ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.09 Elektrohidraulikus berendezések hibadiagnosztizálása sajtológép példáján Tárgyszavak: elektrohidraulika; szerszámgép; hibadiagnosztizálás; karbantartás; javítás; sajtológép. A hiba behatárolásának módjai A termelékenység növelésének követelménye üzemzavar esetén egyúttal a gépi berendezések hibáját okozó alkatrész gyors felismerését, javítását, cseréjét is igényli. A tapasztalatok szerint a hibás alkatrészt jelenleg általában a gép kezelőjének beszámolója, illetve korábbi ismeretek alapján igyekeznek megkeresni. A hiba behatárolásának elősegítésére modellalapú megközelítést és ismeretalapú megközelítést, valamint ezeket kombináló diagnosztikai rendszereket alkalmazhatnak. A diagnosztikai rendszerek osztályozásának lényeges szempontja az ismeretek megszerzésének, ábrázolásának és értékelésének módja. Az ismeretek értékelése méréstechnikai szempontból kvantitatív vagy kvalitatív modellrendszer alapján végezhető. Kvantitatív rendszer alkalmazható, ha a diagnosztizálandó rendszer matematikailag egyszerű, egzakt módon leírható, és a diagnózis a tényleges és a névleges jelek eltérése alapján végezhető. A kvalitatív modellrendszerek a géphez tartozó érzékelők jeleit értékelik, a megállapítások alapja a rendszeren megfigyelhető mennyiségek, jelenségek elemzése az okok és okozatok elve alapján. A heurisztikus osztályozás olyan problémák esetén alkalmazható, amelyek bizonyos jellegzetességeivel kapcsolatban tapasztalati ismeretek léteznek, míg a funkcionális osztályozás nagyszámú, moduláris öszszetevővel leírható technikai rendszerekre alkalmazható előnyösen. Az összetevők különböző állapotokban lehetnek, és állapotaik a technikai rendszer munkaközegeit befolyásolhatják vagy módosíthatják. Valamely összetevő normálistól eltérő állapota az összetevőnek a közegre (pl. hidraulikaolajra) kifejtett hatását leíró modell alapján generálható. Az össze-
tevőknek a közegekre kifejtett hatásait szabályok írják le, a közegekre jellemző tulajdonságok pedig a reális rendszeren mérhető paraméterekkel ellenőrizhetők, amelyek eltérései alapján az összetevők állapotára lehet következtetni. A diagnosztikai rendszer felépítése A Karlsruhei Egyetem Gyártástechnikai Intézetében diagnosztikai segédeszközt fejlesztettek ki (DiHyPro), amelynek feladata, hogy a berendezés saját érzékelőinek jelei alapján magának a berendezésnek az állapotáról és a berendezés működési zavarait okozó összetevőkről adjon tájékoztatást. A DiHyPro a berendezés irányítórendszerétől független, off-line üzemmódú eszköz, amely internetalapú tudásbázisként támogatja a karbantartó javító személyzet munkáját. Az elsősorban hidraulikus berendezésekhez kifejlesztett rendszer azonban villamos, mechanikus vagy hidraulikus elemeket tartalmazó gyártórendszerek diagnosztizálására is alkalmazható. A korszerű hidraulikus berendezések nagyszámú, egymással kölcsönhatásban álló, mechanikus, hidraulikus és villamos elemből épülnek fel. Ezért lehetőséget kell teremteni arra, hogy a reális gép viselkedését a számítógép elemeivel le lehessen képezni. Az 1. ábra szemlélteti a tudásbázisból, a tulajdonképpeni megoldó algoritmust tartalmazó problémamegoldó egységből, valamint a szakértő és a karbantartó javító számára a berendezéshez való csatlakozást lehetővé tevő egységből álló rendszert. Az ismeretek bevezetésére szolgáló bemeneten a szakértő az alkatrészekkel kapcsolatos adatokat és tapasztalati értékeket közölhet a rendszerrel, valamint a berendezés szerkezeti modelljét adhatja meg. A karbantartó személy csak diagnosztikai célokból férhet hozzá egy dialóguskomponensen keresztül a rendszerhez. A diagnosztikai rendszer a szerszámgép névleges adatait hasonlítja össze a tényleges adatokkal. A diagnosztikai rendszer magja a problémamegoldó összetevő mellett a tudásbázis, amely alapismereteket és termékre jellemző ismereteket tartalmaz. A tudásbázis három tartománya az előzetesen definiált alkatrészekkel és a vizsgált gép struktúrájával kapcsolatos, ill. a tapasztalatokon alapuló ismereteket foglalja össze. A gépszerkezeti ismeretek Az előzetesen definiált, jellemző paraméterekkel és rögzített csatlakozási értékekkel leírt, mechanikus, hidraulikus és villamos elemeket tar-
talmazó alkatrészosztályok a berendezéstől független alapismereteket alkotják. Az alapismeretek külön csoportjába tartoznak a szelepek, amelyeket adott átáramlási adatok és szabványos szimbólumok jellemeznek. Az előzetesen definiált elemek közötti mechanikus, hidraulikus és villamos összeköttetések megvalósításával történik a vizsgált szerszámgép funkcionális és szerkezeti összefüggéseinek leképezése. Itt valósul meg a hidraulikus szelepek és a hidraulikus logikai rendszerek leképezése is. szakértő karbantartó ismeretek bevitele problémamegoldás dialógus a gépszerkezeti ismeretek TUDÁSBÁZIS alkatrészekkel kapcsolatos ismeretek alapismeretek mechanikai hidraulikai villamos tapasztalati ismeretek 1. ábra A diagnosztikai eszköz vázlatos felépítése A tapasztalatokon alapuló ismereteket heurisztikus ismeretek alakjában rögzítik. Az elektrohidraulikus sajtológép üzemzavar-jellemzőinek strukturált feldolgozásához több kísérletet végeztek azzal a céllal, hogy az egyes hibajelenségek okait, a tesztelési módszereket, a bekövetkezési gyakoriságokat, valamint a definiált tesztelési eljárásokhoz szükséges mérési pontokat meghatározzák. A teszteket az üzembe helyező irányításával vagy az érzékelők adatait a szerszámgép strukturális modelljével kiértékelve lehet elvégezni.
Tapasztalati ismeretek A tapasztalatokon alapuló ismeretek feldolgozása mindig a szerszámgép felügyelőrendszere által az üzemzavar fellépésekor rögzített hibajelzőszám alapján megy végbe. E hibajelzőszám alapján lehetséges az adatok időbeli egymáshoz rendelése is. A szelepek A hidraulikus köröket alkotó szelepeket két lépésben írják le. Az első lépésben a szeleptípustól független jellemzőket (pl. névleges méret, a nyomásesés függése az átfolyó térfogatáramtól, a működtetési feltételek) írják le, amelyeket az alkatrészeket leíró tudásbázisban helyeznek el. A szeleplogikának a diagnózishoz szükséges leírása a terméktudásbázisban történik. Az átáramlási viszonyokat leíró képekkel a szelep átáramlási körülményeinek összes változós leírása és a szelep alaphelyzetének definíciója végezhető el. Járulékosan működtető elemeket és passzív elemeket választva, a hidraulikus hálózat további jellemzői adhatók meg. A szelep egyes be- és kimenetei közötti hidraulikus kapcsolatot, valamint a működtető elemeknek a gép más alkatrészeihez vezető villamos és mechanikus összeköttetéseit is ebben a lépésben állítják elő. Ezzel az alkatrészkönyvtárral a szelepek a lehető legnagyobb variációs lehetőséggel képezhetők le. A szerszámgép hibaállapotának értékelése A szerszámgép hibaállapotát kiértékelő algoritmus öt nagy részből áll, amelyek különböző módon hasznosítják a géppel kapcsolatban öszszeállított ismeretanyagot. A diagnosztikai rutin közelítő felépítését a 2. ábra szemlélteti. A vizsgálat célja az alkatrészek előírt működőképességének ellenőrzése különböző osztályozások alapján. Az előzetes diagnózis során a gép átadott adatai alapján az érzékelők és a szivattyúhajtások működőképességét ellenőrzik, mivel ez a további felügyelet előfeltétele. Az ezt követő szerkezetelemzésben az érzékelőkkel mért adatokat a vezérléstől várható állapotokkal hasonlítják össze. Ezt követően a rendelkezésre álló tapasztalati ismeretek alapján a szerkezetelemzés során nem biztosan hibásnak vagy működőképesnek minősített alkatrészek elemzését végzik, és az eredményt, illetve a részeredményt a karbantartóval közlik. A
szerkezetelemzés és a tapasztalati ismeretek elemeken addig fut végig a program, ameddig a karbantartó által mért járulékos adatok alapján eredményes lesz a keresés, vagy amíg megszakítják a dialógust. a diagnosztika indítása átadott adatállomány elődiagnózis gépszerkezetelemzés tapasztalati ismeretek dialógus a diagnosztika vége 2. ábra A diagnosztika folyamatábrája Szerkezetelemzés Műszaki szerkezetek funkcionális osztályozással elvégzett elemzésének az az előnye, hogy az egyes alkatrészek hibátlan működéstől észlelt lokális eltérései hibaként ismerhetők fel. Az egyes alkatrészek helyes vagy hibás működésének biztos megítéléséhez a hidraulikafolyadék alkatrész előtti és utáni állapotát meghatározó érzékelőkre lenne szükség. Mivel azonban minden járulékos elem többletköltségekkel és hibalehetőségekkel jár, ezért meg kell kísérelni azt, hogy különféle érzékelők jeleinek értékelésével és kombinálásával minél kevesebb érzékelővel lehetőleg sok alkatrész állapotára lehessen következtetni. Hidraulikus rendszerekben a teljesítményveszteségek általában nyomásvesztéssel járnak, és így az alkatrészek viselkedése elsődlegesen a nyomásjelek értékelésével lehetséges. A rendszer struktúrája hidraulikus ellenállásokból álló hálózatnak tekinthető, amelynek nyomásvesztése hidraulikus körbe iktatott elemeken átáramló közeg térfogatáramából és fajlagos ellenállá-
sából számítható. Minél több elem van egy érzékelő és az eltérést mutató hidraulikaelem között, annál nagyobb az érzékelőnek az érzékelt jellemzőre kifejtett hatása. A nyomásesések értékelése során figyelembe kell venni, hogy a hidraulikus hálózat térfogatáramait az ellenállások soros és párhuzamos kapcsolása befolyásolja. A szerkezetelemzés célja az érzékelők és a diagnosztizálandó alkatrészek közötti hatásláncok és az alkatrészek közötti kölcsönhatásoknak megfelelő összefüggések meghatározása. Az elemzés alapvetően a szelepek, a szivattyúk és a tárolóelemek tartományának vizsgálatára irányul. A különféle vizsgálatok az érintett hidraulikus alkatrészektől kiindulva az ahhoz csatlakozó hajtóelemekre irányulnak. Ez az alapja az alkatrész előírt és tényleges állapota értékelésének. Második lépésként megfelelő hatásláncot építenek fel. Kvázisztatikus esetben a jeleket dinamikus hatások, nyomáslengések elhanyagolásával értékelik ki. Amennyiben az alkatrészhez nem rendelhetők érzékelőelemek, akkor a megfelelő értékeket a diagnózis kiegészítéséhez a karbantartónak kell megmérnie. A szerkezetanalízis befejeztével valamennyi alkatrészt hibátlan, hibás vagy bizonytalan állapotúnak minősítik; ez a tapasztalati ismeretek alapján végezhető további vizsgálat alapja. Az adott szerszámgépre vonatkozó tapasztalati ismeretek értékelésének alapja az üzemzavar esetén a gép vezérlése által generált hibajelzés. E jelzés alapján állítják fel az erre az esetre vonatkozó ok okozat összefüggéseket és ezek tesztelési eljárásait. Ha valamely alkatrészt a szerkezetelemzés során már hibátlannak vagy biztosan hibásnak minősítettek, akkor ezt az alkatrészt ebben a fázisban nem vizsgálják tovább. A bizonytalannak minősített alkatrészek működőképességét a tesztelési eljárásban definiált határértékek és a szerszámgép érzékelőitől kapott jelek alapján vizsgálják. Amennyiben a hibákat kiváltó okok és egy lehetséges hibás alkatrész között nem létesíthető egyértelmű összefüggés, akkor a hibavalószínűségek alapján döntenek. A tapasztalati ismeretek alapján végzett vizsgálatok a hibátlan, hibás és bizonytalan alkatrészállapotokhoz való besorolással végződnek. A hiba okának további behatárolásához a karbantartóval folytatott dialógus során esetleg további méréseket indítanak meg. Hitelesítés A DiHyPro diagnosztikai rendszer hitelesítését sajtoló üzemmódban 1200 löket/min, címkéző üzemmódban 2800 löket/min sebességgel mű-
ködő elektrohidraulikus sajtoló- és kivágógéppel végezték. A gép max. 8 mm vastagságú lemezek megmunkálására alkalmas, a max. sajtolóerő 220 kn. A vizsgálandó alkatrészek száma meghaladta a kétszázat, 12 villamos és 3 mechanikus érzékelő szolgált a gép és az alkatrészek állapotának értékelésére. A kísérletsorozatokban a hidraulikaolaj hőmérsékletét és így viszkozitását, a tárolóelemek előfeszítő nyomását változtatva elemezték a gép működését, és szándékosan előállított hibákkal (nem vezérelt villamos vagy lezárt hidraulikus szelepek, módosított tárolóelemek és elállított érzékelők) határozták meg a szerkezetelemzés lehetőségeit. A diagnosztikai rendszer a szerkezetismeretek és az empirikus ismeretek kombinálásával az esetek 85%-ában megjelölte a valóban hibás alkatrészt. A nem kimutatható hibák száma az alkalmazott érzékelők számától függ; a szerszámgépbe két további érzékelőt szerelve a nem azonosítható hibák száma 50%-kal csökkenthető lenne. A heurisztikus és a funkcionális osztályozáson alapuló diagnosztikai eljárás a gyakorlatban jól használható. A diagnosztikai eszköz felépítése lehetővé teszi az alkatrészadatok és a tapasztalati ismeretek gyors, egységes beadását, és így a növekvő tudásbázis az újabb géptípusok felépítését egyre gyorsabbá teszi. Az alkatrészalapú műszaki rendszerek a funkcionális osztályozással gyorsan és egyszerűen diagnosztizálhatók. A gép struktúrájának értékelése azonban nagymértékben függ az érzékelőelemek jeleinek minőségétől és mennyiségétől, ezért a karbantartó által elvégzett mérések eredményeinek is jelentős szerepe van. Mivel a centralizált rendszerben a hibák felismerése a rendszer méretének, bonyolultságának növekedésével egyre nehezebbé válik, célszerű lenne a hibadiagnózist decentralizálni, kisebb egységekre bontani. Ennek azonban előfeltétele intelligens, azaz integrált hibafelismerési vagy legalábbis állapot-ellenőrzési és jelátviteli lehetőséggel kiegészített alkatrészek alkalmazása. Összeállította: Pálinkás János Irodalom Fleischer, J.: Diagnose elektrohydraulischer Anlagen am Beispiel einer Stanzmaschine. = VDI-Berichte, 2004. 1826. sz. p. 101 116. Klein, U.; Stockmanns, G.: Maschinendiagnose zwischen Euphorie, Skepsis und Realismus. = VDI-Berichte, 2003. 1788. sz. p. 1 28. Getscher, W.: Fehlererkennung und -diagnose an einem Schraubenspindelkompressor durch periodische Vibrationsüberwachung. = VDI-Berichte, 2003. 1788. sz. p. 401 412.