podstawy bezpiecze Ństwa funkcjonalnegozkup.mchtr.pw.edu.pl/pom_dyd/smm/smm_08_podstawy...

POLITECHNIKA WARSZAWSKAInstytut Automatyki i Robotyki

PODSTAWY BEZPIECZEŃSTWA FUNKCJONALNEGO

MichaMichałł BartyBartyśś

Systemy Mechatroniczne

Politechnika Warszawska

Wydział Mechatroniki

07-01-2011

Definicje podstawoweDefinicje podstawoweDiagnostyka techniczna Diagnostyka techniczna Rola diagnostyki w eksploatacji systemów Rola diagnostyki w eksploatacji systemów Niezawodność i bezpieczeństwo Niezawodność i bezpieczeństwo Rodzaje badań diagnostycznychRodzaje badań diagnostycznychFazy diagnozowaniaFazy diagnozowaniaRodzaje uszkodzeńRodzaje uszkodzeńPomiary w diagnostycePomiary w diagnostyceMetody diagnostyki sprzętu i oprogramowaniaMetody diagnostyki sprzętu i oprogramowaniaTermowizjaTermowizja

Politechnika Warszawska


2Bezpiecze ństwo funkcjonalne

Bezpiecze ństwo funkcjonalne

to podejście do wszystkich działań w cyklu Ŝyciasystemów zawierających elektryczne i/lub elektroniczne i/lub programowalne elektroniczne elementy składowe nierozerwalnie związane z bezpieczeństwem technicznym.


to podejście do wszystkich działań w cyklu Ŝyciasystemów zawierających elektryczne i/lub elektroniczne i/lub programowalne elektroniczne elementy składowe nierozerwalnie związane z bezpieczeństwem technicznym.


3Literatura

Norma: IEC 61508-7: Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems Part 7: Overview of techniques and measuresw dziale: C.3.9 pt.: Artificial intelligence fault correction rekomenduje monografię:.Fault Diagnosis: Models, Artificial Intelligence, A pplications,J. Korbicz, J. Kościelny, Z. Kowalczuk, W. Cholewa. Springer, 2004, ISBN 3540407677.


4

Defekt [PN-EN 61508-4]to stan nienormalny, który moŜe spowodować zmniejszenie lub utratę zdolności jednostki funkcjonalnej do wypełniania wymaganych funkcji.

Defekt a uszkodzenie

Uszkodzenia szczególnie gro źne w skutkach nazywane s ą awariami .

Uszkodzenie (defekt) to kaŜde zdarzenie destrukcyjne powodujące pogorszenie jakości działania obiektu (elementu obiektu), które powinno być wykrywane w procesie diagnozowania.

Uszkodzenie [PN-EN 61508-4]to utrata zdolności funkcjonalnej do wypełniania wymaganej funkcji.

Podej ście diagnostyczne


5

Klasyfikacja uszkodze ń-podej ście funkcjonalne

Uszkodzenia klasyfikowane s ą jako:� uszkodzenia bezpieczne,� uszkodzenia niebezpieczne.

Uszkodzenia klasyfikowane s ą jako:� uszkodzenia bezpieczne,� uszkodzenia niebezpieczne.

Uszkodzenie niebezpieczne to uszkodzenie, które ma potencjalną moŜliwość wprowadzenia systemu związanego z bezpieczeństwem w stan zagraŜający lub w stan niemoŜliwości wypełniania funkcji.

Uszkodzenie niebezpieczne to uszkodzenie, które ma potencjalną moŜliwość wprowadzenia systemu związanego z bezpieczeństwem w stan zagraŜający lub w stan niemoŜliwości wypełniania funkcji.

Uszkodzenie bezpieczne to uszkodzenie, które nie ma potencjalnej moŜliwości wprowadzenia systemu związanego z bezpieczeństwem w stan zagraŜający lub w stan niemoŜliwości wypełniania funkcji.

Uszkodzenie bezpieczne to uszkodzenie, które nie ma potencjalnej moŜliwości wprowadzenia systemu związanego z bezpieczeństwem w stan zagraŜający lub w stan niemoŜliwości wypełniania funkcji.


6


Fakt czy potencjalna mo Ŝliwo śćsię urzeczywistni, czy teŜ nie, zaleŜy od architektury systemu.

W systemach mających kilka kanałów w celu zwiększenia bezpieczeństwa, prawdopodobieństwo, aby uszkodzenie bezpieczne sprzętu doprowadziło do wyłączenia systemu jest mniejsze.

Podobnie jest mniej prawdopodobne, aby w systemach mających kilka kanałów w celu zwiększenia bezpieczeństwa, uszkodzenie niebezpieczne sprzętu doprowadziło do stanu całkowicie niebezpiecznego lub stanu niemoŜności wypełniania funkcji.

Fakt czy potencjalna mo Ŝliwo śćsię urzeczywistni, czy teŜ nie, zaleŜy od architektury systemu.

W systemach mających kilka kanałów w celu zwiększenia bezpieczeństwa, prawdopodobieństwo, aby uszkodzenie bezpieczne sprzętu doprowadziło do wyłączenia systemu jest mniejsze.

Podobnie jest mniej prawdopodobne, aby w systemach mających kilka kanałów w celu zwiększenia bezpieczeństwa, uszkodzenie niebezpieczne sprzętu doprowadziło do stanu całkowicie niebezpiecznego lub stanu niemoŜności wypełniania funkcji.


7


Uszkodzenia mog ą być:� spowodowane wspólną przyczyną,� wspólnego rodzaju,� zaleŜne.

Uszkodzenia mog ą być:� spowodowane wspólną przyczyną,� wspólnego rodzaju,� zaleŜne.

Uszkodzenie wspólnego rodzaju to uszkodzenie dwóch lub kilku kanałów, następujące w jednakowy sposób i powodujące jednakowebłędne skutki.

Uszkodzenie wspólnego rodzaju to uszkodzenie dwóch lub kilku kanałów, następujące w jednakowy sposób i powodujące jednakowebłędne skutki.

Uszkodzenie spowodowane wspóln ą przyczyn ą, touszkodzenie, które jest wynikiem jednego zdarzenia lub kilku zdarzeń, powodujących jednoczesne uszkodzenie dwóch lub kilku oddzielnych kanałów w systemie wielokanałowym, prowadzące do uszkodzenia systemu.

Uszkodzenie spowodowane wspóln ą przyczyn ą, touszkodzenie, które jest wynikiem jednego zdarzenia lub kilku zdarzeń, powodujących jednoczesne uszkodzenie dwóch lub kilku oddzielnych kanałów w systemie wielokanałowym, prowadzące do uszkodzenia systemu.

Uszkodzenie zale Ŝne to uszkodzenie, którego prawdopodobieństwo nie moŜe być wyraŜone jako iloczyn prawdopodobieństw bezwarunkowych poszczególnych zdarzeń, które je wywołują.

Uszkodzenie zale Ŝne to uszkodzenie, którego prawdopodobieństwo nie moŜe być wyraŜone jako iloczyn prawdopodobieństw bezwarunkowych poszczególnych zdarzeń, które je wywołują.


8


Uszkodzenia s ą zaleŜne gdy:

gdzie:P(A)- prawdopodobieństwo uszkodzenia AP(B)- prawdopodobieństwo uszkodzenia BP(A∧B) – prawdopodobieństwo uszkodzenia A i B

Uszkodzenia s ą zaleŜne gdy:

gdzie:P(A)- prawdopodobieństwo uszkodzenia AP(B)- prawdopodobieństwo uszkodzenia BP(A∧B) – prawdopodobieństwo uszkodzenia A i B

)()()( BPAPBAP ⋅>∩


9

� Autodiagnostyka� Rekonfiguracja

• Zwiększenie dyspozycyjności urządzeń

• Zwiększenie bezpieczeństwa systemów

• Uzyskanie zdolności tolerowania uszkodzeń



• Uzyskanie zdolności tolerowania uszkodzeń

Przykład konstrukcji

Oprogramo-wanie:

Wykrywa zwarcia iprzerwy wewszystkich obwodach czujnika

µP

ASIC

Komparator

D/A

Wyjście 1

A/D

Wyjście 2 Weryfikacja

Układ diagnostyczy

Ustawia na wyj ściu niski sygnał“awaria bezpieczna”

Linearizacja oraz

kompensacja

XTC 345Podwójny

czujnikMicroSENSOR


10

Bezpiecze ństwo funkcjonalne [PN-EN 61508-4]to część bezpieczeństwa całkowitego odnosząca się do EUC i systemu sterowania EUC, która zaleŜy od prawidłowego działania systemów E/E/PE związanych z bezpieczeństwem, systemów związanych z bezpieczeństwem wykonanych w innych technikach i zewnętrznych środków do zmniejszania ryzyka.


EUC – (equipment under control) wyposaŜenie sterowane. System, który odpowiada za sygnały wejściowe z procesu i/lub od operatora i generuje sygnały wyjściowe powodujące, ze EUC działa w sposób poŜądanyE/E/PE – system elektryczny/elektroniczny/programowalny elektroniczny


11


Funkcja bezpiecze ństwato funkcja do zaimplementowania przez system E/E/PE związany z bezpieczeństwem, system związany z bezpieczeństwem wykonany w innej technice lub zewnętrzne urządzenie do zmniejszania ryzyka, którego przeznaczeniem jest osiągnięcie lub utrzymanie stanu bezpiecznego EUC, w odniesieniu do konkretnego zdarzenia zagraŜającego.


12


E/E/PEsystem oparty na technice elektrycznej (E) i/lub elektronicznej (E)

i/lub programowalnej elektronicznej (PE).

Przykłady:- urządzenia elektromechaniczne (E) np. przekaźniki, styczniki,

elektromagnesy, silniki asynchroniczne klatkowe, silniki skokowe.- urządzenia elektroniczne (E) nieprogramowalne z obwodami scalonymi

np. nieprogramowalna karta wejść/wyjść cyfrowych, modem HART, przetwornik pomiarowy nieintelgentny,

- urządzenia elektroniczne oparte na technice komputerowej (PE) np. sterowniki programowalne PLC, systemy DDC, systemy typu soft-control, programowalne multipleksery komunikacyjne, programowalne inteligentne urządzenia pomiarowe i wykonawcze, mikrosterowniki, mikroprocesory, programowalne układy scalone (ASIC, FPGA).


13

Podstawowy system sterowania

Podstawowy system sterowania procesem określany jako BPCS odpowiada za sygnały wejściowe z procesu, związane z nim wyposaŜenie, inne systemy programowalne i/lub operatora procesu, i który generuje sygnały wyjściowe powodujące, Ŝe proces i związane z nim wyposaŜenie pracują w zadany sposób, ale, który nie wykonuje Ŝadnej przyrządowej funkcji bezpieczeństwa, od której Ŝąda się poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL ≥ 1.

Ryzyko procesu ryzyko pochodzące od warunków procesu spowodowanych zdarzeniami nienormalnymi (wyłączając defekt BPCS).

BPCSU V


14Poziom nienaruszalno ści bezpiecze ństwa

Poziom nienaruszalno ści bezpiecze ństwa (SIL) poziom dyskretny (jeden z czterech moŜliwych) do wyszczególnienia wymagań nienaruszalności bezpieczeństwa funkcji bezpieczeństwa, które powinny być przypisane w systemach E/E/PE związanych z bezpieczeństwem, przy czym poziom nienaruszalności bezpieczeństwa 4 jest poziomem najwyŜszym, a poziom nienaruszalności bezpieczeństwa 1 poziomem najniŜszym.

Nienaruszalno ść bezpiecze ństwaprawdopodobieństwo, Ŝe system związany z bezpieczeństwem wykona właściwie wymagane funkcje bezpieczeństwa w określonych warunkach i w określonym przedziale czasowym.



SILw systemie pracującym w trybie na przywołanie np. zawór bezpieczeństwa.

Poziom SIL Średnie prawdopodobieństwo niewypełnienia funkcji bezpieczeństwa na przywołanie - PFD

Dostępnośćsystemu

Czas braku działania systemu w ciągu roku

SIL 1 10-2 - 10-1 90% do 99% 876 do 87,6 h

SIL 2 10-3 - 10-2 99% do 99,9% 87,6 do 8,76 h

SIL 3 10-4 - 10-3 99,9% do 99,99%

8,76 do 0,57 min

SIL 4 10-5 - 10-4 99,99% do 99,9999%

0,57 do 0,053 min



SILw systemie pracującym często lub w trybie ciągłym.

Źródło: http://www.plug.org.pl/pdf/SafetyLon/3%20Podstawy%20bezpieczenstwa%20funkcjonalnego.pdf


17Ryzyko i bezpiecze ństwo

Ryzyko technicznekombinacja częstości lub prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznych zdarzeń awaryjnych i ich konsekwencji prowadzących do określonych szkód, w tym strat zdrowotnych, środowiskowych i/lub materialnych (ekonomicznych).

Bezpiecze ństwoto niewystępowanie ryzyka nieakceptowalnego.

Ryzyko procesu ryzyko pochodzące od warunków procesu spowodowanych zdarzeniami nienormalnymi (wyłączając defekt BPCS).

PN-EN 61508:4 Definicje i skrótowce


18Przyrz ądowa funkcja bezpiecze ństwa

Przyrz ądowa funkcja bezpiecze ństwa (SIF)to funkcja bezpieczeństwa o określonym poziomie nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) konieczna do osiągnięcia bezpieczeństwa funkcjonalnego i która moŜe być albo przyrządową funkcja bezpieczeństwa zabezpieczającą, albo przyrządowa funkcją bezpieczeństwa sterującą.


19Zarządzanie i sterowanie ryzykiem

Zarządzanie ryzykiemsystematyczna realizacja polityki bezpieczeństwa w praktyce z uwzględnieniem procedur i działań mających na celu analizowanie, ocenę i sterowanie ryzykiem.

Sterowanie ryzykiemproces podejmowania decyzji mających na celu zarządzanie ryzykiem, w szczególności racjonalne zmniejszenie lub utrzymywanie ryzyka na określonym poziomie, korzystając z wyników oszacowania i oceny ryzyka.


20Zarządzanie i sterowanie ryzykiem

Podejścia do zarz ądzania i sterowania ryzykiem� aktywne polegające na oddziaływaniu na przyczyny i

czynniki ryzyka oraz� pasywne , koncentrujące się na zabezpieczaniu przed

powaŜnymi awariami i ich skutkami

Najbardziej efektywne s ą podej ścia zintegrowane (Kosmowski)


21Pokrycie diagnostyczne

Pokrycie diagnostyczne to względne zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznych uszkodzeń sprzętu wynikające z działania automatycznych testów diagnostycznych.

∑∑=

Dtotal

DDDCλλ

gdzie: DC – pokrycie diagnostyczneλDD – intensywność wykrytych uszkodzeń niebezpiecznych na godzinęλDtotal – intensywność wystąpienia wszystkich uszkodzeń niebezpiecznych


22Pokrycie diagnostyczne

Pokrycie diagnostyczne moŜe się odnosić do całego systemu związanego z bezpieczeństwem lub jego części. Przykład: Pokrycie diagnostyczne wyznaczone wyłącznie dla torów pomiarowych

∑∑=

Dtotal

DDDCλλ

Bezpieczne pokrycie diagnostyczne lub pokrycie diagnostyczne obejmujące uszkodzenia bezpieczne, jest uŜywane do opisu względnego zmniejszenia prawdopodobieństwa uszkodzeń bezpiecznych sprzętu lub obu bezpiecznych i niebezpiecznych uszkodzeń sprzętu wynikającego z działania automatycznych testów diagnostycznych. MoŜe się odnosić do całego systemu związanego z bezpieczeństwem lub jego części.


23Test sprawdzaj ący

Test sprawdzaj ący to test okresowy wykonywany w celu wykrycia uszkodzeń w systemie związanym z bezpieczeństwem, aby jeśli to konieczne, system mógł być naprawiony do stanu pełnej zdatności („jak nowy”) lub stanu jemu bliskiemu o ile jest to praktycznie moŜliwe.

∑∑=

Dtotal

DDDCλλ

Jeśli test sprawdzaj ący ma być skuteczny, to konieczne jest wykrycie 100%uszkodzeń niebezpiecznych.

Wszystkie wykonywane funkcje bezpieczeństwa są sprawdzane według wymagań specyfikacji bezpieczeństwa E/E/PE. Jeśli stosowane są oddzielne kanały, to testuje się kaŜdy kanał oddzielnie.


24

Diagnostyka:termin ten pochodzi z języka greckiego, gdzie m. in. „diagnosis” – oznacza rozpoznanie, „diagnostikós” – umiejący rozpoznawać.

W "Słowniku wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych" Kopalińskiego(1977) diagnostyka zdefiniowana jest jako dziedzina, która zajmuje się rozpoznawaniem badanego stanu rzeczy przez zaliczenie go do znanego typu lub gatunku, przez przyczynowe i cało ściowe wyja śnienie tego stanu rzeczy, okre ślenie jego fazy obecnej oraz przewidywanego dalszego rozwoju .

Definicje

Jeszcze do niedawna słowo diagnostyka kojarzono nieodmiennie z medycyną, jako jej działem zajmującym się sposobami rozpoznawania chorób na podstawie ich objawów.


25

Klasyfikacja uszkodze ń-podej ście diagnostyczne

Uszkodzenia klasyfikowane s ą jako:� uszkodzenia nagłe (ang. abrupt) lub

� uszkodzenia stopniowe (ang. incipient)

Uszkodzenia klasyfikowane s ą jako:� uszkodzenia nagłe (ang. abrupt) lub

� uszkodzenia stopniowe (ang. incipient)

Uszkodzenia stopniowe narastają w miarę upływu czasu. Metody diagnostyki pozwalają na prognozowanie czasu przekroczenia przez uszkodzenie akceptowalnej wartości

Uszkodzenia stopniowe narastają w miarę upływu czasu. Metody diagnostyki pozwalają na prognozowanie czasu przekroczenia przez uszkodzenie akceptowalnej wartości

Uszkodzenia nagłe występują w sposób przypadkowy i nieprzewidywalny. Są moŜliwe do wykrycia post factum.Uszkodzenia nagłe występują w sposób przypadkowy i nieprzewidywalny. Są moŜliwe do wykrycia post factum.


26

Diagnostyka techniczna� Diagnostyka maszyn� Diagnostyka procesów przemysłowych� Diagnostyka systemów komputerowych� ...

Diagnostyka maszyn zajmuje się oceną stanu urządzeń mechanicznych przez badania bezpośrednie ich własności i badania pośrednie procesów towarzyszących funkcjonowaniu tych urządzeń, tzw. procesów resztkowych (Cempel 1982), (Cempel i Natke, 1997).

Procesy resztkowe mogą mieć charakter mechaniczny, elektryczny, termiczny itp. Wśród tych zjawisk szczególną rolę odgrywają procesy wibroakustyczne (drgania i hałas) ściśle związane z funkcjonowaniem kaŜdej maszyny. Dlatego są one powszechnie wykorzystywane do pośredniej oceny stanu obiektów mechanicznych. Ta gałąź diagnostyki maszyn nazywana jest diagnostyką wibroakustyczną.


27

Diagnostyka procesów przemysłowych zajmuje się rozpoznawaniem zmian stanów procesów ciągłych występujących w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, energetycznym, spoŜywczym itp.

Jako przyczyny zmian stanów rozpatrywane są uszkodzenia i inne zdarzenia destrukcyjne.

Zadaniem diagnostyki procesów przemysłowych jest wcz esne wykrywanie i dokładne rozpoznawanie (rozró Ŝnianie) powstaj ących uszkodze ń.

Zdarzenia destrukcyjne takie jak zuŜycie traktowane są jako pewien rodzaj uszkodzenia, które powinno być wykryte i rozpoznane po przekroczeniu pewnej wartości.

Diagnostyka procesów przemysłowych

W diagnostyce procesów przemysłowych stosowane są metody modelowania, identyfikacji wypracowane na gruncie automatyki,

uwzględniające techniki sztucznej inteligencji.


28

Uszkodzeniem (defektem) jest kaŜde zdarzenie destrukcyjne powodujące pogorszenie jakości działania obiektu (elementu obiektu), które powinno być wykrywane w procesie diagnozowania. Przykładami uszkodzeń są:� uszkodzenia urządzeń technologicznych� uszkodzenia urządzeń pomiarowych i wykonawczych� zaniki zasilania� wystąpienie braku surowców na wejściu aparatu technologicznego� przestawienie przez operatora zaworu ręcznego na niewłaściwą

pozycję� wystąpienie pasoŜytniczych reakcji w reaktorze chemicznym

Uszkodzenia

Takie rozumienie pojęcia uszkodzenia odpowiada angielskiemu terminowi "fault"

Uszkodzenia szczególnie gro źne w skutkach nazywane s ą awariami .


29

Przykład uszkodzenia stopniowo narastaj ącego

Przebiegi zmian wartości współczynników zakoksowania kolumny rektyfikacyjnej


30

Metoda oceny uszkodzenia stopniowego

Ilustracja metody oceny uszkodzenia stopniowo narastającego

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300czas [min]

rj [%]

Obszar dopuszczalnych zmian

Przekroczenie rozmiaru uszkodzeniauznawanego za akceptowalny


31Monitorowanie i prognozowanie

Monitorowanie stopnia degradacji aparatów technologicznych

Prognozowanie czasu do zatrzymania instalacji


32

Przyczyny i skutki uszkodze ń (przykład)

Klasyfikacja przyczyn uszkodzeń konstrukcji betonowychKlasyfikacja przyczyn uszkodzeń konstrukcji betonowych

uszkodzenia nagłe uszkodzenia narastające


33

Przykłady uszkodze ń nagłych

Pęknięty pierścień krzywkowy pomp łopatkowych jest uszkodzeniem typu zmęczeniowego, powstałym w wyniku długotrwałego aczkolwiek nieznacznego przekraczania dopuszczalnego ciśnienia.

Pęknięty pierścień krzywkowy pomp łopatkowych jest uszkodzeniem typu zmęczeniowego, powstałym w wyniku długotrwałego aczkolwiek nieznacznego przekraczania dopuszczalnego ciśnienia.

Odłupania i spękana otulina na dźwigarze mostuOdłupania i spękana otulina na dźwigarze mostu


34

Przykłady uszkodze ń nagłych

Uszkodzenie pasa dolnego blachownicy dźwigara mostu. Zerwanie oraz deformacja nakładek pasowych, deformacjaśebra, środnika oraz ścięcie nitów łączących nakładki pasa

Uszkodzenie pasa dolnego blachownicy dźwigara mostu. Zerwanie oraz deformacja nakładek pasowych, deformacjaśebra, środnika oraz ścięcie nitów łączących nakładki pasa


35

Przykład uszkodzenia

Układ regulacji poziomu soku rzadkiego w stacji wyparnej


36

Symptomy i maskowanie uszkodze ń

Uszkodzenie elementu wykonawczego

Pozostaje tylko 30s na usunięcia awarii !

Juice level in evaporator (snap-shot from faulty state)

Time [s]

PV

in [%

]

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1000 2000 3000 4000

Dangerous situation

Manual control test

Juice level in evaporator (snap-shot from faulty state)

Time [s]

PV

in [%

]

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1000 2000 3000 4000

Dangerous situation

Manual control test

Poziom soku w wyparce PV (stan uszkodzenia elementu wykonawczego)

Czas [s]

Niebezpieczeństwo zanieczyszczenia instalacji wyparnej

Niebezpieczeństwo przegrzania wyparki


37

Zagro Ŝenie techniczne

PV

CV

Juice level in evaporator PV and CV values

Time [s]

30

34

38

42

46

50

54

58

62

0 500 1000 1500 2000 2500

CV

PV

Czas [s]

Poziom soku w wyparce PV i wartość sygnału sterowania elementu wykonawczego CV Wpływ niektórych uszkodzeń moŜe być kompensowanyprzez układ regulacji automatycznej


38

Stan obiektu

Przyjmuje si ę, Ŝe stan obiektu zło Ŝonego okre ślony jest przez zbiór stanów elementów tego obiektu.

Przyczyną zmian stanu są pojawiające się uszkodzenia oraz powroty do stanu normalnego (zdatności).

)]([)( tztz f=

Stan obiektu jest funkcją uszkodzeń


39Formy badania stanu obiektu

� diagnozowanie - którego celem jest określenie aktualnego stanu obiektu

� genezowanie - którego celem jest określenie wcześniejszych (przeszłych) stanów obiektu

� prognozowanie (przewidywanie) - którego celem jest określenie przyszłych stanów

Wyniki rozpoznawania stanu obiektu nazywamy odpowiednio diagnoz ą, genezą i prognoz ą.

Rozpoznawanie stanu obiektu na podstawie aktualnie dostępnych informacji o tym obiekcie, moŜna rozpatrywać jako:


40

Wybrane poj ęcia

Sygnałem diagnostycznym nazywany jest przebieg dowolnej wielkości, będącej nośnikiem informacji o stanie obiektu diagnozowania.

Diagnozowanie (rozpoznawanie stanów) traktowane będzie jako proces wykrywania i rozróŜniania uszkodzeń obiektu w wyniku zbierania, przetwarzania, analizy i oceny sygnałów diagnostycznych.

Test diagnostyczny - ciąg operacji wykonywanych (przez oprogramowanie komputera) na wartościach zmiennych procesowych, w celu sprawdzenia poprawności działania określonego fragmentu obiektu diagnozowania. Negatywny wynik testu jest symptomem stanu nieprawidłowego np. wystąpienia uszkodzenia. Symptomem jest zatem wystąpienie takiej wartości sygnału diagnostycznego, która odpowiada nieprawidłowemu stanowi kontrolowanego fragmentu obiektu diagnozowania.


41

� detekcja uszkodzenia (ang. fault detection) to wykrycie lub ewentualnie zaobserwowanie wystąpienia uszkodzenia w obiekcie i określenie chwili detekcji; {akcja i czas}.

� lokalizacja (wyodrębnienie) uszkodzenia (ang. fault isolation) tookreślenie rodzaju, miejsca i czasu wystąpienia uszkodzenia; następuje po detekcji uszkodzenia; {miejsce i czas}.

� identyfikacja uszkodzenia (ang. fault identification) to określenie rozmiaru i charakteru zmienności uszkodzenia w czasie; następuje po lokalizacji uszkodzenia; {wielkość i czas}.

Fazy badania stanu


42

Diagnostyka a niezawodno ść

Twi – czas detekcji i-tego uszkodzeniaTLi – czas lokalizacji i-tego uszkodzeniaTDi – czas diagnozowania i-tego uszkodzeniaTNi – czas naprawy lub/i wymiany uszkodzonego i-tego uszkodzeniaTZi – czas dokonania zabezpieczenia wewnętrznego (rekonfiguracji)TλZi – czas tolerowania uszkodzeniaTλi – czas poprawnej pracy pomiędzy uszkodzeniamiTµi – czas trwania i-tego uszkodzenia

Twi – czas detekcji i-tego uszkodzeniaTLi – czas lokalizacji i-tego uszkodzeniaTDi – czas diagnozowania i-tego uszkodzeniaTNi – czas naprawy lub/i wymiany uszkodzonego i-tego uszkodzeniaTZi – czas dokonania zabezpieczenia wewnętrznego (rekonfiguracji)TλZi – czas tolerowania uszkodzeniaTλi – czas poprawnej pracy pomiędzy uszkodzeniamiTµi – czas trwania i-tego uszkodzenia

Stan zdatności Stan uszkodzenia Stan zdatności

Uszkodzenie

Nieznane Znane

TDi TNi

TµiTλi

t

Tλi+1

TWi TLi TZi TλZi


43


Średni czas pracy pomiędzy uszkodzeniami (MTBF = Tλ)Średni czas pracy pomiędzy uszkodzeniami (MTBF = Tλ)

Średni czas naprawy (MTTR = Tµ)Średni czas naprawy (MTTR = Tµ)

Wskaźnik pewności pracy systemu Ps

Uwypukla rolę diagnostyki, której głównym zadaniem jest skrócenie czasu diagnozowania TD. Wskaźnik jest tym bliŜszy 1 im krótszy jest czas diagnozowania.

Wskaźnik pewności pracy systemu Ps

Uwypukla rolę diagnostyki, której głównym zadaniem jest skrócenie czasu diagnozowania TD. Wskaźnik jest tym bliŜszy 1 im krótszy jest czas diagnozowania.

ND

Ns TTT

TTP

+++=

λ

λ

Twi – czas detekcji i-tego uszkodzeniaTLi – czas lokalizacji i-tego uszkodzeniaTDi – czas diagnozowania i-tego uszkodzeniaTNi – czas naprawy lub/i wymiany uszlodzonego i-tego uszkodzeniaTZi – czas dokonania zabezpieczenia wewnętrznego (rekonfiguracji)TλZi – czas tolerowania uszkodzeniaTλi – czas poprawnej pracy pomiędzy uszkodzeniamiTµi – czas trwania i-tego uszkodzenia

Twi – czas detekcji i-tego uszkodzeniaTLi – czas lokalizacji i-tego uszkodzeniaTDi – czas diagnozowania i-tego uszkodzeniaTNi – czas naprawy lub/i wymiany uszlodzonego i-tego uszkodzeniaTZi – czas dokonania zabezpieczenia wewnętrznego (rekonfiguracji)TλZi – czas tolerowania uszkodzeniaTλi – czas poprawnej pracy pomiędzy uszkodzeniamiTµi – czas trwania i-tego uszkodzenia


Intensywność uszkodzeńIntensywność uszkodzeń

44


λ

λT

1=

DyspozycyjnośćDyspozycyjnośćµλ

λ

TT

TA

+=


Uszkodzenie

Nieznane Znane

TDi TNi

TµiTλi

t

Tλi+1

TWi TLi TZi TλZi


Uszkodzenie

Nieznane Znane

TDi TNi

TµiTλi

t

Tλi+1

TWi TLi TZi TλZi


45Wczesne rozpoznawanie uszkodze ń

Pv

Granica alarmowa

Granica bezpieczeństwa

AlarmAlarm

Zadziałanie blokadyZadziałanie blokady

DiagnozaDiagnoza

tUszkodzenieUszkodzenie


46Obiekty diagnozowania

u

Uszkodzeniakomponentów

Uszkodzeniaurządzeń wykonawczych

Obiekt diagnozowania

y

Uszkodzeniatorów pomiarowych

Zakłócenia, szumy pomiarowe

Urządzenia wykonawcze

Komponentyinstalacji

technologicznej

Urządzenia pomiarowe

fk Uszkodzenia

f1 uszkodzenie toru pomiarowego przepływu F

f2 uszkodzenie toru pomiarowego poziomu L1



f5 uszkodzenie w torze sygnału sterującego U

f6 uszkodzenie zaworu regulacyjnego

f7 uszkodzenie pompy

f8 brak medium

f9 zatkanie kanału pomiędzy zbiornikami 1 i 2

f10 zatkanie kanału pomiędzy zbiornikami 2 i 3

f11 zatkanie odpływu

f12 przeciek ze zbiornika 1



UF

Przykład

Obiekty w przemyśle:� chemicznym,� energetycznym,� spoŜywczym, � innych


47

RozróŜniać będziemy: monitorowanie przebiegu procesu oraz monitorowanie stanu procesu (stanu obiektu).

Zadania monitorowania przebiegu procesów są realizowane przez systemy SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition) lub systemy DCS (ang. Distributed Control Systems), realizujące m.in. zadania przetwarzania i archiwizacji zmiennych procesowych, sygnalizacji alarmów oraz wizualizacji przebiegu procesów.

Monitorowanie stanu obiektu (procesu) rozumiane jest jako zadanie diagnozowania obiektu (procesu) realizowane w czasie rzeczywistym wraz z sygnalizacją i ewentualnie wizualizacją graficzną stanu lub zmian stanu (rozpoznanych uszkodzeń). Systemy monitorowania stanu obiektu są zatem diagnostycznymi systemami czasu rzeczywistego.

Monitorowanie stanu obiektu


48

Funkcje

Obiekt diagnozowania

Sygnały pomiarowe

Sensory

Detekcja uszkodzeń

Lokalizacja uszkodzeń

Identyfikacja uszkodzeń

Doradztwo, rekonfiguracja

Przetwarzanie sygnałów

Sygnały diagnostyczne

Symptomy

Diagnozy - uszkodzenia

Diagnozy – rozmiary uszkodzeń


Diagnostyka off-line i on-line

Off-lineOff-line On-lineOn-line

• Na bieŜąco • Automatycznie

• Na podstawie sygnałów roboczych

• Okresowo• Z udziałem obsługi

• Dopuszczalne wymuszenia testowe


50BieŜąca diagnostyka procesu

Sygnały pomiarowei sterujące

Symptomy Diagnozy

Detekcja uszkodzeń

Lokalizacja uszkodzeń

Proces


51

Diagnostyka serwisowa a monitorowanie stanu

• Profibus DP• FF H1• Hart

AMmandDAMmandD

• Na bieŜąco

• Automatycznie• On-line

• Na podstawie sygnałów roboczych

• Okresowo

• Z udziałem obsługi• Off-line

• Dopuszczalne wymuszenia testowe

Diagnostyka serwisowaDiagnostyka serwisowa Monitorowanie stanuMonitorowanie stanu


52

Diagnostyka inteligentnych urządzeń obiektowych

Diagnostyka inteligentnych urządzeń obiektowych

Diagnostyka w układach automatyki

Diagnostyka systemu sterującego

Diagnostyka systemu sterującego

Diagnostyka procesuDiagnostyka procesu


53

Diagnostyka zdalna i wbudowana

Sensory

Urządzenie mechatroniczne

Sensory

Łącze

komunikacyjne

Wbudowany systemdiagnostyczny

Łącze

komunikacyjne

Systemdiagnostyczny

Nadrzędny systemdiagnostyczny

Urządzenie mechatroniczne


54Diagnostyka wbudowana

System diagnostyki

� Detekcja uszkodzeń� Lokalizacja uszkodzeń� Sygnalizacja diagnoz

S

ZT

FT

E/P ZC

Positioner

CVIPs

V

V3

V1 V2

F

CV

X’

PSP

Pz

Pneumatic servomotor

Valve

PTPT

P1 P2

Fv3

FvT1

TT

P

X

• Redukcja strat w stanach z uszkodzeniami

• Uniknięcie stanów awaryjnych

• Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia

• Znaczna redukcja kosztów serwisu

• MoŜliwość diagnozowania urządzeń zabudowanych w miejscach trudno dostępnych


• Uniknięcie stanów awaryjnych

• Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia




55Dodatkowe sensory

Wykrywanie przecieków – wbudowany sensor akustyczny


56Dodatkowe sensory

Wbudowany binarny sensor ciśnienia – detekcja wycieku medium przez dławicę


57Dodatkowe sensory

Zwiększenie wykrywalności i rozróŜnialności uszkodzeń

px

Sensor ciśnienia

Sensor przesunięcia


58

Systemy zintegrowane – DCS, hybrydowe

Diagnostyka systemu steruj ącego

Systemy SCADA + PLC

• Diagnostyka jest integralnączęścią systemu

• Dostarczana przez producenta

• Diagnostyka PLC – producenci• Wizualizacja stanu sterowników

i sieci realizowana przez projektantów systemu


59Diagnostyka systemu steruj ącego� Diagnostyka sieci

� Diagnostyka modułów systemu

ES 680

PC

Okno diagnostyczne

Okno diagnostyczne

Okno diagnostyczne

Stacja diagnostyczna

Obraz stacji procesowej AS1

Obraz szafy

Obraz kasety z modułami

FUM

FUM

FUM

FUM

Alarmy

Stosowane są metody diagnostykisystemów komputerowych


60Zarządzanie aparatur ą i diagnostyka zdalna• Kalibracja, konfiguracja

• Diagnostyka off-lline

• Diagnostyka on-line

• Profilaktyczna obsługa na podstawie diagnostyki

• Automatyczna dokumentacja

• Kalibracja, konfiguracja

• Diagnostyka off-lline

• Diagnostyka on-line

• Profilaktyczna obsługa na podstawie diagnostyki

• Automatyczna dokumentacja

AMSAMSAMS

TROVIS-EXPERTTROVISTROVIS--EXPERTEXPERT

Asset ManagerPKS

AssetAsset ManagerManagerPKSPKS

FieldCareFieldCareFieldCare


61

Wbudowana diagnostyka , realizująca funkcje monitorowania stanu technicznego , jest niezbędnym elementem nowoczesnych urządzeń mechatronicznych

Wbudowana diagnostyka , realizująca funkcje monitorowania stanu technicznego , jest niezbędnym elementem nowoczesnych urządzeń mechatronicznych


• Uniknięcie stanów awaryjnych (np. w lotnictwie)



• MoŜliwość uzyskania zdolności tolerowania uszkodzeń

• Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia (zamiast okresowej)




• Uniknięcie stanów awaryjnych (np. w lotnictwie)



• MoŜliwość uzyskania zdolności tolerowania uszkodzeń

• Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia (zamiast okresowej)



Diagnostyka urz ądzeń mechatronicznych


62Techniki stosowane w zabezpieczeniachurządzeń elektrycznych

1. Monitorowanie stanu w trybie on-line1. Monitorowanie stanu w trybie on-line

2. Monitorowanie komplementarnych par styków przekaźników (NO,NC).

2. Monitorowanie komplementarnych par styków przekaźników (NO,NC).

3. Zastosowanie komparatorów sprzętowych.3. Zastosowanie komparatorów sprzętowych.

4. Zastosowanie metod głosowania większościowego np. (2 z 3, 3 z 3, n z m).

4. Zastosowanie metod głosowania większościowego np. (2 z 3, 3 z 3, n z m).

5. Realizacja funkcji bezpieczeństwa przy braku zasilania np.: zamknięcie zaworu w stanie bez zasilania pneumatycznego.

5. Realizacja funkcji bezpieczeństwa przy braku zasilania np.: zamknięcie zaworu w stanie bez zasilania pneumatycznego.


63Techniki stosowane w zabezpieczeniachprzetworników pomiarowych

1. Zastosowanie przetwornika referencyjnego np. NOx.1. Zastosowanie przetwornika referencyjnego np. NOx.

2. Zastosowanie mechanicznego napędu (krzywki) rozwierającego styki typu NC w sytuacji zagroŜenia.

2. Zastosowanie mechanicznego napędu (krzywki) rozwierającego styki typu NC w sytuacji zagroŜenia.

3. Redundancja sprzętowa.3. Redundancja sprzętowa.


64Techniki stosowane w zabezpieczeniachurządzeń elektronicznych

1. Zastosowanie redundancji sprzętowej.1. Zastosowanie redundancji sprzętowej.

2. Wykrywanie uszkodzeń statycznych przez analizę sygnałów dynamicznych (elektromechanika).

2. Wykrywanie uszkodzeń statycznych przez analizę sygnałów dynamicznych (elektromechanika).

3. Testy napięć i prądów na zaciskach urządzeń.3. Testy napięć i prądów na zaciskach urządzeń.

4. Monitorowana redundancja – przejście do stanu bezpiecznego po wykryciu rozbieŜności stanów redundowanych obwodów.


5. Realizacja funkcji autotestów urządzeń elektronicznych.5. Realizacja funkcji autotestów urządzeń elektronicznych.

6. Monitorowanie sygnałów analogowych- preferencje w stosunku do sygnałów cyfrowych.

6. Monitorowanie sygnałów analogowych- preferencje w stosunku do sygnałów cyfrowych.

7. Zapewnienie nieprzekraczania dopuszczalnych parametrów pracy urządzeń.

7. Zapewnienie nieprzekraczania dopuszczalnych parametrów pracy urządzeń.


65Techniki stosowane w zabezpieczeniachelementów wykonawczych

1. Monitorowanie stanu1. Monitorowanie stanu

2. Realizacja niezaleŜnych kanałów monitorowania kaŜdego z redundowanych elementów wykonawczych � diagnostyka wbudowana

2. Realizacja niezaleŜnych kanałów monitorowania kaŜdego z redundowanych elementów wykonawczych � diagnostyka wbudowana



4. Ochrona przed wpływami środowiska.4. Ochrona przed wpływami środowiska.


66Przyczyny i skutki stanów awaryjnych

złoŜonośćsystemu

koncentracjasprzętu

błędyobsługi

uszkodzenia

• straty ekonomiczne

• skaŜenie środowiska

• zagroŜenie Ŝycia ludzkiego

nagromadzeniealarmów

przeciąŜenie informacyjneoperatorów

błędy obsługi

stanynienormalne

i awaryjne


67

Przyczyny awarii samolotów

Human factor 22%, sabotage 17%, weather 14%, engine problems 11%,collisions 8%, other 18%Human factor 22%, sabotage 17%, weather 14%, engine problems 11%,collisions 8%, other 18%


68

Strategie utrzymania ruchu

Czy prędkość degradacji stanu technicznego jest

stała?

Stałe interwały międzyremontowe

Czy istnieją wiarygodne symptomy zbliŜania się do

stanu krytycznego?

Czy remont wyprzedzający osiągnięcie stanu krytycznego jest

uzasadniony ekonomicznie?

Czy istnieją efektywne narzędzia diagnostyczne i procedury monitorowania

stanu technicznego?

Remonty planowanew oparciu

o stan techniczny

Praca do awarii

NN N N

N

TT

T

T

T


69

Termowizja

Pomiary termowizyjne są metodą badawczą umoŜliwiającą śledzenie róŜnych procesów, których przebieg wiąŜe się ze zmianami emisyjności czy temperatury w czasie albo ze zróŜnicowaniem obrazów termicznych poszczególnych obiektów.

Pomiary termowizyjne są metodą badawczą umoŜliwiającą śledzenie róŜnych procesów, których przebieg wiąŜe się ze zmianami emisyjności czy temperatury w czasie albo ze zróŜnicowaniem obrazów termicznych poszczególnych obiektów.

W zakresie pomiarów termowizyjnych wymagana jest umiejętność odczytu i interpretacji termogramu.W zakresie pomiarów termowizyjnych wymagana jest umiejętność odczytu i interpretacji termogramu.

Pomiary termowizyjne stanowią metodę uzupełniającą w stosunku do innych metod diagnostycznych.

Pomiary termowizyjne stanowią metodę uzupełniającą w stosunku do innych metod diagnostycznych.


70

Termowizja

Temperatura jest wielkością fizyczną wpływającą na wszelkie naturalne zjawiska fizyczne oraz na wszystkie procesy fizjologiczne, technologiczne i cieplne.

Temperatura jest wielkością fizyczną wpływającą na wszelkie naturalne zjawiska fizyczne oraz na wszystkie procesy fizjologiczne, technologiczne i cieplne.

W wielu przypadkach znajomość temperatury warunkuje trwałość i bezpieczeństwo obsługi urządzeń i aparatury. W wielu przypadkach znajomość temperatury warunkuje trwałość i bezpieczeństwo obsługi urządzeń i aparatury.

Istnieje wiele metod i przyrządów do pomiaru temperatury róŜniących się zasadą działania, zakresem pomiarowym i typowymi zastosowaniami. Wśród nich są stosowane są do przyrządy do bezstykowego pomiaru temperatury.

Przyrządami tymi są pirometry i kamery termowizyjne. W pirometrach i kamerach termowizyjnych temperaturę wyznacza się w oparciu o promieniowanie temperaturowe wysyłane przez ciało lub ośrodek badany, zarówno w zakresie bliskiej jak i dalekiej podczerwieni..

Istnieje wiele metod i przyrządów do pomiaru temperatury róŜniących się zasadą działania, zakresem pomiarowym i typowymi zastosowaniami. Wśród nich są stosowane są do przyrządy do bezstykowego pomiaru temperatury.

Przyrządami tymi są pirometry i kamery termowizyjne. W pirometrach i kamerach termowizyjnych temperaturę wyznacza się w oparciu o promieniowanie temperaturowe wysyłane przez ciało lub ośrodek badany, zarówno w zakresie bliskiej jak i dalekiej podczerwieni..


71

Termowizja (przykłady )

Uszkodzenie izolacji kotła energetycznegoUszkodzenie izolacji kotła energetycznego Obraz termowizyjny transformatoraObraz termowizyjny transformatora

Uszkodzenie bezpieczników (korozja)Uszkodzenie bezpieczników (korozja) Uszkodzenie łoŜyska taśmociąguUszkodzenie łoŜyska taśmociągu


72

Termowizja (przykłady)

Obraz termowizyjny pompy wodnejObraz termowizyjny pompy wodnej


73


Zawór sterujący w wymienniku ciepłaZawór sterujący w wymienniku ciepła


74


Zła izolacja termiczna budynkuZła izolacja termiczna budynku

Obraz termowizyjny budynku po wykonaniu ociepleniaObraz termowizyjny budynku po wykonaniu ocieplenia


75

Dziękuję za uwagę

podstawy bezpiecze Ństwa funkcjonalnegozkup.mchtr.pw.edu.pl/pom_dyd/smm/smm_08_podstawy...

Documents