Aby uniknąć przestojów w pracy maszyn i urządzeń i móc prognozować takie sytuacje w określonym czasie, należy stosować metody zapobiegawcze poprzez aproksymację statystyczną zmian stanu dynamicznego maszyny, stopnia zaawansowania jej zużycia oraz poziomu i rodzaju uszkodzeń. Celem jest zapobieganie nieprzewidzianym awariom i wprowadzenie działań zapobiegawczych przed wystąpieniem poważnych niesprawności zespołu maszyn zależnych od siebie w procesie produkcyjnym.

Sprawdzanie eksploatacji maszyn na podstawie obserwacji organoleptycznej lub okresowej ich diagnostyki w ramach przeglądów technicznych już nie wystarczy do osiągnięcia wymaganej sprawności procesu produkcyjnego.

Diagnostyka planowo-zapobiegawcza
W eksploatacji planowo-zapobiegawczej każdy podzespół lub zespół wykonawczy, pomiarowy bądź łączony (elektryczny, hydrauliczny, pneumatyczny lub mechaniczny) traktowany jest w sposób indywidualny, a prognozowanie stanu opisywane jest wyłącznie z uwzględnieniem określonych warunków eksploatacyjno-użytkowych. Czas napraw głównych lub pomocniczych nie jest narzucony w harmonogramie okresowych przeglądów i remontów maszyn w przedsiębiorstwie, ale zależy od chwilowego stanu technicznego danego elementu urządzenia. Naprawa realizowana jest wyłącznie w sytuacjach koniecznych, kiedy dalsza eksploatacja maszyny może stanowić zagrożenie dla użytkowników, spowolnić proces produkcyjny lub zatrzymać posuw linii produkcyjnej na danym odcinku wykonawczym. Wcześniej obsługa techniczna systematycznie wykonuje usługi diagnostyczne i indywidualnie określa stan techniczny danego podzespołu maszyny.

Obecnie do tego celu wykorzystuje się nowoczesne i bardzo precyzyjne metody badań diagnostycznych – zaawansowane systemy monitorujące jak źródło informacji wykorzystują sygnały przesyłane w czasie rzeczywistym do sterownika nadzorującego, będące odniesieniem do sygnałów wzorcowych zawartych w oprogramowaniu sterownika (te określają poprawny stan pracy maszyny lub całego odcinka linii produkcyjnej). Są to najczęściej sygnały napięciowe lub prądowe. Punktem odniesienia mogą także być sygnały określające wartości napięć i prądu zasilającego na danym odcinku wykonawczym oraz połączenia mas. Pozostałe układy pneumatyczne i hydrauliczne są zazwyczaj nadzorowane przez elektroniczne elementy pomiarowe. Przebiegi charakterystyk sygnałów zależą od typu i budowy elementu pomiarowego oraz jego zamocowania, a także zasad określających poprawność funkcjonowania danego odcinka wykonawczego podzespołu maszyny.

Automatyzacja diagnostyki stanu technicznego maszyn
Do rozwoju automatyzacji procesów diagnostycznych monitorowania stanu technicznego maszyn i sposobu sterowania tym procesem w dużym stopniu przyczynia się wzrastająca dokładność pomiarów i ich odporność na zakłócenia. Sytuacja ta wynika głównie z rozwoju technik przetwarzania sygnałów, technologii urządzeń pomiarowych i elementów bazowych (sterujących). Obecnie w technice pomiarowej korzystamy z sygnałów cyfrowych, układów i systemów mikroprocesorowych oraz komputerów. Wynika to m.in. z szybkości przetwarzania informacji, dokładności i wysokiej odporności na zakłócenia prze­twarzanych danych oraz łatwości przesyłania informacji w sposób bezprzewodowy. Wprowadzenie układów cyfrowych do procesu sterowania pozwala na uzyskanie dotychczas nieosiągalnej dokładności i szybkości sterowania urządzeniami.

Do określenia zakłóceń w pracy maszyny będących następstwem uszkodzeń mechanicznych lub postępujących procesów zużycia tribologicznego mogą służyć sygnały wibroakustyczne, które towarzyszą każdemu procesowi eksploatacyjnemu lub wytwórczemu. Informują one o procesach dynamicznych zachodzących w maszynach w zakresie drgań strukturalnych i zjawisk wibroakustycznych – w zakresie częstotliwości od ułamka Hz do kilkudziesięciu Mhz. Dzięki tym pomiarom można określić początek postępującego uszkodzenia podzespołu maszyny, a następnie obserwować jego przebieg i określić czas wymiany. Ocenę przebiegu drgań zespołu maszynowego można przeprowadzić w odniesieniu do obowiązujących norm lub kryteriów ustalonych na podstawie indywidualnych badań przebiegu zużycia danego podzespołu.

W celu przedstawienia skomplikowanych informacji wibroakustycznych stosuje się złożone kombinacje sygnałów logicznych zamiast sygnałów pojedynczych (np. za po­mocą dwóch sygnałów można przedstawić cztery różne informacje, za pomocą trzech – osiem informacji itd.). Pewnym ograniczeniem jest postać fizyczna sygnałów – zasadniczo mogą one być pneumatyczne, hydrauliczne i elektryczne, zależnie od stopnia zawansowania systemu monitorowania. Wybór wielkości fizycznej sygnału uzależnia potencjalny układ automatycznego sterowania procesem diagnostycznym od niezbędnej aparatury, co ma bezpośred­ni związek z jakością transmisji.

Potencjał sygnałów elektrycznych
Zastosowanie czujników pomiarowych umożli­wia przekształcanie sygnałów fizycznych bezpośrednio na elektryczne, co znacznie przyspiesza proces automatyzacji, a zarazem wpływa na jakość transmisji danych. Sygnały elektryczne napięciowe są łatwe do wytworzenia, przesyłania i prze­twarzania według elastycznych algorytmów.

Dążenie do zmiany innych rodzajów sygnałów na elektryczne wynika z tego, że informacja elektryczna może być odpowiednio szybko przetworzona, np. przez dys­kretyzację, i dodatkowo przeanalizowana pod kątem ewentualnych odchyleń od normy (przez zastosowanie czujników redundancyjnych). Wprowadzenie czujni­ków pomiarowych jako elementów składowych układów automatycznego sterowania znacznie przyspieszyło pracę całego układu i precyzję wykonywania żądanego zadania.

Sygnał pomiarowy definiujemy jako wielkość fizyczną oddziałującą na prze­twornik pomiarowy, której jedna z cech jest odwzorowaniem wielkości mierzonej. Przykładowo sygnałem pomiarowym może być napięcie, drgania itp. Sygnał taki oddziałuje na przetwornik pomiarowy i jest w nim przetwarzany, co zawsze wiąże się z przekazywaniem i przetwarzaniem energii. Często zamiast korzystać z bezpośredniej reprezentacji funkcyjnej, używamy pewnej reprezentacji sygnału. Uzyskanie dużej dokładności jest możliwe tylko poprzez zastosowanie wielu elementów pomiarowych i osiągnięcie szybkiej transmisji danych, a następnie poprzez ich analizę i ewentualną korektę.

Wadą sygnałów elektrycznych jest prawdopodobieństwo wystąpienia ewentualnych niezaplanowanych zakłóceń w wyniku indukowania napięć, efektu termoelektrycznego, wahań impedancji itd. Jednak rozwój elektronicznych systemów pomiarowych i transmi­sji sygnałów obecnie minimalizuje możliwość wystąpienia ewentualnych błędów.

Sygnały diagnostyczne
Większość współczesnych zakłóceń da się przewidzieć, dlatego w celu ich ograniczenia lub wykonania korekty stosujemy układy zabezpieczające lub kompensacyjne. Do ważniejszych parametrów decydujących o dokładności zespołów nadzorujących stan techniczny maszyn w czasie rzeczywistym należą sygnały i zaawansowanie systemów pomiarowo-wykonawczych.

Sygnał diagnostyczny to sygnał, który ma stałą dziedzinę, czyli jest zdefiniowany w każdej war­tości argumentu w przedziale skończonym lub nieskończonym. Zazwyczaj się za­kłada, że wartością argumentów jest czas, będący zmienną ciągłą. Definiując model deterministyczny sygnału ciągłego, powinniśmy ująć go jako funkcję określoną w danym przedziale argumentu, np. czasu, z tym że funkcja ta nie musi być ciągła, w szczególności zaś może zawierać nieskończoną liczbę punktów nieciągłości. Takie sygnały można zapisać w formie parametrycznej i nieparametrycznej. Opis parametryczny polega na tym, że sy­gnał jest definiowany za pomocą określonych wartości współczynników zwanych parame­trami. Opis nieparametryczny dotyczy sygnałów, których nie da się zdefiniować za pomocą skończonej liczby wartości. W praktyce trudno w sposób parametryczny przedstawić rze­czywiste sygnały opisujące przebieg zmian temperatury, wilgotności, ciśnienia itp.

Sygnały wykładnicze i impulsowe stanowią najprostszy przykład opisu parame­trycznego. Mają one duże znaczenie nie tylko w automatyce, ale też w elektro­nice lub robotyce. Umożliwiają przedstawianie wszystkich sygnałów wyjściowych układów liniowych za pomocą liniowych kombinacji sygnałów. Przykładem sy­gnału ciągłego w czasie może być zmiana temperatury na osi czasu lub zmiana napięcia elektrycznego w wyniku przetworzenia fali akustycznej (sygnał zareje­strowany przez mikrofon) w czasie. Przeciwieństwem sygnału ciągłego (analogo­wego) jest sygnał skwantowany, nazywany dyskretnym.

Sygnał impulsowy to taki, który przybiera wartości różne od zera jedy­nie w przedziale skończonym. Dlatego nazywany jest również też skończonym w czasie. Sygnał impulsowy nie zawsze jest impulsem. Może być zarówno stały, jak i dyskretny. Sygnał dyskretny nazywany jest modelem wielkości zmiennej (dyskretnej lub dyskretyzo­wanej), która jest określona tylko w dyskretnych chwilach. Definiowany jest jako ciąg liczbowy i powstaje w wyniku próbkowania sygnału ciągłego lub sy­gnału ograniczanego przedziałem. Każda wartość powstałego ciągu stanowi próbkę sygnału. W przypadku sygnału analogowego poszczególne próbki sygnału mogą przyjmować dowolne wartości ze zbioru nieograniczonego (sygnał ciągły) lub ograniczonego (sygnał impulsowy).

Najtrudniejszym przypadkiem są sygnały losowe, nazywane stochastycznymi lub przypadkowymi, czyli takie, których nie da się zdefiniować dokładnymi zależnościami matematycznymi, ponieważ każdy wynik obserwacji przebiegu całej funkcji sygnału jest jednym z wielu możliwych do uzyskania wyników. Można zatem stwierdzić, że sygnał główny przyjmuje różną formę sygnałów w czasie trwania.

Każdy sygnał losowy jest niepowtarzalny. Można je po­dzielić ogólnie na dwie grupy: z czasem ciągłym i czasem dyskretnym, a także – ze względu na cechy probabilistyczne – na stacjonarne i niestacjonarne. Sygnałem stacjonarnym nazywamy taki, którego charaktery­styka statystyczna, np. wartość średnia, funkcja korekcji, stanowi funkcję czasu, czyli nie zależy od wyboru wartości początkowej. Sygnały niestacjonarne natomiast dzielimy na ergodyczne i nieergodyczne. Procesem ergodycznym nazywamy proces, którego losowa statystyczna charakterystyka, utworzona ze zbioru realizacji dowolnej chwi­li, jest równa podobnej charakterystyce otrzymanej z jednej realizacji procesu, ob­liczonej jako średnia (aproksymacyjna) w dostatecznie długim okresie.

Wszystkie rzeczywiste sygnały stanowią sygnały losowe, jedynie ich deterministyczny charak­ter można określić przez uproszczoną analizę. Przykładem sygnałów losowych w systemach monitorowania stanu technicznego maszyn w przemyśle są zakłócenia będące nieprzewidzianą zmienną niezgodną z żadnymi przewidywaniami. Może to być np. zastosowanie wadliwej części o innej strukturę materiału stanowiącej dodatkowe źródło hałasu i drgań. Obecnie coraz częściej wykorzystuje się sterowany komputerowo – za pomocą analizy sygnałów różnego typu – monitoring stanu technicznego maszyn w czasie rzeczywistym.

-----------------------------------------------

Monitorowanie pracy maszyn wirujących
Firma SKF oferuje systemy zarządzania zasobami SKF @ptitude. Umożliwiają one m.in. szybką transmisję danych między różnymi funkcjami wykonawczymi, pobieranie i analizę danych dotyczących stanu maszyny w jednym programie, przekładanie optymalnych rozwiązań na pozostałe systemy w zakładzie i pełną współpracę z systemem zarządzania utrzymaniem ruchu. Przyrządy SKF do pomiaru drgań umożliwiają niezakłócone utrzymanie ruchu i ocenę stanu technicznego maszyn w zależności od ich rzeczywistego stopnia zużycia.

Firma oferuje m.in.: przenośne przyrządy do gromadzenia, przechowywania i przeglądu danych na temat stanu technicznego maszyn i procesów, systemy kontroli i analizatory danych, systemy online umożliwiające stały nadzór nad maszynami i ich ochronę, czujniki drgań i sondy prądów wirowych.

Urządzenia wykorzystywane są do pomiaru drgań całego napędu, pomiarów temperatur w jego ważnych punktach, główne węzłach kinematycznych łożyskowych, i pomiarów prądu. Dają możliwość monitorowania stanu technicznego łożysk tocznych z wykorzystaniem metody SPM lub metody detekcji obwiedni.

Poprawa efektywności energetycznej maszyn
System diagnostyczny firmy Elmodis umożliwia poprawę efektywności energetycznej eksploatowanych maszyn o napędzie elektrycznym. Pozwala na całkowite monitorowanie, diagnostykę i predykcję stanu technicznego maszyny oraz zmniejszenie kosztów jej użytkowania dzięki zaawansowanym pomiarom elektrycznym. Wykorzystuje algorytmy w technologii ADEC, co pozwala na szybkie i precyzyjne wykrycie źródła niesprawności zespołu. System opiera się na pomiarach napięć i prądów zasilających maszynę. Analiza pozwala na interpretację rzeczywistego stanu technicznego maszyny i prognozowanie jej przyszłych niesprawności.

Integracja systemu z maszyną odbywa się w obwodzie zasilania bez ingerencji w pozostałe układy elektryczne. Informacje rejestrowane są pamięci urządzenia i przesyłane na serwer. Ułatwia to obsługę i monitorowanie stanu wielu urządzeń równocześnie. System wykorzystywany jest m.in. do monitorowania pomp i sprężarek biorących udział w procesie transportu surowca petrochemicznego, wykrywania nieszczelności w układach hydraulicznych, ciągłego monitorowania sprawności i wydajności urządzeń, informowania o wczesnych objawach zużycia elementów, zatkania filtrów czy uszkodzenia zaworów. Może być rozbudowywany o dodatkowe czujniki i jest integralny z większością systemów zbierających dane z urządzeń. Wykorzystuje łączność bezprzewodową.

Monitorowanie stanu technicznego rolek
System grupy Güdel pozwala na monitorowanie stanu technicznego rolek stosowanych na liniach produkcyjnych. Pozwala na obliczanie przewidywanego czasu trwałości podzespołu i diagnozuje stan techniczny na podstawie określonych pomiarów przy wykorzystaniu indywidualnego modelu matematycznego do obliczania stanu rolek. Wyposażony jest w czujniki drgań, czujniki prędkości, system Wi-Fi oraz dodatkowe elementy elektryczne. Organizuje, archiwizuje i przetwarza dane oraz umożliwia automatyczną identyfikację wyposażenia na stanowisku. Monitorowanie stanu technicznego rolek ma szczególne znaczenie dla torów jezdnych robotów, systemów transportowych lub osi liniowych na każdym etapie użytkowania.

Program Güdel Condition Manager umożliwia komunikację z systemem. Transmisja danych odbywa się za pomocą sieci W-LAN lub LAN. Oprogramowanie pozwala na prowadzenie dokumentacji wykonanych prac konserwacyjnych, zapis historii usterek, wizualizację danych i prognozowanie trendów.

+++
Autor jest członkiem stowarzyszenia Naukowo-Technicznego Inżynierów i Techników Przemysłu Naftowego i Gazowniczego przy Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH