Diagnostyka, Diagnostyka - squiddy.pl i...Diagnostyka, wiadomości podstawowe Podstawowe pojęcia:...

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Podstawowe pojęcia:

Diagnostyka

z gr.: diagnostikós oznacza "umiejący rozpoznawać„

To nauka początkowo wiązana głównie z medycyną –

nauka o sposobach rozpoznawania chorób.

Diagnostyka techniczna

Nauka zajmująca zagadnieniami bieżącej i przewidywanej

oceny stanu technicznego maszyny, urządzenia poprzez

badanie własności procesów roboczych i towarzyszących pracy

maszyny, a także poprzez badanie własności wytworów

maszyny.

Diagnostyka procesów przemysłowych

Nauka zajmująca się zagadnieniami wykrywania i

lokalizowania defektów i uszkodzeń w procesach

przemysłowych - całej instalacji technicznej, jej poszczególnych

komponentach, a także urządzeniach pomiarowych oraz

elementach wykonawczych i regulacyjnych.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe


Proces diagnostyczny

czynność, w wyniku przeprowadzenia której na drodze

przetworzenia informacji o obiekcie diagnozowania następuje

określenie lub estymacja jego stanu, wykrywane i lokalizowane

są defekty i / lub uszkodzenia.

Obiekt

urządzenie lub zbiór urządzeń technologicznych i procesów w

nich zachodzących (system); często wraz ze zbiorem urządzeń

automatyki sterujących tymi procesami.

Defekt

niedopuszczalne odchylenie co najmniej jednej cechy lub

zmiennej opisującej proces; powoduje pogorszenie jakości

działania systemu.

Uszkodzenie

trwała niezdolność systemu lub jego komponentu do

wypełniania wymaganych zadań w założonych warunkach

eksploatacyjnych.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe


Symptom

zmiana wielkości obserwowanej poza jej normalny zakres

wartości; jest nośnikiem informacji o możliwych defektach lub

uszkodzeniach obiektu.

Sygnał

przebieg dowolnej wielkości fizycznej, będącej nośnikiem

informacji.

Detekcja defektu / uszkodzenia

Wykrycie defektu / uszkodzenia.

Lokalizacja defektu / uszkodzenia

Określenie jego miejsca wystąpienia.

Identyfikacja defektu / uszkodzenia

Określenie rozmiaru i charakteru jego zmienności w czasie.

Analiza defektu / uszkodzenia

Określenie jego źródła i zebranie wiedzy w celu

przeciwdziałania mu.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe


Redundancja analityczna

użycie kilku, niekoniecznie opartych na tych samych

przesłankach, sposobów wyznaczania wielkości

współpanującej proces, przy czym jedna z metod ma postać

modelu w formie analitycznej.

Model ilościowy

zbiór zależności wiążących zmienne i parametry systemu

pozwalający opisać ilościowe zachowanie się systemu

(ilościowy przebieg procesu).

Model jakościowy

zbiór zależności wiążących zmienne i parametry systemu

pozwalający opisać jakościowe zachowanie się systemu (reguły

logiczne, klauzule).

Model diagnostyczny

zbiór zależności wiążących specyficzne wielkości wejściowe –

symptomy, ze specyficznymi wielkościami wyjściowymi -

defektami; relacja przyczynowo – skutkowa.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Podział defektów z uwagi na ich przebieg w czasie:

a) nagłe (skokowe)

b) w stanie początkowym (dryfujące)

c) przerywane

f

t

f

t

f

t

a)

b)

c)

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Ze względu na pozyskiwanie informacji o obiekcie

diagnozowanym proces diagnozowania można

podzielić na fazy:

a) mierzenie – pozyskiwanie informacji o wartościach

badanych wielkości;

b) sprawdzanie – pozyskiwanie wiadomości o stosunku

wartości badanych do odniesienia;

c) wnioskowanie – pozyskiwanie wiadomości o

relacjach pomiędzy zbiorem uzyskanych wyników

sprawdzeń, a zbiorem rozróżnialnych stanów

obiektu.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Dwuetapowość procesu diagnostycznego:

a) detekcja;

b) lokalizacja;

dwuetapowość procesu lokalizacji:

a) szybkie wygenerowanie wiarygodnych diagnoz

dla układów zabezpieczeń – mała

szczegółowość rozróżniania uszkodzeń,

uwzględniająca wymagania układów

zabezpieczających; baza danych

diagnostycznych wykorzystywana na tym etapie

wnioskowania projektowana jest w sposób

zapewniający dużą wiarygodność przy możliwie

najkrótszym czasie wnioskowania;

b) dokładne określenie miejsca, rodzaju i

rozmiaru uszkodzenia; rozpatrywany jest pełen

zbiór możliwych uszkodzeń, a baza danych

diagnostycznych opracowywana jest w sposób

zapewniający maksymalną wiarygodność i

dokładność.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Fazy procesu diagnostycznego

DETEKCJA

LOKALIZACJA diagnozy

sygnały

pomiarowe

sygnały

sterujące

sygnały symptomy

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe PROCES

ETAP DRUGI

LOKALIZACJI

DETEKCJA

USZKODZEŃ

UKŁADY

ZABEZPIECZEŃ

ETAP PIERWSZY

LOKALIZACJI diagnozy wstępne

duża wiarygodność i szybkość

wnioskowania diagnozy ostateczne duża wiarygodność i dokładność

wnioskowania

Struktura dwuetapowego algorytmu lokalizacji uszkodzeń

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

poziom 3

urządzenia

wykonawcze

i pomiarowe

Fisher

poziom 2

elektroniczne moduły systemu

sterującego

poziom 1

komunikacja

Fisher

proces,

komponenty

DIAGNOSTYKA W UKŁADACH AUTOMATYKI

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

SPECYFIKA DIAGNOSTYKI PROCESÓW PRZEMYSŁOWYCH

Obiekty diagnozowania to złożone instalacje technologiczne

w przemyśle chemicznym, energetycznym, hutniczym itp..

Bardzo duża liczba możliwych „uszkodzeń”.

Wykorzystanie wyłącznie danych roboczych – brak możliwości

zakłócania przebiegu procesu.

Realizacja diagnostyki na bieżąco w trakcie trwania procesu.

Brak danych pomiarowych dla stanów awaryjnych.

Awarie występujące po raz pierwszy powinny być rozpoznawane.

W systemach DCS i SCADA dostępne są duże zbiory danych

pomiarowych przydatnych do budowy modeli.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

PROBLEMY DIAGNOSTYKI PROCESÓW PRZEMYSŁOWYCH

Sprzeczność między dążeniem do wczesnego wykrywania

małych uszkodzeń a fałszywymi alarmami.

Niepewność symptomów.

Uzyskanie wysokiej rozróżnialności uszkodzeń.

Niepewność relacji uszkodzenia – symptomy.

Uszkodzenia wielokrotne.

Dynamika powstawania symptomów.

Zmiany zbioru zmiennych pomiarowych i struktury obiektu.

Niejednakowy stopień wiedzy o różnych częściach obiektu

diagnozowania – potrzeba integracji różnych metod.

Konieczność dekompozycji i diagnozowania

zdecentralizowanego.

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Przyczyny i skutki występowania defektów i uszkodzeń

Pętla „dodatniego”

sprzężenia generacji

Stany

nienormalnej

pracy

obiektu

Mogą powodować: • straty ekonomiczne,

• skażenie środowiska,

• zagrożenie ludzkiego

zdrowia i / lub życia.

Są wywoływane: • uszkodzeniami -

duża złożoność systemu -

- jego starzenie się,

- czynniki losowe,

• błędami obsługi -

złożoność systemu.

Nagromadzenie

informacji

alarmowych

Przeciążenie

informacyjne

operatorów

http://www.google.pl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=M2jjPvz7yXTk2M&tbnid=0t74-7I2EIqJmM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fautomatykab2b.pl%2Fraporty%2F3493-obudowy-i-szafy-przemysowe-raport-rynkowy%3Fstart%3D3&ei=X0UHU--BPJDI0AWyrIDABA&psig=AFQjCNG76MJcDKwxheXnoQXvI5Cgs4YKng&ust=1393071838251129

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Jak projektować systemy nadzoru procesów

Co wolno operatorowi procesu?

Pod jakim warunkiem operator może to zrobić?

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Zakres diagnostyki procesów przemysłowych

ERP (ang. Enterprise Resource Planning)

Planowanie Zasobów Przedsiębiorstwa

Układy wykonawcze i pomiarowe

Warstwa automatyki

Zarządzanie

MES

APS

ERP

APS (ang. Advanced Planning System)

System Zaawansowanego Planowania

MES (ang. Manufacturing Execution Systems)

Systemy Realizacji Produkcji.

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

. podejścia

Okresowe przeglądy oraz prace remontowe

Przerwanie eksploatacji w celu przeprowadzenia przeglądu i

niezbędnych prac remontowych - wiąże się z dużymi stratami

produkcyjnymi oraz znacznymi kosztami prac remontowych.

Wydłużanie okresu między remontami może doprowadzić do

awarii maszyn i urządzeń, a w przypadku niebezpiecznych

instalacji technologicznych wręcz do katastrofy.

t

T T T

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

. podejścia

Remonty na podstawie bieżącej oceny stanu

- strategia przeprowadzania remontów na podstawie bieżącej

oceny stanu technicznego obiektu.

Warunek konieczny - realizacja monitorowania stopnia degradacji

aparatów technologicznych oraz prognozowanie czasu do

osiągnięcia stanu krytycznego.

t T2 T1 T3

System monitorowania stopnia degradacji

i prognozowania czasu do stanu krytycznego

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

.

Czy prędkość degradacji

stanu technicznego jest

stała?

Stałe interwały

międzyremontowe

Czy istnieją wiarygodne

symptomy zbliżania się do stanu

krytycznego?

Czy remont wyprzedzający

osiągnięcie stanu

krytycznego jest

uzasadniony ekonomicznie?

Czy istnieją efektywne narzędzia

diagnostyczne i procedury

monitorowania stanu

technicznego?

Remonty planowane

w oparciu

o stan techniczny

Praca do awarii

N N

N

N T

T

T

T

T

Diagnostyka,

wiadomości

podstawowe

Podział metod diagnostycznych:

1. inwazyjne;

2. nieinwazyjne.

Podział eksperymentów diagnostycznych:

1. czynne;

2. bierne.

Sterowanie / regulacja a systemy diagnostyki

zakłócenia

zadajnik regulator obiekt /

proces

układy nastawcze /

wykonawcze

układy pomiarowe

–

+

parametry

zakłócenia

zadajnik sterownik obiekt /

proces

układy nastawcze /

wykonawcze

parametry

Obiekty

diagnostyczne

Taśmociąg – opis działania systemu

Urządzenie pozwalające na dwukierunkowy transport elementów

pomiędzy dwoma stanowiskami roboczymi (dolnym i górnym).

Urządzenie pracuje w trybie automatycznym, w którym to po naciśnięciu

przez operatora przycisku sterującego znajdującego się u dołu / góry

urządzenia wykonuje przetransportowanie elementu z dołu do góry / z

góry na dół. Ruch wykonywany jest tak długo, aż element zostanie wykryty

przez odpowiedni czujnik obecności przedmiotu (górny / dolny).

Urządzenie wyposażone jest w Przycisk Stopu Awaryjnego pozwalający na

zatrzymanie pracy urządzenia poprzez jego wciśnięcie.

Napęd stanowi silnik elektryczny.

Obiekty

diagnostyczne

Taśmociąg – lista potencjalnych defektów obiektu

1. Uszkodzenie / defekt silnika.

2. Zerwanie się taśmy transportującej.

3. Zaklinowanie się taśmy transportującej – ślizganie się na rolkach.

4. Uszkodzenie dolnego czujnika obecności przedmiotu.

5. Uszkodzenie górnego czujnika obecności przedmiotu.

6. Uszkodzenie dolnego przycisku sterującego.

7. Uszkodzenie górnego przycisku sterującego.

8. Uszkodzenie przycisku PSA.

9. Uszkodzenie syreny / lampki sygnalizacyjnej.

10. Uszkodzenie PLC.

11. Brak prawidłowej komunikacji.

Obiekty

diagnostyczne

Zbiornik – opis działania systemu

Obiekt pozwalający na rezerwowe gromadzenie zasobów cieczy.

Zadaniem układu sterowania jest utrzymywanie

zadanej ilości (poziom) cieczy w zbiorniku.

Układ zasilany jest przez pompę

o stałej wydajności. Dodatkowo

pomiędzy wejściem do zbiornika,

a pompą umieszczony jest zawór

odcinający, sterowany dwustanowo.

Ze zbiornika ciecz może być odbierana -

- charakter stochastyczny procesu.

Czujnik poziomu służy

do identyfikacji stopnia (poziom)

napełnienia zbiornika.

Obiekty

diagnostyczne

Zbiornik – lista potencjalnych defektów obiektu

1. Uszkodzenie /defekt pompy.

2. Uszkodzenie / defekt miernika poziomu.

3. Przytkanie przepływów – rury.

4. Uszkodzenie / defekt zaworu.

5. Pęknięcie zbiornika.

6. Uszkodzenie syreny /

/ lampki sygnalizacyjnej.

7. Uszkodzenie PLC.

8. Nieprawidłowa komunikacja.

Detekcja

uszkodzeń

. Metody detekcji defektów

Metody bazujące na kontroli parametrów zmiennych procesowych: • Metody kontroli ograniczeń wartości zmiennych procesowych:

– Kontrola przekroczeń granicznych;

– Kontrola trendów;

– Kontrola wartości zmiennych binarnych.

• Metody analizy sygnałów: – Analiza statystyczna sygnałów;

– Analiza spektralna sygnałów;

– Wykorzystanie modeli sygnałów do predykcji ich wartości.

Metody bazujące na kontroli związków między zmiennymi

procesowymi: • Metody wykorzystujące proste związki między sygnałami:

– Wykorzystanie redundancji sprzętowej;

– Kontrola sygnałów sprzężeń zwrotnych;

– Kontrola relacji między wartościami zmiennych;

– Kontrola zgodności kierunków zmian sygnałów.

• Metody wykorzystujące modele analityczne: – Detekcja z wykorzystaniem modeli fizycznych;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli liniowych typu wejście–wyjście;

– Detekcja z wykorzystaniem obserwatorów stanu;

– Detekcja na podstawie identyfikacji on–line.

Metody wykorzystujące modelowanie jakościowe i neuronowe: – Detekcja z wykorzystaniem modeli jakościowych w postaci reguł typu

jeśli-to;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli rozmytych;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli neuronowych.

Detekcja

uszkodzeń

.

Metody bazujące na kontroli parametrów

zmiennych procesowych.

Metody kontroli ograniczeń wartości zmiennych

procesowych.

Kontrola przekroczeń granicznych (wiarygodności – dla zmiennych analogowych)

Polega na umownym przyjęciu dla poszczególnych sygnałów,

wartości traktowanych jako graniczne i sprawdzaniu, czy

wartości sygnałów mierzonych na obiekcie znajdują się w

przedziale wyznaczonym przez przyjęte granice. Jeżeli

podczas testu wartości sygnałów znajdują się poza przyjętymi

granicami oznacza to nieprawidłowy przebieg procesu.

Granica alarmowa

Granica bezpieczeństwa

Alarm Zadziałanie blokady

Diagnoza

t

Uszkodzenie

y

zakres

zmian

wielkości

fizycznej

np. 3000 obr/min

zakres zmian

wielkości

pomiarowej

np. 3600 obr/min

zakres zmian

sygnału

pomiarowego

np. 10 V

Uszkodzenie

Detekcja

uszkodzeń

.




procesowych..

Kontrola trendów

Wnioskowanie o stanie diagnozowanego obiektu opiera się o

kontrolę szybkości zmian wartości sygnałów. Kontroli

dokonuje się poprzez porównanie dwóch wartości. Pierwszą

jest zmiana testowanego sygnału mierzona na obiekcie.

Obliczana jest jako różnica wartości aktualnej i poprzedniej

pomiaru. Drugą jest zmiana testowanego sygnału

przewidziana lub wyznaczona dla stanu bez uszkodzenia

obiektu.

Detekcja

uszkodzeń

.




procesowych.

Kontrola wartości zmiennych binarnych

Metoda ta zasadza się na sprawdzaniu efektów wywołanych

celową zmianą wartości binarnego sygnału sterującego

(testującego) w układzie wykonawczym. Niepojawienie się

określonego, z góry przewidzianego efektu tego działania

stanowi symptom wystąpienia uszkodzenia. Aktualny stan

pracy układu wykonawczego sygnalizowany jest binarnie.

Detekcja

uszkodzeń

.



Metody analizy sygnałów.

Analiza statystyczna sygnałów

Analiza sygnału to działanie, w wyniku którego otrzymuje się

zbiór cech sygnału, którymi jest on opisany.

Sygnał (wynik pomiaru wielkości fizycznej) powinien być

opisany odpowiednim modelem matematycznym, który

umożliwi opis obserwowanych zjawisk.

Sygnał deterministyczny posiada matematyczny model

(umożliwiający jednoznaczne odtworzenie sygnału) opisany

funkcją czasu, częstotliwości lub położenia o wartościach

rzeczywistych lub zespolonych.

Sygnał stochastyczny jest opisywany przez zbiór pojedynczych

wyników obserwacji jakiegoś zjawiska.

Analizę statystyczną przeprowadza się najczęściej dla

sygnałów losowych. Podstawowymi cechami opisującymi

statystyczne właściwości sygnałów są:

• wartość średnia sygnału,

• wariancja,

• odchylenie standardowe.

Detekcja

uszkodzeń

.




Analiza spektralna sygnałów

Analiza spektralna zwana także analizą widmową pozwala na

określenie cech ilościowych i jakościowych sygnału na

podstawie badania widma sygnału.

Bazuje na modelach sygnału w dziedzinie czasu, dla których

sygnał reprezentowany jest przez szereg Fouriera. W modelu

tym właściwy sygnał złożony jest ze składowych

harmonicznych. Celem opisu amplitud, oraz faz składowych

harmonicznych rozpatruje się je jako zespolone funkcje

okresowe postaci:

Wyniki analizy najczęściej przedstawia się w postaci

wykresów zmienności w funkcji częstotliwości:

• amplitudy,

• gęstości mocy.

f

tjtetx tj

2

)sin()cos()(

Detekcja

uszkodzeń

.




Wykorzystanie modeli sygnałów do predykcji ich wartości

Posiadając model matematyczny sygnału można wyliczyć

wartość sygnału w każdej chwili czasu, także przyszłej.

Ścisłe modele matematyczne występują dla sygnałów

deterministycznych.

Dla sygnałów losowych model w postaci procesu stochastycznego

pozwala na wyznaczenie z pewnym prawdopodobieństwem wartości

sygnału w zadanej chwili czasu.

Możliwość wyznaczenia dokładnej lub z pewnym

prawdopodobieństwem przybliżonej wartości sygnału

badanego w przyszłości na bazie jego modelu, umożliwia

przeprowadzenie procesu wnioskowania o zbliżającym się

defekcie.

Detekcja

uszkodzeń

.



Metody bazujące na kontroli związków między

zmiennymi procesowymi.

Metody wykorzystujące proste związki między sygnałami.

Wykorzystanie redundancji sprzętowej

Umożliwia detekcję i lokalizację uszkodzeń w torach

pomiarowych oraz regulatorów.

Może zostać zachowana ciągłość pracy systemu w przypadku

awarii.

Detekcja

uszkodzeń

.






Kontrola sygnałów sprzężeń zwrotnych

Sygnał sprzężenia zwrotnego niesie informację o wyjściu

całego, bądź części układu objętej sprzężeniem zwrotnym.

Podając na układ ze sprzężeniem zwrotnym sygnał sterujący,

oczekujemy zmniejszenia wartości błędu sygnału

regulowanego.

Jeżeli pomimo działań regulatorów wartość błędu w układzie

nie zmienia swojej wartości lub rośnie, może to oznaczać

wystąpienie uszkodzenia w układach wykonawczych lub

układach regulacji występujących w pętli sprzężenia

zwrotnego.

Detekcja

uszkodzeń

.






Kontrola relacji między wartościami zmiennych

Metodę tą można zastosować w przypadku znajomości relacji

ilościowych pomiędzy wartościami zmieniających się

sygnałów. Znajomość takiej relacji umożliwia wyliczenie

ilościowej zmiany wartości jednego sygnału na podstawie

znajomości ilościowej zmiany wartości innych sygnałów

powiązanych z nim znanymi relacjami. Wykrycie zmian

testowanego sygnału o wartości innej niż wynikająca z relacji

między zmianami znanych sygnałów może być symptomem

wystąpienia uszkodzenia.

Detekcja

uszkodzeń

.






Kontrola zgodności kierunków zmian sygnałów

Metoda ta uwzględnia relacje odnośnie trendów powiązanych

ze sobą sygnałów. Powiązanie pomiędzy sygnałami polega na

zmianie kierunku jednego sygnału dla zmiany kierunku

innego sygnału lub grupy sygnałów.

Metoda opiera się na znajomości powiązań co do zgodności

kierunków zmian sygnałów testowanych ze znanymi.

Pojawienie się zmiany kierunku testowanego sygnału w

stronę przeciwną niż wynikająca z analizy zależności

pomiędzy sygnałami może stanowić o wystąpieniu defektu.

Detekcja

uszkodzeń

.





Metody wykorzystujące modele analityczne.

Detekcja z wykorzystaniem modeli fizycznych

Residua generowane na bazie zwykle nieliniowych modeli

(opis diagnozowanego procesu technicznego w postaci

równań ruchu, równań bilansowych, równań energetycznych,

itp.) wynikających z równań fizycznych opisujących obiekt są

zwykle najbardziej pewne, jednak uzyskanie modeli dla

złożonych obiektów jest często niemożliwe. Dodatkową

trudnością jest identyfikacja parametrów takiego modelu.

Metody te powinna cechować wrażliwość na defekty i

nieczułość na naturalne zakłócenia w procesie, szumy

pomiarowe, itp.

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

MODEL

FIZYCZNY

wartości wartości

residuum +

-

zadane otrzymane

wartości

wyliczone

zakłócenia

Schemat układu detekcji wykorzystującego model fizyczny.

Detekcja

uszkodzeń

.






Detekcja z wykorzystaniem modeli liniowych typu wejście–wyjście

Opiera się na opisie układu w postaci równań zgodności

(parzystości). Uzyskany w ten sposób model jest liniowy i

przedstawia się go w postaci transmitancyjnej.

Dla obiektu opisanego:

oraz modelu w postaci:

generowanie residuów może odbywać się w układach:

)(

)(

)(

)()(

sL

sM

sx

sysG

)(

)(

)(

)()(

sM

sL

sx

sysG

M

M

M

MM

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

MODEL OPISANY

TRANSMITANCJĄ

wejście wyjście

residuum +

-

)(

)()(

sM

sLsG

M

MM

zakłócenia

y

M

u

M

y

u

Układ opisany zależnością 1.

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

wejście wyjście

residuum +

-

zakłócenia

u

M

y

u

)(sLM

)(sMM

Układ opisany zależnością 2. 1. ( ) ( ) ( ) ( )Mr s y s G S u s

2. ( ) ( ) ( ) ( ) ( )M Mr s y s M s u s L s

Detekcja

uszkodzeń

.






Detekcja z wykorzystaniem obserwatorów stanu

Residua generowane są na podstawie analizy zmian

niemierzalnego wektora stanu odtwarzanego przez

obserwator lub jako różnice pomiędzy sygnałami wyjściowymi

mierzonymi i wyliczanymi z modelu obiektu. Zastosowanie tej

metody wymaga znajomości opisu obiektu w postaci równań

w przestrzeni stanu.

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

MODEL OPISANY

RÓWNANIAMI STANU

wejście wyjście

residuum

+

-

zakłócenia

yM uM

y u

OBSERWATOR

)()(

)()()(

^

^

txCty

tuBtxAtx

^

x

+

-

Detekcja

uszkodzeń

.






Detekcja na podstawie identyfikacji on–line

Identyfikacja służy do oszacowania parametrów modelu,

które są podstawą do wyliczenia fizycznych współczynników

obiektu.

Residua generowane są jako różnice pomiędzy wartościami

nominalnymi współczynników, a określonymi na drodze

identyfikacji.

Metody te stosuje się dla obiektów dobrze określonych.

Fizyczne współczynniki obiektu wynikają z opisania obiektu

równaniami różniczkowymi w postaci:

w zapisie tym oznaczenia są następujące:

y(n)(t) – n-ta pochodna po czasie sygnału y(t);

C – sygnał stanowiący sumę sygnałów uszkodzeń

oddziałujących na wejście i wyjście.

(1) ( ) ( )

1 0 1 1( ) ( ) ... ( ) ( ) ( ) ... ( )n m

n my t a y t a y t b u t b u t b u t C

Detekcja

uszkodzeń

.






Detekcja na podstawie identyfikacji on–line

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

IDENTYFIKACJA

PARAMETRÓW

MODELU

zakłócenia

WYLICZENIE

FIZYCZNYCH

PARAMETRÓW

OBIEKTU

PORÓWNANIE

PARAMETRÓW

WYLICZONYCH Z

NOMINALNYMI

DECYZJA O

STANIE

OBIEKTU

wejście wyjście

u y

Detekcja

uszkodzeń

.





Metody wykorzystujące modelowanie jakościowe i

neuronowe.

Detekcja z wykorzystaniem modeli jakościowych w postaci reguł typu jeśli-to

Metoda naśladująca proces myślowy człowieka. Detekcja

uszkodzeń polega na sprawdzaniu reguł formułowanych w

postaci zależności logicznych.

Część pierwsza to teza zaczynająca się słowem jeśli.

Następnie występuje deklaracja zmiennych i określenie ich

logicznych powiązań. Operatorami określającymi relacje

między sygnałami są operatory: i, lub, oraz negacja sygnału.

W końcowej fazie podejmowana jest decyzja diagnostyczna.

Rozpoczyna się ona słowem to, po czym następuje zapis

wniosków wynikających ze spełnienia wcześniej określonych

relacji.

Detekcja

uszkodzeń

.






neuronowe.

Detekcja z wykorzystaniem modeli rozmytych

Modele rozmyte obiektu diagnozowanego tworzone są

najczęściej we wstępnej fazie eksploatacji obiektu. Model

rozmyty obiektu stanowi baza reguł w postaci

wielowymiarowej tablicy decyzyjnej.

Generowanie sygnałów wyjściowych modelu składa się z

trzech etapów: proces rozmywania sygnałów, proces

wnioskowania, proces ostrzenia sygnału.

W celu zmniejszenia wpływu szumów pomiarowych i

niedokładności modelowania wprowadza się zamiast

progowej oceny wartości residuum ocenę rozmytą. r U N

r [%]

100 0

1 Zbiór wartości

lingwistycznych:

U – stan uszkodzenia;

N – stan normalny.

OBIEKT

DIAGNOZOWANY

MODEL

wartości wartości

residuum +

-

zadane otrzymane

wartości

wyliczone

zakłócenia

Detekcja

uszkodzeń

.






neuronowe.

Detekcja z wykorzystaniem modeli rozmytych

sygnały wejściowe

OBIEKT

MODEL

ROZMYTY

OBIEKTU

ROZMYTY

ALGORYTM

DECYZYJNY

residuum

wartość ostra

y

yM

decyzja

+

-

residuum

wartość

rozmyta

lub ostra

Detekcja

uszkodzeń

.






neuronowe.

Detekcja z wykorzystaniem modeli neuronowych

Zastosowanie sieci neuronowych w detekcji uszkodzeń może

być dwojakie.

Sztuczna sieć neuronowa może pełnić funkcję klasyfikatora

stanów obiektu.

Sztuczna sieć neuronowa może także posłużyć jako model

obiektu.

OBIEKT

KLASYFIKATOR

NEURONOWY

zmienne

procesowe klasyfikacja stanu

Sieć neuronowa jako klasyfikator stanu na bazie wartości zmiennych procesowych.

Detekcja

uszkodzeń

.






neuronowe.

Detekcja z wykorzystaniem modeli neuronowych

OBIEKT

MODEL

(w szczególności)

NEURONOWY

sygnały wejściowe

residuum

KLASYFIKATOR

NEURONOWY

klasyfikacja stanu

UCZENIE

wejścia / wyjścia obiektu

UCZENIE

baza stanów

+

-

Detekcja

uszkodzeń

. Metody detekcji defektów

Metody bazujące na kontroli parametrów zmiennych procesowych: • Metody kontroli ograniczeń wartości zmiennych procesowych:

– Kontrola przekroczeń granicznych;

– Kontrola trendów;

– Kontrola wartości zmiennych binarnych.

• Metody analizy sygnałów: – Analiza statystyczna sygnałów;

– Analiza spektralna sygnałów;

– Wykorzystanie modeli sygnałów do predykcji ich wartości.

Metody bazujące na kontroli związków między zmiennymi

procesowymi: • Metody wykorzystujące proste związki między sygnałami:

– Wykorzystanie redundancji sprzętowej;

– Kontrola sygnałów sprzężeń zwrotnych;

– Kontrola relacji między wartościami zmiennych;

– Kontrola zgodności kierunków zmian sygnałów.

• Metody wykorzystujące modele analityczne: – Detekcja z wykorzystaniem modeli fizycznych;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli liniowych typu wejście–wyjście;

– Detekcja z wykorzystaniem obserwatorów stanu;

– Detekcja na podstawie identyfikacji on–line.

Metody wykorzystujące modelowanie jakościowe i neuronowe: – Detekcja z wykorzystaniem modeli jakościowych w postaci reguł typu

jeśli-to;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli rozmytych;

– Detekcja z wykorzystaniem modeli neuronowych.

Lokalizacja

uszkodzeń

. Metody lokalizacji defektów

Metody bazujące na relacji symptomy-defekty wynikającej z

redundancji sprzętowej obiektu: − redundancja K z N.

Metody oparte na relacji symptomy-defekty wyprowadzanej ze

struktury modeli analitycznych: − banki obserwatorów;

− residua strukturalne.

Metody wymagające określenia relacji symptomy-defekty przez

eksperta: − metody wykorzystujące związek między symptomami i defektami w

postaci funkcji logicznej i reguł jeśli – to;

− metody drzew diagnostycznych;

− metody wykorzystujące binarną macierz diagnostyczną;

− metody bazujące na rozmytej relacji diagnostycznej;

− metody wykorzystujące pojęcie systemu informacyjnego do opisu relacji

diagnostycznej.

Metody wymagające określenia relacji symptomy-defekty w fazie

uczenia: − klasyczne metody rozpoznawania wzorców;

− zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do klasyfikacji stanów

obiektu.

Lokalizacja

uszkodzeń

. Redundancja K z N

Metody bazujące na relacji symptomy-defekty

wynikającej z redundancji sprzętowej obiektu.

Najprostszą i najmniej kosztowną odmianą redundancji

sprzętowej typu K z N jest redundancja typu 2 z 3. Pozwala

ona na wykrycie defektu pojedynczego. Zastosowanie

redundancji sprzętowej typu K z N umożliwia wykrywanie

defektów wielokrotnych o krotności będącej różnicą N – K.

Lokalizacja

uszkodzeń

. Banki obserwatorów

Metody oparte na relacji symptomy-defekty

wyprowadzanej ze struktury modeli analitycznych

Jest to metoda redundancji analitycznej. Opiera się na

analizie zbioru residuów generowanych przez układy detekcji

uszkodzeń.

Metoda ta polega na stworzeniu zbioru (banku)

obserwatorów, w którym każdy obserwator jest wrażliwy na

jeden defekt, a nie wrażliwy na pozostałe.

Wyodrębnia się banki obserwatorów konstruowane

specjalnie do identyfikacji defektów czujników pomiarowych,

elementów wykonawczych oraz komponentów układu.

Na podstawie generowanego przez bank obserwatorów

wektora zawierającego binarne wartości residuów

podejmowana jest decyzja o lokalizacji uszkodzenia.

Lokalizacja

uszkodzeń

.

Metody oparte na relacji symptomy-defekty

wyprowadzanej ze struktury modeli analitycznych

Residua strukturalne uzyskiwane są na drodze wymnożenia

residuów generowanych przez układy detekcji uszkodzeń

przez ściśle określone funkcje wymierne. Odpowiedni dobór

wymiernych funkcji ma na celu zapewnienie rozróżnialności

uszkodzeń. Tak uzyskane residua strukturalne odznaczają

się niewrażliwością na niemierzalne sygnały wejściowe.

Decyzja o defektach podejmowana jest na postawie binarnej

macierzy diagnostycznej. W macierzy tej występuje

przyporządkowanie każdej wartości residuów strukturalnych

odpowiadających im sygnatur uszkodzeń.

Stosunkowo łatwe jest zamodelowanie w równaniach

zgodności zależności residuów od defektów czujników i

elementów wykonawczych. Trudności nastręcza modelowanie

defektów komponentów instalacji technologicznej.

Pominięcie w tablicy decyzyjnej defektów komponentów

instalacji technologicznej może prowadzić do błędnego

wnioskowania w przypadku ich wystąpienia.

Residua strukturalne

Lokalizacja

uszkodzeń

. metody wykorzystujące związek między

symptomami i defektami w postaci funkcji

logicznej i reguł jeśli – to

Metody wymagające określenia relacji

symptomy-defekty przez eksperta Sygnały wejściowe stanowią binarne wartości symptomów.

Sygnał wyjściowy wskazuje na wystąpienie określonego

uszkodzenia lub podzbioru uszkodzeń. Funkcja logiczna

może w ogólnym przypadku łączyć binarne symptomy

generowane różnymi metodami W metodzie tej może być

zastosowana również wielowartościowa reprezentacja

wartości symptomów.

Operatorami łączącymi binarne wartości symptomów są

ogólnie znane operatory logiki dwuwartościowej. Zalicza się

do nich operatory i, lub, oraz negację. Proces wnioskowania

polega na sprawdzeniu prawdziwości konkluzji poprzez

sprawdzenie wartości binarnych zmiennych wejściowych

stanowiących tezę testowanej reguły.

Każda diagnoza stanowi odrębną funkcję logiczną. Wynika z

tego możliwość zaprojektowania funkcji decyzyjnych tylko dla

wybranych defektów.

Lokalizacja

uszkodzeń

. metody drzew diagnostycznych


symptomy-defekty przez eksperta

Zapisanie procedury diagnostycznej w postaci drzewa

diagnostycznego polega na przypisaniu węzłom drzewa

poszczególnych testów, a gałęziom wyników testów. Zapisana

w ten sposób procedura jest procedurą sekwencyjną

testowania obiektu.

START

t1

t2

t3

t5

0 1

1 0

0

1

t6 0

0 0

0

1

1

t7

t8 1

t9

d1 d2 d3

d4

d5

oznaczenia:

ti – i-ty test;

0, 1 – wynik testu;

di – i-ta diagnoza.

t4

Przykładowa struktura drzewa decyzyjnego.

Lokalizacja

uszkodzeń

. metody wykorzystujące binarną macierz

diagnostyczną;

rozmyta relacja diagnostyczna


symptomy-defekty przez eksperta Binarną macierz diagnostyczną można przedstawić w postaci

tablicy. Element aij macierzy przyjmuje wartość równą 1 w

przypadku wykrycia przez i-ty test j-tej awarii.

Określana jest za pomocą: zbioru testów: T = { ti }, i = 1…I

oraz zbioru defektów: D = { dj }, j = 1…J.

Sprzężenia pomiędzy testami i defektami przyjmują wartości:

0 – gdy przeprowadzenie testu ti nie wskazuje na

występowanie defektu dj;

1 – gdy przeprowadzenie testu ti wskazuje na występowanie

defektu dj.

Macierz taka ma postać:

Jddd

ij

I

a

t

t

t

MBD

..

2

1

21

:

Lokalizacja

uszkodzeń

. metody wykorzystujące pojęcie systemu

informacyjnego do opisu relacji diagnostycznej


symptomy-defekty przez eksperta

Mianem systemu informacyjnego określa się system

gromadzący, przetwarzający i przechowujący dane. Przyjęcie

wielowartościowej reprezentacji wartości symptomów prowadzi

do opisu relacji diagnostycznej w postaci systemu

informacyjnego.

Podstawą każdego systemu informatycznego jest baza wiedzy.

Baza wiedzy powstaje na drodze jej wypełniania wiedzą

pozyskaną na temat diagnozowanego obiektu.

Lokalizacja

uszkodzeń

. klasyczne metody rozpoznawania wzorców


symptomy-defekty w fazie uczenia

Zastosowanie metod rozpoznawania wzorców (obrazów)

wynika z pewnej własności obrazów stanu obiektu.

Zakłada się większą bliskość obrazów odpowiadających temu

samemu stanowi obiektu, w stosunku do obrazów

oznaczających inny stan obiektu. Własność taką obserwuje

się pomimo występowania błędów pomiarowych i wpływu

różnych czynników losowych.

Klasyczna metoda rozpoznawania obrazów polega na

wydzieleniu cech (wartości mierzonych zmiennych

procesowych, wartości residuów) oraz ich klasyfikacji celem

określenia stanu obiektu.

Określenie w przestrzeni cech, obszarów odpowiadających

stanom (normalny, uszkodzenie) obiektu umożliwia

identyfikację poszczególnych stanów obiektu.

Lokalizacja

uszkodzeń




W metodach minimalno-odległościowych definicja funkcji

przynależności oparta jest na pojęciu odległości w

przestrzeni. Oblicza się odległość wektora cech

klasyfikowanego obrazu od wszystkich wektorów

znajdujących się w ciągu uczącym. Stan obiektu

charakteryzowany przez element ciągu uczącego , dla

którego wartość funkcji przynależności jest największa

stanowi wynik klasyfikacji.

Ilustracja metody minimalnoodległościowej.

w0

w1

y2

y1 w2

l,min

Lokalizacja

uszkodzeń




W metodach uogólnionych wzorców funkcja przynależności

sprowadza się do określenia zawierania się nieznanego

obiektu opisanego wektorem cech, w obszarze wzorca i-tej

klasy. W najprostszym przypadku wzorzec można utożsamiać

z odpowiednim podzbiorem ciągu uczącego.

F1(y1, y2) > F2(y1, y2)

F2(y1, y2) > F1(y1, y2)

w0

w1

y2

y1

Rozdzielenie dwuwymiarowej przestrzeni parametrów na obszary odpowiadające klasom.

Lokalizacja

uszkodzeń

. zastosowanie sztucznych sieci neuronowych

do klasyfikacji stanów obiektu


symptomy-defekty w fazie uczenia Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych w diagnostyce

może być dwojakie. Sztuczna sieć neuronowa może być

zastosowana w celu stworzenia modelu diagnozowanego

obiektu lub pełnić rolę klasyfikatora defektów obiektu.

Lokalizacja

uszkodzeń

. Metody lokalizacji defektów

Metody bazujące na relacji symptomy-defekty wynikającej z

redundancji sprzętowej obiektu: − redundancja K z N.

Metody oparte na relacji symptomy-defekty wyprowadzanej ze

struktury modeli analitycznych: − banki obserwatorów;

− residua strukturalne.

Metody wymagające określenia relacji symptomy-defekty przez

eksperta: − metody wykorzystujące związek między symptomami i defektami w

postaci funkcji logicznej i reguł jeśli – to;

− metody drzew diagnostycznych;

− metody wykorzystujące binarną macierz diagnostyczną;

− metody bazujące na rozmytej relacji diagnostycznej;

− metody wykorzystujące pojęcie systemu informacyjnego do opisu relacji

diagnostycznej.

Metody wymagające określenia relacji symptomy-defekty w fazie

uczenia: − klasyczne metody rozpoznawania wzorców;

− zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do klasyfikacji stanów

obiektu.

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

. podejścia

Okresowe przeglądy oraz prace remontowe

Przerwanie eksploatacji w celu przeprowadzenia przeglądu i

niezbędnych prac remontowych - wiąże się z dużymi stratami

produkcyjnymi oraz znacznymi kosztami prac remontowych.

Wydłużanie okresu między remontami może doprowadzić do

awarii maszyn i urządzeń, a w przypadku niebezpiecznych

instalacji technologicznych wręcz do katastrofy.

t

T T T

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

. podejścia

Remonty na podstawie bieżącej oceny stanu

- strategia przeprowadzania remontów na podstawie bieżącej

oceny stanu technicznego obiektu.

Warunek konieczny - realizacja monitorowania stopnia degradacji

aparatów technologicznych oraz prognozowanie czasu do

osiągnięcia stanu krytycznego.

t T2 T1 T3

System monitorowania stopnia degradacji

i prognozowania czasu do stanu krytycznego

Charmonogra-

mowanie prac

remontowych

.

Czy prędkość degradacji

stanu technicznego jest

stała?

Stałe interwały

międzyremontowe

Czy istnieją wiarygodne

symptomy zbliżania się do stanu

krytycznego?

Czy remont wyprzedzający

osiągnięcie stanu

krytycznego jest

uzasadniony ekonomicznie?

Czy istnieją efektywne narzędzia

diagnostyczne i procedury

monitorowania stanu

technicznego?

Remonty planowane

w oparciu

o stan techniczny

Praca do awarii

N N

N

N T

T

T

T

T

Diagnostyka, Diagnostyka - squiddy.pl i...Diagnostyka, wiadomości podstawowe Podstawowe pojęcia:...

Documents

Transcript of Diagnostyka, Diagnostyka - squiddy.pl i...Diagnostyka, wiadomości podstawowe Podstawowe pojęcia:...