Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Spis treści: 1 Cele i zadania zdalnej diagnostyki i serwisu .................................................................... 5 2 Istota, składniki i działanie systemu diagnostycznego...................................................... 7 3 Istota, składniki i działanie systemu diagnozowania serwisowego................................. 12 4 Kierunki rozwoju ............................................................................................................. 16 3 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos 4 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos 1 Cele i zadania zdalnej diagnostyki i serwisu Współczesne systemy maszynowe cechuje wysoki poziom automaty- zacji. Stosowane w tej automatyzacji systemy sterowania realizują swoje zadania na podstawie rozkazów generowanych w mikroproceso- rach, procesorach bądz komputerach. Rozkazy te, czyli decyzje ste- rownicze są podejmowane w oparciu o sygnały sensorów rozmiesz- czonych w elementach wykonawczych systemów mechatronicznych, informujących o stanie tych elementów i przebiegu realizowanych za- dań. Są one podstawą do wnioskowania o prawidłowości działania samych systemów i realizowanych zadań (procesów) oraz oceny in- tensywności ich zakłóceń, które wymagają aktywnej minimalizacji oraz kompensacji wywołanych nimi błędów. Samo sterowanie odbywa się zgodnie z algorytmem, który uwzględnia wszystkie czynniki decydują- ce o prawidłowości działania systemu mechatronicznego i realizowa- nych procesów. W wielu przypadkach funkcje sterownicze realizowane są w sposób inteligentny z zastosowaniem odpowiednich narzędzi sztucznej inteligencji. Inteligentne może być diagnozowanie poje- dynczego sytemu mechatronicznego całych maszyn i procesów, a tak- że nadzorowanie prawidłowości działania systemów mechatronicznych i maszyn. Ponadto inteligentne może też być ich diagnozowanie dla celów serwisowych. Pojawiające się w czasie eksploatacji maszyn nieprawidłowości ich działania i uszkodzenia, skutkują dla użytkowników dużymi kosztami opóznień produkcyjnych, przestojów i napraw. Zrodziło to potrzebę ciągłego monitorowania działania maszyn i procesów, prognozowania zakłóceń i działań zapobiegających pogorszeniu jakości procesów, a także podejmowania zaplanowanych w oparciu o te prognozy nie- zbędnych działań naprawczych. Monitorowanie takie przeprowadza się coraz częściej zdalnie i zdalnie podejmowane są decyzje, a nawet i działania serwisowe. W wielu przypadkach konieczność zdalnego mo- nitorowania i serwisowania wynika stąd, że niezbędną głęboką wiedzę do oceny niestandardowych zakłóceń, ich skutków i podejmowania decyzji serwisowych, mają tylko producenci modułów i całych syste- mów mechatronicznych. Zadaniem zdalnej diagnostyki jest przekazanie bezprzewodowo na małą bądz znaczną odległość sygnałów diagnostycznych o wymaganej informacyjności, z obiektu diagnozowanego do bliskiego lub dalekiego odbiornika, stacji monitorującej lub centrum monitorowania. Odpo- wiedni system wnioskowania, inteligentny system doradczy lub ekspert oceni zakłócenia i podejmie decyzje serwisowe. Zdalnie generuje on prognozy i ocenia aktualne odchylenia od prawidłowego działania oraz identyfikuje postępującą degradację parametrów eksploatacyjnych, z wymaganą dokładnością i prawdopodobieństwem. Odpowiedzią ukła- du diagnozowania są wnioski diagnostyczne, które są podstawą do podejmowania decyzji serwisowych. 5 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Zadaniem zdalnego systemu serwisowania jest: - Zapobieganie nadmiernemu pogorszeniu parametrów pracy syste- mów mechatronicznych (maszyn i urządzeń) poprzez redukcję zakłó- ceń i kompensację błędów. - Przewidywanie nadmiernych błędów i uszkodzeń przed ich wystąpie- niem, umożliwiające przeprowadzenie działań naprawczych w sposób zaplanowany i przygotowany tak, by ich skutki ekonomiczne były jak najmniejsze (działanie inteligentne). - Optymalne planowanie zadań serwisowych w okresach eksploatacji najkorzystniejszych dla użytkownika. Rewolucją w zakresie zdalnej diagnostyki jest opanowanie metody za- równo bezprzewodowego zasilania sensorów, jak i odbioru ich sygna- łów diagnostycznych. Pozwoliło to na miniaturyzację systemów pomia- rowych, usprawnienie pomiarów oraz stworzyło możliwość wnikania sensorami w strukturę obiektów zgodnie z potrzebami diagnozowania. Zdalne połączenie sensorów z sieciami komunikacyjnymi dało prawie nieograniczoną możliwość sterowania procesem diagnozowania, ope- rując nie tylko pojedynczymi sensorami, ale również grupami senso- rów. Pozwoliło również na wykorzystywanie informacji z sensorów za- równo przez układy sterujące jak i diagnozujące oraz prognozujące. Ma to szczególne znaczenie w diagnozowaniu elementów, modułów i systemów mechatronicznych. 6 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos 2 Istota, budowa i działanie systemu diagnostycznego Diagnostyka maszyn jest podstawą ich dokładnego i niezawodnego działania. Im bardziej złożona jest maszyna, jej system mechatronicz- ny i realizowane procesy technologiczne, tym większa jest liczba róż- norodnych zródeł zakłóceń, które muszą być okresowo lub ciągle ob- serwowane monitorowane, a powodowane nimi błędy zmniejsza- ne. Im większa jest wymagana precyzja działania maszyn (diagnozo- wanych obiektów), tym większa musi być dokładność i niezawodność identyfikacji i oceny zakłóceń, czyli tym większa musi być dokładność działania zastosowanych sensorów, przetwarzania pozyskiwanych sy- gnałów diagnostycznych, oraz dokładność ich przesyłania do monitora, systemu sterowania, centrum diagnostycznego lub serwisowego. Pro- jektowanie zatem lub wybór wymaganego procesu diagnostycznego, niezbędnego sprzętu i oprogramowania, wymaga bardzo obszernej wiedzy dotyczącej budowy maszyny i realizowanych procesów, teorii i praktyki diagnozowania oraz wszystkich składników systemów diagno- stycznych. Złożoność i precyzja diagnozowania zależy od wpływu diagnozowa- nych parametrów maszyn na ich procesy robocze. Przykładowe udzia- ły niesprawności dla wybranego centrum obróbkowego przedstawia tabela 1, zaś typowe wielkości wymagające śledzenia pokazano na rys.1. Miejsce niesprawności Udział [%] Przenoszenie i podawanie przedmiotów 20,1 Układ sterowania DNC 18,2 Mechanizm wymiany narzędzi 14,6 Ustawienie długości narzędzia 14,1 Zespoły mechaniczne obrabiarki 12,1 Uszkodzenie narzędzia 6,8 Mocowanie przedmiotu 2.6 Sterowanie dopasowujące 1,7 Podawanie chłodziwa 1,7 Mocowanie palet 1,1 Układ NC 0,9 Problemy z wiórami 0,9 Hydraulika 0,9 Pozostałe niesprawności 4,3 Tabela 1: Udziały niesprawności dla centrów obróbkowych 7 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Kompleksowa diagnostyka tak złożonego obiektu, jakim jest obrabiar- ka w trakcie jej eksploatacji, jest bardzo trudna i kosztowna. Sensory do ciągłego lub okresowego monitorowania muszą być na stałe roz- mieszczone w strukturze obrabiarki - stanowi to zwykle duży koszt. Aączy się je przewodowo, a w niektórych przypadkach bezprzewodo- wo z układami obróbki sygnałów, poprzez zastosowanie odpowiednich standardów komunikacyjnych. Ważne jest, aby sygnały były jedno- znaczne tj. precyzyjnie informowały o zmianach monitorowanych wiel- kości oraz aby nie zostały zakłócone w trakcie ich przesyłania do ukła- dów przetwarzania. Odpowiednio przetworzony sygnał diagnostyczny wykorzystywany jest następnie w procesie wnioskowania, który w pro- stym przypadku polega na ocenie jak się ma wartość zmierzona do wartości właściwej dla poprawnie zachowującego się parametru moni- torowanego. Wynik wnioskowania stanowi podstawę do sformułowania wniosków diagnostycznych. Dla złożonych zjawisk i zachowań obiektu trzeba oceniać naraz wiele sygnałów diagnostycznych. Taki proces wnioskowania może być bardzo złożony i wymagać stosowania ob- szernych baz wiedzy, bardzo złożonych procedur i algorytmów, nawet z udziałem narzędzi sztucznej inteligencji: logiki rozmytej, sieci neuro- nowych, systemów ekspertowych. Rys. 1: Typowe wielkości wymagające śledzenia w centrach obróbkowych 8 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Istotne znaczenie może mieć również sprawność zastosowanego sys- temu komunikacyjnego zwłaszcza, gdy diagnozowane wielkości są krytyczne dla niezawodności działania obiektu (wymagają szybkiej re- akcji). Im dalej od zródła sygnału znajduje się czujnik, tym większa jest obawa, że czułość układu nadzorowania może być niewystarczająca,, a czas reakcji zbyt długi. W takich przypadkach nieodzowne może się okazać stosowanie odpowiednich wzmacniaczy pomiarowych zinte- growanych z sensorami, filtrów cyfrowych oraz odpowiedniego prze- twarzania sygnałów. Stosując takie procedury można bardzo zwięk- szyć rozdzielczość wielkości mierzonej pomiarowych. Danymi wejściowymi do diagnostyki obiektu są: - właściwości sygnałów diagnostycznych i miejsca ich pozyskiwania (lokalizacja sensorów, szybkość zmian, dostępność dla serwisu), - wartości graniczne kontrolowanych wielkości, - zależności pomiędzy generowanymi sygnałami, a zakłóceniami za- chowania się obiektu lub procesu, - czujniki i urządzenia pomiarowe (czułość, złożoność, adaptacyjność, liczebność, koszt, stopień automatyzacji), - forma gromadzonych informacji, - metody przetwarzania sygnałów, - metody weryfikacji, - sposób komunikacji z odbiornikami, - strategia diagnozowania, - metody wnioskowania. Aby ograniczyć liczbę niezbędnych sensorów i zmniejszyć złożoność systemu przetwarzania sygnałów, często racjonalne jest korzystanie z takich sensorów, których sygnały mogą po odpowiednim przetworze- niu dostarczać wielu informacji o zachowaniu się obiektu. Znaczne uproszczenie torów pomiarowych i łatwiejsze pozyskiwanie informacji diagnostycznych może zapewnić stosowanie przetworników inteligentnych. Dla przykładu strukturę inteligentnego przetwornika siły przedstawia rys. 2. Są to zazwyczaj małe gabarytowo zespoły, wyko- nywane jako mikrostruktury MEMS (Micro-Electro-Mechanical Sys- tems), które obejmują czujnik z odpowiednio dopasowanym wzmac- niaczem cyfrowym i mikroprocesor, z zapisaną wiedzą do inteligentne- go przetwarzania sygnałów. Kryteriami do projektowania diagnostyki są: - czułość sygnałów diagnostycznych na zmiany zachowania się ma- szyny/procesu oraz pojemność informacyjna, - stopień degradacji maszyny/procesu, - poziom kwalifikacji obsługi, - niezawodność, - koszty eksploatacyjne. 9 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Typowe urządzenie diagnostyczne obiektów mechanicznych składa się z następujących zespołów i elementów: 1. Układ pomiarowy (czujniki, układy dopasowujące odpowiedzialne za dopasowanie energetyczne i informacyjne sygnałów, gniazda dia- gnostyczne do pobierania informacji z obiektu). 2. wzmacniacze pomiarowe, przetworniki analogowo cyfrowe, prze- łączniki kanałów, porty WE/WY (I/O), inne. 3. Procesor sygnałowy (Digital Signals Processor wykorzystywany do obliczania wartości symptomów diagnostycznych). 4. Układ decyzyjny zawierający (przetworniki logiczne, translatory po- ziomów napięć, komparatory cyfrowe, inne). 5. Układ prezentacji informacji (display), który dekoduje informacje i przedstawia je w formie najdogodniejszej dla użytkownika (monitor, drukarka, wskazniki analogowe, wskazniki cyfrowe, inne). 6. Układ gromadzenia informacji (pamięć: RAM, RAM-DISK, VDISK). 7. Oprogramowanie (systemowe, przetwarzania i analizy sygnałów, diagnozowania i prognozowania stanu, funkcji realizowanych przez urządzenie diagnostyczne, komunikacji pomiędzy warstwami systemu, zarządzające pracą systemu. DIN 66348 RS 485 RS 232 czujnik siły 1 czujnik wejścia siły 2 czujnik wyjścia ciśnie- alarm. nia czujnik a/c 5|2|6|9|3 temp. Rys. 2: Struktura inteligentnego przetwornika siły 10 c ik a/ tworn Mikroprocesor Prze Układ próbkująco pamiętający P C Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Schemat blokowy urządzenia diagnostycznego przedstawia rys. 3. URZDZENIE DIAGNOSTYCZNE Czujniki Elementy sygnałów diagnostycznych Gniazda System diagnostyczny diagnostyczne Wielokanałowy Pamięć RAM Procesor przetwornik sygnałów Pamięć RAM-DISK diagnostycznych Pamięć VDISK Magistrala systemowa Klawiatura Monitor Drukarka Oprogramowanie Rys. 3: Schemat blokowy mikroprocesorowego urządzenia diagnostycznego 11 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos 3 Istota, składniki i działanie systemu diagnozowania serwisowego W odróżnieniu od ogólnej diagnostyki prawidłowości działania obiektu i prawidłowości realizowanych przez ten obiekt procesów roboczych, która informuje użytkownika o tym, czy zakłócenia są w dopuszczal- nych granicach i czy osiąga się zadowalającą dokładność wyrobów, diagnostyka serwisowa ma służyć okresowej korekcji błędów i plano- wemu przywracaniu obiektowi poprawnych parametrów eksploatacyj- nych. Polega ona zatem na śledzeniu stopnia degradacji obiektu (ma- szyny) po to, by w odpowiednim czasie zastosować korekcję, kompen- sację błędów lub dokonać naprawy w sposób planowy i dobrze przygo- towany, czyli w krótkim czasie postoju, wtedy, gdy jest to niezbędne, a zarazem dogodne dla użytkownika. Diagnostyka serwisowa służy za- tem przywracaniu maszynie jej prawidłowych parametrów eksploata- cyjnych, gwarantujących żądaną dokładność realizowanych procesów (wyrobów). Prognozowanie postępującej degradacji składników maszyny z natury rzeczy wymaga bardziej szczegółowego niż ma to miejsce w diagno- styce ogólnej, wnikania w procesy zużycia, mechanizm zmiany warto- ści parametrów eksploatacyjnych symptomy postępujących uszko- dzeń. Jest zatem konieczne operowanie w tej diagnostyce najnowszą, obszerną wiedzą dotyczącą budowy i działania maszyny, jej dokładno- ści, zakłóceń tej dokładności, metodach korygowania błędów, ich kom- pensacji oraz technik i technologii dokonywania napraw. Możliwości przeprowadzania działań diagnostyki serwisowej muszą być na ogół uwzględnione już na etapie konstruowania maszyn. Doty- czy to zwłaszcza rozmieszczenia w strukturze maszyn samych senso- rów lub sensorów o strukturze czujników inteligentnych oraz elemen- tów niezbędnych do ich komunikacji z centrum diagnostyczno serwi- sowym użytkownika lub producenta. Na tym etapie mogą być również przeprowadzane symulacje związków sygnałów diagnostycznych z usterkami, które ułatwiają prognozowanie działań serwisowych i okre- ślanie potrzeb związanych ze strukturą układów pomiarowych. Operowanie wiedzą w tej diagnostyce wiąże się z modelowaniem za- chowania się maszyny w warunkach eksploatacyjnych, modelowaniem błędów w postaci funkcji uproszczonych nadających się do okresowe- go nadzorowania i kompensacji, prognozowaniem ograniczonego, do- puszczalnego, pogorszenia zachowania się maszyny i możliwych uszkodzeń. Działania te są bardzo złożone i wymagają angażowania odpowied- niego sprzętu komputerowego i oprogramowania oraz bardzo wyso- kich kwalifikacji projektantów. W wielu przypadkach można korzystać z wyspecjalizowanych handlowych programów i modułów diagnostycz- nych. 12 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Przykładowy przebieg degradacji parametru eksploatacyjnego maszy- ny/urządzenia technologicznego przedstawia rys. 4. Zaznaczono na nim wartość dopuszczalną sygnału mierzonego (symptomu diagno- stycznego) oraz jego wartość graniczną i wynikający stąd stan spraw- ności i stan niesprawności technicznej maszyny. Przekroczenie przez symptom wartości dopuszczalnej Ud oznacza, że diagnozowane urzą- dzenie jest już niesprawne technicznie, ale może być jeszcze przez pewien czas eksploatowane, czyli jest jeszcze zdatne do realizacji swoich funkcji. O stanie niezdatności urządzenia do dalszej eksploata- cji będzie świadczyć przekroczenie przez symptom wartości granicznej Ug, która wyznacza też ostateczny termin dokonania naprawy. Obsza- ry stanów zdatności eksploatacyjnej, i niesprawności technicznej, mo- gą częściowo na siebie zachodzić. Pokrywanie się tych dwóch stanów określa obszar, w którym urządzenie jest niesprawne, ale jeszcze zdatne do eksploatacji (rys. 5). stan niezdatny Ug Ug - wartość graniczna stan niesprawny - wartość dopuszczalna Ud ale zdatny Ud stan sprawny Parametr struktury/stan techniczny stan sprawny stan niesprawny stan zdatny stan niezdatny Rys. 4: Klasyfikacja stanów technicznych maszyn i urządzeń Stany sprawności Obszar zdatności Stany niesprawności ale zdatności Obszar niesprawności Stany niezdatności Rys. 5: Obszary stanów technicznych maszyn i urządzeń 13 Sygnał/symptom Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Zakres komputerowego wspomagania eksploatacji obiektów technicz- nych przetwarzaniem wiedzy i diagnostyką przedstawia rys. 6. Uwzględnia on bardzo szerokie spektrum analiz oraz stosowanie na- rzędzi sztucznej inteligencji. ZADANIE DIAGNOSTYCZNE (obiekty rzeczywiste) MODELE MECHANICZNE (struktura i cechy stanu) MODEL FIZYCZNY MODEL MATEMATYCZNY IDENTYFIKACJA MODELI Opis jakościowy Opis wyjaśniący Opis ilościowy MODEL MODEL STRUKTURALNY STRUKTURALNY - dynamika - ewolucja Typy modeli: zużycia zużycia deterministyczne probabilistyczne MODEL MODEL rozmyte HOLISTYCZNY SYMPTOMOWY MODEL DIAGNOSTYCZNY MODELE WNIOSKOWANIA DIAGNOSTYKA DIAGNOSTYKA HOLISTYCZNA deterministyczne SYMPTOMOWA probabilistyczne rozmyte neuronowe eksperckie inne KRYTERIA DIAGNOSTYKA ENERGETYCZNA podział modeli DIAGNOZA trafność (aktualna/przyszła) stany graniczne efektywność inne Rys.6: Możliwości modelowania diagnostycznego obiektów 14 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos Sposób poszukiwania relacji pomiędzy symptomem a defektem, co jest intencją diagnostyki serwisowej, pokazuje rys. 7. Wymaga to bar- dzo złożonego działania na modelach: odwracania modeli, złożonego badania ich czułości na defekt, generowania danych uczących,, two- rzenia modeli adaptacyjnych oraz budowy relacji diagnostycznych. Dzięki posłużeniu się w procesie diagnozowania takimi właśnie symu- lacyjnymi technikami pozyskiwania relacji symptom defekt obsługa diagnozowanego urządzenia uzyska na monitorze, nie tylko informacje o wystąpieniu awarii, ale również identyfikację defektu. Metoda klasyczna DEFEKT MODEL SYMPTOM Metoda odwracania modeli MODEL SYMPTOM DEFEKT ODWRÓCONY Odwracanie modeli za pomocą trenowania układów adaptacyjnych (algorytmy specjalne, sieci neuronowe) Budowa modeli obiektów Budowa modeli adaptacyjnych Badanie czułości modelu Trenowanie układów na defekt adaptacyjnych Generowanie danych Budowa relacji diagnostycznych uczących Rys. 7: Symulacyjne techniki pozyskiwania relacji diagnostycznych: klasyczne i w oparciu o metodologię odwracania modeli przyjętych obiektów 15 Zdalna diagnostyka i obsługa systemów mechatronicznych - Podręcznik Minos 4 Kierunki rozwoju Zdalna diagnostyka i serwis ma bardzo silne umocowanie ekonomicz- ne wynikające stąd, że przyczynia się do zwiększenia czasu życia wy- robów. Tendencje zatem zwiększania czasu życia będą się przekłada- ły na tendencje rozwoju zdalnej diagnostyki i nadzorowania. Ponadto wobec rosnącej globalizacji wytwarzania, jego rozproszenie rośnie i coraz bardziej nieodzowne staje się korzystanie ze zdalnej diagnostyki i serwisu, co powinno znacząco zwiększać niezawodność systemów mechatronicznych, procesów technologicznych oraz wytwarzanych fi- nalnych wyrobów. Będzie zatem nadal intensywnie rozwijana moduło- wość systemów diagnozowania i coraz więcej funkcji diagnostycznych będzie realizowanych przez inteligentne sensory. Będzie temu z natury rzeczy towarzyszyła miniaturyzacja układów pomiarowych i ich inte- gracja z procesorami odpowiedzialnymi za przetwarzanie sygnałów i wnioskowanie diagnostyczne. Będzie też rozwijana niezawodna tech- nologia zdalnego zasilania tych układów i przekazywania powstałych w nich informacji na wyższy szczebel decyzyjny do centrów diagno- styczno serwisowych. Służyć temu będą nowe, bardziej doskonałe standardy komunikacyjne i algorytmy decyzyjne wsparte narzędziami sztucznej inteligencji. Rozwój zdalnego diagnozowania i serwisu systemów maszynowych zmierza do całkowitego objęcia ich tymi działaniami oraz totalnego nadzorowania i serwisowania opartego o prognozy. 16