sulejówek, 2002 s.250. 9. ótowski B.: Badania dynamiki maszyn. ISBN 83-916198-3-4, Bydgoszcz, 2002 s.335. 10. ótowski B., Niziski S.: System informatyczny eksploatacji pojazdów mechanicznych. Wyd. PWSZ, Pia 2004 s.234. 11. ótowski B., Tylicki H.: Wybrane problemy eksploatacji maszyn. Wyd. PWSZ, Pia 2004 s.214. Prof. dr hab. in. Bogdan ÓTOWSKI, prof. zw. ATR w dziaalnoci naukowej zajmuje si problemami dynamiki maszyn, wibrodiagnostyki, diagnostyki technicznej, metrologii i eksploatacji pojazdów. Ma w swoim dorobku ogólnie okoo 320 publikacji, w tym 19 pozycji zwartych (wasne i wspóautorskie), 41 publikacji naukowych, 155 publikacji naukowo-technicznych i konferencyjnych oraz 45 opracowa naukowo-technicznych. Jest czonkiem Instytutu Bada Nieniszczcych NDT (Anglia), czonkiem Sekcji Podstaw Eksploatacji Komitetu Budowy Maszyn Polskiej Akademii Nauk (od 1989r.), czonkiem Polskiego Towarzystwa Diagnostyki Technicznej, czonkiem Zespou Diagnostyki SPE KBM PAN. Jest take redaktorem dziaowym Diagnostyki Technicznej w Zagadnieniach Eksploatacji Maszyn PAN, czonkiem Rady Programowej wydawnictwa PTDT DIAGNOSTYKA oraz czonkiem Oddziau PAN w Lublinie. Wypromowa 7 doktorów nauk technicznych oraz kilkudziesiciu absolwentów studiów magisterskich i inynierskich.