Diagnoza sistemelor tehnice - shiva.pub.ro · detectarea şi diagnoza automată a defectelor,...

Diagnoza sistemelor tehnice

Curs 1:

Concepte de bază utilizate în detecţia şi

diagnoza defectelor. Terminologie

1/Diagnoza sistemelor tehnice – Conf.dr.ing. Ioana FAGARASAN (Curs 1)Master Automatica si Informatica Industriala; Facultatea de Automatica si Calculatoare, Universitatea POLITEHNICA Bucuresti

An universitar 2009-2010, Semestrul 2


• Cf gr „diagnosis” = cunoastere

• Diagnoza (medicina)= determinarea precisa a unei boli pe baza observarii simptomelor caracteristicecaracteristice

• Diagnoza sistemelor tehnice = determinarea precisa a unui comportament anormal pe baza observarii simptomelor caracteristice

Diagnoza sistemelor tehnice – Conf.dr.ing. Ioana FAGARASAN (Curs 1)Master Automatica si Informatica Industriala; Facultatea de Automatica si Calculatoare, Universitatea POLITEHNICA Bucuresti


2/


• De-a lungul ultimului deceniu comunitatea ştiinţifică internaţională a început să privească cu deosebit interes domeniul diagnozei tehnice, fapt demonstrat de abundenţa de lucrări din literatura de specialitate, precum şi de numeroasele evenimente ştiinţifice, simpozioane, conferinţe consacrate acestui domeniu (printre cele mai importante - IFAC Symposium on Fault Detection conferinţe consacrate acestui domeniu (printre cele mai importante - IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety for Technical Processes, SAFEPROCESS (1991-2009/3))

• Pornind de la aspectul ştiinţific, este evident avantajul comercial-industrial: un sistem de supraveghere cu detectarea şi diagnoza automată a defectelor, contribuie atât la creşterea autonomiei cât şi a fiabilităţii instalaţiilor industriale.



3/

Schema generală de supraveghere a unui

proces (Isermann, 1984)

DecizieEvaluarea

defectelor

Detectarea

defectelor

Detectia

modificarilor

Procesare

semnal

clase de

defecte

defecte simptom caracteristici

Protectii

Semnalizare

(alarme)

Evaluare

semnal

ACTIUNI

DETECTAREA

SI DIAGNOZA

DEFECTELOR

PROTECTIE

MONITORIZARE

Nivelul de

supraveghere

(procesare

informatii)



RA PROCESu y

F(defecte)

Oprirea instalatiei

Schimbarea regimului

de functionare

Reconfigurare

Intretinere

Reparatii

ACTIUNI MONITORIZARE

ACHIZITIE DATE

REGLARE

COMANDA

Nivelul

procesului

informatii)

4/

Funcţii ale sistemului de conducere şi

supraveghere

• Reglarea sesizează continuu (măsoară) mărimea reglată, o compară cu o altă mărime, mărimea de referinţă (conducere) şi în funcţie de rezultatul acestei comparaţii se intervine în sensul aducerii mărimii reglate la valoarea celei de referinţă. Modul de acţiune mai sus menţionat are loc într-un circuit închis numit şi buclă de reglare.



de referinţă. Modul de acţiune mai sus menţionat are loc într-un circuit închis numit şi buclă de reglare.

• Comanda influenţează mărimile de ieşire, în funcţie de mărimile de intrare, pe baza legităţilor specifice sistemului. O caracteristică a procesului de comandă este evoluţia lui în circuit deschis, printr-un element de transfer individual sau printr-un lanţ de elemente de comandă.

• Achiziţia reprezinta colectarea datelor provenite din proces

5/


supraveghere• Monitorizarea preia în permanenţă semnalele provenite din

proces sau de la sistemul de comandă, recunoscând şi indicând anomaliile în comportament.

În această definiţie monitorizarea este limitată la funcţiile de achiziţie a informaţiilor, arhivare, etc. fără să acţioneze nici



asupra procesului nici asupra sistemului de comandă. Monitorizarea are deci un rol pasiv vis-a-vis de sistemul de comandă şi de proces.

• Protecţia - mijloc prin care eventualele regimuri periculoase de funcţionare ale sistemului sunt eliminate pe cât posibil sau mijloc prin care sunt evitate consecinţele comportărilor periculoase.

6/


supraveghere• Supravegherea acoperă atât domeniul funcţionarii normale

cât şi anormale a instalaţiei:– în funcţionarea normală rolul său este de a permite luarea unor decizii

în timp real şi trecerea de la un algoritm de supraveghere la altul.

– în prezenţa defecţiunilor va asigura toate deciziile necesare pentru ca sistemul să revină la funcţionarea normală.



sistemul să revină la funcţionarea normală.

• Conceptul de supraveghere se aplică în cadrul unui sistem ierarhizat cel puţin pe două nivele. La un nivel local supravegherea poate dispare complet, totul fiind prevăzut şi fixat cu ajutorul comenzii: supravegherea este integrată comenzii. În schimb la nivelele superioare supravegherea înglobează atât funcţia de comandă/reglare cât şi pe cea de monitorizare.

7/


supraveghereSistemele de detectare si diagnoză a defectelor (FDD - Fault Detection and

Diagnosis)

Funcţionarea acestora presupune următoarele etape:

• Detectarea defectelor: determinarea prezenţei unui defect în sistem şi timpul de detectare. Indică dacă s-a produs un eveniment nedorit în sistemul de supraveghere



sistemul de supraveghere

• Izolarea defectelor: determinarea tipului de defect, a locului de producere a defectului şi a momentului de detectare. Urmează detectării defectelor. Se determină subsistemul funcţional care se află la originea anomaliei şi progresiv se rafinează această determinare pentru a izola organul sau dispozitivul elementar defect.

• Identificarea defectelor: Determinarea mărimii şi comportării în timp a defectului. Urmează etapei de izolare a defectelor. Se determină cauza care a generat defectarea constatată.

8/


supraveghere• Funcţia de detectare a defectelor este o necesitate în orice sistem practic

şi este urmată de funcţia de izolare a defectelor, în egală măsură importantă pentru buna funcţionare a sistemelor, în timp ce funcţia de identificare nu îşi justifică costurile şi eforturile suplimentare necesare.

• De aceea în majoritatea cazurilor se preferă doar etapele de detecţie şi izolare (FDI-Fault Detection and Isolation) iar în multe cazuri termenul de



diagnoză este sinonim cu cel de izolare.

În alte cazuri pentru diagnoză este preferată următoarea definiţie.

• Diagnoza defectelor: Determinarea tipului, locaţiei şi timpului de detectare a defectului. Urmează detectării defectelor. Include izolarea şi identificarea defectelor.

9/


supraveghere

Performanţele unui sistem de detecţie şi diagnoză sunt date de:

• Promptitudinea detecţiei: detectarea defectelor la puţin timp după apariţia acestora;

• Sensibilitatea la defect: capacitatea sistemului de a detecta erori relativ



• Sensibilitatea la defect: capacitatea sistemului de a detecta erori relativ mici;

• Robusteţea: capacitatea sistemului de a funcţiona în prezenţa zgomotului, perturbaţiilor şi erorilor de modelare cu cât mai puţine alarme false;

• Exactitate: evitarea identificării incorecte a componentelor defecte

10/

TerminologieSistem.Proces.Model

• Sistem: Ansamblu determinat de elemente constituente, interconectate si/sau în interacţiune. Un sistem asigură una sau mai multe funcţii datorită componentelor sale.

• Proces: Ansamblu de fenomene organizate în timp, aparţinând aceluiaşi sistem fizic.

Problema modelării poate fi formulată după cum urmează:

• Fiind dat un sistem dinamic S şi un set de întrebări B despre comportarea acestuia,



• Fiind dat un sistem dinamic S şi un set de întrebări B despre comportarea acestuia,

trebuie să se găsească o reprezentarea M care ajută să se răspundă la întrebările

puse, atunci M se numeşte model al lui S.

• Această formulare generală arată că pentru ca modelul folosit să rezolve o problemă dată trebuie să fie adaptat întrebărilor la care trebuie să răspundă. De aceea nu se poate vorbi de un model unic ci de mai multe modele diferite Mi, ale unui sistem dat S.

• Stabilirea modelului matematic al procesului se face prin modelare şi identificare.

11/


• Model cantitativ: folosirea relaţiilor statice şi dinamice între parametrii şi variabilele unui sistem pentru a descrie comportarea sistemului în termeni matematici cantitativi.

• Model calitativ: folosirea relaţiilor statice şi dinamice între parametrii şi variabilele unui sistem pentru a descrie comportarea sistemului în termeni calitativi, cum ar fi



unui sistem pentru a descrie comportarea sistemului în termeni calitativi, cum ar fi relaţiile de cauzalitate (if-then).

• Model de diagnoză: Un set de relaţii statice sau dinamice care leagă variabile de intrare specifice (simptomele) de variabile specifice de ieşire (defectele).

12/


Nivele de reprezentare a

modelelor pentru diagnoză



13/

TerminologieStări şi semnale

• Defect: o deviaţie nepermisă a cel puţin unei proprietăţi caracteristici a sistemului de la condiţiile acceptate /uzuale /standard. Anomalie de comportament a unui sistem fizic. Un defect nu conduce neapărat la o defectare.

O primă clasificare a defectelor se poate face în funcţie de influenţa pe care acestea o au asupra ieşirilor procesului:



au asupra ieşirilor procesului:

– aditive (dacă influenţează ieşirea procesului prin adunare la aceasta);

– multiplicative (dacă influenţează ieşirea procesului prin produsul dintre intrare şi defect).

Din punct de vedere al procesului supravegheat, defectele pot fi împărţite în trei categorii:

– defecte ale elementelor de execuţie;

– defecte ale elementelor componente ale procesului;

– defecte ale senzorilor.

14/


• Defectare: deteriorarea sau întreruperea capacităţii unui sistem de a asigura o funcţie cerută în condiţiile de funcţionare specificate. Anomalie funcţionala a unui sistem fizic.

O defectare este datorată apariţiei unuia sau mai multor defecte.



• Eroare: Diferenţa între o valoare măsurată sau calculată (a unei variabile de intrare) şi valoare adevărată, specificată sau teoretic corectă a acesteia.

• Reziduu: Indicator de defect, bazat pe devierea între măsurători şi valorile calculate pe baza ecuaţiilor modelului procesului. Un reziduu este un semnal ce indică anomaliile comportamentale şi funcţionale (conţine semne şi simptome). În procesul de detecţie deciziile sunt luate pe baza acestor reziduuri.

15/


• După analiza reziduurilor, dispunem de încă un indicator, vectorul denumit codul

defectului, semnătură (Isermann and Balle, 1996) sau amprentă (Maquin and Ragot, 1996), care este imaginea incidentelor procesului. Această amprentă experimentală este apoi comparată cu amprentele teoretice care corespund ansamblului defecţiunilor ce pot caracteriza a priori procesul. Pe baza acestor semnături sunt luate deciziile în procesul de diagnoză.



semnături sunt luate deciziile în procesul de diagnoză.

• Simptom: schimbarea unei cantităţi observabile faţă de comportarea normală. Caracter distinctiv al unei stări de funcţionare anormală.

• Sindrom: totalitatea simptomelor care caracterizează o anumită defectare.

16/

Principiile diagnozei tehnice bazate pe

modelele analitice• Diagnoza tehnică se află la răscrucea mai multor domenii cum ar fi: automatica,

prelucrarea semnalelor sau informatica.

• Metodele de detectare şi diagnoză a defectelor nu au un caracter universal. În funcţie de natura proceselor, echipamentelor sau a sistemelor de conducere trebuie să se pună în practică, de fiecare dată, metode specifice ce ţin cont de tehnologiile folosite.

Procedura de diagnosticare se focalizează întotdeauna în jurul următoarelor etape:



Procedura de diagnosticare se focalizează întotdeauna în jurul următoarelor etape:

17/

Etape Scop Caracteristica

Detectia defectului Prezenta defect Timpul de detectare

Izolarea defectului Localizare defect Tip defect; locul de producere; momentul producerii

Identificarea defectului Evolutia comportariidefectului

Marimea si comportarea in timp a defectului


modelele analitice

Procedura de diagnosticare se bazeaza pe:

• extragerea de informaţii necesare punerii în formă a caracteristicilor asociate funcţionării normale şi anormale, pornind de la mijloace de măsură adecvate şi observaţii utile furnizate de către personalul de exploatare şi supraveghere al instalaţiei;

• elaborarea caracteristicilor şi semnăturilor asociate simptomelor revelatoare de



• elaborarea caracteristicilor şi semnăturilor asociate simptomelor revelatoare de defecte cu scopul detectării unei disfuncţionalităţi;

• detectarea unei disfuncţionalităţi prin comparare cu semnăturile asociate stărilor de funcţionare normală şi definirea indicatorilor de încredere în detecţie;

• utilizarea unei metode de diagnosticare a defectelor plecând de la utilizarea relaţiilor cauză-efect;

• luarea deciziei în funcţie de consecinţele defectelor detectate. Această etapă poate conduce la o oprire a instalaţiei, dacă consecinţele sunt grave sau la o reconfigurare a funcţionării instalaţiei.

18/


modelele analiticeSchema generală

Extragerea de informaŃii necesare

caracterizării funcŃionării normale şi

anormale

Modelarea procesului şi a

defectelor posibile

Generarea simptomelor



19/

Generarea simptomelor

revelatoare de defecte

Metode de cuantificare a

informaŃiilor în scopul detectării unei

disfuncŃionalităŃi

Detectarea unei disfuncŃionalităŃi prin

comparare cu starea de funcŃionare normală şi

definirea indicatorilor de încredere în detecŃie

Utilizarea unei metode de diagnosticare şi

luarea deciziei


modelele analiticePrin generarea analitică a simptomelor se înţelege cuantificarea

cunoştinţelor analitice despre proces. În acest sens trebuie realizată o prelucrare a datelor rezultate din măsurători asupra procesului, pentru a genera mai întâi valorile caracteristice prin:

• verificarea valorilor limită a semnalelor direct măsurabile. Valorile

caracteristice sunt depăşirile toleranţelor semnalelor



caracteristice sunt depăşirile toleranţelor semnalelor

• analiza semnalelor, a celor direct măsurabile, prin folosirea modelelor de semnal cum ar fi funcţiile de corelare, spectrul de frecventă, sau media alunecătoare autoregresivă (ARMA). Valorile caracteristice sunt de

exemplu varianţe, amplitudini, frecvenţe sau parametrii modelului

• analiza procesului folosind modele matematice ale procesului împreună cu metode de estimare a parametrilor, estimare a stării sau ecuaţii de paritate. Valorile caracteristice sunt diferentele variabilelor fata de

comportarea normala a procesului.

20/


modelele analitice

Din aceste valori caracteristice se pot deduce informaţii speciale, ca de exemplu coeficienţii procesului definiţi fizic, sau reziduuri special filtrate sau transformate.

Aceste caracteristici sunt apoi comparate cu caracteristicile normale ale procesului fără defecte. Pentru aceasta se aplică metode de detectare a modificărilor produse de defect şi clasificare a lor. Modificările rezultate



modificărilor produse de defect şi clasificare a lor. Modificările rezultate (discrepanţele) în semnalele direct măsurabile, în modelele semnalelor sau ale procesului sunt considerate ca simptome analitice.

21/


modelele analiticeAdiţional la generarea simptomelor folosind informaţii cuantificabile,

generarea simptomelor euristice se poate realiza prin folosirea informaţiilor calitative de la operatorii umani. Prin observaţii şi inspecţii făcute de operatorii umani se pot obţine valori euristice caracteristice, sub formă de zgomote speciale, culori, mirosuri, vibraţii, uzuri şi rupturi, etc. Istoria procesului (întreţineri efectuate, reparaţii, defecte anterioare,



durată de viaţă sau măsurători) poate constitui o viitoare sursă de informaţii euristice. Se pot adăuga date statistice (probabilităţi de defectare, etc.) rezultate din experienţa aceluiaşi proces sau a unor procese similare.

Astfel se pot genera simptome euristice reprezentabile prin variabile lingvistice (ex. mic, mediu, mare) sau numere vagi (ex. în jurul unei anumite valori).

22/


modelele analiticeDiagnoza defectelor constă în determinarea tipului, mărimii şi localizării

defectului, precum şi a momentului apariţiei acestuia, bazat pe simptomele observate analitic sau euristic.

Selecţionarea unei metode de detecţie şi diagnoză potrivită pentru un anumit proces industrial nu se poate face decât după o trecere în revistă a necesităţilor şi informaţiilor disponibile. Pentru a alege cea mai eficace



necesităţilor şi informaţiilor disponibile. Pentru a alege cea mai eficace soluţie tehnică şi economică trebuie inventariate următoarele elemente:

– natura cauzelor defectelor ce pot apărea;

– cunoaşterea simptomelor asociate defectelor şi cauzelor ce le-au provocat;

– mijloacele de măsură şi prelucrare a simptomelor;

– cunoaşterea relaţiilor fizice cauză-efect;

– istoricul funcţionării instalaţiei;

– identificarea utilizatorilor finali ai diagnosticului.

23/


modelele analiticeTaxonomia metodelor de detectare şi diagnoză permite o primă clasificare a

acestora în două mari familii: metode interne şi externe, în funcţie de folosirea sau nu a unui model matematic al procesului şi metode inductive

şi deductive, în funcţie de parcurgere relaţiilor cauză-efect.

Metodele interne sunt în principal derivate din tehnicile utilizate în automatică. Pornind de la modele fizice sau de comportament, validate



automatică. Pornind de la modele fizice sau de comportament, validate prin tehnici de identificare a parametrilor, este urmărită evoluţia în timp a parametrilor fizici. Acest lucru necesită evident o cunoaştere aprofundată a funcţionării procesului sub forma modelelor matematice, iar dacă nici un model nu este disponibil, atunci trebuie folosită experienţa umană asupra procesului şi se apelează la metodele externe de detecţie şi diagnoză. În această categorie regăsim toate metodele bazate pe inteligenţă artificială: sisteme fuzzy, reţelele neuronale, algoritmi genetici sau sistemele expert.

24/


modelele analiticeTaxonomia metodelor de detectare şi diagnoză permite o primă clasificare a

acestora în două mari familii: metode interne şi externe, în funcţie de folosirea sau nu a unui model matematic al procesului şi metode inductive

şi deductive, în funcţie de parcurgere relaţiilor cauză-efect.

• Metodele inductive, sunt caracterizate de utilizarea raţionamentului



• Metodele inductive, sunt caracterizate de utilizarea raţionamentului cauzal cu o abordare crescătoare. Se porneste de la identificarea tuturor combinaţiilor evenimentelor elementare posibile ce conduc la producerea unui eveniment unic nedorit (ex. metoda arborilor de defectare).

• Un demers invers, deductiv ar fi căutarea cauzelor posibile pornind de la evenimentul nedorit. Astfel de metode deductive folosesc de exemplu structuri ca arborele de funcţionare.

25/

Date post:	01-Sep-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	67 times
Download:	2 times

Diagnoza sistemelor tehnice - shiva.pub.ro · detectarea şi diagnoza automată a defectelor,...

Documents