Diagnoza sistemelor tehnice Curs 1: Concepte de bază utilizate în detecţia şi diagnoza defectelor. Terminologie 1/
Diagnoza sistemelor tehnice Cf gr diagnosis = cunoastere Diagnoza (medicina)= determinarea precisa a unei boli pe baza observarii simptomelor caracteristice Diagnoza sistemelor tehnice= determinarea precisa a unui comportament anormal pe baza observarii simptomelor caracteristice 2/
Diagnoza sistemelor tehnice 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 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) Decizie clase de defecte Evaluarea defectelor defecte simptom caracteristici Detectarea defectelor Detectia modificarilor Procesare semnal DETECTAREA SI DIAGNOZA DEFECTELOR ACTIUNI Protectii Semnalizare (alarme) Evaluare semnal PROTECTIE MONITORIZARE Nivelul de supraveghere (procesare informatii) F(defecte) Oprirea instalatiei Schimbarea regimului de functionare Reconfigurare RA u y PROCES ACHIZITIE DATE REGLARE COMANDA Nivelul procesului Intretinere Reparatii 4/
Funcţii ale sistemului de conducere şi supraveghere Reglareasesizează 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. Comandainfluenţează 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/
Funcţii ale sistemului de conducere şi 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-visde 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/
7/ Funcţii ale sistemului de conducere şi 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. 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/reglarecât şi pe cea de monitorizare.
Funcţii ale sistemului de conducere şi supraveghere Sistemele 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 Izolarea defectelor: determinarea tipului de defect, a locului de producere a defectului şi a momentului de detectare. Urmează detectării defectelor. Sedetermină 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.sedetermină cauza care a generat defectarea constatată. 8/
Funcţii ale sistemului de conducere şi 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 identificarenu 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/
Funcţii ale sistemului de conducere şi 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 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/
Sistem.Proces.Model Terminologie 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, 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 M i, ale unui sistem dat S. Stabilirea modelului matematic al procesului se face prin modelare şi identificare. 11/
Terminologie Sistem.Proces.Model 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 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/
Terminologie Sistem.Proces.Model Nivele de reprezentare a modelelor pentru diagnoză 13/
Terminologie Stări 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: 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/
Terminologie Stări şi semnale 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/
Terminologie Stări şi semnale 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 prioriprocesul. Pe baza acestor 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: Etape Scop Caracteristica Detectia defectului Prezenta defect Timpul de detectare Izolareadefectului Localizare defect Tip defect; locul de producere; momentul producerii Identificarea defectului Evolutia comportarii defectului Marimea si comportarea in timp a defectului 17/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe 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 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/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe 19/ modelele analitice Schema generală Extragerea de informańii necesare caracterizării funcńionării normale şi anormale Modelarea procesului şi a defectelor posibile 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
Principiile diagnozei tehnice bazate pe modelele analitice Prin 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 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/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe 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 (discrepanţele) în semnalele direct măsurabile, în modelele semnalelor sau ale procesului sunt considerate ca simptome analitice. 21/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe modelele analitice Adiţional la generarea simptomelor folosind informaţii cuantificabile, generarea simptomelor euristicese 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 euristicereprezentabile prin variabile lingvistice (ex. mic, mediu, mare) sau numere vagi (ex. în jurul unei anumite valori). 22/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe modelele analitice Diagnoza defectelorconstă 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 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/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe modelele analitice Taxonomia 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 internesunt în principal derivate din tehnicile utilizate în 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 externede detecţie şi diagnoză. În această categorie regăsim toate metodele bazate pe inteligenţă artificială: sisteme fuzzy, reţelele neuronale, algoritmi genetici sau sistemele expert. 24/
Principiile diagnozei tehnice bazate pe modelele analitice Taxonomia 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 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, deductivar fi căutarea cauzelor posibile pornind de la evenimentul nedorit. Astfel de metode deductive folosesc de exemplu structuri ca arborele de funcţionare. 25/