книги / Надежность и диагностика технологических систем

Рис. 12.6. Регрессионное прогнозирование режима контроля: То — допуск на параметр

математическое ожидание выборки по параметру времени t (п — число измеренных значений параметра х)\ тПх= — матема­

тическое ожидание выборки по параметру измеренного сигнала х ; а — коэффициент (тангенс) угла наклона линии регрессии; Ъ— начальная величина сдвига линии регрессии.

Можно вычислить доверительные границы (прямые 2 и 3) для прямой линейного регрессионного процесса 1 (см. рис. 12.6) по точкам, расположенным выше и ниже этой прямой.

При достижении диагностируемым параметром верхнего (пре­ дупредительного) уровня Еп (т.е. при t = Т) по формуле (12.1) можно определить величину периода времени Т, в течение кото­ рого диагностирование можно не проводить:

По истечении данного периода необходимо возобновить проце­ дуру оценочных измерений по схеме и формулам, приведенным выше, непрерывно производя контроль перехода предупредитель­ ной границы Еп.

Если за период оценочных измерений предупредительная гра­ ница пройдена не была, то переходят к вычислению нового про­ гноза для уровня Еп. Если же предупредительный уровень Еп перейден, то система ТД выдает сигнал о наступлении отказа по контролируемому параметру (см. рис. 12.5).

Приведенный алгоритм позволяет минимизировать количество измерений и освобождает процессор СТД от лишних вычислений.

422 12. АСНИ технологических процессов металлообработки

Необходимо отметить, что внедрение ТД должно сопровождаться работами по повышению качества и стабильности ТП. Примене­ ние СТД в автоматизированном производстве экономически не оправдано, если заготовки имеют завышенные припуски, значи­ тельное рассеяние размеров и твердости поверхностей.

ТС отличаются достаточно сложным многоуровневым (иерархи­ ческим) построением. Источники диагностической информации могут быть расположены в каждой автоматизированной системе (АСУП, АСУТП, САК, АСНИ, СТД). На уровне ТМ контролиру­ ются различные элементы конструкции (механическая часть, гидро- и пневмосистемы, электротехнические схемы и устрой­ ства, электронные системы и блоки).

При проектировании СТД следует учитывать уровень надежно­ сти основных элементов ТС и частоту (вероятность) возникнове­ ния отказов. Например, диаграмма Парето (рис. 12.7) наглядно характеризует точностную надежность станков с ЧПУ и пока­ зывает, что основная доля отказов приходится на режущий ин­ струмент (45 %) и систему ЧПУ (21 %). Поэтому СТД должна быть целенаправленно спроектирована и запрограммирована на выявление прежде всего отказов данного типа.

Рис. 12.7. Диаграмма Парето отказов по точности станков с ЧПУ:

1 — инструмент; 2 — системы ЧПУ; 3 — механическая часть станка; 4 — качество заготовки; 5 — электропривод; 6 — режимы резания; 7 — про­ граммирование; 8 — приспособления

Отказ сложного ТМ может быть вызван целым рядом причин. Например, отсутствие вращения привода главного движения (т.е. отказ) при нажатии на кнопку «Пуск» может быть следст­ вием многих факторов: неисправность электрических элементов

и блоков; отключение внешнего электрического питания; закли­ нивание, поломка зубчатых передач или муфт; пробой изоляции обмотки электродвигателя и др.

Отказ по основному выходному параметру, причиной которого может быть отказ одного из элементов ТС, иногда бывает обна­ ружен по косвенным диагностическим признакам. Например, отсутствие внешнего электропитания может быть обнаружено по «негорящей« сигнальной лампочке «Питание включено». Полом­ ка или заклинивание зубчатых передач обычно сопровождается виброакустическими колебаниями, повышенным шумом, удара­ ми и др. Пробой обмотки электродвигателя может быть обнаружен по росту температуры корпуса электродвигателя, задымлению, характерному запаху и др.

Часть оценочной измерительной информации не имеет одно­ значного соответствия с возникновением конкретных поврежде­ ний и отказов, поэтому она может быть интерпретирована в каче­ стве достоверной только с некоторой долей вероятности в совокуп­ ности с информацией, поступившей от других датчиков и систем.

Наличие погрешностей измерения при достаточно узких до­ пусках контролируемых параметров приводит к появлению оши­ бок первого и второго рода. Увеличивается вероятность того, что параметр, находящийся в пределах допуска, может быть отнесен к параметру, превысившему допуск, и наоборот.

Отказ по точности функционирования может привести к появ­ лению на выходе ТС сплошного брака. Наличие многих контро­ лируемых параметров у системы в общем случае увеличивает ошибки первого и второго рода.

При контроле системы с несколькими параметрами необхо­ димо использовать дополнительные приемы повышения досто­ верности оценочных измерений при диагностировании. Это обеспечивается за счет повышения точности контроля, введения избыточности в методы сбора и обработки информации, напри­ мер, за счет применения мажоритарных методов повышения достоверности.

Задачи многопараметрической диагностики могут быть реше­ ны как структурно-аппаратными, так и программно-математи­ ческими методами. Необходимо принимать во внимание и воз­ можность отказов самой системы диагностики. Поэтому следует максимально сокращать объемы перерабатываемой информации за счет оптимизации структуры СТД и периодичности опроса

424 12. АСНИ технологических процессов металлообработки

датчиков. Режимы контроля необходимо назначать с учетом частоты отказов и увеличения вероятности их появления в свя­ зи с процессами износа и старения.

Конечной целью диагностирования является локализация неисправностей, т.е. установление места возникновения отказа. При многоуровневом построении ТС для локализации неисправ­ ностей (повреждений, отказов) следует использовать оптимиза­ ционные методы тестирования.

Тестирование — это метод контроля и диагностики, при кото­ ром в систему вводятся целенаправленные воздействия или ана­ лизируется полученная диагностическая информация по строго определенной процедуре, позволяющей с минимальными затра­ тами времени и ресурсов СТД провести локализацию отказа.

Наиболее распространенные методы тестирования — это при­ менение дерева тестов (рис. 12.8) и квазиоптимальных тестов Шеннона — Фано, когда тестирование ведется целенаправленно по структуре сверху вниз. При использовании дерева тестов струк­ тура ТС разделяется примерно пополам и после проведения пер­ вого теста определяется та ее часть в которой присутствует отказ, а другая часть структуры Е0признается работоспособной и далее не тестируется. Затем структура Е1 делится примерно пополам и определяется~та ее часть, в которой обнаружен отказ, а другая часть 2?10 (где нет отказа) также исключается из про­ цесса дальнейшего тестирования и т.д.

Рис. 12.8. Дерево тестов при диагностировании сложной технической системы

Система квазиоптимальных тестов Шеннона — Фано весьма похожа на предыдущую. При ее построении учитывается диа­ грамма Парето распределения отказов (см. рис. 12.7), когда вся ТС разделяется на две категории с примерно равными (близкими

технических средств и их элементов при проектировании, мон­ таже и эксплуатации.

Алгоритм создания автоматизированных систем диагностики. Создание АСД осложняется по следующим причинам:

1)большой объем информационных потоков;

2)отсутствие аналогов АСД, достаточного опыта их создания

иэксплуатации;

3)трудности выбора технических средств из-за быстрой смены их типов и моделей (изменение технических характеристик, пара­ метров, структур, принципов построения);

4)необходимость одновременного решения комплекса проблем (разработка специальных видов ПО, подбор и размещение специ­ альных датчиков для измерения различных параметров, стыков­ ка всех элементов системы, хранение, передача и переработка информации);

5)высокая степень декомпозиции и иерархичности всей си­ стемы (от датчиков на станке с ЧПУ до центрального пульта АСУТП).

Алгоритм создания систем диагностики включает следующие этапы:

1)создание укрупненной структуры АСД;

2)выбор и обоснование технических средств на основе ана­ лиза их характеристик и возможностей;

3)выбор окончательного варианта структуры.

Рассмотрим пример создания АСД для ТС металлообработки. На рис. 13.1 приведена укрупненная структура одного из вари­ антов практической реализации АСД в составе АСУТП. При ор­ ганизации АСД используются элементы комплекса технических средств для локальных информационно-управляющих систем. В указанном комплексе реализован магистрально-модульный прин­ цип компоновки изделий и систем. Функционирование АСД осу­ ществляется под управлением микропроцессора в соответствии с рабочей программой, хранящейся в постоянной памяти. Стан­ дартный интерфейс обеспечивает возможность реализации муль­ типроцессорных структур. Контроллер обеспечивает совместимость устройств между собой — это устройство управления вводом-вы­ водом.

Выбор элементов структуры компьютеризированной систе­ мы технической диагностики. Для обработки данных о ходе ТП

и состоянии оборудования при автоматическом контроле и управ­ лении с использованием СД в составе АСУТП можно использо­ вать микроЭВМ типа IBM PC моделей Pentium 5, Celeron, Athlon (рис. 13.2). Обмен информацией между датчиками и микроЭВМ (см. рис. 13.1) осуществляется через УСО. К микроЭВМ можно подключать 16, 32, 64 и более УСО. К каждому УСО можно под­ ключить также 16, 32, 64 и более датчиков. ПО реализуется в виде интерпретатора, т.е. предусмотрена работа в режиме диа­ лога.

Рис. 13.2. Основные элементы структуры микроЭВМ

ЭВМ обеспечивает стыковку и взаимодействие с комплексом периферийного оборудования. Объем оперативной памяти ЭВМ —

128...512 Мбайт. Объем информации, записанной на кассету МЛ, —

1...40 Гбайт (устройство стриммер).

Управление накопителями осуществляется с помощью соот­ ветствующих операторов ввода-вывода, предусматривающих за­ грузку. в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) номеров периферийных устройств (ПУ).

Для записи и хранения информации используются накопители различных видов и конструктивного исполнения (см. рис. 13.2):

•накопитель на магнитной ленте (НМЛ);

•накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) с объе­ мом информации 1,4 Мбайт;

•накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД — винче­ стер) с объемом информации 10... 72 Гбайт;

•накопитель на компакт-дисках (CD-ROM) с объемом инфор­ мации 650...800 Мбайт;

•принтеры (струйные, матричные, лазерные);

•плоттеры — графопостроители.

Вкачестве операционных систем (ОС) применяются системы разных классов:

1)Windows 95, 98, 2000, ХР;

2)Unix, Linux, Free-BSD;

3)OS/2.

Анализ технических возможностей и обоснование выбора ос­ новных элементов ЭВМ для АСД. ЭВМ предназначена для обра­ ботки информации и отображения результатов обработки. Для элементной базы ЭВМ используется новая технология получе­ ния полупроводниковых материалов на основе арсенида галлия. Укрупненная структурная схема ЭВМ показана на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Укрупненная структурная схема ЭВМ:

ПЗУ и ОЗУ — постоянное и оперативное запоминающие устройства; АЛУ — арифметико-логическое устройство; ЗУ — запоминающее устройство

Для решения задачи должна быть написана программа. Во вре­ мя решения задачи программа и операнды (числа, над которыми производятся операции) находятся в ОЗУ. В процессе решения задачи арифметико-логическое устройство (АЛУ) постоянно взаи­ модействует с ОЗУ, передавая ему промежуточные и конечные результаты. Работа всех частей ЭВМ осуществляется под воздей­ ствием управляющих сигналов, вырабатываемых устройством управления в соответствии с программой, записанной в ОЗУ.

Классификация арифметико-логических устройств. АЛУ предназначены для выполнения арифметических и логических операций над операндами. Эти устройства классифицируются по следующим признакам:

1) по способу действия над операндами различают АЛУ после­ довательного и параллельного действия. В последовательных АЛУ