Техническа диагностика

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2010

Част I. Същност и основни методи на техническа диагностика

Най-общо с термина техническа диагностика се означава процес на разработване на алгоритми и техники, които са в състояние да определят дали една система функционира правилно. Ако работата на системата се отклонява от допустимите граници, алгоритъмът трябва да бъде в състояние да определи възможно най-точно на коя част от системата се дължи това отклонение, причините за него и какви ще са вероятните последствия. Терминът диагностика (diagnostics) първоначално е използван в областта на медицината.

Разпознаване състоянието на техническите системи
Основна задача на техническата диагностика е разпознаване на състоянието на техническите системи в условията на ограничена информация. Тази информация постъпва във вид на показания от различни измервателни, регулиращи, сигнални или управляващи устройства, най-често сензори (датчици) за вибрации, температура, налягане и др. По отношение на сложните технически системи, информация за текущото им поведение постъпва дискретно или непрекъснато. Информация се подава и се анализира и чрез визуални огледи.
Друго направление на техническата диагностика са въпросите за търсене и автоматизиран контрол на неизправности. То е свързано с разработване на методи и средства за наблюдение и контрол, създаване на диагностични тестове, активно тестване, вградени диагностични системи, оценка на способността на системата за контрол и диагностициране.

Метод за повишаване надеждността на системите
Техническата диагностика е един от най-важните методи за повишаване надеждността на системите в експлоатационни условия. Тя осигурява експлоатацията на машините и изделията и техническото им обслужване да се извършат в зависимост от "диагнозата" или конкретното им моментно състояние. По този начин се постига значителен икономически ефект.
Диагностични и интегрирани системи се прилагат в много области,  например в енергетиката (включително ядрената енергетика), транспортните системи, в областта на индустрията, в космонавтиката, в медицинската техника, в биоинформатиката и др.
Важна специфика на техническата диагностика е, че при разпознаване на състоянието на техническите системи в условията на ограничена информация е необходимо да се използват определени начини и правила за вземане на оптимално решение.
Сред най-елементарните примери за диагностика е определяне състоянието на автомобил от механика на дадения сервиз. Първоначално, той се опитва да открие всяко необичайно поведение на автомобила, наблюдавайки работата на агрегатите му и разчитайки на познанията си за този тип превозни средства. Ако се установи  необичайно поведение на някоя от системите, механикът ще се опита да уточни диагнозата, разчитайки на нови наблюдения и тестване на системата с уреди за откриване на дефектните компоненти. Едва след това се взема решението за регулиране, поправка или подмяната им.

Състоянието се описва чрез съвкупност от определящи параметри
Състоянието на техническите системи се описва от съвкупност (множество) определящи параметри (признаци), които могат да бъдат различни за конкретните задачи за разпознаване. Признаците могат да бъдат комплексни или прости, като последните имат само два разряда - наличие или липса на признак (да или не). Например, "повишаване на температурата над 20 оС" представлява двуразряден признак.
В много случаи, системата се характеризира със съвкупност от параметри с непрекъснато разпределение, например "повишаване на температурата". Много методи на диагностиката разчитат на доброто познаване на разпределението на контролния параметър за дадено състояние на системата. Описанието на системата чрез дискретни (признаци) или непрекъснати (параметри) величини зависи най-вече от обема на разполагаемата информация.
Разпознаването на състоянието на техническите системи, т.е. процесът на установяване на "диагнозата", представлява сравнение на избраната съвкупност от признаци с едно от типичните състояния на системата. В този процес често трябва да се направи избор на едно от възможните състояния - "изправно" и "неизправно", а в други случаи е необходимо да се конкретизира неизправността, например "недопустими вибрации", "разрушаване на лагер".
Теорията на разпознаването е тясно свързана с техниките за разпознаване на образи, изучавани в кибернетиката.
Следователно, постановката на задачата на техническата диагностика би могла да се дефинира по-точно. Налице е техническа система, която би могла да се намира в едно определено състояние (диагноза). Известна е съвкупността от признаци (параметри), които характеризират всяко състояние на системата. Трябва да се намери решаващо правило, с помощта на което определеният за разпознаване обект (набор от признаци) може да бъде отнесен към една от диагнозите.
Вероятностни, метрични и логически методи
Основните методи за решаване на задачите за разпознаване са вероятностни, метрични и логически. Математическата им интерпретация е описана в литературата.
Логическият метод на разпознаване се основава на намирането на логически връзки между признаците и състоянието на обекта, като се разглеждат само двоични (елементарни) признаци, за които са възможни единствено значенията "да" или "не". Детерминистичното описание на системата чрез двоични променливи е приблизителен модел на диагностика. Той би могъл да се използва с успех в началните етапи на разпознаване и е особено перспективен за второто направление на техническата диагностика, а именно откриването и локализирането на неизправностите.
Методите за техническа диагностика могат да се изграждат на базата на системи от експертни или от моделно-базирани диагнози.

Както личи и от наименованието й, експертната диагноза

се основава на опита на специалисти (експерти) от прилагането на подобна система. Системата за диагностика се изгражда, благодарение на използването на този опит, неговото систематизиране и становищата на експертите за съответните диагнози. Опитът се въвежда в системата, като човешкото познание се превежда на компютърен език и се използват примери от предишното поведение на системата. В този случай примерите трябва да се класифицират като правилно или неправилно функциониране, като в последния случай се определя и изменението на кои параметри е довело до това. Впоследствие, за обобщаване на примерите, се използват и методите за машинно самообучение. Основни недостатъци на експертните методи са:
l Трудностите, свързани с придобиването на опит, като експертизата е възможна само след продължителен период на използване на същата или на подобни системи. Това прави методите неподходящи за осигуряване на безопасна работа на "критични" системи (например ядрена електроцентрала, операционен космически робот и т.н.). Освен това, никога не може да бъде гарантирано пълното придобиване на експертни познания. Възможно е да се случи ненаблюдавано до конкретния момент поведение на системата, което изключва определянето на диагноза.
l Процесът на изграждане на експертна система обикновено изисква продължителен период от време. Тъй като подобна система има за цел да отрази всяко наблюдение, за да се постави правилна диагноза, в определени приложения се изисква огромен обем компютърна памет.
l Отсъствие на стабилност, т.е. ако в диагностицираната система настъпят дори малки промени, процесът на изграждане на експертната система трябва да се повтори.
Съществува и друг подход, при който експертната система се изгражда не от директния опит на експертите, а данните за нея се получават от създаден модел на диагностицираната система. Подобен метод би могъл да се разглежда като моделно-базирана система и той има някои предимства, но притежава и редица недостатъци на експертната система.

Моделно-базираната диагноза
се получава с помощта на създаден модел на системата, който описва нейното поведение. Принципна блок-схема на такава система е показана на фиг.1.
Моделът представлява абстракция на поведението на системата и обикновено е непълен. По-специално, неизвестно или малко известно до разглеждания момент поведение на системата не е отчетено в модела. В процеса на получаване на моделно-базираната диагноза се използват обратни връзки. Системата за диагностика симулира система, която използва за модел и сравнява действителните наблюдения с тези, предсказани от симулацията.
Важен етап от проектирането на системата за диагностика е способността й за контрол и диагностициране. Способна е за диагностициране, ако независимо от нейното поведение, е в състояние да даде недвусмислена диагноза. Това свойство на системата се определя от алгоритми, включени в нейния модел. Те могат да се използват и за анализ на възможността за намаляване на броя на сензорите за наблюдение (намаляване на разходите) или за тяхното увеличаване с цел повишаване на вероятността от откриване на дефектно поведение.

Вибродиагностиката - разпространен и достъпен метод
Един от най-разпространените и достъпни методи на техническата диагностика е вибродиагностиката. Тя определя състоянието на техническите системи чрез изследване и анализ на вибрациите на техните елементи.
От механиката е известно, че вибрациите представляват механични трептения, които могат да бъдат свободни (затихващи) или принудени. Те се генерират от случайни (единични) или от периодично променящи се външни възбуждащи сили. Основните параметри на трептенията са техните амплитуда и честота (или период). При машините и техните елементи, вибрациите представляват периодични еластични деформации, чиято амплитуда е много по-малка в сравнение с размерите на детайла. В някои случаи вибрациите са в основата на принципа на функциониране на различни устройства или се използват като технологичен способ (например вибрационно сито, конус на високоговорител и др.), но по-често те са вредни и опасни.
При експлоатацията на машините и механизмите, вибрациите са  свързани със загуба на енергия,  резонансни явления (критични режими на работа), допълнителни динамични знакопроменливи натоварвания, които водят до якостна умора на детайлите. При това се намалява тяхната надеждност и дълготрайност. Освен това вибрациите оказват вредно въздействие върху точността на уредите, машините и автоматичните системи, които са в близост до вибриращи детайли, пораждат вибрационен шум и влияят неблагоприятно върху производителността на труда и здравето на човека.

Норми за допустими вибрации на машини
Във всички индустриално развити държави със съответни стандарти, са въведени обосновани норми, които определят допустимите вибрации за отделни типове машини и техните елементи (турбомашини, генератори, електродвигатели, помпи, компресори, транспортни машини, битови уреди и др.). Нормите обикновено ограничават размаха (удвоената амплитуда в mm) на трептенията при определена честота на въртенето (в min-1). Нормира се и допустимото ниво на звуково налягане в дадена честотна лента, както и нивото на шума (в dB) за различни машини,  работни места и територии. Вибрациите могат да се оценяват също и чрез ефективната скорост на трептенията на вибриращата повърхнина. Този параметър е удобен, тъй като е свързан чрез корелационна зависимост с излъчваното при работа звуково налягане на възникващия във въздуха шум и с динамичните напрежения, възникващи в материала.
Експерименталното изследване на виброактивността се извършва по определени, най-често стандартизирани методи с помощта на съответни уреди - виброметри, шумомери, анализатори и др. Виброактивността може да се изследва за готови изработени изделия (прототипи на машини, отделни агрегати, търкалящи лагери и др.) и по нея се съди за качеството на изработването и монтажа. Чрез система за вибродиагностика - периодично или непрекъснато измерване и анализ на виброактивността на машинни агрегати и техните елементи по време на експлоатацията им, се съди за тяхното техническо състояние.

 




ЕКСКЛУЗИВНО

Top