MO LIWO KOMPUTEROWEGO WSPOMAGANIA DIAGNOZOWANIA OKR TOWYCH SILNIKÓW TŁOKOWYCH KAZIMIERZ WITKOWSKI Streszczenie W referacie przedstawiono przykład komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych w oparciu o algorytm zbudowany z wykorzystaniem teorii rozpoznawania obrazów. W zbudowanym algorytmie wykorzystano metod deterministyczn. Zadanie diagnostyczne rozwi zano z wykorzystaniem wielowymiarowej, geometrycznej przestrzeni i rachunku wektorowego. Posłu ono si diagnozowaniem na podstawie obliczania odległo ci od wektora stanu do wektorów diagnoz, czyli badaniem odległo ci od wzorca. Skuteczno zastosowanej metody wykazano na przykładzie czterosuwowego, rednioobrotowego silnika okr towego, na którym wykonano odpowiednie badania z wykorzystaniem eksperymentu czynnego. Słowa kluczowe: diagnostyka, tłokowy silnik okr towy, wspomaganie komputerowe, teoria rozpoznawania obrazów 1. Wprowadzenie Współczesna eksploatacja siłowni okr towych wymaga wprowadzania na statki systemów diagnostycznych. Mog one przynie szereg korzy ci wymiernych zwi zanych z oszcz dno ci paliwa, zmniejszeniem zu ycia cz ci, wydłu eniem okresów mi dzynaprawczych oraz niewymiernych zmierzaj cych mi dzy innymi do podniesienia bezpiecze stwa eglugi. Tłokowe silniki o zapłonie samoczynnym stanowi w zdecydowanej wi kszo ci nap d główny statków towarowych oraz s stasowane w elektrowniach okr towych do nap du pr dnic. Koszty ich eksploatacji s bardzo du e, przede wszystkim z uwagi na stale rosn ce ceny paliw i olejów smarnych. St d koszty eksploatacji silników okr towych stanowi ponad 70% kosztów eksploatacji całej siłowni okr towej. Udział kosztów paliwa i olejów smarnych w kosztach eksploatacji siłowni okretowej z silnikami tłokowymi pokazano na rysunku 1 [6].
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 137 Rysunek 1. Udział kosztów paliwa i olejów smarnych w kosztach eksploatacji siłowni okr towej z silnikiem o zapłonie samoczynnym ródło: Opracowanie własne. 1. koszty paliwa i oleju smarnego; 2. koszty kapitałowe i ubezpiecze ; 3. koszty załogowe; 4. koszty pozostałe (miedzy innymi: remonty, cz ci zamienne, materiały konserwacyjne) Na rysunku 2 pokazano przykładowe koszty eksploatacji statku do przewozu ładunków masowych z uwzgl dnieniem kosztów paliwa [6]. Bezpo redni zwi zek pomi dzy niezawodno ci okr towych silników tłokowych a bezpiecze stwem eglugi oraz znacz cy udział silników w kosztach eksploatacji powoduj, e na statkach przewa aj ca liczba metod i urz dze diagnostycznych opracowywana jest z my l o tych obiektach. Celem utylitarnym tego działania powinna by mo liwo : realizacji zada prowadzacych do rozpoznawania i okre lania aktualnego stanu czego wynikiem jest diagnoza, rozpoznawania przyszłych stanów silnika czego wynikiem jest geneza czyli okre lenie przyczyn zaistnienia obecnego stanu, rodzaju i przyczyn niesprawno ci czy uszkodzenia, przewidywania przyszłych stanów silnika, czego efektem b dzie prognoza rozumiana jako okre lenie horyzontu czasowego przyszłej zmiany stanu technicznego. O ile to mo liwe, nale y równie powi za mo liwo okre lania faktycznego stanu technicznego silnika z prowadzeniem jego racjonalnej gospodarki remontowej.
138 Kazimierz Witkowski Mo liwo komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych Rysunek 2. Koszty eksploatacji statku typu masowiec (170 000 DWT) z uwzgl dnieniem kosztów paliwa ródło: Opracowanie własne. 1. koszty rejsowe (paliwo, opłaty portowe i kanałowe); 2. koszty dzienne (załogowe, administracyjne i ubezpieczeniowe); 3. koszty kapitałowe. 2. Metodologia rozwi zywania zada diagnostycznych Powodzenie i powszechno stosowania systemów i urz dze diagnostycznych w odniesieniu do silników okr towych zale y w znacznym stopniu od doskonalenia algorytmów diagnostycznych. Ci gle jeszcze w budowie takich algorytmów i tworzeniu programów diagnostycznych wykorzystywane jest najcz ciej klasyczne podej cie, którego metodologiczne podstawy mo na sprowadzi do nast puj cych zada : ocena wpływu niezdatno ci wyst puj cych w poszczególnych w złach funkcjonalnych urz dzenia na jego prac i na zmian warto ci parametrów diagnostycznych; stosuje si tu metody eksperymentalne, oparte na obiektach rzeczywistych lub na modelach matematycznych, wyznaczenie parametrów diagnostycznych obiektu zdatnego technicznie, wybór parametrów diagnostycznych ze wzgl du na ich wra liwo na zmian stanu technicznego obiektu i minimalizacja ich liczby, opracowanie tablic diagnostycznych (uszkodze ),
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 139 opracowanie algorytmu i programu diagnostycznego. Ciekawym uzupełnieniem klasycznego podej cia wydaje si wykorzystanie metod bazuj cych na teorii rozpoznawania obrazów. Mo na wyró ni tu probabilistyczne i deterministyczne metody rozpoznawania, opisane miedzy innymi przez M.Ajzermana [1] i I.Birgera [2]. Przy probabilistycznym podej ciu przyjmuje si, e istnieje obiekt, który znajduje si w jednym z n losowych stanów D i. Jest równie znany zbiór parametrów diagnostycznych, które z okre lonym prawdopodobie stwem charakteryzuj stan tego obiektu. Nale y sformułowa zasad decyzyjn, przy której wybrany do diagnozowania zbiór warto ci parametrów mo na by odnie do jednej z mo liwych diagnoz (stanów). W metodzie tej jest równie bardzo wa ne dokonanie oceny wiarygodno ci przyj tego rozwi zania i stopnia ryzyka rozwi zania bł dnego. Deterministyczne metody rozpoznawania pozwalaj rozwi za zadanie diagnostyczne z wykorzystaniem wielowymiarowej, geometrycznej przestrzeni i rachunku wektorowego. Je eli obiekt jest opisany n-wymiarowym wektorem X, to dowolny stan tego obiektu przedstawiony jest w n-wymiarowej przestrzeni parametrów w postaci punktu, a raczej pewnego obszaru tej przestrzeni. Nale y znale zasad, według której diagnozowany obiekt, którego stan techniczny opisany przez wektor X jest porównywany z okre lonym obszarem przestrzeni odpowiadaj cym danej diagnozie. Rozwi zanie tego problemu mo na uzyska wykorzystuj c metody liniowe, funkcji potencjalnych, aproksymacji stochastycznej i metryczne metody rozpoznawania. Jedn z metrycznych metod rozpoznawania jest diagnozowanie na podstawie pomiaru odległo ci od wzorca. Zakłada si, e aktualny obraz stanu technicznego obiektu opisany warto ciami parametrów diagnostycznych, jest bliski jednemu ze znanych, typowych objawów uszkodze. Przyjmuje si wi c, e mo liwym jest rozró nienie stanu technicznego obiektu na podstawie obserwacji obrazu, jaki tworz parametry diagnostyczne opisuj ce jego stan. Parametry diagnostyczne tworz n-wymiarowy wektor stanu X znajduj cy si w przestrzeni objawów uszkodze : X =(x, x,..., x,..., x ) 1 2 j n (1) gdzie: X wektor stanu badanego obiektu, x j współrz dne w przestrzeni objawów (mog to by wielko ci ci głe lub dyskretne). W n-wymiarowej przestrzeni istnieje równie pewna liczba wektorów wzorcowych A i, utworzonych na podstawie tablic uszkodze i opisuj cych wybrane stany techniczne obiektu. Ka demu z nich odpowiada diagnoza D i : A i =(a i1,a i2,...,a ij,...,a in ) Diagnostyczna miara odległo ci mi dzy wektorem X, a kolejnymi wektorami A i wyra a si wówczas wzorem: n L 2 ) 2 i = l ( X, A )= λ 2 ij (x j ain (3) 1 gdzie: L i diagnostyczna miara odległo ci mi dzy wektorem i i wektorem A, (2)
140 Kazimierz Witkowski Mo liwo komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych λ ij współczynnik wagowy j-tego wymiaru przestrzeni oraz i-tej diagnozy. Rozpatrywanie stanu obiektu, a wi c tym samym postawienie diagnozy, polega na pomiarze odległo ci mi dzy ko cem wektora X, a ko cami poszczególnych wektorów A, oraz odpowiedniej analizie tych odległo ci. Im mniejsza jest odległo mi dzy danymi punktami w porównaniu z innymi odległo ciami, tym wi ksze jest prawdopodobie stwo wyst pienia niezdatno ci przypisanej odpowiedniemu punktowi. Li = min (4) x Di Analiza ta sprowadza si (w najprostszym przypadku) do wyznaczenia tzw. współczynników rozpoznawania ξ i : 1 Li ξi = (5) n 1 L s =1 s 3. Badania eksperymentalne 3.1. Obiekt bada Obiektem bada był okr towy silnik o zapłonie samoczynnym SULZER AL25/30. Widok stanowiska badawczego pokazano na rysunku 3. Badany silnik charakteryzuj nast puj cye podstawowe dane techniczne: moc z cylindra [kw] 136 pr dko obrotowa [obr/min] 750 rednie ci nienie efektywne [MPa] 1,575 stopie spr ania [-] 13 jednostkowe zu ycie paliwa [g/kwh] 204 doładowanie turbospr ark BBC typu VTR160N obci enie pr dnic elektryczn, liczba cylindrów [-] 3. 3.2. Przygotowanie planu bada Silnik okr towy nale y do obiektów technicznie zło onych. W takim przypadku znacz cym ułatwieniem w rozwi zywaniu zada diagnostycznych jest podzielenie silnika na funkcjonalne systemy. Jest to wi c działanie zmierzaj ce do dekompozycji obiektu i diagnozowanie w strukturach zdecentralizowanych. Poprawno i skuteczno takiego działania potwierdzano w pracach wielu autorów, w tym w publikacjach J.M Ko cielnego [3]. Aby unikn arbitralnego podziału, przyj to nast puj cy tok post powania. Zebrano dane statystyczne dotycz ce cz stotliwo ci wyst powania okre lonych uszkodze oraz dane o ich potencjalnym, negatywnym wpływie na przebieg procesu roboczego. Umo liwiło to wybra do diagnozowania wła ciwe
141 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 w zły funkcjonalne silnika, a w nich najcz ciej wyst puj ce uszkodzenia, co szerzej analizowano w pracy [5]. Rysunek 3. Widok stanowiska badawczego z tłokowym silnikiem okretowym SULZER 3AL25/30 ródło: Opracowanie własne. Z danych statystycznych [4] dotycz cych najcz ciej wyst puj cych na statkach uszkodze wynika, e dotycz one: silników wolnoobrotowych 38,0% silników rednioobrotowych 15,7% maszyn pokładowych 13,7% maszyn pomocniczych siłowni 11,0% ruroci gów i armatury 8,1% urz dze automatyki 7,5% innych urz dze 6,0% Z powy szych danych wynika jednoznacznie, e silniki okr towe s najbardziej zawodnymi elementami ka dego statku. Patrz c szczegółowo na ich awaryjno ustalono, e najbardziej zawodnymi układami silnika s : paliwowy i wymiany czynnika roboczego. Statystyki wskazuj, e blisko 50% wszystkich uszkodze silników okr towych stanowi usterki układu zasilania paliwem, a w nim najcz ciej wyst puj uszkodzenia w odniesieniu do: wtryskiwaczy 41%
142 Kazimierz Witkowski Mo liwo komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych pomp wtryskowych 38% przewodów paliwowych 12%. W odniesieniu do wtryskiwaczy najcz ciej uszkodzenia spowodowane s : zu yciem sto ka iglicy 73% zu yciem i zakoksowaniem otworów rozpylacza 12% utrat własno ci spr yny (spadek ci nienia otwarcia wtryskiwacza) 4% innymi przyczynami 11%. Uszkodzenia pomp wtryskowych kojarzone s najcz ciej z: nieszczelno ci zaworów zwrotnych 42% nieszczelno ci pary precyzyjnej 24% zatarciem tłoczków pomp 18% innymi przyczynami 16%. W układzie wymiany czynnika roboczego najcz stszymi uszkodzeniami s zanieczyszczenia elementów tego układu (24,7% wszystkich uszkodze silników okr towych). Zanieczyszczaj si nast puj ce elementy: filtry powietrza, przepływowa cz spr arki turbospr arkowego układu doładowania, chłodnica powietrza doładowuj cego, organy wymiany czynnika roboczego, przepływowa cz turbiny turbospr arkowego układu doładowania. Z danych szczegółowych wynika, e najcz ciej zanieczyszczenia wyst puj w: kanałach przepływowych spr arki 56% kanałach przepływowych turbiny 22% chłodnicy powietrza 11% filtrach powietrza 6% organach rozrz du czynnika roboczego 4% innych elementach 1%. Ostatecznie wybrane do diagnozowania podzespoły to: turbospr arkowy układ doładowania i układ wtryskowy silnika. Do ich diagnozowania nale y wybra wła ciwy zestaw parametrów diagnostycznych, według nast puj cych, podstawowych kryteriów: warto ci informacyjnej, czyli ilo ci informacji o stanie technicznym obiektu, jak zawiera dany parametr, stopnia lokalizacji niesprawno ci, a wi c mo liwie cisłego zwi zku z jednym okre lonym parametrem struktury, dost pno ci i łatwo ci pomiaru.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 143 3.3. Plan bada, wyniki bada Na podstawie przeprowadzonej analizy opisanej w rozdziale 3.1 prowadz cej do wyboru odpowiednich podzespołów silnika okr towego i dla ka dego z nich wła ciwego zestawu parametrów diagnostycznych opracowano plan bada. Przyj to, e: badania wykonane b d w oparciu o eksperyment czynny, wybrane, typowe uszkodzenia w turbospr arkowym układzie doładowania i układzie wtryskowym b d symulowane w taki sposób, aby mo liwie wiernie odwzorowane były rzeczywiste uszkodzenia wyst puj ce podczas eksploatacji silnika, badania zostan przeprowadzone w szerokim zakresie obci enia silnika dla silnika technicznie sprawnego, a nastepnie z symulowanymi uszkodzeniami, rejestrowany b dzie maksymalnie liczny zestaw parametrów, z którgo wyselekcjonowane zostan parametry diagnostyczne wykorzystane w komputerowej metodzie wspomagania diagnozowania. W układzie wtryskowym symulowano nast puj ce uszkodzenia: spadek ci nienia otwarcia wtryskiwacza, nieszczelno pary precyzyjnej pompy wtryskowej, zu ycie otworów rozpylacza, zakoksowanie otworów rozpylacza. W turbospr arkowym układzie doładowania symulowano nast puj ce uszkodzenia: zanieczyszczenie filtra powietrza, zanieczyszczenie spr arki powietrza, zanieczyszczenie chłodnicy powietrza. Uzyskane w eksperymencie dane pozwoliły zminimalizowa liczno parametrów diagnostycznych w oparciu o: obliczon wra liwo ka dego z nich na zmian stanu technicznego silnika, statystyczn analiz wyników pomiarów. Ostatecznie do diagnozowania układu doładowania wybrano nast puj ce parametry: ci nienie powietrza ładuj cego, masowe nat enie przepływu powietrza przez spr ark, masowe nat enie przepływu powietrza przez cylinder, spadek ci nienia na filtrze powietrza, pr dko obrotow turbospr arki, temperatur gazów wydechowych, a dla diagnozowania aparatury paliwowej: maksymalne ci nienie spalania, maksymalne ci nienie wtrysku paliwa, rednie ci nienie indykowane, ci nienie powietrza ładuj cego, temperatur gazów za cylindrem. Na podstawie uzyskanych danych eksperymentalnych mo liwe było zbudowanie tablic (macierzy) diagnostycznych FIS (Fault Isolation System), których przykłady pokazano na rysunku 4 i 5.
144 Kazimierz Witkowski Mo liwo komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych Przyj cie trójwarto ciowej oceny residuów pozwala rozró ni wszystkie uszkodzenia. Poszczególne parametry diagnostyczne (S) otrzymały w niej umowne znaczenia +1, 0 lub 1, w zale no ci od reakcji danego parametru na wyst puj ce uszkodzenie. Je eli warto S ro nie w stosunku do wzorcowej to otrzymuje znaczenie (+1); je eli spada w stosunku do wzorcowej to znaczenie (-1), a w przypadku zbyt słabej reakcji wzrost lub spadek warto ci S nie przekracza przedziału nieczuło ci to otrzymuje umowne znaczenie (0). ródło: Opracowanie własne. S/F f 1 f 2 f 3 f 4 s 1 0 +1 +1 +1 s 2 0-1 +1-1 s 3-1 -1 +1-1 s 4-1 -1 +1-1 s 5 0-1 -1 +1 Rysunek 4. Przykład FIS układu wtryskowego silnika okr towego s 1 ci nienie powietrza ładuj cego, s 2 temperatura gazów za cylindrem, s 3 maksymalne ci nienie spalania, s 4 rednie ci nienie indykowane, s 5 maksymalne ci nienie wtrysku paliwa, f 1 spadek ci nienia otwarcia wtryskiwacza, f 2 nieszczelno pary precyzyjnej pompy wtryskowej, f 3 zu ycie otworów rozpylacza, f 4 zakoksowanie otworów rozpylacza. S/F f 1 f 2 f 3 s 1-1 -1 +1 s 2 +1-1 -1 s 3-1 -1-1 s 4-1 -1-1 s 5 +1 0 0 s 6 +1 +1 +1 ródło: Opracowanie własne. Rysunek 5. Przykład FIS układu doładowania silnika okr towego s 1 ci nienie powietrza ładuj cego, s 2 pr dko obrotowa turbospr arki, s 3 masowe nat enie przepływu powietrza przez spr ark, s 4 masowe nat enie przepływu powietrza przez cylinder, s 5 spadek ci nienia na filtrze powietrza, s 6 temperatura gazów za cylindrem, f 1 zanieczyszczenie filtra powietrza, f 2 zanieczyszczenie spr arki powietrza, f 3 zanieczyszczenie chłodnicy powietrza.
145 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 Nie mo na jednak autorytatywnie stwierdzi, e gdyby rozszerzy zakres diagnozowania o kolejne uszkodzenia, dotychczas nierozwa ane, pozostawiaj c bez zmian liczb sygnałów diagnostycznych S(s 1, s 2,., s n ), czy wszystkie uszkodzenia F(f 1, f 2,., f n ) mogłyby by rozró nialne. Wówczas nale ałoby zwi kszy zestaw sygnałów diagnostycznych, stosuj c do ich wła- ciwego wyboru kryteria o których była mowa wcze niej. Wykorzystuj c zbudowane tablice FIS (macierze) powstała wielowymiarowa przestrzeni objawów uszkodze, do której wprowadza si na podstawie dokonanych na bie co pomiarów wektor stanu. Zgodnie z omówion wcze niej metod rozpoznawania wyliczany jest współczynnik ξ i, czyli prawdopodobie stwo wyst pienia danego uszkodzenia. Działania te realizowane s komputerowo w oparciu o algorytm, którego uproszczony schemat pokazano na rysunku 6. ródło: Opracowanie własne. Rysunek 6. Schemat blokowy algorytmu diagnostycznego
146 Kazimierz Witkowski Mo liwo komputerowego wspomagania diagnozowania okr towych silników tłokowych 4. Podsumowanie W odniesieniu do obiektów technicznie zło onych dekompozycja obiektu i diagnozowanie zdecentralizowane, przy zało eniu uszkodze pojedynczych, umo liwia dobr lokalizacj uszkodze. Dokonanie wła ciwego wyboru parametrów diagnostycznych jest jednym z istotniejszych czynników decyduj cych o poprawno ci działania opracowanych algorytmów diagnostycznych. W odniesieniu do obiektów technicznie zło onych, o mo liwej du ej liczno ci parametrów diagnostycznych znaczenie ma równie minimalizacja liczno ci parametrów diagnostycznych, tak przeprowadzona, aby algorytm diagnostyczny był relatywnie prosty ale dobrze rozpoznawał uszkodzenia. Zastosowanie trójwarto ciowej oceny residuów w przypadku omawianej diagnostyki układu doładowania i układu wtryskowego okr towego silnika wysokopr nego daje bardzo dobre rezultaty dobr rozró nialno niesprawno ci. Przedstawiona w niniejszym referacie mo liwo wykorzystania do budowy algorytmów i programów diagnostycznych bada symulacyjnych na obiekcie rzeczywistym jest pracochłonn i drog metod, ale daj c mo liwo zbudowania dla danego obiektu jednoznacznego narz dzia diagnostycznego. Bardzo wa nym jest aby przyj ty sposób symulacji mo liwie wiernie odwzorowywał rzeczywiste uszkodzenia wyst puj ce podczas eksploatacji silnika. Badania mo na znacz co skróci je li bazuj c na statystyce spotykanych najcz ciej uszkodze w danym typie silników, ograniczy si symulacje tylko do nich. Mo liwo wykorzystania teorii rozpoznawania obrazów do celów diagnozowania silników okr towych zdaje si by bardzo wygodnym i pewnym rodkiem uzyskania informacji w postaci warto ci ξ i. Jest jednak mo liwa sytuacja, gdy kilka diagnoz uzyska podobne warto ci ξ i. Sytuacja taka oznacza pewn bezradno programu diagnostycznego. Jest to mo liwe szczególnie, gdy silnik pracuje z uszkodzeniem nie maj cym odwzorowania w przestrzeni objawów (uszkodzenie dotychczas nie rozpoznane). Bibliografia 1. Ajzerman M. i in.: Rozpoznawanie obrazów metod funkcji potencjalnych, WNT, Warszawa 1976. 2. Birger I.: Tiechniczeskaja diagnostika, Izd. Maszinostrojenije, Moskwa 1978. 3. Ko cielny J.M.: Diagnostyka procesów w strukturach zdecentralizowanych jednopoziomowych. DPP 2001, Łagów, 2001r., s.355 358. 4. Piaseczny L.: Ocena niezawodno ci okretowych silników spalinowych w aspekcie tworzenia ich systemów diagnostycznych i obsługowych. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej, ITEO AMW, Gdynia 1992. 5. Witkowski K.: Wybór i minimalizacja liczby parametrów diagnostycznych zło onych obiektów technicznych. VI Konferencja Naukowo-Techniczna, DPP, Władysławowo, 2003 r., s. 85 88. 6. Witkowski K.: Stan diagnostyki technicznej okretowych silników tłokowych. Diagnostyka, vol.34, 2005 r., str. 85 92.
147 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 48, 2011 THE POSSIBILITY OF COMPUTER AIDED DIAGNOSIS OF MARINE DIESEL ENGINE Summary The paper presents an example of computer-aided diagnosis of marine diesel engine based on the algorithm constructed using the theory of pattern recognition. The created algorithm uses a deterministic method. Diagnostic task resolved with the use of multidimensional, geometric and vector analysis. Used for diagnosis on the basis of calculating the distance from the state vector to the vectors of diagnosis, ie the distance from the test pattern. The effectiveness of the method demonstrated on the example of four-stroke marine engine in which the appropriate tests were performed using the active experiment. Some damage in the simulated systems: injection and turbocharging. They allowed to choose a set of diagnostic parameters describing the n-dimensional space, and introduce a series of vector patterns (diagnosis). Patterns are represented in binary diagnostic matrix. Keywords: diagnosis, piston marine diesel engine, computer-aided diagnosis, the theory of pattern recognition Kazimierz Witkowski Katedra Siłowni Okr towych Wydział Mechaniczny Akademia Morska w Gdyni ul. Morska 83, 81-222 Gdynia e-mail: wika@am.gdynia.pl