DIAGNOSTICKÉ SYSTÉMY A
SPOLEHLIVOST DOPRAVNÍCH
PROSTŘEDKŮ
Ing. Pavel Kukla, Ph.D.
Pardubice 2013
Obsah – Pavel Kukla
Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu
a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu OP VK CZ.1.07/2.2.00/15.0462
„Virtuální vzdělávání v dopravě“.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
2
Obsah – Pavel Kukla
Název:
Diagnostické systémy a spolehlivost dopravních prostředků
Autor:
ing. Pavel Kukla, Ph.D.
Vydání:
první, 2013
Počet stran:
117
Náklad:
50 ks
Studijní materiály pro studijní obor Provozní spolehlivost dopravních prostředků a
infrastruktury, Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice
Jazyková korektura: nebyla provedena.
Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu
a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu Operačního programu Vzdělávání
pro konkurenceschopnost.
Název: Virtuální vzdělávání v dopravě
Číslo: CZ.1.07/2.2.00/15.0462
Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava/Univerzita Pardubice
© text - Ing. Pavel Kukla, Ph.D., © animace Ing. Gabriela Koreisová, Ph.D.,
© video Ing. Pavel Kukla, Ph.D., Ing. Michal Musil, Ph.D.
© Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Univerzita Pardubice
ISBN: 978-80-248-3274-6
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
3
Obsah – Pavel Kukla
POKYNY KE STUDIU
Diagnostické systémy a spolehlivost dopravních prostředků
[Poznámka: vyberte jednu z variant, případně vytvořte další variantu.]
Pro studium problematiky provozní spolehlivosti a diagnostických systémů jste
obdrželi studijní balík obsahující:
•
integrované skriptum pro distanční studium obsahující i pokyny ke studiu,
•
přístup do e-learningového portálu obsahující učební text, animace vybraných
obrázků a schémat částí kapitol, a několik doplňujících videí
Prerekvizity
Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětů z oblasti
matematiky, teorie pravděpodobnosti a základů mechaniky. Výhodou jsou i základní znalosti
z oblasti managementu kvality a managementu spolehlivosti. Studijní oporu může pro
základní seznámení s problematikou využít i zájemce z jiného oboru.
Cíl učební opory
Cílem je seznámení se základními pojmy a metodami z oblasti diagnostických
systémů, základů technické diagnostiky a provozní spolehlivosti. Po prostudování modulu
bude student schopen analyzovat problematiku navrhování diagnostického systému s ohledem
na zvýšení provozní spolehlivosti nejen dopravního prostředku. Rozsah probírané
problematiky umožňuje pouze stručný úvod do problematiky a k podrobnějšímu studiu je
nutné využít další doporučenou literaturu a studijní materiály. Zejména u popisovaných
diagnostických metod je vhodné využít vyhledávání na internetu. Principy metod zůstávají
stejné, ale používané přístroje a software se neustále vyvíjí a není možné v psaném textu tyto
inovace zachytit.
Pro koho je předmět určen
Modul je zařazen do bakalářského studia oboru Provozní spolehlivost dopravních
prostředků a infrastruktury studijního programu B3709 – Dopravní technologie a spoje, ale
může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, zejména Dopravní fakulty Jana
Pernera Univerzity Pardubice, pokud splňuje požadované prerekvizity.
Skriptum se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky,
ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto
jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná
struktura.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
4
Obsah – Pavel Kukla
Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup:
Čas ke studiu: XX hodin
Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační
a může vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly.
Někomu se čas může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto
problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté
zkušenosti.
Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět
Popsat …
Definovat …
Vyřešit …
Ihned potom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly
– konkrétní dovednosti, znalosti.
Výklad
Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení,
může být doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace, videa.
Shrnutí pojmů
Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud
některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou.
Otázky
Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik
teoretických otázek. (Nemusí být u každé kapitoly.)
Další zdroje
Seznam další literatury, www odkazů apod., pro zájemce o dobrovolné rozšíření
znalostí popisované problematiky. Jednotlivá problematika je zde probrána poměrně stručně,
pro další studium doporučuji prostudovat uvedené zdroje. (Nemusí být u každé kapitoly.)
CD-ROM
Informace o doplňujících animacích, videosekvencích apod., které si můžete vyvolat z
CD-ROMu nebo je můžete nalézt na e-learningovém portálu. Animace umožňují lepší
pochopení uvedených schémat a obrázků. (Nemusí být u každé kapitoly.)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
5
Obsah – Pavel Kukla
Pro zajištění provozní spolehlivosti dopravního prostředku je nutná jeho dokonalá
znalost a znalost jeho aktuálního technického stavu. Sledování aktuálního provozního stavu
objektu zajišťuje správná realizace diagnostického systému. Prostředkem pro získání
kvalitních informací o skutečném stavu objektu je technická diagnostika.
Tato práce se tedy nejprve zabývá popisem a rozdělením diagnostických systémů a
jejich jednotlivých subsystémů, výběrem vhodných diagnostických veličin a jejich
zpracováním a vyhodnocením. Následuje postup pro správný výběr diagnostického systému a
jeho vlivu na provozní spolehlivost dopravního prostředku. V dalších kapitolách jsou popsány
některé ze základních metod pro sledování provozní spolehlivosti a metody technické
diagnostiky použitelné v diagnostických systémech.
Při studiu se předpokládá práce s dalšími informačními zdroji. Tento text má sloužit
jako základní vstup do problematiky a je tedy nutné k dalšímu studiu použít například skripta,
učebnice a dostupnou odbornou literaturu. Případně je vhodné nejasné pojmy konzultovat
s odborníky z oboru.
Úspěšné a příjemné studium s tímto učebním textem Vám přeje autor
Pavel Kukla
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
6
Obsah – Pavel Kukla
OBSAH
OBSAH ...................................................................................................................................... 7
1
ZÁKLADNÍ DEFINICE DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ ................................... 9
2
ZÁKLADNÍ KLASIFIKACE DS .............................................................................. 13
3
ZÁKLADNÍ SCHÉMA – FENOMENOLOGICKÉ ................................................ 18
4
KLASIFIKACE DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ ............................................... 21
4.1
Staniční DS .............................................................................................................. 22
4.2
Palubní DS .............................................................................................................. 24
4.3
Komplexní DS ......................................................................................................... 28
4.4
Distribuované DS.................................................................................................... 30
4.5
Speciální DS ............................................................................................................ 34
5
DIAGNOSTICKÉ VELIČINY .................................................................................. 37
6
DIAGNOSTICKÉ VELIČINY OVLIVNĚNÉ SUBSYSTÉMEM MĚŘENÍ ........ 39
7
REDUKCE POČTU NAMĚŘENÝCH HODNOT .................................................. 42
8
SUBSYSTÉMY DIAGNOSTICKÉHO SYSTÉMU ................................................ 45
9
8.1
Subsystém „Diagnostikovaný objekt“ (DO) ........................................................ 46
8.2
Subsystém „Diagnostický model“ (DM) ............................................................... 48
8.3
Subsystém „Měření diagnostických veličin“ (M) ................................................ 51
8.4
Subsystém „Určení technického stavu“ (FS, TS) ................................................ 54
8.5
Subsystém „Lokalizace poruchy“ (L) ................................................................... 57
8.6
Subsystém „Prognózování doby zbytkové provozuschopnosti“ (P). ................. 60
8.7
Subsystém „Řízení diagnostického systému“ (ŘD) ............................................. 62
8.8
Subsystém „Lidský činitel“ (L) ............................................................................. 63
NAVRHOVÁNÍ DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ ............................................... 66
10
SPOLEHLIVOST
A
DIAGNOSTICKÉ
SYSTÉMY,
DEFINICE
SPOLEHLIVOSTI ................................................................................................................. 69
11
METODY PRO ZVÝŠENÍ SPOLEHLIVOSTI ...................................................... 71
11.1
Metoda FMEA – analýza způsobů a následků poruch ..................................... 71
11.2
Metoda FTA – analýza stromu poruchových stavů .......................................... 73
11.3
Metoda ETA – analýza stromu událostí ............................................................ 75
11.4
Metoda RCM – údržba zaměřená na bezporuchovost ..................................... 77
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
7
Obsah – Pavel Kukla
12
ÚDRŽBA – ZAJIŠTĚNÍ PROVOZNÍ SPOLEHLIVOSTI .................................... 80
13
MOŽNOSTI TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY A PROVOZNÍ SPOLEHLIVOST
83
14
METODY TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY ............................................................. 85
14.1
Vibrodiagnostika .................................................................................................. 86
14.2
Hluková diagnostika ............................................................................................ 91
14.3
Teplotní diagnostika ............................................................................................ 93
14.4
Tribodiagnostika .................................................................................................. 96
14.5
Endoskopy ............................................................................................................ 99
14.6
Defektoskopie ..................................................................................................... 100
14.6.1
Vizuální metody ................................................................................................. 102
14.6.2
Kapilární metoda ............................................................................................... 104
14.6.3
Magnetické metody ........................................................................................... 106
14.6.4
Ultrazvukové metody ........................................................................................ 107
14.6.5
Metoda akustické emise .................................................................................... 110
14.6.6
Prozařovací metody ........................................................................................... 112
15
ZAJIŠTĚNÍ PROVOZNÍ SPOLEHLIVOSTI ....................................................... 115
16
DOPORUČENÁ LITERATURA ............................................................................ 116
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
8
Základní definice diagnostických systémů – Pavel Kukla
1
ZÁKLADNÍ DEFINICE DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Definovat základní pojmy používané v technické diagnostice
Výklad
Pro popis diagnostických systémů je nejprve nutné pro ně stanovit základní definice a
názvosloví. Tyto definice určují možnosti technické diagnostiky a vlastních diagnostických
systémů.
Technická diagnostika
Obor zabývající se metodami a prostředky zjišťování skutečného technického stavu
objektu v reálném čase, pokud možno bez jejich demontáže nebo v horším případě destrukce.
Technická diagnostika musí zabezpečit exaktní a systematický přístup diagnostikování
s maximálním využitím všech zjištěných informací o diagnostikovaném objektu.
Technická diagnostika je v širším slova smyslu nauka, která zkoumá stavy
technických zařízení, metody a prostředky určování těchto stavů a principy konstrukce
diagnostických zařízení. Technickou diagnostikou rozumíme diagnostiku bezdemontážní
a nedestruktivní.
Diagnostikovaný objekt
Objekt, na kterém realizujeme metody technické diagnostiky. Objektem může být celý
systém nebo jen jeho část (podsystém). Objektem může být buď hmotný systém (předmět,
stroj, součástka…), nebo nějaká činnost, případně výsledek nějaké činnosti (jev, služba,
postup…).
Technický stav objektu
Stav objektu, který určuje, zda je objekt schopný nebo neschopný vykonávat
požadované funkce. To vždy platí za přesně stanovených podmínek pro užívání objektu.
Technický stav musí být definovaný hodnotami diagnostických veličin.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
9
Základní definice diagnostických systémů – Pavel Kukla
Diagnostický systém
Organizovaný systém umožňující realizaci technické diagnostiky. Je tvořen
diagnostikovaným objektem, diagnostickým pozadím (tzn. jeho okolím), diagnostickým
zařízením (diagnostickými prostředky, tzn. přístroji, metodami, postupy) a lidským činitelem
(možným ovlivněním diagnostiky obsluhou).
Cílem činnosti diagnostického systému je určení aktuálního technického stavu
diagnostikovaného objektu (diagnóza), a na základě této diagnózy je dále možné zhodnotit
průběh předchozího technického stavu (geneze) a predikovat následný technický stav
(prognóza).
Diagnostické prostředky a zařízení
Jsou tvořeny diagnostickým zařízením (přístroje, snímače, kabely…) a metodami a
postupy (pracovní postupy, programové vybavení). Diagnostické prostředky umožňují
provádění sběru dat, jejich analýzu a vyhodnocení technického stavu diagnostikovaného
objektu. Diagnostické prostředky mohou být buď součástí diagnostikovaného objektu
(automobil) nebo jsou realizovány samostatně (diagnostika automobilu v servisu).
Diagnostická veličina (diagnostický signál)
Veličina, která je nositelem informace o technickém stavu diagnostikovaného objektu.
Její hodnota je získána měřením diagnostikovaného objektu v reálném čase a porovnávána
s hodnotami vyjadřujícími předpokládaný technický stav objektu.
Doplňková diagnostická veličina
Veličina, která určuje stav diagnostického pozadí (okolí), které při měření působí na
diagnostický objekt. Bývá získána měřením současně s měřením diagnostické veličiny.
Empirická diagnostická veličina
Veličina, která je nositelem informace o technickém stavu diagnostikovaného objektu
nebo jeho pozadí, která v případě potřeby může doplnit informace získané diagnostickými
nebo doplňkovými diagnostickými veličinami. Může být získána měřením v minulosti nebo
porovnáním s podobným diagnostickým problémem.
Diagnostický ukazatel
Charakteristika odvozená z diagnostické veličiny (diagnostických veličin), která
vyjadřuje vlastnosti diagnostikovaného objektu. (Např. hodnota, která určuje hranici
provozuschopného stavu objektu.)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
10
Základní definice diagnostických systémů – Pavel Kukla
Diagnostikování
Souhrn činností spojených s přípravou testů, jejich provedením a vyhodnocením
technického stavu objektu diagnostiky.
Diagnostický test
Posloupnost úkonů
(diagnostických ukazatelů).
potřebných
pro
stanovení
diagnostického
ukazatele
Detekce poruchy
Identifikace poruchy objektu (nebo jeho funkční části) na základě hodnot
diagnostických ukazatelů. Porucha je detekována (zjištěna), ale nemusí být určena její příčina.
Detekční test
Diagnostický test, který zjišťuje, zda je objekt v provozuschopném nebo poruchovém
stavu. Tedy zda je identifikována porucha.
Lokalizace poruchy
Určení místa, rozsahu a příčiny poruchy objektu na základě hodnoty diagnostických
ukazatelů. (Porucha již byla zjištěna detekčním testem.)
Lokalizační test
Diagnostický test, kterým
diagnostikovaného objektu.
se
zjišťuje
místo,
rozsah
a
příčina
poruchy
Simulace poruchy
Zjišťování reakce objektu při uměle vytvořeném poruchovém stavu diagnostikovaného
objektu. Slouží k určení diagnostických ukazatelů.
Diagnostikovatelnost
Vlastnost objektu vyjadřující způsobilost k použití diagnostických prostředků. Stupeň
diagnostikovatelnosti je relativní a souvisí s vlastnostmi a možnostmi použitých
diagnostických prostředků a také s provozními podmínkami objektu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
11
Základní definice diagnostických systémů – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět definovat základní pojmy technické
diagnostiky a diagnostických systémů:
Technická diagnostika, Diagnostikovaný objekt, Technický stav objektu Diagnostický
systém, Diagnostické prostředky a zařízení, Diagnostická veličina, Doplňková diagnostická
veličina, Empirická diagnostická veličina, Diagnostický ukazatel, Diagnostikování,
Diagnostický test, Detekce poruchy, Detekční test, Lokalizace poruchy, Lokalizační test,
Simulace poruchy, Diagnostikovatelnost.
Otázky
1. Samostatně vysvětlete jednotlivé pojmy.
2. Co obsahuje diagnostický systém?
3. Jaké veličiny v diagnostice používáme? Vysvětlete rozdíl mezi nimi.
4. Vysvětlete pojmy detekce a lokalizace poruchy. Najděte příklady z praxe.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
12
Základní klasifikace DS – Pavel Kukla
2
ZÁKLADNÍ KLASIFIKACE DS
Čas ke studiu: 1hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat technický stav diagnostikovaného objektu.
Definovat základní úlohy určování technického stavu.
Výklad
Technický stav diagnostikovaného objektu
Technický stav objektu diagnostiky může být vyjádřen uspořádanou množinou veličin,
tzv. diagnostickými veličinami:
s(t ) = [s1 (t ), s2 (t ),.......si (t ),.....sn (t )]
Kde:
i = 1,2,3,….n, je počet veličin (celé kladné číslo, může být měřena jedna až několik
tisíc veličin),
t = čas.
Podobně vliv diagnostického pozadí (tzn. vliv okolí diagnostikovaného objektu) může
být vyjádřen množinou tzv. doplňkových diagnostických veličin:
d (t ) = [d1 (t ), d 2 (t ),.......d i (t ),.....d m (t )]
Kde:
i = 1,2,3,….m, je počet veličin (celé kladné číslo, může být měřena jedna až několik
tisíc veličin),
t = čas.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
13
Základní klasifikace DS – Pavel Kukla
Technický stav diagnostikovaného objektu může být potom vyjádřen jako součet
vektorů naměřených diagnostických a doplňkových diagnostických veličin:
_
_
_
S (t ) = s (t ) + d (t )
Takto definovaný technický stav objektu je možné teoreticky znázornit jako bod
_
pohybující se v čase prostorem. Prostor, ve kterém se vektor S (t ) trajektorie možných
technických stavů objektů může pohybovat, nazýváme prostorem technických stavů.
_
V závislosti na čase tak vzniká na vrcholu vektoru S (t ) trajektorie možných technických
stavů objektu.
CD-ROM
Obr. 2.1 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Obr. 2.1: Trajektorie možných technických stavů (dle [21])
Na obr. 2.1 je znázorněn:
t D … aktuální čas diagnostikování (právě naměřené hodnoty),
t 0 … počátek sledování technického stavu objektu (v ideálním případě je shodný
s počátkem technického života objektu,
t < t D … minulost (známe z předchozích měření nebo určujeme genezí z aktuálních
diagnostických hodnot),
t > t D … budoucnost (odhadujeme jako prognózu z dosud naměřených dat a našich
znalostí).
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
14
Základní klasifikace DS – Pavel Kukla
Pokud prostor technických stavů prodloužíme za aktuální čas diagnostikování t D ,
můžeme tento prostor definovat jako prostor prognóz technického stavu. Tyto prognózy
vytváříme na základě dosavadních výsledků měření diagnostických parametrů a jim
odpovídajících diagnóz technického stavu.
CD-ROM
Obr. 2.2 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Prostor diagnóz technického stavu
t ˂ tD minulost
S(t)
S(tD)
t ˃ tD budoucnost
t
D[S(tD)]
S(t0)
S(t)
technický stav objektu
S(t0)
technický stav objektu
v čase t0
S(tD)
technický stav objektu
v čase tD
D[S(tj)]
D[S(t0)]
t0
t čas
t0 počátek technického života objektu, resp.
počátek sledování jeho technického stavu
tD čas diagnostikování, (přítomnost)
D[S(t0)]
prostor diagnózy v čase t0
D[S(tj)]
prostor diagnózy v čase tj
D[S(tD)]
prostor diagnózy v čase tD
© GaKo leden 2013
Obr. 2.2: Možný prostor diagnóz technického stavu (dle [21])
Základní úlohy určování technického stavu
Při zkoumání technického stavu diagnostikovaného objektu mohou nastat tři základní
typy úloh:
1. zjišťování současného technického stavu objektu diagnostiky (OD) v reálném
čase, zahrnující:
• Detekci poruchy (identifikaci poruchy objektu)
• Lokalizaci poruchy (určení místa poruchy v objektu)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
15
Základní klasifikace DS – Pavel Kukla
2. problémy předvídání technického stavu OD, a to na základě stavu přítomného.
To jsou úkoly prognostické (z řeckého „prognosis" - předvídání, předpovídání).
3. určení technického stavu, ve kterém se nacházel OD v určitém čase v
minulosti. Analogicky zde budeme hovořit o úlohách genetických (z řeckého
"genesis" - původ, vznik).
Základní schéma diagnostického systému
Diagnostický systém je souhrnem všech technických prostředků (měřicí přístroje,
snímače měřených veličin, spojovací kabely, datová média…), metod (pracovních postupů,
softwaru…) a pracovníků (vliv lidského činitele), který řeší diagnostickou úlohu.
Diagnostický systém může být ovlivněn diagnostickým pozadím. Diagnostické pozadí
může podle uspořádání ovlivnit buď jen samotný diagnostikovaný objekt, nebo celý
diagnostický systém.
CD-ROM
Obr. 2.3 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Blokové schéma diagnostického systému DS s různým zahrnutím vlivu
diagnostického pozadí DP na diagnostické zařízení DZ
DP
DP
DO
DZ
DZ
DO
LČ
LČ
DP diagnostické pozadí,
DO diagnostikovaný objekt, dopravní prostředek, nebo jeho uzly a části,
DZ diagnostické zařízení,
LČ lidský činitel.
Obr. 2.3: Blokové schéma diagnostického systému (dle [21])
Vlevo - diagnostické pozadí ovlivňuje pouze diagnostikovaný objekt
Vpravo – diagnostické pozadí ovlivňuje celý diagnostický systém
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
16
Základní klasifikace DS – Pavel Kukla
Diagnostický systém lze jako každý jiný systém definovat a popsat pomocí zápisu
všech jeho systémových vlastností, tzn. vztahy (relacemi) mezi jednotlivými prvky systému.
Zápis potom zahrnuje, jak stavy které do systému vstupují nebo z něj vystupují, jeho vnitřní
stavy, tak i jejich vzájemné vztahy a jejich kvalitativní i kvantitativní změny. Hovoříme
potom o modelu systému.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat technický stav
diagnostikovaného objektu, vliv diagnostického pozadí na diagnostický systém a definovat
základní úlohy určování technického stavu.
Otázky
1. Co je technický stav objektu?
2. Jak může diagnostické pozadí ovlivnit diagnostické měření?
3. Jaké jsou 3 základní úlohy technické diagnostiky? Která úloha je nejčastější?
4. Uveďte příklady z praxe na každou úlohu TD.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
17
Základní schéma – fenomenologické – Pavel Kukla
3
ZÁKLADNÍ SCHÉMA – FENOMENOLOGICKÉ
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat a definovat prvky diagnostické systému
Výklad
Všeobecnými základními ukazateli jakéhokoliv systému jsou ukazatele, které
vyjadřují jednotlivé stavy a změny hmoty (její hmotnosti), energie, prostoru a informací.
Změny hmoty, energie a informací vyjadřuje tzv. obecné fenomenologické, strukturální a
informační schéma diagnostického systému.
CD-ROM
Obr. 3.1 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Obecné fenomenologické,strukturální a informační schéma diagnostického systému DS
DP
DO
R
DZ
M
LČ
F-T
DM
O
L
P
DO
diagnostikovaný objekt, dopravní prostředek,
nebo jeho části,
DP
diagnostické pozadí,
DM
diagnostický model,
LČ
lidský činitel v různých konkrétních formách,
M
subsystém měření,
F-T
subsystém určení technického stavu,
L
subsystém lokalizace poruchy,
P
subsystém prognózování doby další nebo
zbytkové provozuschopnosti,
R
subsystém řízení diagnostického systému,
O
vyšší nebo jiný systém s nímž DS kooperuje
nebo je jeho součástí, např. systém obnovy
vozidla, nebo řízení jakosti v systému údržby
vozidla, není součástí DS
1
Obr. 3.1: Fenomenologické schéma diagnostického systému (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
18
Základní schéma – fenomenologické – Pavel Kukla
Fenomenologické schéma je blokové schéma, které popisuje tok diagnostických
informací, jejich transformace v jednotlivých subsystémech, popisuje konfiguraci těchto
subsystémů, jejich vnitřní členění a vyjadřuje tak celkovou činnost diagnostického systému.
Podle druhu diagnostikovaného objektu a jeho složitosti, konkrétním účelu
diagnostiky, rozsahu diagnostických procedur a také podle možnosti realizace
(diagnostikovatelnosti) je zvolen stupeň automatizace diagnostického systému. Nejvyšším
stupněm automatizace je úplná automatizace, tzn. automatický diagnostický systém.
Alespoň částečná automatizace činnosti diagnostického systému je nezbytná. Je
zárukou zvýšené objektivity a kvality diagnostické činnosti a tuto činnost také urychluje. Ve
složitějších případech je automatizace diagnostické činnosti dokonce podmínkou možnosti
realizace diagnostického systému. Automatizace činnosti diagnostického systému je počáteční
fázi realizace nákladnější, v konečném důsledku provozu může ale výrazně snížit náklady na
činnost diagnostického systému.
Praktické potřeby umožňují využití dosavadních zkušeností a podle potřeby provozu
diagnostikovaného objektu je tak možné modulární strukturu diagnostického systému dle
potřeby průběžně inovovat, rozšiřovat apod. Druhem diagnostikovaného objektu bude dána i
univerzálnost diagnostického systému. Pro jednoúčelové zařízení bude diagnostický systém
speciální, resp. individuální, pro železniční vozidlo může být individuální, resp. skupinový,
pro automobil spíše univerzální (s možností přizpůsobení konkrétnímu typu automobilu).
Příklad modulárního diagnostického systému se sběrnicovým uspořádáním je na
následujícím obrázku 3.2.
CD-ROM
Obr. 3.2 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Diagnostický systém současně při své činnosti kontroluje chování a činnosti obsluhy,
která je součástí provozu diagnostikovaného objektu. To je velmi důležité pro zvýšení
spolehlivosti a bezpečnosti provozu diagnostikovaného objektu.
Diagnostický systém pro složité a významné objekty (složité, drahé, riziko závažné
poruchy…) může zajišťovat i zabezpečovací funkci tzn. realizaci automatické obnovy správné
funkce (zajištění provozuschopnosti) objektu. Toto zabezpečení může být realizováno
například zapojením záložních zařízení, rekonfigurací struktury nebo odstraněním závady.
Časté je také okamžité odstavení činnosti diagnostikovaného objektu, používá se tam, kde je
velké riziko závažné poruchy a problém se musí řešit okamžitě.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
19
Základní schéma – fenomenologické – Pavel Kukla
Schéma modulárního DS ve sběrnicovém uspořádání
L
d(t)=[H,p,Θ,φ]
C
P1
P2
A
V/V
a
a
DO diagnostikovaný objekt
a
sběrnice
MO monitorovací modul
M
měřící modul
C
P1
řídící modul
paměťový modul
P2
paměťový modul
A
V/V
DZ
M
DS
MO
DO
modul autodiagnostiky
vstupně – výstupní modul
DS diagnostický systém
DZ diagnostické zařízení
L
d(t)
H
lidský činitel
účinek diagnostického pozadí vyjádřený
množinou doplňkových diagnostických veličin
vliv elektromagnetického pole
p barometrický tlak
Θ
teplota
φ
vlhkost okolního vzduchu
© GaKo
Obr. 3.2: Schéma modulárního DS (dle [21])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat a nakreslit základní schéma DS a
vliv pozadí na něj a fenomenologické schéma DS. Toto schéma je základem pro pochopení
struktury DS a jeho subsystémů.
Otázky
1. Jak může diagnostické pozadí ovlivnit diagnostické měření dle fenomenologického
schématu?
2. Z jakých subsystémů (částí) se skládá fenomenologické schéma a v jakém vztahu
jsou tyto subsystémy?
3. Uveďte k jednotlivým subsystémům příklady z praxe.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
20
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
4
KLASIFIKACE DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat základní rozdělení diagnostických systémů
(Jejich podrobnější popis následuje v dalších podkapitolách.)
Výklad
Klasifikace diagnostických systémů popisuje rozdělení diagnostických systémů do
skupin podle vnějších hledisek nebo podle charakteristických hodnot a znaků. Záleží na
pohledu, podle kterého je klasifikace provedena, na obr.4.1 je klasifikace diagnostických
systémů provedena podle konfigurace jejich technického zabezpečení. Toto technické
zabezpečení vychází z podmínek a účelu jejich činnosti.
CD-ROM
Obr. 4.1 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Klasifikace diagnostických systémů
P – DS
P – DS
K – DS
D – DS
SPEC – DS
(VDZ
Diagnostický
systém
S-DS
P-DS-VDZ
K-DS
Palubní diagnostické systémy
Palubní diagnostické systémy
Komplexní diagnostické systémy
Distribuované diagnostické systémy
Specielní diagnostické systémy
Vyhodnocovací diagnostické zařízení)
D-DS
SPEC-DS
Základní třídy
Skupiny
(podskupiny)
P-DS+S-VDZ
Mobilní
Kombinované
Stacionární
P-DS
P-DS+S-DS
P-DS-VDZ
Obr. 4.1: Klasifikace diagnostických systémů (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
21
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Klasifikace diagnostických systémů je důležitým podkladem při rozhodování o výběru
diagnostického systému, ukazuje na jeho možná řešení. To umožňuje optimální výběr
diagnostického systému přesně podle konkrétního diagnostického objektu a požadavků na
účel a využití diagnostických informací. Při výběru diagnostického systému musíme provést
kvalifikovanou rozvahu na základě určení cíle diagnostikování, vyhodnocení vlastností
diagnostikovaného objektu, potřeb a možností provozu a údržby diagnostikovaného objektu a
také je velmi důležité vyhodnotit investiční a provozní náklady na diagnostiku a její
ekonomický přínos.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět vyjmenovat základní druhy
diagnostických systémů. Popis systémů následuje v dalších podkapitolách.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
4.1 Staniční DS
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat staniční diagnostický systém a jeho komponenty.
Výklad
Základním atributem všech provedení staničních diagnostických systémů je způsob
diagnostikování objektu. Diagnostikování probíhá mimo provoz objektu, například na
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
22
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
stojícím vozidle a neprobíhá tedy v přirozeném provozním režimu objektu. Odezvy objektu,
které zaznamenává diagnostické zařízení, neodpovídají tedy provoznímu stavu a zatížení
objektu. Objekt diagnostiky reaguje na testovací podněty diagnostického prostředku a tyto
odezvy se dále vyhodnocují, viz obr 4.2.
Obr. 4.2: Blokové schéma staničního DS
To může ve složitějších případech komplikovat vyhodnocování technického stavu.
Také je nutné počítat s tím, že není možné diagnostikovat parametry, které se projevují pouze
během pohybu diagnostikovaného objektu, například vibrace, hluk, teplotu apod.
Staniční diagnostické systémy je možné podle použití rozdělit na 3 skupiny:
a) Staniční stacionární diagnostické systémy
- Má široký rozsah možností měření diagnostických veličin i programového
vybavení.
b) Staniční mobilní diagnostické systémy
- Mobilní diagnostické zařízení může být instalováno například v pomocném
dopravním prostředku (auto, mikrobus…) nebo může být ručně přenosné.
Diagnostické zařízení se tak dopravuje k diagnostikovanému objektu.
Z pohledu možností diagnostiky je mobilní diagnostický systém podobný
stacionárnímu, někdy může být jeho činnost proti stacionárnímu omezena
např. jeho kapacitou. Mobilní řešení diagnostického systému může snížit
prostoje diagnostikovaných objektů a umožňuje snadno provádět
pochůzkovou diagnostickou kontrolu.
c) Staniční kombinované diagnostické systémy
- U tohoto provedení je část diagnostického zařízení stacionární a u části je
umožněn jeho mobilní přesun. O poměru obou částí rozhoduje konkrétní
použití diagnostického systému a možnosti jeho realizace.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
23
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat staniční systémy a jejich možné
rozdělení podle použití.
Otázky
1. Jaký je princip staničního diag. systému?
2. Jak je možné staniční systémy rozdělit?
3. Najděte příklady z praxe pro různé druhy staničních systémů.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
4.2 Palubní DS
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat palubní diagnostický systém a jeho komponenty.
Jeho palubní část je tvořena měřicí, monitorovací, autodiagnostickou jednotkou a
registračním modulem. Ten je určen pro uložení naměřených hodnot veličin technického
stavu diagnostikovaného objektu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
24
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Výklad
U všech provedení palubních diagnostických systémů je charakteristické, že
diagnostikování probíhá přímo za provozu objektu, v přirozeném provozním režimu objektu.
Chování a odezvy měřeného objektu tak odpovídají aktuálnímu provoznímu zatížení objektu.
Na rozdíl od staničních diagnostických systémů, tak při vyhodnocování technického stavu
objektu jsou zahrnuty všechny vlivy provozního režimu. Přesto mohou existovat i
diagnostické informace, které touto diagnostikou není možné změřit.
Palubní diagnostický termín je termín běžně používaný u dopravních prostředků,
v případě stacionárního, nemobilního objektu se používá termín vestavěný diagnostický
systém.
Palubní (v případě stacionárního objektu tedy vestavěné) diagnostické systémy se
podle charakteru mohou rozdělit do dvou skupin:
a) Palubní neadaptivní diagnostické systémy
Jejich činnost je, včetně měření, předem přesně určena, má pevný neměnný postup.
b) Palubní adaptivní diagnostické systémy
Protože většina hodnot sledovaných během provozu se nemění a proto nepřináší žádné
nové informace, není nutné průběžně zaznamenávat a zpracovávat všechny naměřené
hodnoty. Je třeba vybrat a uložit důležité hodnoty, které přinášejí informace o
změnách technického stavu objektu. Adaptivní diagnostický systém vyhodnocuje
změny sledovaných parametrů a ukládá pouze hodnoty důležité pro identifikaci
případné změny stavu objektu. Adaptivní systém tímto postupem jednak šetří kapacitu
paměti (při kontinuálním sledování parametrů velmi důležitý aspekt) a zároveň
optimalizuje možnosti vyhodnocení naměřených diagnostických parametrů.
Diagnostické zařízení je u palubních systémů umístěno přímo v diagnostikovaném
objektu, případně v samostatném doprovodném mobilním prostředku. Palubní diagnostický
systém je tedy v činnosti během normálního provozu objektu a sleduje tak aktuální provozní
zatížení objektu. Může tedy sledovat stejné parametry jako staniční diagnostický systém a
zároveň další parametry, které je možné sledovat jen za běžného provozu objektu. (Zároveň
ale mohou existovat i parametry, které jsou diagnostikovatelné pouze za klidu
diagnostikovaného objektu.) Na obr. 4.3 a 4.4 je zobrazeno modulární provedení palubního
diagnostického systému.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
25
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
CD-ROM
Obr. 4.3 a 4.4 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Palubní DS, palubní část
DO diagnostikovaný objekt
DO
DO
A1
MO
C1
M
R
b
b
sběrnice
M
měřící modul
C1
řídící modul
Mo
monitorovací modul
A1
modul autodiagnostiky
R
registrační modul
b
© GaKo
1
Obr. 4.3: Palubní DS, palubní část (dle [21])
Palubní DS , vyhodnocovací část
R
C
P1
P2
V/V
A
c
sběrnice
R
registrační modul
C
P1
řídící modul
paměťový modul
P2
c
c
d(t)= [H,p,Θ,φ]
LČ
© GaKo
V/V
A
d(t)
H
paměťový modul
vstupně/výstupný modul
modul autodiagnostiky
doplňkové diagnostické veličiny
vliv elektromagnetického pole
p
Θ
barometrický tlak
teplota
φ
vlhkost okolního vzduchu
LČ
lidský činitel
1
Obr. 4.4: Palubní DS, vyhodnocovací část (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
26
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Vyhodnocovací část diagnostického zařízení může být mimo vozidlo. Registrační
modul se potom vyjme z palubního diagnostického zařízení a vloží do vyhodnocovacího
diagnostického zařízení. To je vlastně stacionární diagnostická stanice, určená pro
vyhodnocení hodnot naměřených na diagnostikovaném vozidle během jeho provozu. Jako
vyhodnocovací diagnostické zařízení může být použit počítač se softwarem umožňujícím
zpracovat a vyhodnotit naměřená data.
Palubní diagnostické systémy mohou pracovat:
a) Trvale během provozu
b) Přetržitě, podle pokynů obsluhy diagnostikovaného objektu, nebo pracovníka
provádějícího diagnostické prověrky
c) Přetržitě automaticky, podle předem nastavených požadavků
Palubní diagnostický systém bývá velmi často doplněn o sledování havarijních stavů
důležitých prvků diagnostikovaného objektu. Výsledkem tohoto sledování může být výstraha
pro obsluhu (např. signalizace, alarm), automatický zásah do činnosti diagnostikovaného
objektu (změna parametrů podle vyhodnocené aktuální situace), nebo odstavení objektu mimo
provoz (u objektů, kde je velké riziko následků možné havárie a není čas na delší
vyhodnocování situace).
Palubní diagnostické zařízení může mít samostatnou řídící jednotku nebo může
využívat palubní počítač objektu, určený pro jeho řízení. U složitějších objektů bývá palubní
diagnostické zařízení jejich trvalou součástí, u jednodušších je možná jeho dočasná instalace
jen po dobu diagnostikování.
Palubní diagnostické zařízení může diagnostické informace přímo vyhodnocovat nebo
je pouze registrovat a předávat k vyhodnocování mimo diagnostikovaný objekt. Záleží na
tom, zda jsou diagnostikované informace určeny přímo pro obsluhu objektu nebo slouží
k dalšímu vyhodnocení.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat palubní diagnostický systém.
Otázky
1. Jakou činnost zajišťuje palubní DS?
2. Jakým způsobem může palubní DS pracovat?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
27
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
4.3 Komplexní DS
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat komplexní diagnostický systém a jeho komponenty.
Výklad
Komplexní diagnostické systémy spojují výhody staničních a palubních
diagnostických systémů. Palubní diagnostické zařízení zajišťuje již dříve popsanou činnost,
staniční diagnostické zařízení zpracovává parametry diagnostikovaného objektu, které lze
hodnotit jen na objektu, který je mimo provozní činnost. Měření diagnostických veličin tedy
probíhá v různých časech, protože obě diagnostická zařízení nepracují současně. Při
diagnostikování je třeba rozhodnout, zda je to možné zanedbat a diagnostiku realizovat.
Komplexní diagnostické systémy je možné podle způsobu vyhodnocování naměřených
veličin rozdělit na dvě skupiny:
a) Komplexní diagnostický systém vytvořený kombinací palubního a staničního
diagnostického systému. (Obr. 4.5)
Vyhodnocování se děje ve staniční části. Během provozu diagnostikovaného
objektu je v činnosti palubní část diagnostického zařízení, které zaznamená naměřené
hodnoty v registračním modulu. Registrační modul se přenese do staničního zařízení,
kde proběhne druhá fáze diagnostikování. Všechny získané hodnoty se potom zpracují
společně ve staničním diagnostickém zařízení. Při diagnostikování je třeba zohlednit
všechny vnější vlivy, které mohou působit na diagnostikovaný objekt i na palubní
diagnostické zařízení.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
28
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Obr. 4.5: Komplexní diagnostický systém, provedení KS - DS (dle [21])
b) diagnostického systému, doplněný samostatným vyhodnocovacím zařízením.
Diagnostikování probíhá stejným způsobem jako v předchozím případě,
výsledky činnosti palubní a staniční části systému potom přenesou do samostatného
vyhodnocovacího zařízení. To může být realizováno samostatným diagnostickým
zařízením nebo počítačem s příslušným vyhodnocovacím softwarem. (Obr. 4.6)
Obr. 4.6: Komplexní diagnostický systém, provedení KV - DS (dle [21])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat komplexní diagnostický systém
a jeho základní skupiny.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
29
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Otázky
1. Jakou činnost zajišťuje komplexní DS?
2. Jakým způsobem může komplexní DS pracovat?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
4.4 Distribuované DS
Čas ke studiu: 1,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat principy a možnosti funkce distribuovaných systémů.
Výklad
Distribuované (rozdělené) diagnostické systémy jsou systémy, které jsou rozděleny na
samostatné části, a to jak v prostoru, tak i v čase. Při přenosu informací mezi jednotlivými
prvky systému se může uplatnit vliv lidského činitele.
Distribuované diagnostické systémy je možné rozdělit na dvě základní skupiny podle
jejich použití:
a) Distribuovaný diagnostický systém opravárensko-výrobního typu
b) Distribuovaný diagnostický systém provozně-údržbářského typu
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
30
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Distribuovaný diagnostický systém opravárensko-výrobního typu
Tento typ diagnostického systému je vhodný pro opravárenský provoz a umožňuje
diagnostikování objektu před, během a po opravě. Pro výrobní závod nebudou realizovány
první dvě části a zůstane pouze třetí, diagnostikování finálního výrobku. V případě, že
výrobce provádí vlastní kontrolu subdodávek (např. od jiných dodavatelů, středisek), můžou
být ve výrobním závodě i první dvě části distribuovaného diagnostického systému. Jednotlivé
části distribuovaného diagnostického systému mohou být rozmístěny po celém prostoru
opravárenského nebo výrobního závodu.
Příklad takového systému je na obr. 4.7.
CD-ROM
Obr. 4.7 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
DO
s(t)
DO2
DO1
s1(t)
KDP
DO
DIAGNOSTIKOVANÉ OBJEKTY
UZLY A AGREGÁTY
s2(t)
DIAGNOSTIKOVANÝ OBJEKT
DO2
s2(tD)
DO1
s1(tD)
s(tD)
DO
DIAGNOSTIKOVANÉ OBJEKTY
UZLY A AGREGÁTY
KONTROLA LOKÁLNÍHO TECH. STAVU URČENÍ TECH. STAVU
A LOKÁLNÍ FUNKČNÍ SITUACE
PROGNÓZA
KDP
LOKALIZACE PORUCHY
KDP
URČENÍ TECH. STAVU
DIAGNOSTICKÉ VELIČINY KONTROLNÍ DIAGNOSTICKÉ PŘÍSTROJE DIAGNOSTICKÉ VELIČINY
V ČASE DIAGNOSTIKOVÁNÍ
STANIČNÍ DIAGNOSTICKÉ
ZAŘÍZENÍ
S - DZ
DIAGNOSTICKÉ VYŠETŘOVÁNÍ
PRVNÍ A(t=t
FÁZE D)
DIAGNOSTICKÉ VYŠETŘOVÁNÍ
B FÁZE
DRUHÁ
DIAGN. VYŠETŘOVÁNÍ
)
C(t=t
TŘETÍ
D+1FÁZE
Distribuovaný diagnostický systém výrobně-opravárenského typu
animace © GaKo
Obr.4.7: Blokové schéma distribuovaného diagnostického systému opravárenského
typu (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
31
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Část A představuje například přistavení diagnostikovaného objektu, jeho vstupní
diagnostickou kontrolu a diagnostické vyšetření jeho prvků důležitých pro další fáze.
Část B zajišťuje detailní diagnostickou analýzu vybraných prvků a sestav, určených
pro následnou opravu (opravárenský typ systému) nebo výrobu (výrobní typ systému).
Část C slouží k diagnostikování opravených prvků a v poslední fázi také diagnostiku
celého opraveného nebo vyrobeného objektu. Tyto hodnoty slouží pro výstupní kontrolu a
také mohou být použity jako výchozí hodnoty pro diagnostikování objektu v následném
provozu.
Distribuovaný diagnostický systém provozně-údržbářského typu
Tento systém je založen na analýze nositele komplexní diagnostické informace (nebo
souboru více informací). Těmito informacemi může být například tribologický rozbor
motorového nebo převodového oleje nebo odebraný vzorek materiálu. Příklad takového
diagnostického systému je na obr. 4.8.
CD-ROM
Obr. 4.8 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Distribuovaný diagnostický systém provozně-údržbového typu
ZAŘÍZENÍ PÉČE O DOPRAVÍ PROSTŘEDKY
VYHODNOCOVACÍ DIAGNOSTICKÝ SYSTÉM
LABORATOŘ
ÚDRŽBA A SERVIS VOZIDEL
Empirické diagnostické veličiny
vzorek
výsledky
analýzy
Laboratorní analýza
+
ANO
Diagnostické veličiny
(VERIFIKOVÁNO)
ŘÍDÍCÍ LIDSKÝ ČINITEL
VÝPOČETNÍ
STŘEDISKO
TS, FS pro tD
e(t)
s(tD)
d(tD)
t<tD
Vyhovuje
_
NE
výsledek?
Technický stav vzorku
a funkční situace
(NEPŘIJATO)
Mezní
Výpočtová analýza
hodnoty
t < tD
animace © GaKo
Obr. 4.8: Blokové schéma distribuovaného diagnostického systému provozněúdržbářského typu (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
32
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Nositelem diagnostické informace je v tomto příkladu olej odebraný
z diagnostikovaného objektu. Ten umožňuje získat informace jak o stavu samotného oleje, tak
o stavu objektu, ve kterém je olej používán. Analýza oleje může podat informace o jeho stavu
(změny vlastností a složení, degradace oleje) a tím o jeho mazacích schopnostech a o stavu
provozovaného objektu (identifikace kovových a nekovových příměsí v oleji, jejich tvar a
velikost).
V zařízení péče o dopravní prostředek se podle předepsané metodiky odebere vzorek
oleje. Metodika musí zaručit jeho vypovídací hodnotu. Vzorky se odešlou do laboratoře, kde
se provede tribodiagnostika oleje. Získané informace se v další části systému vyhodnotí,
porovnají se s hraničními hodnotami a porovnají se s hodnotami předchozích měření. Na
základě tohoto vyhodnocení se lokalizuje případná porucha, a pokud je dostatečné množství
porovnatelných informací, je možné provést prognózu další provozuschopnosti oleje nebo
sledovaného objektu.
Výsledek je předán zodpovědnému pracovníkovi z pracoviště péče o dopravní
prostředek, který na základě těchto výsledků diagnostiky rozhodne o dalším postupu. Může
realizovat odpovídající opatření nebo navrhnout termín další kontroly. Spolehlivost takového
distribuovaného systému může ovlivnit kterákoliv část jeho cyklu (metodika odběru vzorků
oleje, přenos a zpracování vzorků, vyhodnocení výsledků, rozhodnutí o přijetí výsledků). Celý
cyklus může trvat pár hodin (jednotlivé části systému nejsou vzdáleny, přenos informací je
rychlý, analýza proběhne v krátkém čase), i několik dní (např. vzorky musí být odeslány do
speciální laboratoře).
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip distribuovaného
diagnostického systému a využití jeho variant.
Otázky
1. Na jakém principu funguje distribuovaný diagnostický systém?
2. Popište druhy distribuovaných diag. systémů.
3. Najděte pro oba druhy příklady z praxe.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
33
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
4.5 Speciální DS
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip a možnosti speciálních diagnostických systémů.
Výklad
Speciální diagnostické systémy využívají diagnostické informace obsažené
v energetických projevech diagnostického objektu (mechanické kmitání, tepelné záření,
radioaktivní záření…). Diagnostický systém musí obsahovat odpovídající, většinou složité,
vyhodnocovací zařízení a naměřená data se většinou vyhodnocují dodatečně.
K diagnostikovaní je možné využít:
Mechanické vlnění – doprovodný jev pohybu, v diagnostice je často využíváno –
měření hluku, vibrací, akustická emise apod.
Tepelné záření – náročnější na přístrojové vybavení, je možné použít termokamery,
liniové teplotní scannery apod.
Optické záření (obraz) – méně časté, ale také možné. Vyhodnocování statického
obrazu nebo obrazu kamery (běžné nebo vysokorychlostní).
Důležitá je vyhodnocovací část diagnostického zařízení. Dříve se problematika
vyhodnocování řešila většinou zaznamenáním signálu (např. na magnetofonový pás, později
do paměti PC) a jeho dodatečným vyhodnocením.
Možná sestava speciálního diagnostického systému je na obr. 4.9.
a) Bezkontaktní měření (např. hluk, vyzařované teplo…)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
34
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
b) Kontaktní měření (např. vibrace, teplota…)
c) Schéma vyhodnocovací části
DoP
diagnostikovaný objekt
M
měřicí modul
R
registrační modul
C
řídící modul
P 1,2
paměti
A
autodiagnostický modul
V1
modul pro předzpracování dat
V2
modul speciálního vyhodnocovacího zařízení
V/V
vstupně výstupní modul
D
sběrnice
Obr. 4.9: Blokové schéma speciálního diagnostického systému (dle [21])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat speciální případy diagnostických
systémů a jejich použití.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
35
Klasifikace diagnostických systémů – Pavel Kukla
Otázky
1. Jak se liší speciální DS od ostatních DS?
2. Uveďte příklady speciálních DS z praxe.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
36
Diagnostické veličiny – Pavel Kukla
5
DIAGNOSTICKÉ VELIČINY
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Definovat tři základní typy měřených veličin.
Výklad
V diagnostice se používají tři základní typy měřených veličin, které jsou většinou
fyzikálního charakteru:
a) Diagnostické veličiny – s i (t)
Veličiny, které reprezentují technický stav diagnostického objektu, např.
dopravního prostředku.
b) Doplňkové diagnostické veličiny – d i (t)
Veličiny, které reprezentují stav diagnostického pozadí diagnostikovaného
objektu. Tyto veličiny vyjadřují působení okolí na diagnostikovaný objekt. Mohou to
být například klimatické poměry nebo provozní a technické interakce, které ovlivňují
technický stav diagnostikovaného objektu. U stacionárních diagnostických systémů,
kde diagnostikování probíhá mimo reálný provoz diagnostikovaného objektu, mohou
být reálné doplňkové veličiny nahrazeny stimulačními veličinami (signály).
c) Empirické veličiny – e i (t)
Veličiny, které představují dodatečné informace vložené do diagnostického
zařízení.
Veličiny měřené v diagnostice mohou být jakékoliv změřitelné fyzikální veličiny
nesoucí informace potřebné pro vyhodnocení stavu diagnostického objektu, například délka,
objem, teplo, hmotnost, síla, tlak, teplota a také čas. V diagnostice se většinou naměřené
fyzikální veličiny převedou na elektrický signál, a v této formě se diagnostická veličina potom
dále vyhodnocuje.
Pro diagnostické informace je důležité přesně rozlišit, co naměřené hodnoty obsahují a
jaké hodnoty měřením získáme. Je tedy možné definovat skutečnou hodnotu měřené
veličiny, tj. hodnotu, která existuje nezávisle na našem subjektivním vnímání. Tuto hodnotu
nejsme schopni přímo určit, získáme ji zprostředkovaně, např. pohledem na stupnici přístroje.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
37
Diagnostické veličiny – Pavel Kukla
Měřením tak získáme teoretickou hodnotu měřené diagnostické veličiny. Protože skutečné a
dostatečně obecné matematické vyjádření této veličiny je velice obtížné, je nutné podmínky
pro její určení zjednodušit (např. zvolením okrajových podmínek) a tím získáme
idealizovanou teoretickou hodnotu. Pro praxi je většinou možné ještě její další zjednodušení
a tím získáme již využitelnou výpočtovou hodnotu.
Skutečnou hodnotu diagnostické hodnoty se snažíme získat a ověřit diagnostickým
měřením podle předem definované metody. Pro dostatečnou věrohodnost výsledku je nutné
provést více měření za přesně definovaných podmínek. Teprve dostatečný počet takových
měření nám umožní získat nejpravděpodobnější hodnotu měřené veličiny. Obvykle je
vyjádřena jako aritmetický průměr naměřených hodnot a definováním možných chyb při
měření. Tak získáme naměřenou hodnotu diagnostické veličiny.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět rozlišit tři základní druhy
diagnostických veličin a mít představu o tom, jakou hodnotu diagnostické veličiny při měření
a vyhodnocení používáme.
Otázky
1. Popište tři základní druhy diag. veličin.
2. Jak se liší doplňková diag. veličina od sledované diagnostické veličiny?
3. Kdy je součástí diagnostiky také empirická veličina?
4. Jaké naměřené hodnoty získáme a s jakými hodnotami pracujeme.
5. Uveďte z praxe příklady diagnostické, doplňkové a empirické veličiny.
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
38
Diagnostické veličiny ovlivněné subsystémem měření – Pavel Kukla
6
DIAGNOSTICKÉ VELIČINY OVLIVNĚNÉ SUBSYSTÉMEM
MĚŘENÍ
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat vliv subsystému měření na měřenou veličinu.
Výklad
Součástí subsystému měření je transportní kanál, kterým dochází k přepravě a úpravě
naměřených diagnostických a doplňkových diagnostických veličin. Transportní kanál může
zahrnovat přepínače, zesilovače, převodníky, spojovací prvky a vlastní transportní vodiče.
K ovlivnění naměřených hodnot může dojít vlivem působení rušivých dějů v okolí kanálu a
také vlivem samotných vlastností kanálu. Vše je zobrazeno na obr. 6.1.
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
s1( t )
rS ( t )
MĚŘÍCÍ KANÁL
smn ( t )
sn ( t )
dm1( t )
∆2 (t)
⋅⋅⋅⋅⋅
∆n ( t )
d1( t )
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
∆1( t )
dmn ( t )
⋅⋅⋅⋅⋅
∗ ∗ ∗
∗ ∗r2 ( t ) ……
∗r1( t ) ∗
∗ ∗
sm1( t )
dn ( t )
Vstupní veličiny – vnější, nezávislé na vlastnostech měřícího kanálu
sm1( t ), ⋅⋅⋅ smn ( t ) Měřená hodnota diagnostické veličiny
dm1( t ), ⋅⋅⋅ dmn ( t ) Měřená hodnota doplňkové diagnostické veličiny
r1( t ), ⋅⋅⋅ rS ( t )
Vliv okolí. (Šum)
Výstupní veličiny – vnitřní, závislé na vlastnostech měřícího kanálu
s1( t ), ⋅⋅⋅ sn ( t )
Výstupní hodnota diagnostické veličiny
Výstupní hodnota doplňkové diagnostické veličiny
d1( t ), ⋅⋅⋅ dn ( t )
∆1( t ),⋅⋅⋅∆ V ( t )
Vliv kanálu, (jeho konstrukce a vlastností), vyjádřený množinou systémových chyb.
animace © GaKo
Obr. 6.1:Schéma měřicího kanálu subsystému měření (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
39
Diagnostické veličiny ovlivněné subsystémem měření – Pavel Kukla
CD-ROM
Obr. 6.1 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Vliv okolí je vyjádřen množinou vlivů
[
r1 ( t ) = r1 ( t ) , r2 ( t ) , ..., r j ( t ) , ..., rs ( t )
]
Vliv kanálu, tzn. vliv jeho konstrukce a přenosových vlastností je vyjádřen množinou
systematických chyb, které v kanálu vznikají:
[
∆( t ) = ∆ 1 ( t ) , ... , ∆ k ( t ) , ..., ∆ v ( t )
]
Do kanálu vstupují naměřené diagnostické a doplňkové diagnostické hodnoty a z
kanálu vystupují tyto hodnoty zkreslené při průchodu transportním kanálem jako výstupní
diagnostické a doplňkové diagnostické hodnoty:
[
]
si ( t ) = smi ( t ) + r1 ( t ) ⋅ a1i + r2 ( t ) ⋅ a 2 i + ... + rj ( t ) ⋅ a ji + ... + rs ( t ) ⋅ a si +
[
+ ∆ 1 ( t ) ⋅ b1i + ∆ 2 ( t ) ⋅ b 2 i + ... + ∆ k ( t ) ⋅ b ki + ... + ∆ v ( t ) ⋅ b vi
]
kde a ji , b ji jsou váhové koeficienty, které vyjadřují účinek jednotlivých vnějších [r j (t)]
a vnitřních [∆ k (t)] vlivů. Koeficienty nabývají hodnot 0 nebo +/-1, podle toho zda vliv je nebo
není.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat, co může mít vliv na zkreslení
naměřené veličiny po průchodu měřicím kanálem.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
40
Diagnostické veličiny ovlivněné subsystémem měření – Pavel Kukla
Otázky
1. Jaké mohou být vnější vlivy na procházející signál?
2. Jak můžeme vliv vnějších vlivů omezit?
3. Jak může procházející signál ovlivnit samotný přenosový kanál?
4. Jak můžeme tyto vnitřní vlivy omezit?
5. Jaké znáte příklady zkreslení signálu z praxe?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
41
Redukce počtu naměřených hodnot – Pavel Kukla
7
REDUKCE POČTU NAMĚŘENÝCH HODNOT
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat důvody a možnosti redukce naměřených dat.
Výklad
Při diagnostickém měření může vzniknout velmi objemný soubor naměřených dat.
Pokud je měření nepřetržité, kontinuální, vznikne po velmi krátké době obrovský soubor
naměřených dat. Pokud během měření nedochází k významným změnám diagnostických
parametrů, je pro diagnostiku zachování a vyhodnocování těchto hodnot zdlouhavé a
zbytečné. Proto je možné redukovat počet naměřených hodnot diagnostických veličin a
vytvořit tak nový redukovaný soubor skutečně potřebných dat. To současně umožňuje
rychlejší zjištění konečné hodnoty diagnostické veličiny.
K redukci počtu naměřených hodnot je možné použít některou z metod:
a) Vytváření dílčích průměrů určených hodnot ve zvolených intervalech.
Vytvoří se skupiny (intervaly) obsahující n naměřených hodnot a určí se
průměry těchto skupin. Výsledná hodnota všech ukončených měření je průměrem
těchto dílčích průměrů. Tento postup umožňuje postupné předzpracování měřených
hodnot v reálném čase. Počet trvale ukládaných hodnot je n krát menší než celkový
počet naměřených hodnot. Množství ukládaných hodnot tedy závisí na velikosti (počtu
hodnot n) zvoleného intervalu.
b) Sledováním maximálních nebo minimálních hodnot ve zvolených intervalech.
Vytvoří se skupiny (intervaly) obsahující n naměřených hodnot a z každé
skupiny se vybere maximální a minimální hodnota. Tyto hodnoty se za všechny
intervaly sečtou a určí se jejich aritmetický průměr. Tato metoda je vhodná tam, kde
jsou maximální a minimální hodnoty rozhodující pro určení stavu diagnostikovaného
objektu. Dle potřeby je možné tuto metodu použít pro zpracování samotných
maximálních nebo minimálních hodnot.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
42
Redukce počtu naměřených hodnot – Pavel Kukla
c) Klouzavým průměrováním
Zvolí se základní skupina o n hodnotách a určí se její aritmetický průměr.
K této skupině se postupně po jednom přidávají další prvky a vždy se znovu spočítá
aritmetický průměr nové skupiny. Pomocí klouzavého průměru se křivka průběhu
naměřených hodnot vyhladí a je z ní zřetelnější trend nebo změna trendu vývoje
diagnostických hodnot.
Klouzavý průměr je možné určit několika způsoby:
1)
2)
3)
4)
Jednoduchý klouzavý průměr
Exponenciální klouzavý průměr
Vyhlazený klouzavý průměr
Lineárně vážený klouzavý průměr
d) Kombinací metody a) nebo b) s metodou c)
e) Kompresí dat a jejich následnou rekonstrukcí
Metody komprese naměřených hodnot a jejich následné rekonstrukce jsou vhodné
zejména při měření a vyhodnocování časových průběhů diagnostické veličiny
v oblasti přechodových náhodných jevů. Kompresí se provádí výběr vzorků
naměřených hodnot. Tento výběr musí být dostatečný k přesné zpětné rekonstrukci
průběhu naměřených diagnostických veličin. Tato zpětná rekonstrukce musí
proběhnout bez ztráty diagnostických informací. Komprese dat musí zajistit
zachování hodnot, které nesou diagnostickou informaci a umožní vyloučení hodnot,
které jsou nadbytečné a bez nových diagnostických informací.
Ať už zvolíme kteroukoliv metodu, je nutné zajistit, aby po redukci naměřených
hodnot zůstal zachován jejich informační diagnostický obsah.
Všechny uvedené metody jsou podrobněji popsány v [21].
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět teoreticky popsat, jaké jsou důvody
redukce naměřených dat a kdy je vhodné redukci provést. Po prostudování doporučené
literatury byste měli umět podrobněji popsat principy jednotlivých metod.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
43
Redukce počtu naměřených hodnot – Pavel Kukla
Otázky
1. Kdy provádíme redukci naměřených dat?
2. Jaká data není nutné uchovávat pro další zpracování?
3. Co je ztrátová a bezeztrátová komprese dat?
4. Co musí zajistit rekonstrukce komprimovaných dat?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
44
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
8
SUBSYSTÉMY DIAGNOSTICKÉHO SYSTÉMU
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly si
zopakujete prvky již
diagnostického systému.
dříve
popsaného
fenomenologické
schématu
Výklad
Diagnostický systém popsaný v kapitole 3 fenomenologickým schématem se skládá
z jednotlivých subsystémů, které budou podrobněji popsány v této kapitole. Pro připomenutí
je zde znovu zobrazeno fenomenologické schéma. Jednotlivé subsystémy nevyjadřují
vzájemnou podřízenost, ale mají vyjádřit vznik, postupný tok a zpracování diagnostických
informací v diagnostickém systému. Pokud budete potřebovat, vraťte se k podrobnějšímu
popisu v kapitole 3.
Obecné fenomenologické,strukturální a informační schéma diagnostického systému DS
DP
DO
R
DZ
M
LČ
F-T
DM
O
L
P
DO
diagnostikovaný objekt, dopravní prostředek,
nebo jeho části,
DP
diagnostické pozadí,
DM
diagnostický model,
LČ
lidský činitel v různých konkrétních formách,
M
subsystém měření,
F-T
subsystém určení technického stavu,
L
subsystém lokalizace poruchy,
P
subsystém prognózování doby další nebo
zbytkové provozuschopnosti,
R
subsystém řízení diagnostického systému,
O
vyšší nebo jiný systém s nímž DS kooperuje
nebo je jeho součástí, např. systém obnovy
vozidla, nebo řízení jakosti v systému údržby
vozidla, není součástí DS
1
animace © GaKo
Obr. 8.1: Fenomenologické schéma diagnostického systému (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
45
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli znát návaznost jednotlivých subsystémů
diagnostického systému.
Otázky
1. Vyjmenujte jednotlivé subsystémy DS.
2. Jak na sebe tyto subsystémy navazují?
3. Jaký vliv na měření může mít diagnostické pozadí?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
8.1 Subsystém „Diagnostikovaný objekt“ (DO)
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém diagnostikovaný objekt.
Výklad
Diagnostikovaný objekt (může to být jakýkoliv diagnostikovatelný objekt, např.
dopravní prostředek nebo některá jeho část) je základem celého diagnostického systému.
Diagnostikovaný objekt je při návrhu struktury celého diagnostického systému považován za
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
46
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
jeho subsystém a jako takový je formálně zahrnut v diagnostickém systému. Pro každý
diagnostikovaný objekt bude přizpůsobený i celý diagnostický systém, který tento objekt bude
sledovat a diagnosticky analyzovat. Při navrhování diagnostického systému musíme zohlednit
fakt, že každý technický výrobek (stroj, dopravní prostředek…) může být individuální, tzn.,
že se jednotlivé výrobky stejného charakteru se mohou nepatrně lišit a při návrhu
diagnostického systému je třeba s tím počítat. Tato rozdílnost je dána např. výrobními
tolerancemi, dodržováním technologických postupů, chybami kontrolních měření, stavem
výrobního zařízení, nehomogenitou zpracovávaného materiálu apod. Protože dopravní
prostředek je vlastně sestaven z jednotlivých strojních, hydraulických, elektronických
agregátů je třeba u něj s možnými odlišnostmi počítat. Realizace diagnostikovaného objektu
je rozhodující pro volbu vhodné diagnostické veličiny, respektive několika diagnostických
veličin.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat vlastnosti diagnostikovaného
objektu.
Otázky
1. Co může být diagnostikovaným objektem?
2. Jaké vlastnosti musí mít diagnostikovaný objekt?
3. Co je to diagnostikovatelnost?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
47
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
8.2 Subsystém „Diagnostický model“ (DM)
Čas ke studiu: 1,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat možnosti diagnostického modelu a princip jeho tvorby.
Výklad
Diagnostický model je reprezentací reálného nebo hypotetického (diagnostikovaného)
objektu. Může být realizován například jako matematický nebo fyzikální model, který se
chová při shodných podmínkách stejně, nebo velice podobně, jako reprezentovaný
diagnostikovaný objekt. Jak bude model vytvořen a do jaké míry bude podobný (ztotožněný)
s diagnostikovaným objektem, závisí na požadavcích na navrhovaný diagnostický systém. Při
tvorbě diagnostického modelu je možné postupovat analyticky, experimentálně nebo
kombinací obou těchto metod.
Každý diagnostický model, ať už je vytvořen jakýmkoliv způsobem, musí vycházet ze
základních přírodních zákonů a zákonitostí, které nelze obejít:
-
Zákon zachování hmotnosti (rovnice kontinuity)
Zákon zachování energie
Pohybové zákony
Zákonitosti elementárních procesů (výměna hmotnosti a tepla, chemické reakce)
Zákonitosti z oblasti spolehlivosti a životnosti diagnostikovaného objektu
Diagnostický model může být vytvořen pro reálný objekt (již existující dopravní
prostředek) nebo pro hypotetický objekt (ještě neexistující dopravní prostředek, který je ve
stádiu návrhu a konstrukce).
Diagnostický model může být realizován jako matematický, fyzický, obrazový
(ikonický) nebo formální (logické schéma).
Diagnostický model teoreticky musí mít všechny vlastnosti diagnostikovaného objektu
a naopak. Potom mluvíme o modelu izomorfním. V něm je možné najít pro každý prvek
modelu ekvivalentní prvek u reprezentovaného objektu a stejně to platí i naopak.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
48
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
V praxi není vždy nutné toto pravidlo dodržet, a proto se zavádí zjednodušená verze
modelu, kdy model má méně prvků (částí) než původní reprezentovaný objekt a tím je tedy
jednodušší. Pro každou část modelu lze tedy najít odpovídající část reprezentovaného objektu,
ale naopak všechny části reprezentovaného objektu nejsou obsaženy v jeho modelu. Tento typ
modelu se označuje jako homomorfní.
Diagnostický model je tedy homomorfní zobrazení diagnostikovaného objektu, a je
tedy zjednodušeným zobrazením reálného objektu.
Princip postupu tvorby diagnostického modelu je na obr.8.2 vyjádřen pomocí
vývojového diagramu.
Algoritmus (postup) tvorby diagnostického modelu
ZNALOST DIAGNOSTIKOVANÉHO
OBJEKTU
ZÁMĚR DIAGNOSTIKY
Návrh struktur modelu
(vztahy, rovnice)
Soubor diagnostických
veličin s (t)
Algoritmus
reprezentace modelu
Experimentální
práce
Zpracování údajů
VERIFIKACE
MODELU
animace © GaKo
Obr. 8.2: Tvorba diagnostického modelu (dle [21])
CD-ROM
Obr. 8.2 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Při tvorbě diagnostického modelu se vychází z požadavků a záměrů diagnostiky a z
aktuálních znalostí problematiky diagnostikování daného objektu. Velmi důležitá je
samozřejmě také dobrá znalost diagnostikovaného objektu a jeho provozních podmínek.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
49
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Diagnostické modely pro potřeby diagnostikování dopravních prostředků jsou
většinou modely matematické. Fyzikální modely by pro dopravní prostředky byly velmi
složité a s velkým rizikem vložených chyb. Jejich užití je možné pouze u jednoduchých
součástí (prvků).
V rámci experimentální diagnostiky je v některých případech možné pro modelování
diagnostických stavů použít přímo skutečný diagnostikovaný objekt. V takovém případě se
přímo na tomto reálném objektu provede ověření možností diagnostiky a tato diagnostika se
potom realizuje na dalších stejných (podobných) objektech.
Model zhotovený pro realizaci diagnostiky může být velmi podobný modelu určenému
pro kontrolu systému řízení reálného objektu. V oblasti řízení se na modelu zjišťuje, jak se
bude objekt chovat při různých způsobech jeho řízení, v oblasti diagnostiky bude rozhodující
chování diagnostikovaného objektu z hlediska změn funkční situace (provozuschopnosti)
nebo změn vlastního technického stavu (degradace, poruchy…).
Diagnostický model tedy obsahuje:
-
Matematický (nejčastěji) model diagnostikovaného objektu (DO) a jeho diagnostického
pozadí (DP) – prostřední blok
Hraniční hodnoty technického stavu, kontrolní hodnoty pro posouzení funkční situace,
atlas poruch, atlas prognostických odhadů
Hodnoty normálního stavu DP
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat důvody pro tvorbu
diagnostického modelu, jeho možnosti a princip jeho tvorby.
Otázky
1. Kdy potřebujeme vytvořit diagnostický model?
2. Jaké jsou druhy diagnostických modelů?
3. Jaký je princip tvorby diagnostického modelu?
4. Co je výsledkem použití diagnostického modelu?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
50
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
8.3 Subsystém „Měření diagnostických veličin“ (M)
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat přenos signálu od snímače k měřicímu zařízení.
Výklad
Subsystém měření je rozhodujícím subsystémem celého diagnostického systému.
Tento subsystém zajišťuje vstup diagnostických informací do diagnostického systému.
Těmito informacemi jsou měřené diagnostické veličiny (teplota, tlak, vibrace, hluk, elektrické
veličiny, posuv,…). Pokud dojde k chybě při snímání a transportu diagnostického signálu,
sebedokonalejší další vyhodnocení tohoto signálu bude stále obsahovat tuto vstupní chybu.
Proto je v tomto subsystému vyžadována vysoká přesnost, spolehlivost, věrohodnost a
jednoznačnost výsledků, které jsou získány měřením v reálných provozních podmínkách
činnosti diagnostikovaného objektu.
V tomto subsystému je kritický převod skutečné fyzikální měřené veličiny na hodnotu
vystupující ze snímače (většinou elektrická veličina). Další možné zkreslení signálu může
nastat v měřicím (transportním) kanálu. Důležité tedy je těmto možným chybám zcela
zabránit protože jinak je diagnostická informace znehodnocena a většinou již není možné
chybu opravit.
Schéma subsystému měření diagnostických veličin je na obr. 8.3.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
51
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
CD-ROM
Obr. 8.3 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
SCHÉMA SUBSYSTÉMU MĚŘENÍ
Diagnostické pozadí
d∗( t ) L 2,L 4
s∗( t )
∗
s ( t ) L1,L3
s∗( t ) L 2,L 4
s∗( t )
sm ( t )
d∗ ( t )
dm ( t )
s( t )
d( t )
L
SNÍMAČE
d∗( t )
d∗( t ) L1,L3
d( t ), d( t ) L1,L 2,L3,L 4
dm ( t ),
dm ( t )L1,L3,
dm ( t )L 2,L 4
PŘEDZPRACOVÁNÍ
MĚŘENÝCH
VELIČIN
MĚŘÍCÍ KANÁL
(transportní)
sm ( t ),
sm ( t )L1,L3,
sm ( t )L 2,L 4
s( t ), s( t ) L1,L 2,L3,L 4
Množina skutečných hodnot diagnostických veličin
Množina naměřených hodnot diagnostických veličin
Množina skutečných doplňkových hodnot diagnostických veličin. (Na DO)
Množina naměřených hodnot doplňkových diagnostických veličin
Hodnoty diagnostických veličin, které vystupují ze subsystému měření
Hodnoty doplňkových diagnostických veličin, které vystupují ze subsystému měření
Index označující hodnoty určené pro lokalizaci poruchy.
animace © GaKo
Obr. 8.3: Schéma subsystému měření diagnostických veličin (dle [21])
Měřené diagnostické a doplňkové veličiny jsou ve většině případů spojité veličiny,
proměnné v čase. Diagnostické vyhodnocování bývá realizováno pomocí softwaru v počítači.
Proto je třeba naměřený spojitý signál před jeho zpracováním převést na digitální signál a
přitom zachovat diagnostickou informaci měřeného signálu. V některých případech je vhodné
současně s digitalizací signálu provést i redukci nebo kompresi naměřených dat. Zefektivní se
tak jejich další zpracování a tím i činnost celého diagnostického systému. Digitalizace a
redukce dat probíhá ve fázi předzpracování naměřených hodnot.
Celý subsystém měření diagnostických veličin musí zahrnovat také vliv doplňkových
diagnostických veličin, které zohledňují možné vlivy diagnostického pozadí. Diagnostické
pozadí v sobě zahrnuje například klimatické vlivy, provozní vlivy, činnost okolních objektů,
další činnost diagnostikovaného objektu a může zahrnovat i případný vliv lidského činitele.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
52
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Obr. 8.4: Chyba při snímání měřených veličin znamená chybnou diagnostiku (dle [9])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat cestu naměřeného signálu od
snímače po měřicí zařízení.
Otázky
1. Jak se může zkreslit signál při přenosu k měřicímu zařízení?
2. Jak omezíme zkreslení signálu?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Vibrační zkoušení, Praha 1988
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
53
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
8.4 Subsystém „Určení technického stavu“ (FS, TS)
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém určování technického stavu.
Definovat hraniční hodnoty diagnostické veličiny.
Výklad
Hraniční hodnoty technického stavu diagnostikovaného objektu jsou hodnoty
rozhodující pro technickou diagnostiku. Jejich správné stanovení je jedním z nejdůležitějších
aspektů celého diagnostického systému. Jsou to předem stanovené hodnoty, které určují
provozuschopný („dobrý“) a neprovozuschopný („poruchový“) stav. Hraniční hodnoty
technického stavu diagnostikovaného objektu mohou být určeny objektivními metodami
měření (například měřením na diagnostickém modelu objektu), nebo kvalifikovaném odhadu
(například na základě znalostí diagnostiky podobného objektu). Hraniční hodnoty musí
zahrnovat vliv provozních podmínek objektu, možný vliv okolí, možný vliv lidského činitele
a také může zohlednit ekonomické nebo bezpečnostní faktory činnosti diagnostikovaného
objektu (dopravního prostředku).
Stanovené hraniční hodnoty považujeme za konstantní v čase. To však neznamená, že
jednou stanovené hraniční hodnoty není možné měnit na základě nově získaných poznatků
z již realizovaných diagnostických měření a poznatků o diagnostikovaném objektu.
Rozeznáváme tři hraniční hodnoty:
-
-
-
Mezní stav – definuje přechod z provozuschopného („dobrého“) stavu na stav
neprovozuschopný („poruchový“). Dosažení této kritické hodnoty diagnostické veličiny
tedy znamená konec provozuschopnosti objektu. V praxi bychom se při diagnostice
k této hodnotě vůbec neměli přiblížit.
Předkritický stav – definuje hodnotu diagnostické veličiny, která určuje, že je třeba
objekt (dopravní prostředek) vyjmout z provozu a provést na něm potřebnou údržbu.
Hodnota předkritického stavu je určena z hodnoty mezního stavu se zahrnutím časové
rezervy pro údržbu. Hodnotu může také ovlivnit ekonomické hledisko, které určí, kdy je
výhodné údržbu provést. U dopravního prostředku může být tento stav signalizován
například upozorněním na palubní desce, že je nutné provést servisní zásah.
Havarijní stav – není určen pro účely diagnostiky. Je to stav diagnostické veličiny
velmi blízko mezního stavu. Může být použit pro výstrahu obsluhy dopravního
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
54
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
prostředku, signalizuje velmi vysoké riziko blížící se poruchy. U dopravního prostředku
může po dosažení havarijního stavu být znemožněn jeho další provoz.
Pro každou diagnostickou veličinu lze tedy definovat tyto tři stavy, a pokud je
diagnostikováno současně několik veličin, vzniká tak množina hraničních hodnot. Obecně
platí zásada, že diagnostikovaný objekt je neprovozuschopný v okamžiku, kdy hodnota jediné
ze sledovaných diagnostických veličin dosáhne mezního stavu.
Schéma subsystému určení technického stavu je na obr. 8.5 a zahrnuje tedy bloky
určení a vyhodnocení funkční situace, určení a vyhodnocení technického stavu, možný vliv
lidského činitele, výstupy a záznam (registraci) funkčního a technického stavu.
Celý subsystém získává diagnostické a doplňkové diagnostické veličiny ze
subsystému „Měření diagnostických veličin“ a výsledky předává do subsystému „Lokalizace
a prognózování“.
Funkční situace diagnostikovaného objektu určuje funkční schopnost objektu
k provozu, tzn. okamžitou schopnost plnit stanovený účel diagnostikovaného objektu, tedy
okamžité provozuschopnosti objektu.
Po vyhodnocení funkční situace (pozitivním – stav je provozuschopný) následuje
určení vlastního technického stavu (viz obr. 8.5). Technický stav diagnostikovaného objektu
je provozuschopný, jestliže ŽÁDNÁ ze sledovaných diagnostických veličin nedosáhla
hodnotu svého mezního stavu. Takovou hodnotu by však sledovaný objekt při správné
aplikaci diagnostického systému nikdy neměl dosáhnout. V reálném provozu by měl
diagnostický systém zajišťovat kontrolu dosažení hodnot předkritického stavu nebo její
minimální překročení. V tomto okamžiku diagnostický systém musí upozornit na nutnost
bezpečného ukončení provozu objektu a jeho následnou obnovu (seřízení, údržbu, opravu…).
Rozdíl mezi hodnotami mezního a předkritického stavu vytváří tzv. „interval minimální
zálohy provozuschopnosti“ pro danou diagnostickou veličinu.
Příklad hodnocení technického stavu pro diagnostickou veličinu neklesajícího typu je
na následujícím obr.8.6.
CD-ROM
Obr. 8.6 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
55
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Hodnocení technického stavu z diagnostické veličiny neklesajícího typu
si ( t )
Provozuneschopnost
si ( tD−1)
si ( tk )
si ( tk +1)
si ( tD )
Počáteční stav
si ( t 0 )
∆siP
si ( t )
Předkritický stav
Kritický stav
∆si= ∆siR
∆si∗
Mezní stav
Provozuneschopnost
t0
tD−1
tk
tk +1
tD
t
animace © GaKo
Obr. 8.6: Technický stav diagnostické veličiny neklesajícího typu (dle [21])
Na předchozím obr. 8.6 je uveden příklad neklesající diagnostické veličiny. Podobným
způsobem je možné zobrazit jakoukoliv jinou veličinu – nerostoucího typu, veličinu, u které
se mění amplituda nebo frekvence kmitání, nebo veličinu, která může mít jakýkoliv
požadovaný průběh.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat subsystém určení technického
stavu a definovat tři typy hraničních hodnot technického stavu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
56
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Otázky
1. Jak probíhá určení technického stavu?
2. Jaké jsou hraniční hodnoty technického stavu?
3. Které hraniční hodnoty jsou důležité pro diagnostiku?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
8.5 Subsystém „Lokalizace poruchy“ (L)
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém lokalizace poruchy a jeho možnosti.
Výklad
Subsystém lokalizace poruchy umožňuje proces lokalizace, tj. určení místa vzniku
poruchy a její rozsah. Provádí se jak z hlediska funkční situace, tak i z hlediska vlastního
technického stavu. Subsystém lokalizace poruchy získává informace ze subsystému „Určení
technického stavu“. Těchto informací je poměrně velké množství:
-
Poruchy zjištěné vyhodnocením funkční situace
Poruchy zjištěné vyhodnocením technického stavu
Naměřené hodnoty diagnostických veličin
Naměřené hodnoty doplňkových diagnostických veličin
Hraniční hodnoty pro diagnostický objekt jako celek
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
57
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
-
Hodnoty diagnostického pozadí za normálního stavu
Informace o možném vlivu lidského činitele
Informace z diagnostického modelu (pokud je vytvořen)
Někdy je soubor zjištěných diagnostických informací nedostatečný a je proto nutné
pro lokalizaci poruch provést ještě další dodatečné měření diagnostických veličin. Mohou to
být stejné diagnostické veličiny, jako pro určení funkčního a technického stavu nebo další
veličiny, které se diagnostikují až v případě požadavku na lokalizaci poruchy.
Pro určení poruchy funkční situace (poruchy provozuschopnosti) nebo poruchy
vlastního technického stavu mohou být vytvořeny tzv. atlasy poruch. Atlasy poruch mohou
být součástí subsystému „Diagnostický model“ a obsahují soubor poruch funkčních situací
(nebo technického stavu) a popis těchto poruch, případně i postup pro jejich odstranění.
Důležité je, aby atlas poruch obsahoval poruchy, které se vyskytují nejčastěji i poruchy, které
jsou pro provoz objektu nejzávažnější. Atlas poruch nemůže obsahovat všechny poruchy,
které mohou vzniknout ale je možné ho podle potřeby a znalostí z předchozí realizované
diagnostiky neustále doplňovat. Příklad atlasu poruch funkčního stavu je na obr. 8.8.
Celkové schéma subsystému lokalizace poruchy
( sF∗ )L , (z)L
[e (t)]L
(DM) L
do
s(t), [s (t)]L1,L2,L3,L4
(s )
d(t), [d(t)] L1,L2,L3,L4
FS -
*
F
(z)L
L
LOKALIZACE
PORUCHY
FS
(FS) L
LOKALIZACE
PORUCHY
TS
TS -
KONEC C
(DM)L
(FS)L
( sF∗ )L
(TS)L
(z)L
[s(t)]L1,L2,L3,L4
[d(t)]L1,L2,L3,L4
[e(t)]L
do
FS, TS
(FS) L
(TS) L
KONEC D
informace z diagnostického modelu,
výsledek lokalizace poruchy funkční situace,
kontrolní hodnota funkční situace,
výsledek lokalizace poruchy technického stavu,
hraniční hodnoty diagnostických veličin,
soubory hodnot diagnostických veličin,
soubory hodnot doplňkových diagnostických veličin
empirické diagnostické veličiny
hodnoty diagnostického pozadí za normálního stavu,
informace o poruchovém stavu,
animace © GaKo
Obr. 8.7: Schéma subsystému lokalizace poruchy (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
58
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Obr. 8.8: Atlas poruch určený pro lokalizaci poruchy (dle [21])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip subsystému lokalizace
poruchy.
Otázky
1. Jaký je princip funkce subsystému lokalizace poruchy?
2. Jaké informace jsou potřeba pro lokalizaci poruchy?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
59
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
8.6 Subsystém „Prognózování doby zbytkové provozuschopnosti“ (P).
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém prognózování, tzn. jakým způsobem se předpovídá další stav
diagnostikovaného objektu.
Výklad
Zjištění (odhad) zbytkové doby provozuschopnosti je jedním z nejdůležitějších cílů
procesu diagnostiky. Vlastně je hlavním cílem diagnostiky právě určení zbytkové (reziduální)
provozuschopnosti a vedlejším produktem je potom detekce a lokalizace poruchy. V ideálním
případě dojde k údržbě a obnově ještě před vznikem poruchy.
Dobu provozuschopnosti technického objektu může ovlivnit jeho technická a morální
životnost, doba společenské potřeby a také doba návratnosti prostředků vynaložených na
vytvoření a provozování objektu (dopravního prostředku).
Zbytková provozuschopnost objektu je tedy rozdílem mezi stanovenou hraniční
hodnotou technického stavu (resp. hraniční hodnotou jeho diagnostikované veličiny) a
aktuálním technickým stavem v době realizace diagnostiky (daným aktuální hodnotou
diagnostikované veličiny).
Tato část realizace diagnostiky je řešením celé diagnostické úlohy a je závislá na
všech subsystémech diagnostického systému. Výsledek může být v některých případech
výrazně ovlivněn lidským činitelem, tzn. znalostmi a zkušenostmi obsluhy diagnostického
systému.
Výsledek prognózování nikdy nebude stoprocentně spolehlivý, vždy je možné, že na
objekt budou působit další vlivy, který diagnostický systém nedokáže zohlednit.
Doba zbytkové provozuschopnosti určuje také další diagnostickou kontrolu objektu
(pokud není objekt sledován nepřetržitě). Tento interval může být předepsán nejen časově ale
u dopravních prostředků například také v počtu ujetých kilometrů (kilometrický proběh), nebo
v množství spotřebovaného paliva, spotřebované elektrické energie. Kilometrický proběh tak
zahrnuje skutečné využití prostředku v čase, množství spotřebovaného paliva (energie) potom
i jeho skutečné provozní zatížení.
Subsystém „Prognózování doby zbytkové provozuschopnosti“ je na obr. 8.9.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
60
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Obr. 8.9: Schéma subsystému prognózování (dle [21])
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat subsystém prognózování zbytkové
provozuschopnosti diagnostikovaného objektu.
Otázky
1. Co ovlivňuje zbytkovou prozuschopnost?
2. Jak se zbytková provozuschopnost odhaduje?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
61
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
8.7 Subsystém „Řízení diagnostického systému“ (ŘD)
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém řízení diagnostického systému a jeho částí.
Výklad
Subsystém Řízení diagnostického systému zajišťuje řízení a realizaci diagnostických
procedur. Na základě programového vybavení nebo pokynů operátora (nebo obojího) se tak
koordinuje činnost jednotlivých subsystémů diagnostického systému. Subsystém řídí
jednotlivé operace, sběr a transport dat, vlastní autodiagnostiku celého systému apod.
Subsystém se tedy skládá ze čtyř základních částí:
-
Oblast řízení (Ř, V/V)
-
Oblast autodiagnostiky (A)
-
Oblast stimulace činnosti diag. objektu (ST)
-
Oblast monitorování (M)
Obr. 8.10: Schéma subsystému řízení diag. systému (dle [21])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
62
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip subsystému řízení
diagnostického systému.
Otázky
1. Co zajišťuje subsystém řízení?
2. Z jakých částí se skládá subsystém řízení a co jednotlivé části zajišťují?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
8.8 Subsystém „Lidský činitel“ (L)
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat subsystém vlivu lidského činitele na diagnostický systém.
Výklad
U diagnostických systémů je zahrnuta spoluúčast člověka, pouze zcela automatické
systémy pracují po určitou dobu samostatně bez vlivu lidského činitele. Člověk může ovlivnit
činnost jednotlivých subsystémů diagnostického systému, může ale také ovlivnit činnost
samotného diagnostikovaného objektu. Determinovaný vliv lidského činnosti se může
projevit zaváděním empirických veličin do subsystémů diagnostického systému.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
63
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Obr. 8.11: Schéma subsystému lidský činitel (dle [21])
Subsystém lidský činitel představuje vliv člověka na prováděnou diagnostiku. Tento
vliv se může projevit dvěma způsoby – přímým vlivem na některé subsystémy (LČ)+ a
determinovaným vlivem (LČ)++. Bezprostřední vztah je vytvářen vztahem mezi člověkem,
objektem a prostředím. Člověk zajišťuje přenos informací, řídí diagnostický proces a
rozhoduje o jeho dalším průběhu. Člověk je zde aktivní, provádí ovládání diagnostikovaného
objektu bekem měření, ovládání vlastního diagnostického měření a provádí i vlastní
interpretaci naměřených výsledků. Spolehlivost člověka ovlivňuje velké množství vnějších
vlivů – četnost stimulů (např. intervaly mezi měřením), prostředí (únava z tepla, nesoustředění
vlivem chladu, špatné osvětlení…) a další.
Spolehlivost diagnostického systému je tedy dána spolehlivostí diagnostického
zařízení a spolehlivostí člověka, který ho ovládá.
Determinovaný vliv člověka je prováděn případným zaváděním empirických veličin
do diagnostického procesu.
Vliv lidského činitele je tedy velmi důležitý už při navrhování diagnostického systému
a je snaha o jeho eliminaci. Tu je možné provést maximální automatizací diagnostického
procesu a jen nutným zásahem člověka do tohoto procesu.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat subsystém vlivu lidského
činitele a možné vlivy člověka na diagnostický systém.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
64
Subsystémy diagnostického systému – Pavel Kukla
Otázky
1. Co popisuje subsystém lidského činitele?
2. Jaký může být vliv člověka na diagnostický systém?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
65
Navrhování diagnostických systémů – Pavel Kukla
9
NAVRHOVÁNÍ DIAGNOSTICKÝCH SYSTÉMŮ
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat základní postup a podmínky pro navrhování diagnostického systému.
Výklad
Návrh a realizace složitějšího diagnostického systému je časově náročný proces.
Ekonomická stránka je závislá na složitosti celého systému, počtu měřených veličin, počtu
snímačů, přenosu měřeného signálu, způsobu zpracování a vyhodnocení signálu a dalších
aspektech systému.
Návrh diagnostického systému probíhá v několika etapách:
-
-
-
-
výběr vhodných diagnostických veličin s předpokládaným informačním
potenciálem (správný výběr diagnostických veličin je rozhodující pro
fungování celého diagnostického systému)
výběr vhodných měřicích míst pro sledování vybraných veličin, případná
úprava objektu pro měření těchto veličin
výběr vhodných měřicích metod pro provozní podmínky
diagnostikovaného objektu
pokud je to nutné, tak vývoj nových měřicích metod
určení možného vývoje a případných změn diagnostických veličin
v závislosti na provozování diagnostického objektu, případně na vlivu
stárnutí (degradace) objektu
experimentální ověření chování diagnostických veličin na reálném objektu
nebo na jeho modelu
určení konkrétních hraničních hodnot všech diagnostických veličin, tzn.
zejména jejich mezních a předkritických hodnot
návrh optimálního diagnostického postupu dle požadavků, tzn. způsob
určení technického stavu, detekce a lokalizace možných poruch, možnosti
prognózování apod.
zajištění vyhodnocovacího systému, u jednoduššího diagnostického
systému může být jeho součástí, u složitějšího se většinou jedná o náročné
softwarové vybavení
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
66
Navrhování diagnostických systémů – Pavel Kukla
Nákladnost a časová náročnost návrhu a realizace diagnostického systému je dána jeho
složitostí a požadavky na jeho činnost. Návrh jednoduššího diag. systému může provést jeho
provozovatel sám, návrh složitého diag. systémů je většinou záležitostí dodavatelské firmy.
Při úvahách o rozsahu a složitosti diagnostického systému je na jedné straně aspekt nákladů
na realizaci diagnostického systému a jeho následujícího provozování a na druhé straně aspekt
úspor, které vzniknou zvýšením spolehlivosti objektu, prodloužením doby života objektu a
v některých případech i zabráněním závažné havárie objektu. Koncepce diagnostického
systému se tedy volí také podle závažnosti možných vzniklých poruch a jejich následků.
Nejsložitější diagnostické systémy je tedy možné najít u kosmické techniky, letadel,
jaderných elektráren, složitých a drahých výrobních zařízení apod.
U dopravních prostředků je možné diagnostiku využít ve všech oblastech technického
života objektu, tzn. již při výzkumu a vývoji prostředku, při jeho výrobě a hlavně při jeho
provozování a údržbě, v některých případech i při skladování prostředku. V poslední fázi
technického života prostředku, při jeho likvidaci, je možné získat další nové informace o jeho
opotřebení a degradaci a tyto informace potom mohou sloužit pro další vývoj a inovaci
diagnostických systémů.
Výsledný diagnostický systém musí zajistit objektivní a racionální diagnostiku
provozovaného objektu (dopravního prostředku). Objektivní diagnostika je nezávislá na
lidském činiteli a její výsledek je pouze výsledkem diagnostického procesu. Racionálnost
diagnostiky je dána optimálním výběrem počtu diagnostických veličin a počtu měřicích míst
pro tyto veličiny. V ideálním případě nejsou tyto počty nadbytečné a diagnostický systém
sleduje právě jen to, co je opravdu pro diagnostiku objektu nutné. Výsledný realizovaný
diagnostický systém nemusí být definitivní, jeho objektivita a racionálnost se může postupně
zdokonalovat během jeho dalšího užívání v provozních podmínkách.
Návrh diagnostického systému také velmi úzce souvisí s předpokládaným systémem
údržby, nejsofistikovanější bude tam, kde se počítá s údržbou podle skutečného stavu objektu,
jednodušší v případě údržby podle předem stanoveného časového plánu.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní postup a podmínky pro
navrhování diagnostického systému
Otázky
1. Jak mohou probíhat jednotlivé etapy návrhu diag. systému?
2. Co může ovlivnit návrh diag. systému?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
67
Navrhování diagnostických systémů – Pavel Kukla
Další zdroje
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
68
Spolehlivost a diagnostické systémy, definice spolehlivosti – Pavel Kukla
10 SPOLEHLIVOST A DIAGNOSTICKÉ SYSTÉMY, DEFINICE
SPOLEHLIVOSTI
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat vztah diagnostického systému a spolehlivosti.
Výklad
Jedním z nejdůležitějších faktorů při hodnocení dopravního prostředku je jeho
spolehlivost. Dopravní prostředek má, stejně jako každý reálný provozovaný objekt, svoji
inherentní (vloženou) spolehlivost danou výrobcem a provozní spolehlivost realizovanou
během vlastního provozu prostředku. Provozní spolehlivost je tedy reálná spolehlivost objektu
(dopravního prostředku) ve skutečných provozních podmínkách.
Spolehlivost je dle normy ČSN IEC 50(191) „souhrnný termín pro popis pohotovosti a
činitelů, které ji ovlivňují: bezporuchovost, udržovatelnost a zajištěnost údržby“.
Tato definice vyjadřuje závislost spolehlivosti nejen na vlastnostech sledovaného
objektu (dopravního prostředku), ale i na možnostech a zajištění jeho údržby.
Jak již bylo uvedeno výše, spolehlivost je možné posuzovat ze dvou hledisek:
Inherentní spolehlivost – spolehlivost vložená do objektu v prvních fázích jeho
životního cyklu, tj. ve fázi koncepce, vývoje, návrhu a výroby objektu. V těchto fázích může
dojít k negativnímu ovlivnění spolehlivosti objektu (špatná koncepce, chyby v návrhu
konstrukce, nedodržení technologie výroby apod.).
Provozní spolehlivost – spolehlivost ve fázi uvedení do provozu a vlastním
provozování objektu. Provozní spolehlivost v sobě zahrnuje všechny vlivy provozních
podmínek (provozní zatížení, změny provozního režimu apod.), vliv okolního prostředí
působícího na objekt (teplota, vlhkost, prašnost apod.), dodržení předepsané údržby (a
správnost jejího návrhu) a také vliv lidského faktoru, který může výslednou spolehlivost
v některých případech výrazně ovlivnit.
Obecně tedy popis spolehlivosti považujeme za hodnocení požadované funkčnosti
sledovaného objektu, včetně možností tuto funkčnost ovlivnit vhodnou údržbou objektu.
Diagnostické systémy mají za úkol zajištění objektivních informací o aktuálním stavu
sledovaného objektu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
69
Spolehlivost a diagnostické systémy, definice spolehlivosti – Pavel Kukla
Realizace diagnostického systému je jednou z podmínek pro zvýšení spolehlivosti
sledovaného objektu. U dopravního prostředku je nutné sledovat velké množství
diagnostických parametrů. Sledování a vyhodnocování parametrů nejdůležitějších pro
spolehlivý provoz prostředku se realizuje během jeho provozu pomocí palubní diagnostiky,
ostatní parametry se mohou diagnostikovat mimo běžný provoz pomocí staniční diagnostiky.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat vztah diagnostického systému a
spolehlivosti.
Otázky
1. Jak může diagnostický systém ovlivnit spolehlivost objektu?
2. Jaké jsou základní dva druhy spolehlivosti?
3. Jak souvisí druhy spolehlivosti s etapami životního cyklu objektu?
4. Může diagnostika objektu ve fázi jeho likvidace ovlivnit provozní spolehlivost?
Další zdroje
LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
70
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
11 METODY PRO ZVÝŠENÍ SPOLEHLIVOSTI
Pro zvýšení spolehlivosti může být použita například metoda analýzy možností vzniku
vad a jejich příčin a následků (FMEA) nebo analýza pomocí stromu poruch (FTA) nebo
stromu událostí (ETA). Velmi vhodná je také metoda zajištění systému údržby orientovaného
na bezporuchovost (RCM).
11.1 Metoda FMEA – analýza způsobů a následků poruch
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat postup realizace analýzy spolehlivosti metodou FMEA.
Vyřešit jednoduchou analýzu FEMA.
Výklad
Název metody vznikl z anglického názvu Failure Mode and Effect Analysis, bylo by
možné ho přeložit také jako Analýza možností vzniku vad a jejich následků. Metoda zajišťuje
postup pro systematické odhalování možných poruch konstrukce nebo procesu (postupu). Je
založena na principu předcházení poruch – prevence poruchy je lepší než její pozdější
hledání, odhalování a odstraňování. FMEA je systematická procedura (zajišťuje systematický
postup) pro vyloučení všech předpokládaných (pokud se dělá ve fázi návrhu výrobku nebo
procesu) poruch nebo pro zmírnění následků poruch které se již projevily (pokud se dělá pro
již realizovanou konstrukci, výrobek nebo pro probíhající proces.
Metoda FMEA vznikla v kosmickém výzkumu, kde bylo nutné zajištění maximální
provozní spolehlivosti. Postupně se dostávala do dalších odvětví jako je letectví,
elektrotechnika nebo automobilový průmysl.
Pro potřeby analýzy jsou rozlišeny dva základní typy:
Konstrukční FMEA – hledá příčiny poruch v nedostatcích návrhu objektu
operace,
Procesní FMEA – hledá příčiny poruch, které se mohou vyskytnout během
provozu objektu
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
71
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Základní kroky postupu analýzy FMEA:
Vytvoření týmu pro analýzu FMEA.
Formulace problému.
Analýza konstrukce nebo procesu - podle typu problému.
Hledání a zapsání všech potenciálních způsobů poruch. (Brainstorming.)
Určení možných následků poruch (může být několik následků pro jednu vadu – dále se
bere v úvahu ten nejhorší).
6. Určení všech možných příčin vzniku poruch (může být několik příčin pro jednu
poruchu – rizikové číslo poruchy se určuje pro každou příčinu).
7. Určení všech možností kontroly, které mohou vzniklou poruchu odhalit (může být
odhalena kontrolou i na několika místech, případně může být odhalena nemožností
vykonání následující operace).
8. Ohodnocení (1-10) závažnosti (dle následků), četnosti výskytu (dle příčiny) a
pravděpodobnosti odhalení (dle kontroly) každé poruchy.
9. Výpočet míry rizika (RPN (rizikové číslo) = význam * výskyt * odhalení) na základě
předchozího ohodnocení.
10. Stanovení mezního rizikového čísla (dle normy nebo dohodou)
11. Výběr nejzávažnějších možných poruch dle rizikového čísla.
12. Návrh preventivních nebo nápravných opatření pro tyto závažné poruchy.
13. Teoretický výpočet nového rizikového čísla pro poruchy s nápravným opatřením.
14. Realizace opatření a jejich nová kontrola pomocí analýzy FMEA.
1.
2.
3.
4.
5.
Pokud se analýza FMEA provádí opravdu zodpovědně, může velmi významně snížit
riziko poruch a zvýší provozní spolehlivost objektu. Celá analýza se může provádět pomocí
formuláře nebo počítačového programu.
Obr. 11.1: Příklad formuláře FMEA procesu (dle [29])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
72
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní postup analýzy FMEA
a vysvětlit pojmy význam, výskyt, odhalení poruchy, rizikové číslo, nápravné opatření.
Otázky
1. Jaký je postup realizace analýzy FMEA?
2. Jaký je rozdíl mezi konstrukční a procesní analýzou FMEA?
3. Vysvětlete pojmy význam, výskyt a odhalení poruchy. Co tyto pojmy určují?
4. Je FMEA subjektivní nebo objektivní metoda?
5. Co je výsledkem analýzy FMEA?
6. Analyzujte touto metodou velmi jednoduchou součástku dopravního prostředku.
Další zdroje
HOLUB, R., VINTR, Z.: Spolehlivost letadlové techniky (elektronická učebnice),
PLURA, J.: Plánování a neustálé zlepšování jakosti. Computer Press, Praha 2001
11.2 Metoda FTA – analýza stromu poruchových stavů
Čas ke studiu: 1,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat postup analýzy spolehlivosti pomocí stromu poruchových stavů.
Vyřešit touto analýzou jednoduchý případ.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
73
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Výklad
Anglický název metody Fault Tree Analysis – FTA. Tato metoda má preventivně
analyzovat pravděpodobnost možného selhání celého objektu a hledá preventivní opatření,
která mají tomuto selhání zabránit a tím zvýšit jeho provozní spolehlivost. Je to grafická
metoda, která stromovou strukturou popisuje všechny možné kombinace problémů celého
objektu a možnosti selhání jeho jednotlivých prvků. Metodika tak může zahrnout nejen
poruchy jednotlivých komponent objektu, ale i možný vliv lidského činitele (např. chyby
v rozhodování obsluhy prostředku).
Strom poruch je vytvořen tak, že popisuje sled událostí, které mohou vést k tzv.
vrcholové události. Vrcholová událost (problém, porucha) bývá většinou definována jako
velmi závažná negativní událost – vážná porucha, havárie, automobilová nehoda apod.
Strom poruch tedy vyjadřuje strukturu podmínek (událostí), které mohou s určitou
pravděpodobností být příčinou vrcholové události. Vzájemný vztah jednotlivých příčin je
v diagramu vyjádřen hradly A a NEBO (AND a OR). Tato hradla zobrazují vzájemný vztah
jednotlivých příčin, AND spojuje příčiny, které jsou nutné pro vznik další poruchy současně,
OR příčiny, které mohou další poruchu iniciovat samostatně.
Celá stromová struktura diagramu tedy zobrazuje jednotlivé úrovně, ve kterých mohou
příčiny vznikat, až po vrcholovou událost. Pokud jsou známé pravděpodobnosti vzniku
jednotlivých výchozích příčin, je možné je do diagramu dosadit a určit z nich
pravděpodobnost vzniku vrcholové události. Jako příčinu, která se podílí na vzniku následné
poruchy, je možné do diagramu vložit i lidskou chybu. Je však velmi obtížné určit
pravděpodobnost kterou se lidská chyba v procesu projeví.
Obr. 11.2: Příklad realizace FTA (dle http://www.ikvalita.cz/pic/fta.gif)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
74
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat postup analýzy spolehlivosti
pomocí stromu poruchových stavů a vysvětlit pojmy vrcholová událost, operátory (hradla)
AND a OR a jejich funkce ve stromu poruchových stavů.
Otázky
1. Jaký je postup realizace stromu poruchových stavů?
2. Od jaké události se začíná strom poruchových stavů kreslit?
3. Jaké mohou být vzájemné vztahy mezi jednotlivými prvky stromu por. stavů?
4. Nakreslete FTA pro poruchu z vaší praxe.
Další zdroje
HOLUB, R., VINTR, Z.: Spolehlivost letadlové techniky (elektronická učebnice),
PLURA, J.: Plánování a neustálé zlepšování jakosti. Computer Press, Praha 2001
11.3 Metoda ETA – analýza stromu událostí
Čas ke studiu: 1,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat postup analýzy spolehlivosti pomocí stromu událostí.
Vyřešit touto analýzou jednoduchý případ.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
75
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Výklad
Anglický název metody Event Tree Analysis – ETA. Analýza ETA se zabývá
možnými následky iniciační události. To znamená, že nehledá příčiny poruchy (ty řeší FTA),
ale zabývá se jejími možnými následky. Diagram stromu událostí tak zobrazuje možný vývoj
událostí po výchozí poruše. Každá v čase následující událost je podmíněna možným výskytem
předchozích událostí. Výsledky předchozích událostí jsou ve stromu událostí nejčastěji
popsány jako dvoustavové – ANO událost se stala, NE k události nedošlo.
Výsledkem analýzy stromu událostí může být buď hledání událostí, kterým je možné
zabránit a eliminovat tak následky výchozí události, nebo k určování tzv. koncových stavů
výsledné události („co se stane, když…). Do této analýzy je opět možné zahrnout selhání
lidského činitele. Pokud je známa pravděpodobnost vzniku jednotlivých událostí, je možné
z diagramu určit pravděpodobnost vzniku koncových událostí. Spolu s jejich závažností to
může být podkladem pro navrhování preventivních nebo nápravných opatření.
Obr. 11.3: Příklad realizace ETA (dle http:// www.vubp.cz/.../152-postupy-a-metodikyanalyz-a-hodnoceni-rizik-...)
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat postup analýzy spolehlivosti
pomocí stromu událostí.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
76
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Otázky
1. Jaký je postup realizace stromu událostí?
2. Od jaké události se začíná strom událostí kreslit?
3. Musí se každá událost projevit ve všech větvích ETA?
4. Nakreslete ETA pro událost (havárii) z vaší praxe.
Další zdroje
HOLUB, R., VINTR, Z.: Spolehlivost letadlové techniky (elektronická učebnice),
PLURA, J.: Plánování a neustálé zlepšování jakosti. Computer Press, Praha 2001
11.4 Metoda RCM – údržba zaměřená na bezporuchovost
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat postup realizace metody RCM.
Vyřešit touto analýzou jednoduchý případ.
Výklad
Anglický název metody Reliability Centred Maintenance – RCM. Tato metoda byla
původně vyvinuta pro civilní letecký průmysl a postupně se rozšířila do dalších průmyslových
odvětví. Metodika byla rozpracována v normě ČSN IEC 60300-3-11. Program údržby
stanovený touto metodou stanoví, jaké celky se musí udržovat, jakých cílů se má touto
údržbou dosáhnout, jaké prostředky použít a v jakých intervalech údržbu provádět. Řešení
těchto otázek je poměrně složité, a proto je rozčleněno na čtyři dílčí úlohy.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
77
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Provedení dekompozice objektu a stanovení cílů údržby.
Proces dekompozice zahrnuje identifikaci celků, konstrukčních skupin a podskupin a
může zahrnout i identifikaci jednotlivých součástek původního celku. Dekompozicí se určí
funkčně významné a ostatní celky. Funkčně významné celky (FSI) jsou takové, jejichž
porucha je z nějakého důvodu závažná a její následky můžeme zařadit do jedné ze tří
kategorií, v nichž se dále posuzují:
1. Způsobí poruchu ovlivňující bezpečnost, životní prostředí (SSI).
2. Způsobí poruchu s významným dopadem na provoz a údržbu (MSI).
3. Způsobí poruchu s významným ekonomickým dopadem (ESI).
Stanovení prostředků a obsahu údržby
Prostředky údržby mohou být například:
-
mazání, čistění – udržení inherentní způsobilosti celku
provozní, vizuální kontrola – zjišťuje poruchy, které nejsou běžně detekovány
obsluhou nebo monitorovacím systémem
prohlídka, kontrola funkce, diagnostika – diagnostický systém
obnova – od čištění, seřízení po generální opravu
vyřazení – celek se vyřadí z provozu po určené době života
Obsah údržby definuje úkoly preventivní údržby a úkoly neplánované údržby.
Určení intervalu údržby
Pokud jsou intervaly pravidelných kontrol technického stavu stanoveny legislativou,
musí být tyto hodnoty vždy zahrnuty do údržbového systému. Pro matematické stanovení
intervalu údržby se statistickými metodami zpracovávají data o bezporuchovosti, dodaná
výrobcem nebo provozovatelem vozidla. Jestliže jsou data o bezporuchovosti nedostatečná,
nebo nejsou vůbec k dispozici, vychází se z poznatků o údržbě a obnově obdobných
konstrukcí a intervaly se stanoví intuitivně.
Sestavení počátečního a provozního programu údržby
U nových objektů se určí počáteční (pro dobu záběhu) a provozní (pro běžný provoz)
program údržby. Efektivní program údržby musí obsahovat pouze takové úkoly, které jsou
opravdu nutné pro splnění daných cílů. Nadbytečné úkoly zvyšují náklady na údržbu a přitom
nezvyšují inherentní úroveň bezporuchovosti.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
78
Metody pro zvýšení spolehlivosti – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní postup analýzy
spolehlivosti pomocí metody RCM a vysvětlit pojmy dekompozice objektu, cíl údržby,
prostředky a obsah údržby, program údržby.
Otázky
1. Jaký je postup realizace metody RCM?
2. Co provádí jednotlivé kroky metody RCM?
3. Co je výsledkem realizace metody RCM?
Další zdroje
FAMFULÍK, J.: Údržba hnacích vozidel zaměřená na bezporuchovost, Disertační
práce, VŠB, Ostrava, 2002
FAMFULÍK, J.: Teorie údržby. Skriptum VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, 2006
MOUBRAY, J.: RCM – Reliability – centred Maintenance, Great Britain, 1997
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
79
Údržba – zajištění provozní spolehlivosti – Pavel Kukla
12 ÚDRŽBA – ZAJIŠTĚNÍ PROVOZNÍ SPOLEHLIVOSTI
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat základní přístupy k zajištění systému údržby.
Výklad
Cílem údržby dopravního prostředku je jeho setrvání v provozuschopném stavu při
vynaložení minimálních nutných nákladů. To je velmi problematické, údržba vždy potřebuje
dostatečné finanční prostředky, ale pokud je prováděna racionálně, ušetří náklady na
odstranění následků poruch a zvyšuje provozní spolehlivost objektu. Je tedy vždy nutné zvážit
předpokládané náklady na údržbu (včetně využití diagnostického systému) a ušetřené náklady
na opravy při zajištění zvýšené spolehlivosti. Při tomto rozhodování vždy vzniká riziko,
vyplývající z odhadu ušetřených nákladů. Neexistuje tedy univerzální řešení na koncepci
diagnostického systému ani na realizaci údržbového systému. Každý systém musí respektovat
charakter konkrétního dopravního prostředku a jeho provozních podmínek.
Rozeznáváme tři základní systémy údržby:
-
údržba podle předem stanoveného časového plánu
údržba podle skutečného technického stavu objektu
údržba po poruše objektu
Údržba podle předem stanoveného časového plánu.
Někdy také „údržba v pevně stanovených časových intervalech, tzv. HTL údržba –
Hard Time Limits. Podkladem pro stanovení časového intervalu jsou zejména statistické
informace o poruchách daného objektu a také zkušenosti výrobce a provozovatele objektu.
Časový údaj může nahradit jiný relevantní parametr, který má lepší vypovídací hodnotu o
provozování objektu, například počet ujetých kilometrů (kilometrický proběh), množství
spotřebovaného paliva apod.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
80
Údržba – zajištění provozní spolehlivosti – Pavel Kukla
Údržba podle skutečného technického stavu objektu.
Tzv. OC údržba – On Condition, před provedením údržby se metodami technické
diagnostiky provede ověření skutečného technického stavu a tím i nutnosti provedení
údržbového zásahu.
Tento systém údržby umožní lepší využití technické životnosti jednotlivých prvků
objektu, ale je náročnější na provozování diagnostického systému.
Údržba po poruše objektu.
Údržba RB – Run to Breakdown, tzn. „jezdi do poruchy“ je vhodná pro ty části
dopravního prostředku, jejichž porucha nemůže ovlivnit bezpečnost provozu, nevyvolá
ekologickou havárii a neohrozí obsluhu dopravního prostředku. Tento systém údržby se
používá pro takové prvky dopravního prostředku, kde předchozí systémy údržby nejsou
efektivní. Pro tyto prvky nelze stanovit ideální intervaly údržby a aplikace diagnostického
systému je pro ně příliš finančně náročná. A to buď kvůli náročnosti diagnostického systému,
nebo pro zanedbatelnou cenu součásti. Systém se tedy používá zejména pro jednoduché, levné
a snadno vyměnitelné prvky, například spojovací součásti, řemeny, těsnění, elektrické
součástky, pojistky apod.
Požadavky na údržbu se postupně vyvíjeli od oprav po poruše, přes plánovanou
preventivní údržbu až k systémům údržby podle skutečného technického stavu objektu nebo
jeho prvků. U složitějšího objektu, jakým je i dopravní prostředek, je nutné všechny uvedené
systémy údržby kombinovat. Jestliže uvážíme, že automobil má cca 15-20 tisíc různě
složitých dílů, je jasné, že jejich velká část bude podléhat systému údržby po poruše a pouze
relativně malá část dílů, nebo jejich sestav, bude udržováno systémem údržby podle předem
stanoveného plánu, nebo s pomocí diagnostiky podle jejich aktuálního technického stavu.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat tři základní systémy údržby.
Otázky
1. Popište rozdíly mezi třemi základními systémy údržby.
2. Uveďte příklady prvků dopravního prostředku vhodné pro jednotlivé systémy
údržby.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
81
Údržba – zajištění provozní spolehlivosti – Pavel Kukla
Další zdroje
FAMFULÍK, J.: Údržba hnacích vozidel zaměřená na bezporuchovost, Disertační práce
VŠB, Ostrava, 2002
FAMFULÍK, J.: Teorie údržby. Skriptum VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, 2006
REMEK, B.: Provozní údržba a diagnostika vozidel
SCHENCK: Firemní literatura - Preventivní údržba strojů, Brno 1989
STODOLA, J.: Provozní spolehlivost a diagnostika, VA Brno, 2002
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
82
Možnosti technické diagnostiky a provozní SPOLEHLIVOST – Pavel Kukla
13 MOŽNOSTI TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY A PROVOZNÍ
SPOLEHLIVOST
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat možnosti vlivu technické diagnostiky na provozní spolehlivost objektu.
Výklad
Technická diagnostika je neustále se rozvíjející obor, který se zabývá stanovením
technického stavu objektu. Je proto integrální součástí návrhu a realizace diagnostického
systému. K zajištění provozní spolehlivosti dopravního prostředku je nutné sledování
technického stavu objektu a případná detekce a lokalizace tvorby poruchy s dostatečným
předstihem. V případě hrozící havárie, diagnostický systém využije nastavené havarijní
hraniční hodnoty diagnostické veličiny a může automaticky bez zásahu člověka zastavit
provoz diagnostikovaného stroje.
Technická diagnostika je definována jako bezdemontážní a nedestruktivní. Měla by
tedy být realizována s minimálními zásahy do objektu a bez jakéhokoliv vlivu na sledovaný
objekt. Volba metody technické diagnostiky úzce souvisí s metodou údržby objektu.
Diagnostický systém s využitím metod technické diagnostiky je většinou realizován
s údržbou podle skutečného technického stavu, protože právě diagnostika skutečného
technického stavu je cílem realizace diagnostického systému. Konkrétní typ diagnostického
systému, tak jak bylo dříve popsáno, je zvolen podle konkrétního řešeného diagnostického
problému.
Technická diagnostika používaná v rámci údržby objektu má tři základní úlohy:
1. Vlastní údržbu – technická diagnostika pomáhá zajišťovat požadovanou
kvalitu údržby a dodržování předepsaných provozních podmínek.
2. Opravy – technická diagnostika ověřuje technický stav před opravou (pro
určení rozsahu údržbových prací) a kontroluje technický stav po opravě
(zajišťuje kvalitu opravy, slouží jako výstupní kontrola).
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
83
Možnosti technické diagnostiky a provozní SPOLEHLIVOST – Pavel Kukla
3. Kontrolní a revizní činnost – provádění prohlídek za účelem zjištění
aktuálního technického stavu, případně detekování a lokalizaci vznikající
poruchy.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat možnosti technické diagnostiky
používané v rámci údržby objektu.
Otázky
1. Jak je definována technická diagnostika?
2. Jaké jsou úlohy technické diagnostiky v rámci údržby?
Další zdroje
FAMFULÍK, J.: Teorie údržby. Skriptum VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, 2006
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
REMEK, B.: Provozní údržba a diagnostika vozidel
SCHENCK: Firemní literatura - Preventivní údržba strojů, Brno 1989
STODOLA, J.: Diagnostika motorových vozidel, VUT Brno, 2002
STODOLA, J.: Provozní spolehlivost a diagnostika, VA Brno, 2002
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
84
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14 METODY TECHNICKÉ DIAGNOSTIKY
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat rozdělení základních metod technické diagnostiky a jejich využití.
Výklad
Metody technické diagnostiky je možné rozdělit na metody, které sledují některý
z fyzikálních parametrů sledovaného objektu, defektoskopické metody, které hledají možnou
poruchu (vadu) v materiálu a tribotechnické metody, které určují stav objektu z rozboru
používaného oleje (maziva).
Mezi fyzikální metody technické diagnostiky patří především:
-
Vibrodiagnostika
-
Hluková diagnostika
-
Tepelné metody (měření teploty, termografie)
Základní defektoskopické metody jsou:
-
Vizuální metody
-
Kapilární metoda
-
Magnetické metody
-
Ultrazvukové metody
-
Metody akustické emise
-
Prozařovací metody
Mezi nejdůležitější metody tribodiagnostiky patří:
-
Stanovení viskozity
-
Stanovení znečištění oleje (a určení znečišťujících látek)
-
Určení obsahu vody v oleji
-
Stanovení bodu vzplanutí a bodu hoření oleje
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
85
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14.1 Vibrodiagnostika
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat metodu vibrodiagnostiky a její možnosti využití.
Výklad
Měření vibrací patří mezi významné a stále se rozšiřující diagnostické metody.
Pomáhá identifikovat hlavní příčiny mechanického chvění a hledá cesty k jeho odstranění
nebo alespoň omezení. Příčinou vibrací u stroje jsou dynamické síly, které mohou vznikat
nepřesností mechanických dílů a součástí, vůle mezi pohyblivými součástkami, nevývaha
součástí pohybujících se součástí. Chvění může vyvolávat také vzájemná rezonance součástí.
Pro diagnostiku vibrací je nutné jejich přesné změření, jedině tak je potom možné s vysokou
pravděpodobností určit jejich zdroj a tím i případnou závadu objektu.
Vibrace jsou tvořeny kmitavým pohybem hmotného bodu (tělesa) kolem rovnovážné
polohy (viz obr. 14.1). Počet cyklů tohoto kmitavého pohybu se nazývá kmitočet (jednotka
Hertz – Hz) a patří k nejdůležitějším parametrům pro vibrodiagnostiku. Teoreticky může být
kmitavý pohyb jednoduchý a obsahovat pouze jednu složku s jedním určitým kmitočtem,
v praxi se setkáváme ve většině případů s pohybem složeným s většího počtu složek
s různými kmitočty. Mechanické vibrace diagnostikovaného objektu obvykle obsahují velký
počet složek s různými kmitočty. K jejich rozlišení a tím i možné identifikaci jejich zdrojů je
nutné použít tzv. kmitočtovou analýzu. Kmitočtová analýza umožní rozklad signálu na jeho
jednotlivé složky, grafické znázornění tohoto rozkladu je tzv. spektrum signálu. Kmitočtová
analýza signálu je základem pro vibrodiagnostiku strojů. Umožňuje identifikaci zdrojů
vibrací, pokud známe jejich možné budicí frekvence. Na základě této identifikace se posuzuje
stav jednotlivých prvků objektu a trend vývoje jejich vibrací.
CD-ROM
Obr. 14.1 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
86
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Obr. 14.1: Schéma vzniku absolutních a relativních vibrací (dle [19])
Každý kmitavý pohyb je možné popsat pomocí výchylky, rychlosti nebo zrychlení
vibrací. Hlavní rozdíl mezi těmito veličinami je ve fázovém posunu časového průběhu jejich
vln (rychlost má fázový předstih 90°, zrychlení 180°). Současné analyzátory umožňují při
měření kterékoliv z těchto veličin její převod na ostatní. Proto se nejčastěji používají
piezoelektrické snímače zrychlení (akcelerometry), které mají široký pracovní kmitočtový a
dynamický rozsah a jsou poměrně spolehlivé a stabilní (viz obr. 14.1).
Základním prvkem piezoelektrického snímače zrychlení je piezoelektrický krystal, u
kterého je využit tzv. piezoelektrický jev. V tomto krystalu při jeho mechanickém namáhání
v tahu, tlaku nebo střihu vzniká na čelních stranách elektrický náboj. Tento náboj je přímo
úměrný působící mechanické síle, tedy vibracím měřeného objektu. V používaných snímačích
zrychlení je piezoelektrický člen upevněn tak, že při kmitavém pohybu snímače na něj působí
síla úměrná zrychlení přídavné hmoty.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
87
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
CD-ROM
Obr. 14.2 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Obr. 14.2: Schéma piezoelektrického snímače (dle [19])
Dalším používaným snímačem je indukční snímač, který pracuje na principu indukce
mezi pohybující se cívkou snímačem a pevným jádrem (viz obr. 14.2). Velikost této indukce
je dána rychlostí vzájemného pohybu cívky a jádra.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
88
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
CD-ROM
Obr. 14.3 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
Obr. 14.3: Schéma indukčního snímače (dle [19])
CD-ROM
Na portálu je k dispozici video měření vibrací při průjezdu motorové jednotky.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
89
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat metodu vibrodiagnostiky a její
možnosti využití a vysvětlit pojmy indukční snímač, piezoelektrický snímač, frekvenční
spektrum.
Otázky
1. Popište princip vibrodiagnostiky.
2. Co je frekvenční spektrum a jak se využívá.
3. Jak funguje piezoelektrický snímač?
4. Jak funguje indukční snímač?
Další zdroje
BENEŠ, Š. : Teorie stavby strojů. Stripta VŠST v Liberci, Liberec 1986
BENEŠ, Š. – TOMEH, E. : Metody diagnostiky valivých ložisek. Skripta VŠST
Liberec, Liberec 1991
BENEŠ, Š., ŠEREMETA, L., VÁLA, K.: Bezdemontážní diagnostika, VŠST Liberec,
1986
BREPTA, R. – PŮST, L. – TUREK, F. : Mechanické kmitání – Technický průvodce
71. Sobotáles, Praha 1994
BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Měření chvění, Praha, 1984
BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Vibrační zkoušení, Praha 1988
KUKLA, P.: Diagnostické sledování a vyhodnocení technického stavu převodovek
elektrických jednotek s cílem zvýšení provozní spolehlivosti, Dizertační práce, UPce,
Pardubice, 2009
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
90
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14.2 Hluková diagnostika
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat metodu vibrodiagnostiky a její možnosti využití.
Výklad
Závada u diagnostikovaného objektu se může podobně jako vibracemi projevovat také
nadměrným nebo specifickým hlukem. Hluk tak může být varováním nestandardního chování
objektu. V některých případech může hluk svoji hlasitostí také být velmi nebezpečný pro
lidský sluch.
Každý zvuk (hluk) je vlastně změna tlaku média (většinou vzduchu, ale může to být
také voda nebo jiné prostředí), kterou lidské ucho je schopno rozeznat. Lidský sluch dokáže
rozeznat takové změny tlaku, které proběhnou rychleji než 20x za sekundu. Počet změn tlaku
za sekundu určuje kmitočet zvuku, jeho jednotkou je Hertz (Hz), tedy stejně jako u kmitočtu
vibrací. Čím větší kmitočet, tím je tón pro člověka slyšitelný jako vyšší. Kmitočtový rozsah
sluchu zdravého mladého člověka se uvádí přibližně od 20 do 20 000 Hz. Každý člověk má
tento rozsah individuální, záleží na mnoha okolnostech – zdraví, prostředí, ve kterém se
člověk pohybuje, stáří apod.
Tlakové změny se šíří v pružném prostředí od zdroje rychlostí danou druhem
prostředí. U diagnostikovaného objektu se tak možná závada projeví vibracemi některého
prvku, a když se tyto vibrace dostanou (přes další prvky objektu) na jeho povrch, projeví se
jako nežádoucí hluk a tímto hlukem je možné závadu identifikovat. Na základě znalosti
kmitočtu a rychlosti šíření zvuku je možné určit vlnovou délku zvuku. Vlnová délka je vlastně
vzdálenost mezi stejnými místy vlny (maximem, minimem nebo kterýmkoliv bodem).
Zvuk je možné popsat analogicky s vibracemi. Stejně jako u vibrací může existovat
jednoduchý kmitavý pohyb s jednou složkou, může existovat i zvuk s jedním kmitočtem.
Takový zvuk se nazývá čistým tónem a vyskytuje se velmi zřídka (teoreticky například u
ladičky). I čistý tón klavíru obsahuje více kmitočtů než jeden. Hluk tedy obsahuje mnoho
složek s různými kmitočty a má povahu širokopásmového šumu. Veličinou popisující
hlasitost zvuku (hluku) je Decibel (dB). Nejslabší zvuk, který může lidské ucho zachytit, má
akustický tlak 20µPa. Je to tak malá změna tlaku, že se na výchylce ušního bubínku projeví na
úrovni velikosti molekul. Naopak maximální možný zvuk, který lidské ucho může snést je
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
91
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
více než milionkrát větší. Toto je důvod, proč je nutné pro měření akustického tlaku hluku
používat logaritmickou stupnici s jednotkou dB. Decibel je relativní jednotkou vztaženou
k dohodnuté referenční hodnotě. Při měření hluku byla jako referenční hodnota zvolena právě
prahová hodnota akustického tlaku, tj. tlak 20µPa. Tomuto bodu odpovídá hladina 0 dB.
Každému dvojnásobku akustického tlaku odpovídá zvýšení hladiny o 3 dB, každému
desetinásobku potom zvýšení o 20 dB. Takto použitá logaritmická stupnice umožňuje
komprimaci rozsahu akustického tlaku (20 - 20000000 µPa) na stupnici s rozsahem 0 –
120 dB. Logaritmická stupnice zároveň lépe odpovídá subjektivnímu sluchovému vjemu
hlasitosti zvuku. Rozdílné vnímání zvuku při různých kmitočtech a amplitudách je dáno
vlastnostmi lidského ucha.
Měření hluku pro diagnostická měření se provádí hlukoměrem (zvukoměrem) nebo
analyzátorem jehož součástí je zvukoměrné zařízení. Zvukoměr je zařízení reagující na zvuk
podobně jako lidského ucho. Zvukoměr obsahuje mikrofon, zařízení pro zpracování signálu a
indikační (výstupní) zařízení. Měřicí mikrofon převede dopadající zvuk na ekvivalentní
elektrický signál, který se dále zpracuje. Nejčastější následující zpracování je úprava pomocí
váhového filtru.
Podrobné informace, nutné pro hlukovou diagnostiku, se získají kmitočtovou analýzou
podobně jako u analýzy vibrací. U kmitočtové analýzy hluku se často provádí analýza
v intervalech kmitočtů, nazývaných kmitočtová pásma. Nejčastější užívaná šířka pásma bývá
jedna oktáva nebo 1/3 oktávy. Oktávové pásmo je pásmo, jehož horní mezní kmitočet je
roven dvojnásobku jeho dolního mezního kmitočtu (např. jestliže dolní kmitočet je 707Hz,
horní kmitočet oktávy bude 1414Hz). Rozklad naměřeného hluku je na stejném principu jako
rozklad vibrodiagnostického signálu.
CD-ROM
Na portálu je k dispozici video měření hluku při průjezdu motorové jednotky.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat metodu hlukové diagnostiky a
její možnosti využití.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
92
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Otázky
1. Popište princip hlukové diagnostiky.
2. Proč se při měření hluku používají decibely?
3. Jak se provádí diagnostické vyhodnocení hluku?
Další zdroje
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
JANOUŠEK, I., KOZÁK, J., TARABA, O.: Technická diagnostika, SNTL, 1988
BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura
14.3 Teplotní diagnostika
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat metody měření teploty a možnosti využití termodiagnostiky.
Výklad
Diagnostika pomocí sledování teploty je nedestruktivní diagnostická metoda založená
na sledování, zobrazení a vyhodnocení teplotního pole povrchu diagnostikovaného objektu.
Změna teploty sledovaného objektu je jednou z rozhodujících veličin, která je reakcí na
změnu technického stavu stroje. Teplota je mírou kinetické energie pohybujících se částic
materiálu a může být ovlivněna právě procesy opotřebení diagnostikovaného stroje.
Měření teploty je možné rozdělit na dva základní principy:
-
Bodové měření teploty – sleduje změny teploty v konkrétním prvku objektu
(např. vozidle, stroji…)
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
93
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
-
Analýza teplotního pole – sleduje plochu celého prvku nebo jeho části a
většinou hledá teplotní rozdíly zobrazeného pole
Uvedené metody umožňují sledování například stav uložení (kluzných nebo valivých
ložisek) hřídelů, tepelné poměry na různých místech motoru, stav a případné přehřátí
elektrických obvodů elektroinstalace apod.
Podle způsobu měření teplotních údajů je možné dělit tepelné metody na základní
způsoby:
-
Kontaktní (dotykové) měření – přesné, pomalejší, rozsah je omezen typem
měřicí sondy, přístupností objektu, měřicí sonda může ovlivnit teplotu
objektu.
-
Bezkontaktní (bezdotykové) měření – méně přesné, rychlé, umožňuje
měření jinak nepřístupných objektů, pohybujících se objektů, je možné
měřit vysoké teploty, neovlivní měřený objekt.
Kontaktní metody měření teploty
a) Metody založené na převodu změny teploty na změnu elektrické veličiny.
-
Odporové snímače – využívají růstu odporu materiálu (Pt, Ni, Cu) se
změnou teploty. Snímač je nejčastěji tvořen odporovým drátkem, který je
kvůli co nejdelší délce stočený do šroubovice, zataveným do skla. Rozsah
měření může být podle použitého materiálu cca od -200°C do 800°C.
K vyhodnocení elektrického signálu se používá můstkových metod.
-
Termistory – jsou polovodičové snímače teploty, které mohou mít kladný
nebo záporný součinitel změny teploty, tzn. se zvýšením měřené teploty se
naměřený odpor materiálu zvyšuje (kladný součinitel), nebo snižuje
(záporný součinitel). Mají vyšší koeficient teplotní závislosti než odporové
snímače a tím i vyšší citlivost při malé hmotnosti. Nevýhodou je nelinearita
závislosti odporu na teplotě – k měření se musí vybrat vhodná lineární část
charakteristiky snímače.
-
Termoelektrické snímače – snímač je tvořen dvěma rozdílnými kovy (např.
železo - konstantan) na obou koncích spojenými. Při změně teploty na
jednom konci se na druhém konci indikuje napětí dané zvolenými materiály
a rozdílem teplot. Výhodou je poměrně široký rozsah měřených teplot,
nevýhodou menší citlivost snímače na změnu teploty.
b) Metody založené na tepelné roztažnosti materiálu
-
Skleněné teploměry – využívají tepelnou roztažnost použité tekuté látky
(např. rtuť, obarvený líh). Slouží k vizuálnímu sledování teploty. Přesnost
záleží na tepelné roztažnosti použité látky a na průměru skleněné trubice.
c) Metody využívající organické sloučeniny
-
Kapalné krystaly – organické sloučeniny, jejichž barva se mění vlivem
teploty. Tato změna je vratná, měření umožňuje pouze relativní sledování
teploty, je možné sledovat změny teploty, ale absolutní teplotu je nutné
změřit jinou, přesnější metodou. Metoda má malý rozsah, cca 10 - 100°C.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
94
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Bezkontaktní metody měření teploty
Bezkontaktní měření umožňuje bodové měření teploty (velikost „bodu“ záleží na
vzdálenosti měřidla od objektu), nebo sledování teplotního pole. Problematika určení teploty
tělesa bezkontaktním způsobem je složitá, záleží na mnoha parametrech. Důležitým
parametrem pro měření je nastavená poměrná emisivita objektu (poměr intenzity vyzařování
reálného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa, má hodnotu v rozsahu 0 - 1).
Pro daný materiál je možné ji najít v tabulkách. Některé levnější pyrometry mají nejčastěji
používanou emisivitu trvale nastavenou bez možnosti její změny. Přesné stanovení emisivity
je poměrně náročné, proto je pro přesné měření teploty nutné cejchování jinou, nejlépe
dotykovou metodou.
a) Bodové měření teploty - Pyrometry – optiku pyrometru tvoří konkávní zrcadlo,
které soustřeďuje infračervené záření přes objektiv na snímač. Materiál objektivu
musí být kvůli propustnosti infračerveného záření jiný než běžné sklo, například
fluorid lithný. Snímač převede infračervené záření na elektrický signál, který se
dále zpracuje. Pyrometry mohou být úhrnné (vyhodnocení je přibližně z celého
vlnového rozsahu záření), nebo pásmové (tepelné záření se vyhodnotí selektivně
v pásmu daném spektrální citlivostí čidla).
b) Analýza teplotního pole – existuje několik metod pro analýzu teplotního pole, ale
v současné době se používají převážně termografické systémy s plošnými snímači
– termokamery, v menší míře potom liniové bezkontaktní scannery.
Termokamera – výsledkem práce s termokamerou je termogram (termovizní
snímek). Termografie využívá část infračerveného pásma mezi viditelným a
mikrovlnným zářením, tj. 0,75-1000µm, které se dělí pro potřebu termokamer na
5 pásem. Při běžných podmínkách vyzařují tělesa nejvíce dlouhovlnné záření 812µm a proto se tento rozsah využívá v termografii. Termokamera může vytvořit
statický obraz nebo video zaznamenaného průběhu teplot v teplotním poli.
Liniový bezkontaktní scanner – pracuje na stejném principu jako scanner
dokumentů – postupně snímá bodovou teplotu v linii kolmé na směr pohybu
materiálu. Není vhodný pro diagnostiku strojů.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní metody měření teploty
a teplotního pole.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
95
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Otázky
1. Popište výhody a nevýhody kontaktního a bezkontaktního měření teploty.
2. Která metoda je přesnější?
3. Jaké jsou možnosti kontaktního měření teploty?
4. Jaké jsou možnosti bezkontaktního měření teploty?
5. Podle jakých kritérií volíme způsob měření teploty?
Další zdroje
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
JANOUŠEK, I., KOZÁK, J., TARABA, O.: Technická diagnostika, SNTL, 1988
14.4 Tribodiagnostika
Čas ke studiu: 2 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat základní principy a metody tribodiagnostiky.
Výklad
Tribodiagnostika využívá poznatků z oblasti tření, opotřebení a mazání stroje. Na
základě rozboru mazacího média (oleje, mazacího tuku apod.) získává informace o
opotřebení, které v objektu nastává. Tribotechnická diagnostika řeší dva základní okruhy
diagnostických problémů:
1) Zjišťování stavu mazacího média – umožňuje maximální využití média a
prognózování jeho degradace.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
96
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
2) Zjišťování provozního režimu objektu – určuje místa opotřebení mechanického
systému (převodovky, hydraulického systému apod.) a stanovuje předpokládaný
trend tohoto opotřebení.
Diagnostika opotřebení mechanických částí objektu mazaných olejem je založena na
určení příměsí, které se do oleje dostanou především kovovým otěrem. Tento otěr se projeví
ve složení sledovaného oleje a je tak možné nepřímo usuzovat na mechanické změny
v systému, kde je olej použit. Může to být nejen otěr pohybujících se součástí, ale také
úlomky materiálu při závažnější poruše. Ze zjištěného množství kovového otěru, jeho
materiálu, velikosti a tvaru je možné odhadnout místo vzniku takového opotřebení materiálu.
Nárůst množství, případně zvětšování částic signalizuje možný vznik diagnostického
problému. Ze změn velikosti, tvaru a rychlosti nárůstu počtu diagnostikovaných částic lze
odhadnout možnou závažnost poruchy a nutnost případných nápravných opatření. Pokud jsou
v objektu použity různé materiály, je podle druhu nalezeného kovového otěru možné určit,
která třecí dvojice ho způsobila a lokalizovat tak přesněji místo možné poruchy. Pokud není
možné místo podle materiálu lokalizovat, je možné k tomu použít jinou vhodnou
diagnostickou metodu.
Nečistoty v oleji tvoří cizorodé látky – plyny, kapaliny i tuhé látky. Pro
tribodiagnostiku jsou nejdůležitější mechanické nečistoty, které mohou porušovat souvislost
mazacího filmu a tím i zvyšují opotřebení, zvyšují provozní teploty, a mohou dokonce
způsobit ucpání a zadření některých mechanizmů. Také může dojít k ucpání hydraulický
filtrů, prvků apod. Zdrojem cizorodých látek bývá převážně vlastní provoz.
V oleji je možné najít dva druhy nečistoty:
-
Primární – následek chemických oxidačních procesů v oleji, ke kterým
dochází vlivem stárnutí.
-
Sekundární – dostávají se do oleje při plnění, netěsnostmi a také otěrem,
vznikajícím vlastním provozem.
Tyto nečistoty je z pohledu tribodiagnostiky možné rozdělit na měkké (produkty
stárnutí a degradace oleje) a tvrdé (kovy, prach apod. – jsou abrazivní). Pro diagnostiku stavu
stroje je nutné nejprve určit celkový obsah nečistot v oleji a potom i jejich složení (materiál,
velikost, vývojový trend).
Tribodiagnostické metody jsou vhodné pro užití v provozu vozidel. Uvádí se, že ročně
dochází následkem vysokého tření k vyřazování vozidel z provozu a tím k velkým ztrátám.
Současně s diagnostikou tribodiagnostika umožňuje optimální využití olejů, maziv a
hydraulických kapalin (dovoluje prodloužení jejich výměny).
Sledování degradace oleje vlivem provozu se provádí ve třech úrovních:
-
Jednoduchými provozními metodami (rychle zjistí okamžitý stav).
Tyto metody umožňují stanovení smluvní vizkozity, obsahu vody,
celkového znečištění, detergentně-disperzních vlastností.
-
Klasickými chemickými (analytickými) metodami.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
97
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Umožňují přesnější stanovení viskozity, stanovení bodu vzplanutí a bodu
hoření, kyselost, procento vody v oleji a další.
-
Speciálními tribodiagnostickými metodami.
Sem patří například filtrační metody, odstřeďování vzorku oleje, optické
metody apod. K určení materiálu (většinou kovu) se používá atomová
emisní spektrální analýza (spektrografy, spektroskopy, kvantometry),
absorpční emisní spektrální analýza, polarografická analýza, infračervená
spektrometrie, nebo rentgenová fluorescenční analýza. Tyto metody
umožňují dostatečně přesné určení cizích příměsí obsažených v oleji.
Další možností je často používaná ferografie – olej prochází přes
transparentní podložku umístěnou nad permanentním magnetem a na této
podložce zůstanou zachyceny všechny magnetické nečistoty – výsledkem
je tzv. ferogram. Ten umožňuje posouzení velikosti částic, jejich výskyt,
tvar apod. Na základě těchto údajů je možné usuzovat na technický stav
zkoumaného objektu.
Pomocí uvedených metod je tedy možné určit druh a režim opotřebení mechanismu (motoru,
převodovky…), určit materiál částic a tím i jejich původ (lokalizaci). Při opakovaných
měřeních je možné stanovit trend rozvoje opotřebení a stanovit preventivní opatření, které
zabrání případným poruchám a haváriím. Zároveň je možné určit vliv provozních podmínek
na opotřebení objektu nebo naopak zvolit mazivo, které bude lépe vystihovat provozní
podmínky objektu a opotřebení sníží.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní možnosti
tribodiagnostiky a mít přehled o používaných metodách.
Otázky
1. Jakou problematiku řeší tribodiagnostika?
2. Které látky obsažené v oleji jsou rozhodující pro zjištění stavu stroje a jak je
můžeme identifikovat?
Další zdroje
BLAŠKOVIČ, P., BALLA, J., DZIMKO, M.: Tribológia, Alfa, Bratislava, 1990
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
JANOUŠEK, I., KOZÁK, J., TARABA, O.: Technická diagnostika, SNTL, 1988
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
98
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14.5 Endoskopy
Čas ke studiu: 1hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat použití endoskopů a jejich základní rozdělení.
Výklad
Endoskopy slouží pro vizuální kontrolu těžko přístupných, nebo pro člověka úplně
nepřístupných, míst. Nedestruktivní diagnostika se tedy provádí formou vizuální kontroly,
v současné době buď pohledem do okuláru přístroje, nebo na monitoru umístěném mimo
diagnostikovaný objekt. Samotný endoskop může svojí optikou obraz zvětšit a jeho další
digitální zpracování umožňuje zvýraznění detailů potřebných pro diagnostiku. Jedná se
v podstatě o stejný princip jako u digitálních fotoaparátů optický a digitální zoom. Aby bylo
možné optikou endoskopu detaily snímat, je nutné sledované místo dostatečně osvětlit. To se
provádí většinou světlem vedeným optickými vlákny z halogenového nebo jiného podobného
zdroje. Ideální je, když se spektrální složení osvětlení podobá dennímu světlu, obraz je potom
vytvořen s věrnými barvami sledovaného objektu a vizuální kontrola je přesnější. Kromě
velmi drahých 3D endoskopů, získáme běžným endoskopem 2D zobrazení dané kvalitou
optiky a kvalitou osvětlení.
Při diagnostice endoskopem je možné vystačit s pouhým zjištěním, že došlo k poruše
nebo je nutné poruchu přesně identifikovat. K tomu je potom nutné zjištění rozměrů poruchy.
Rozměry poruch (defektů) se určují pomocí srovnávacího měření. To se provádí porovnáním
obrazu poruchy s obrazem známé součásti a z poměru velikostí se odhadne velikost poruchy.
Podmínkou je stejná vzdálenost obou objektů od objektu a stejný úhel jejich snímání. Pokud
není k dispozici vhodný objekt k porovnání, je možné použít měrku nasazenou na objektivu
endoskopu. Rozměry poruch se získávají odhadem podle této měrky nebo dodatečným
softwarovým vyhodnocením.
Nejčastěji používané endoskopy:
-
Boroskop – pevný, neohebný přístroj, jehož optická část se sondou tvoří
pevný celek s okulárem, na který je možné připevnit monitorovací zařízení
(kameru, dig. fotoaparát). Délka inspekční trubice může být cca do 1,6m,
objektiv může být uložen napevno nebo s možností naklápění. Výhodou
boroskopů je možnost použití do teplot cca 150°C.
-
Fibroskop – vláknový světelný vlnovod umožňuje přenos obrazu od
objektivu k obrazovému výstupu (okulár, kamera, fotoaparát, monitor).
Vlnovod je složen ze dvou částí, jedna část slouží k přenosu obrazu a druhá
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
99
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
k přenosu světla k objektivu. Vlnovody mohou být libovolně ohebné a
s ovládaným koncem, takže je možná diagnostika i poměrně složitých
tvarů. Délka vlnovodů může dosahovat několika metrů, jejich použití je
omezeno do teploty cca 80°C.
-
Videoskopy – hrot sondy je vybaven CCD čipem, který provádí prvotní
zpracování obrazu. Výhodou je větší rozlišovací schopnost čipu a to, že
signál k obrazovému výstupu není optický jako v předchozích případech,
ale elektrický (TV signál) a tím nedochází k obrazovým ztrátám při jeho
přenosu. Ovládání sondy videoskopu je podobné jako u fibroskopu, délka
spojovací trubice může být v řádech několika desítek metrů.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip endoskopu a rozlišit
jejich druhy podle kostrukce.
Otázky
1. Jaký je princip konstrukce a použití endoskopu.
2. Jak se liší jednotlivé typy endoskopů?
Další zdroje
BLAŠKOVIČ, P., BALLA, J., DZIMKO, M.: Tribológia, Alfa, Bratislava, 1990
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
14.6 Defektoskopie
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat možnosti defektoskopie a přehled základních metod.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
100
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Výklad
Defektoskopie patří mezi nedestruktivní metody, které slouží k zajištění jakosti a tím i
provozní spolehlivosti objektu. Defektoskopii je možné použít už v předvýrobní (kontrola
materiálu) a výrobní fázi životního cyklu objektu. Použití v provozu je potom nedílnou
součástí zajištění spolehlivosti a tím například bezporuchovosti, pohotovosti apod. v oblasti
provozu dopravních prostředků. Defektoskopie je tedy nedestruktivní metoda, která hledá
možné vady ve struktuře materiálu a to jak vnitřní, tak povrchové vady. Vadou může být vada
struktury materiálu, jeho chybné chemické složení, nesprávné mechanické vlastnosti a
zejména změna celistvosti materiálu, která může vzniknout během provozu a ohrozit
spolehlivost objektu. Do této kategorie patří například trhliny, praskliny, bubliny, póry,
vměstky materiálu, projevy koroze nebo opotřebení. Defektoskopii je možné provádět
manuálně nebo může tvořit součást automatizovaného defektoskopického systému, který
může navazovat na diagnostický systém objektu. Volba defektoskopické metody je závislá na
mnoha faktorech, zejména na druhu diagnostikovaného materiálu a jeho vlastnostech,
rozměrech, přístupnosti apod. Dříve bylo hlavním cílem použití defektoskopické metody
zjištění případné vady materiálu, nyní k tomu přistupuje také bližší identifikace vady (druh
vady, její rozměr) a její, pokud možno přesná, lokalizace ve sledovaném objektu. Pokud je
vada identifikována, všechny zjištěné podrobnosti pomáhají k rozhodnutí o její závažnosti a
tím i o případné údržbě a opravě. Metod defektoskopie je poměrně hodně, některé se hodí pro
manuální diagnostiku součásti, jiné je výhodné uplatnit v automatizovaném defektoskopickém
systému.
Přehled základních defektoskopických metod:
-
-
-
-
Vizuální metody – vizuální prohlídka vhodná pro libovolný druh materiálu,
hodnotí pouze povrchové vady, je subjektivní
Kapilární metody – případné povrchové vady jsou zviditelněny nejčastěji
fluorescenčním barvivem, vizuální, subjektivní kontrola
Magnetické metody – měřený objekt se nejprve zmagnetuje a jeho
magnetické rozptylové pole se zviditelní. Vizuální metoda pro zjištění
povrchových vad, subjektivní hodnocení
Ultrazvukové metody – ultrazvukové vlny ze sondy procházejí měřeným
objektem a v přijímací sondě se vyhodnocuje jejich případné změny.
Citlivá metoda, případné vady jsou zobrazeny na displeji, jejich hodnocení
záleží na zkušenostech obsluhy
Akustická emise – detekuje necelistvost v materiálu, nebo médium
unikající z uzavřené nádoby, používá se většinou pro kontrolu unikajícího
média, složitější zpracování naměřených výsledků
Prozařovací metody – různé druhy záření se vysílají do zkoušeného
materiálu a jeho průchod se vyhodnocuje. Umožňuje zjištění vnitřních vad,
i pro složitější součásti, omezení průchodu záření vlivem druhu a tloušťky
materiálu
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
101
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat možnosti defektoskopie a rozlišit
použití jednotlivých metod.
Otázky
1. Popište princip defektoskopie, jaké vady a poruch detekuje?
2. Vyjmenujte základní metody a jejich použití.
Další zdroje
BLAŠKOVIČ, P., BALLA, J., DZIMKO, M.: Tribológia, Alfa, Bratislava, 1990
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
14.6.1 Vizuální metody
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip a možnosti vizuálních metod.
Výklad
Vizuální metody jsou vlastně nejjednodušší a nejlevnější z metod nedestruktivní
diagnostiky. Jedná se o vizuální kontrolu povrchu diagnostikovaného materiálu buď pouhým
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
102
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
okem, nebo pomocí jednoduchých optických pomůcek. Aby byla vizuální kontrola úspěšná,
musí být povrch materiálu dobře očištěn a osvětlen. Pracovník musí být dostatečně seznámen
s možnými vadami a jejich výskytem. To se často řeší fotografiemi dobrého a vadného
materiálu s vyznačenými chybami. Pracovník, který kontrolu provádí, musí mít lékařem
ověřený zrak, aby se minimalizovala možná chyba lidského činitele.
Vizuální kontrola může být:
-
Přímá – nejjednodušší, provádí se pouhým okem nebo s pomocí lupy,
případně mikroskopu (může být přenosný, většinou s menším zvětšením)
-
Nepřímá – používá se tam, kde není možné případné vady kontrolovat
přímou metodou (nemožný dostatečný přístup, nebezpečné prostředí).
Využívá endoskopy popsané v minulé kapitole.
Protože vizuální kontrola je kontrola subjektivní, je nutné přesně definovat hledanou
poruchu (defekt). Vyhodnocení se provádí porovnáním se vzorovou vadou, etalonem vady,
nebo může být zhotoven fotografický katalog vad. Další možností je přesné změření
parametrů vady (většinou rozměrů) a jejich vyhodnocení podle předem stanovených pravidel
(norma, směrnice apod.).
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat možnosti vizuální kontroly.
Otázky
1. Kdy je vhodné vizuální metodu použít?
2. Jaké jsou omezení této metody?
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
103
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14.6.2 Kapilární metoda
Čas ke studiu: 0,5 hodiny
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip a možnosti kapilární metody.
Výklad
Kapilární metoda využívá vzlínání kapaliny (penetrantu) ve velmi tenkých (vlasových)
trhlinách (kapilárách). Je možné ji použít u kovových i nekovových materiálů a není omezena
orientací případné vady. Je použitelná pro vady opravdu malých rozměrů, při větších
rozměrech přestává fungovat princip vzlínání tzv. penetrantu a také je možné, že se penetrant
z vady předčasně vymyje a vada se proto nezobrazí. Z principu metod není možné zkoušet
pórovité nebo nehomogenní materiály a materiály které by mohl použitý penetrant narušit.
Rozdělení kapilárních metod dle indikace poruchy:
-
Barevná indikace – porucha se projeví jejím zřetelným barevným
zvýrazněním, které je vidět v běžném světle (červená porucha viditelná
v bílé vývojce).
-
Fluorescenční indikace – penetrant obsahuje látky, které se zviditelní
v ultrafialovém světle (světélkující žlutozelená porucha v bílé vývojce).
Nevýhodou je nutnost zajištění UV zdroje záření.
-
Kombinace obou předchozích – volbou osvětlení lze zvolit způsob indikace
(např. při špatném denním osvětlení se vada zviditelní UV zářením)
Postup zkoušení:
-
Očištění povrchu - povrch musí být zbaven nečistot, odmaštěný a suchý.
Nečistoty, mastnota a zbytky vody mohou zabránit proniknutí penetrantu
do trhlin a zabránit tak jejich detekci.
-
Nanesení penetrantu – na očištěný povrch se nanese penetrant a nechá se
působit (podle druhu cca 5 – 20 minut) aby mohl proniknout do případných
trhlin.
-
Odstranění penetrantu – penetrant se odstraní z povrchu součásti a zůstane
pouze v případných trhlinách. Je tedy nutné ho odstranit pouze z povrchu a
ne z trhlin, které chceme zvýraznit. Provádí se to otřením látkou, očištěním
vhodným rozpouštědlem nebo oplachem vodou.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
104
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
-
Zvýraznění povrchových vad – na očištěny povrch bez penetrantu se
nanese vývojka která napomáhá vzlínání penetrantu a umožňuje jeho
zvýraznění na povrchu. Proto je základem vývojky bílá prášková složka
(např. plavená křída), buď rozprášená samostatně, nebo rozmíchaná ve
vodě nebo rozpouštědle.
-
Hodnocení povrchových vad – v obvykle bílé vývojce se hledají červené
indikace vzlínajícího penetrantu. Větší vady (s větším množstvím
penetrantu) se ve vývojce zvýrazní krátce po jejím nanesení a po delší době
se stávají nezřetelnými, menší vady se projeví až po určité době.
Vyhodnocení se proto dělá nejprve ihned po nanesení vývojky a podruhé
po cca 15 – 20 minutách.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat možnosti a postup kontroly
pomocí kapilární metody.
Otázky
1. Kdy je vhodné kapilární metodu použít?
2. Jaké jsou výhody této metody?
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
105
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
14.6.3 Magnetické metody
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip a možnosti magnetických defektoskopických metod.
Výklad
Magnetické metody zviditelňují rozptylové magnetické pole nebo měří jeho změny
vznikající poruchou nebo nehomogenitou materiálu. Magnetické metody mohou odhalit vady
materiálu na povrchu nebo těsně pod povrchem. Taková vada vyvolá měřitelné změny
magnetického pole. Metody jsou omezeny pouze na feromagnetické materiály a to ještě na
materiály dostatečně magnetické. Nelze je tedy použít na hliník, titan, nerezové oceli apod. Po
použití magnetické metody je nutné objekt odmagnetizovat. Výhodou metod je jejich
poměrná jednoduchost, užití pro téměř libovolný tvar a velikost objektu. Nevýhodou je
omezení jen pro některé materiály a nutnost zajištění elektrické energie.
Postup realizace magnetické metody je nejprve odmagnetování a následné
zmagnetování diagnostikovaného materiálu. Toto zmagnetování může být provedeno buď
podélně (pólové) nebo příčně (cirkulární) nebo kombinací obojího. Zviditelnění místa defektu
je možné provést různým způsobem:
-
Nejčastěji práškovou metodou, kdy se na povrch zmagnetované součásti
nanese tekutina, která v sobě obsahuje nepatrné feromagnetické částice.
Tyto částice se na povrchu seskupí podle magnetických siločar a případné
defekty zviditelní. Je možné použít také fluorescenční kapalinu, kdy ke
zviditelnění defektů dochází použitím ultrafialového světla. Tato varianta je
však omezena použitím UV světla a nutností jejího provádění v zatemněné
místnosti.
-
Je možné použít záznam změn magnetického pole, v současné době již
většinou prostřednictvím digitální fotografie. Digitální záznam umožňuje
další zpracování v PC.
-
Pro opakované automatizované měření se používají feromagnetické sondy,
které při změně magnetického pole vyvolají impulz napětí. Velikost, šířka a
tvar tohoto impulzu definuje poruchu v materiálu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
106
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat základní princip použití
magnetických metod.
Otázky
1. Jaký je princip magnetických metod?
2. Jaké jsou výhody a omezení magnetických metod?
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
14.6.4 Ultrazvukové metody
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip ultrazvukové metody a její druhy.
Výklad
Ultrazvuková diagnostika je založená na jevech, ke kterým dochází při průchodu
ultrazvukových vln diagnostikovaným materiálem. Ultrazvukové vlny při nárazu na
nehomogenitu materiálu (změna hustoty, prasklina, vměstek) reagují útlumem, ohybem nebo
odrazem.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
107
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Pro ultrazvukovou diagnostiku se používají dvě základní varianty metody:
-
Průchodová metoda (obr. 14.4) – ultrazvukové vlny prochází od vysílací
sondy materiálem a indikuje se v přijímací sondě. Možná vada vyvolá
pokles akustického tlaku. Aby bylo možné tento pokles identifikovat a
vyloučit vlastní útlum signálu vlivem tloušťky materiálu, provádí se měření
nejprve v místě bez vad. Nevýhodou průchodové metody je nemožnost
lokalizace poruchy a omezení v případě poruchy rovnoběžné s vysílaným
signálem.
1- generátor UV vln
2- vysílací sonda
3- zkoušený materiál
4- přijímací sonda
5- zesilovač
6- zobrazení signálu
Obr. 14.4: Schéma průchodové ultrazvukové metody
-
Odrazová metoda (obr. 14.4 a 14.5) – ultrazvuková sonda je zároveň
vysílací i přijímací. Ultrazvukové vlny prochází materiálem a odrazí se od
rozhraní materiálu a vzduchu, případně od vady uvnitř materiálu. Odražený
impuls je zachycen sondou a zobrazen na obrazovce. Rychlost šíření
ultrazvuku je v materiálu konstantní a proto je možné z doby návratu
signálu určit tloušťku zkoušeného materiálu (v místě, kde není vada),
výskyt možné vady a její lokalizace, podle tvaru potom i přibližně její typ.
CD-ROM
Obr. 14.5 a 14.6 je možné zobrazit jako animaci na portálu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
108
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Obr. 14.5: Schéma odrazové ultrazvukové metody (dle [19])
Obr.14.6:Schéma piezoelektrické ultrazvukové sondy pro odrazovou metodu (dle [19])
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
109
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip ultrazvukové metody a
dva základní principy jejího použití.
Otázky
1. Popište obecný princip ultrazvukové metody.
2. Popište průchodovou ultrazvukovou metodu.
3. Popište odrazovou ultrazvukovou metodu.
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
14.6.5 Metoda akustické emise
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip akustické emise.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
110
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Výklad
Akustická emise je diagnostická metoda, při které se sledují akustické signály vysílané
mechanicky nebo tepelně namáhaným tělesem. Princip této metody je možné popsat na
jednoduché zkoušce poklepem například na keramický výrobek. Na základě odezvy na toto
poklepání je možné podle případné změny vlastní frekvence rozeznat, zda výrobek je
v pořádku nebo má skrytou vadu. Toto subjektivní hodnocení je u diagnostické metody
nahrazeno přesným měřením a vyhodnocením odezvy.
K akustické emisi dochází vlivem reakce na vnitřní (např. tepelné namáhání) nebo
vnější (úder, vybuzené kmitání) síly. Vznik akustické emise je generován nevratnými
dislokačními a degradačními procesy v mikrostruktuře a makrostruktuře materiálu,
kavitačními procesy v hydrodynamických systémech, turbulencí při úniku kapaliny z potrubí,
degenerací dielektrika atd. Uvolněná energie se transformuje na mechanický napěťový impulz
šířící se materiálem jako elastická napěťová podélná nebo příčná vlna.
Složka vlny kolmá k povrchu tělesa je nejčastěji detekována širokopásmovým (od 100
kHz do 4 MHz) piezoelektrickým senzorem s rezonanční frekvencí nad měřeným spektrem
akustické emise nebo citlivějším rezonančním senzorem s více rezonancemi.
U moderního provedení senzorů je v pouzdru zabudován předzesilovač a snímač je tak
schopný, i když je energie vlny velmi malá, vyhodnotit dislokace v materiálu v řádech 1014m.
Výhodou akustické emise oproti jiným defektoskopickým metodám je kontinuální
monitorování objektu a úspora času v porovnání s postupným testováním jinými metodami.
Nevýhodou metody je, že příčinu vzniku akustické vlny přesně neznáme, neboť uvolněná
energie je ovlivňována řadou faktorů jako je tvar a povrch tělesa, přenosová cesta vlny
(funkce šíření akustické vlny) daná strukturou a homogenitou materiálu.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
111
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip metody akustické emise.
Otázky
1. Kdy je možné použít metodu akustické emise?
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
14.6.6 Prozařovací metody
Čas ke studiu: 1 hodina
Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět
Popsat princip a použití prozařovacích metod.
Výklad
Prozařovací metody jsou založeny na principu prozařování diagnostikovaného
materiálu ionizačním zářením a vyhodnocením absorbce tohoto záření při jeho průniku
materiálem. Při dopadu tohoto záření na film nebo na stínítko se vyhodnotí vady jako tmavší
místa. K vyhodnocení se pro častější používání metody používá radiografická metoda
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
112
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
umožňující přímou kontrolu objektu diagnostiky na monitoru. Výhodou je možnost dalšího
digitálního zpracování signálu. Metoda je vhodná pro hledání prostorových vad materiálu.
Používané zdroje záření:
-
Rentgenka – nejstarší zdroj ionizujícího záření, používaný původně
v lékařství. Je tvořena skleněnou trubicí s vakuem, ve které je anoda
(měděná) a katoda (zdroj elektronů, tvořena wolframovou spirálou).
Elektrony uvolněné z katody jsou urychlovány vysokým napětím (50400kW) a dopadají na anodu. Při dopadu je vyzařováno rentgenové záření,
které se liší podle velikosti urychlujícího napětí. Tzv. tvrdé záření vzniká
při větší napětí, proniká lépe skrz materiál, ale nezachytí proto jemné
detaily případných vad. Měkké záření vzniká při nižším napětí, hůře
proniká materiálem ale je schopno lépe zobrazit detaily vad.
-
Radionuklidy – prvky jejichž jádra se samovolně rozpadají a přitom
vyzařují gama záření. Jejich velkou nevýhodou je, že záření nelze regulovat
a zastavit, takže musí být zabezpečeny, aby nedošlo k ohrožení obsluhy.
Výsledkem radionuklidového prozáření je zobrazení s menším kontrastem
než u rentgenového záření.
-
Lineární urychlovače – používají se větší tloušťky diagnostikovaného
materiálu. Lineární urychlovač je tvořen dlouhou přímou urychlovací
trubicí obsahující řadu válcových elektrod. Částice je urychlovaná
elektrostatickým polem mezi elektrodami. Ty jsou přepólovány
v okamžiku, kdy je částice uvnitř elektrody a elektrostatické pole na ni
nepůsobí. Délka jednotlivých elektrod je volena tak, aby se při průletu
částice vnitřkem elektrod stihla změnit jejich polarita. S nárůstem velikosti
rychlosti částice tedy roste i délka elektrod. Tím vzniká záření schopné
běžně prostoupit materiálem tloušťky cca 0,5m.
Detekce procházejícího záření se může provádět pomocí speciálního fotografického
filmu, který se zpracovává běžným postupem (který v době digitální fotografie už téměř nikdo
nezná). Film se vyvolá, opláchne, ustálí, opláchne a usuší. Nevýhodou je tedy dlouhá doba
zpracování filmu, vysoké náklady na jednorázový materiál, nutnost práce v temné komoře.
Tento způsob vyhodnocení se nazývá radiografie.
Druhou možností je zobrazení záření na monitoru. Záření dopadá na detektory, které
ho transformují na elektrický signál, který je dále zesílen a zobrazen na monitoru. Nevýhodou
jsou velké pořizovací náklady, které jsou vyvažovány nízkými provozními náklady (odpadají
náklady na materiál) a vysokou produktivitou. Tento způsob vyhodnocení se nazývá
radioskopie.
Pro vyhodnocení je důležité rozlišení získaného obrazu. Kvalita obrazu se ověřuje
pomocí drátkových měrek, které se prozařují společně s diagnostikovaným objektem. Zjišťuje
se tzv. drátková rozeznatelnost vad, která je dána nejmenším průměrem drátku viditelným na
obrazu.
Poměrně novou prozařovací metodou je rentgenová tomografie. (Opět stejný princip
jako v medicíně.) Diagnostikovaná součást je prozařována kuželem rentgenového záření
stejně jako u klasického rentgenu. Součást je ale umístěna na otočném stole (nebo se otáčí
rentgen kolem součásti) a vznikne tak množství snímků součásti v mnoha pozicích. Tyto
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
113
Metody technické diagnostiky – Pavel Kukla
snímky jsou počítačově zpracovány do výsledného 3D zobrazení se kterým je možné dále
pracovat a případné vady tak detailně identifikovat.
Shrnutí pojmů
Po prostudování této kapitoly byste měli umět popsat princip prozařovacích metod a
základní zdroje používaných zdrojů záření.
Otázky
1. Jaké jsou zdroje používaného záření a kdy se používá?
2. Jakým způsobem se vyhodnocují výsledky prozařovacích metod?
Další zdroje
KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
114
Zajištění provozní spolehlivosti – Pavel Kukla
15 ZAJIŠTĚNÍ PROVOZNÍ SPOLEHLIVOSTI
Výklad
Spolehlivost patří k nejdůležitějším znakům každého výrobku a samozřejmě také
dopravního prostředku. Spolehlivost je podle současného pojetí norem chápána jako zajištění
pohotovosti objektu. Aby tato pohotovost byla možná, je třeba zajistit tři její složky –
bezporuchovost, udržovatelnost a zajištěnost údržby. Takto popsaná spolehlivost se vytváří
nepřímo během celého životního cyklu, nejprve jako inherentní spolehlivost vložená
v počátečních fázích životního cyklu prostředku a později jako provozní spolehlivost
ovlivněná jeho provozem, údržbou a opravami.
Spolehlivost je tedy možné popsat jako stálost užitných vlastností prostředku během
jeho užívání k účelu, k němuž je určen. Pro udržení požadované spolehlivosti platí podobné
zásady jako pro management jakosti. Problémem určení parametrů spolehlivosti je, že zde
vstupuje faktor času. Parametry jako bezpečnost, poruchovost, pohotovost, životnost apod.
nelze okamžitě ověřit (změřit) a projeví se až během provozováním uživatelem. Vymezení
spolehlivosti je tedy relativně složitější a komplikovanější se složitějším prostředkem.
Kvantifikaci spolehlivosti také ovlivňuje vstup náhodných vlivů na sledovaný objekt.
Všechny parametry spolehlivosti jsou tedy vždy odhadovány s určitou pravděpodobností a
nelze je zaručit stoprocentně.
Spolehlivost je možné hodnotit dvěma způsoby – kvalitativně a kvantitativně. Při
kvalitativním hodnocení jsou analyzovány příčiny poruch, jejich projevy, možné následky a
provádí se návrhy možností předcházení poruchám nebo alespoň jejich rychlému odstranění.
Při kvantitativním hodnocení jde v podstatě o totéž, ale úvahy jsou podloženy výpočty
pravděpodobnosti vzniku jednotlivých poruch nebo jejich následků.
Při provádění analýzy spolehlivosti je možné postupovat těmito kroky:
1. Definuje se systém a požadavky kladené na něj z hlediska spolehlivosti.
2. Definují se poruchové stavy. (Důležité!)
3. Požadavky se definují pro jednotlivé subsystémy (pokud existují).
4. Provede se analýza spolehlivosti:
a. Kvalitativní – např. FMEA, FTA.
b. Kvantitativní – např. FTA, ETA s doplněnými pravděpodobnostmi vzniku
poruch nebo událostí.
5. Provede se hodnocení splnění požadavků:
a. Provede se přezkoumání návrhu systému – co lze zlepšit?
b. Navrhnou se možné postupy zlepšení.
c. Provede se rozbor návrhů a vyhodnocení nákladů na opatření.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
115
DOPORUČENÁ LITERATURA – Pavel Kukla
16 DOPORUČENÁ LITERATURA
[1] BENEŠ, Š. : Teorie stavby strojů. Stripta VŠST v Liberci, Liberec 1986
[2] BENEŠ, Š. – TOMEH, E. : Metody diagnostiky valivých ložisek. Skripta VŠST
Liberec, Liberec 1991
[3] BENEŠ, Š., ŠEREMETA, L., VÁLA, K.: Bezdemontážní diagnostika, VŠST Liberec,
1986
[4] BLAŠKOVIČ, P., BALLA, J., DZIMKO, M.: Tribológia, Alfa, Bratislava, 1990
[5] BREPTA, R. – PŮST, L. – TUREK, F. : Mechanické kmitání – Technický průvodce
71. Sobotáles, Praha 1994
[6] BROCH, J., T.: Mechanical Vibration and Shock Measurements, Brüel & Kjær, 1984
[7] BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Měření chvění, Praha, 1984
[8] BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Vibrační zkoušení, Praha 1988
[9] BRÜEL & KJÆR: Firemní literatura – Sledování prov. stavu strojních zařízení, Praha,
1991
[10] BRÜEL & KJÆR: Sensors for Vibration Measurement and Machine Monitoring, 2004
[11] FAMFULÍK, J.: Údržba hnacích vozidel zaměřená na bezporuchovost, Disertační práce
VŠB, Ostrava, 2002
[12] FAMFULÍK, J.: Teorie údržby. Skriptum VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní, 2006
[13] HARRIS, C. M. Shock and Vibration Handbook. McGraw Hill, 1988
[14] HELEBRANT, F., ZIEGLER, J.: Technická diagnostika a spolehlivost II Vibrodiagnostika. Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2004
[15] HOLUB, R., VINTR, Z.: Spolehlivost letadlové techniky (elektronická učebnice),
lu.fme.vutbr.cz/files/SpolehlivostLetadloveTechniky.pdf
[16] JANOUŠEK, I., KOZÁK, J., TARABA, O.: Technická diagnostika, SNTL, 1988
[17] KOPEC, B.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Akademické
nakladatelství CERM, Brno, 2008
[18] KUKLA, P.: Diagnostické sledování a vyhodnocení technického stavu převodovek
elektrických jednotek s cílem zvýšení provozní spolehlivosti, Dizertační práce, UPce,
Pardubice, 2009
[19] KREIDL, M., ŠMÍD, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha, 2006
[20] LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I,
Univerzita Pardubice, 1998
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
116
DOPORUČENÁ LITERATURA – Pavel Kukla
[21] LÁNSKÝ, M: Systémová diagnostika a její fenomenologie, IJP, Pardubice, 2011
[22] MAIN, I., G.: Kmity a vlny ve fyzice, Academia Praha, 1990
[23] MOUBRAY, J.: RCM – Reliability – centred Maintenance, Great Britain, 1997
[24] MYKISKA, A.: Bezpečnost a spolehlivost technických systémů, ČVUT, Praha, 2006
[25] MYKISKA, A.: Spolehlivost v systémech jakosti, skriptum, ČVUT, Praha, 1996
[26] NAVRÁTIL, M., PLUHAŘ, O.: Měření a analýza mechanického kmitání - Metody a
přístroje., SNTL, 1986
[27] NĚMEC, J. – RANSDORF, J. – ŠNÉDRLE, M.: Hluk a jeho snižování v technické
praxi. SNTL, Praha 1970
[28] NOVÝ, R.: Hluk a chvění. Skripta ČVUT Praha. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2000
[29] PLURA, J.: Plánování a neustálé zlepšování jakosti. Computer Press, Praha 2001
[30] RANDAL, R.: Frequency analysys. Brüel & Kjaer, Dánsko 1987.
[31] REMEK, B.: Provozní údržba a diagnostika vozidel
[32] SCHENCK: Firemní literatura - Preventivní údržba strojů, Brno 1989
[33] SKF: Hlavní katalog ložisek
[34] SKF: Evolution – obchodní a technologický magazín SKF
[35] SKF: Příručka SKF pro údržbu ložisek. SKF 1991
[36] SMETANA, C.: Měření hluku a chvění. SNTL, Praha 1974
[37] SMETANA, C. a kol.: Hluk a vibrace - Měření a hodnocení, Praha, 1998
[38] STODOLA, J.: Provozní spolehlivost a diagnostika, VA Brno, 2002
[39] SURÝ, J.: Metody a prostředky bezdemontážní diagnostiky. Naše vojsko, 1981
[40] TŮMA, J.: Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT, Praha,
1997
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
117
Download

diagnostické systémy a spolehlivost dopravních prostředků