Využití multiparametrické diagnostiky v praxi pro odhalování příčin poruch strojního zařízení

Na obr. 1 je znázorněn obecný postup nasazení multiparametrické diagnostiky v praxi pro odhalování příčin poruch strojního zařízení, kdy výsledky z provedené multiparametrické diagnostiky společně s výsledky různých analýz, poznatků z historie stroje a z údržby, znalosti funkce a konstrukce analyzujeme pomocí různých metod. Výsledkem této analýzy je popis příčiny problému a následně návrh opatření k jeho odstranění a uvedení do bezporuchového stavu.

Obecné pojednání o multiparametrickém přístupu

Aby bylo možné důkladně analyzovat příčinu poruch stroje, nestačí jen provádět jednotlivá měření, která jsou hodnocena dle příslušných norem, či jiných postupů, případně je sledován trend vývoje těchto hodnot, ale je nutné přistupovat k diagnostice strojů komplexně.  Multiparametrickou diagnostikou strojů rozumíme analýzu a hodnocení výsledků měření více parametrů z jednotlivých diagnostických oborů jako je např. vibrodiagnostika, elektrodiagnostika apod., spojenou se sledováním dlouhodobých trendů hodnot ON/OFF-LINE diagnostiky. Analýzou a vzájemným propojením těchto směrů dostaneme diagnostický obraz o chování sledovaného zařízení, který dále slouží pro podrobnější analýzu příčin řešeného problému. V této části řešení jsou mimo jiné využity výsledky a poznatky z historie oprav, působení vnějších vlivů, rozboru příčin poškozených dílů, záznamů z údržby apod. Výsledkem tohoto snažení je návrh, respektive soubor návrhů opatření pro zlepšení provozu strojního zařízení, snížení počtu opakovaných poruch a prodloužení životnosti jak jednotlivých částí stroje, tak celého stroje.

Obr. 2 Schéma procesu diagnostiky strojů

Tam, kde je nutné sledovat stav stroje nepřetržitě, tzn. v rozsahu 7/24 (7 dní v týdnu, 24 hodin denně) je nasazována tzv. ON-LINE diagnostika. Sledování stavu strojního zařízení se provádí nepřetržitě pomocí trvale nainstalovaných senzorů v určitých časových úsecích (např. každých 30 sekund), kde naměřená data se ukládají do systému, ve kterém se i vyhodnocují. Použití ON-LINE diagnostiky se vyplácí tam, kde je nutné stav stroje nepřetržitě sledovat, sledovaný stroj je strategický pro provoz celé linky nebo firmy a porucha či havárie stroje by měla velké následky jak finanční, tak například výrobní z pohledu odstavení stroje. Oproti tomu OFF-LINE diagnostika se používá tam, kde je možné si dovolit sledovat zařízení v delších časových intervalech např. 1x za 14 dní, či měsíc. Tato diagnostika se používá u zařízeních, kde je nutné sledovat stav stroje, ale nehrozí bezprostřední riziko náhlého poškození stroje či výpadku celého zařízení. OFF-LINE diagnostika je většinou součástí prediktivní a proaktivní údržby.

Proces údržby ve spojení s multiparametrickou diagnostikou spočívá ve vhodném nastavení sledovaných parametrů ON/OFF- LINE diagnostiky. Snahou je eliminovat náročné provádění měření specialistou, které bývá velmi drahé a je nasazováno většinou tam, kde standardní metody diagnostiky obvykle selhávají nebo jsou neúplné a nevedou vždy k vyřešení daného problému.

Pokud je dobře nastaven proces ON/OFF- LINE diagnostiky včetně vhodného vytipování sledovaných parametrů a jejich vyhodnocení v rámci nastaveného systému sběru dat, lze mnoho závad odhalit přímo z těchto měření.  V předchozím diagramu na obr. 2 jsou znázorněny čtyři úrovně diagnostiky.

1. úroveň sledování diagnostických parametrů pro běžnou údržbu strojů (lze například využít pro stanovení vhodné doby domazání ložisek, doplnění provozních náplní apod.)
2. úroveň je taková, kdy je detekován poruchový stav, který lze řešit drobnou opravou a není potřeba detailnější rozbor či analýza sledovaných parametrů

• úroveň je stav, kdy je nutné provést detailnější multiparametrickou diagnostiku. Na základě analýzy této diagnostiky lze stanovit jednoduchá nápravná opatření včetně opravy a uvedení do bezporuchového stavu (závada na ložisku, nevyváženost ventilátoru apod.)

1. úroveň je stav, kdy je nutné pro stanovení příčiny využít všechny dostupné informace jak z provedené diagnostiky stroje, tak z historie oprav poruch, údržby, výsledky analýzy poškození části strojů (pohony, ložiska, spojky…), chemického rozboru materiálů, konstrukce stroje apod. Tato úroveň zjištění příčin a stanovení vhodných opatření bývá jak časově, tak finančně velmi náročná, a to i z hlediska sestavení řešitelského týmu odborníků v daném oboru. K této úrovni diagnostiky se přistupuje většinou u opakovaných problémů strojů, případně u sériových vad strojů a zařízení, nebo u složitých a speciálních zařízení, kde nestačí jedna metoda diagnostiky. Někteří výrobci a uživatelé již mluví o inovační rekonstrukci.

Abychom byli schopni provést a navrhnout detailní multiparametrickou analýzu strojního zařízení, je nutné znát funkci zařízení. Principem veškerých analýz je pochopení chování stroje tak, abychom mohli stanovit příčiny problémů a navrhnout vhodná opatření k jejich odstranění. Z tohoto důvodu se nelze omezit jen na jednu diagnostickou disciplínu, ale je nezbytné využít více dnes dostupných metod a oborů diagnostiky.

V dnešní době už nestačí jen provádět vibrodiagnostiku, měřit a sledovat hodnoty vibrací a porovnávat spektra, ale je nutné hledat vazby mezi vibracemi, napájecími proudy, termografickými poli, tribodiagnostikou a v neposlední řadě i dalšími metodami nedestruktivních zkoušek, či analýzou poškozených dílů stroje.

Postup při řešení s využitím multiparametrické diagnostiky

Využití multiparametrické diagnostiky při sledování stavu stroje je velice důležité, tyto metody můžeme využít při všech úrovních diagnostiky včetně trendování měřených veličin. Jako jsou například teplota, rychlost a zrychlení vibrací, tlak v potrubí apod. a vyhodnocovat pouze nastavením alarmových a mezních hodnot jednotlivých parametrů pro signalizaci, nebo při on-line diagnostice, kdy pomocí inteligentních systémů a různých průběžně prováděných automatických výpočtů, jsme automaticky schopni detekovat přímo poruchy jednotlivých částí jako je například poškození ložiska, nevývaha ventilátoru apod. bez zásahu diagnostika. 

Při řešení složitějších problémů s využitím multiparametrické diagnostiky obvykle postupujeme tak, že z diagnostikovaného stroje nasnímáme záznamy z měřících snímačů pomocí vhodného datarecorderu tak, aby bylo možné tato nasbíraná data později analyzovat v postprocessigovém zpracování a provést vyhodnocení naměřených dat. Každý diagnostický obor nabízí několik diagnostických metod, které lze v rámci multiparametrické diagnostiky využít. Výhodou této metody je ta skutečnost, že data z různých diagnostických disciplín můžeme analyzovat adekvátním způsobem a můžeme mezi sebou provádět různá srovnání, či hledat určité společné znaky, které vedou ke stanovení příčiny problému, (cíleně vynecháváme zvýšení jistoty našeho rozhodnutí. Jsou známy práce, které se daným zvýšením jistoty rozhodnutí zabývaly, jedná se o jednotky procent ve srovnání s rozhodující diagnostickou metodou pro měřený objekt, ale je nutné si plně uvědomit, každé navýšení, byť o jednotky procent je navýšením jistoty určení se všemi představitelnými důsledky). Další nezanedbatelnou výhodou je ta skutečnost, že nastavení pro vyhodnocení nasbíraných dat lze operativně měnit, kombinovat a tím dále zpřesňovat výsledek analýzy. Tímto způsobem máme zajištěno, že při opakovaném měření vycházíme stále ze stejného zdroje dat a data nejsou v čase ovlivněna například změnou provozních podmínek apod.  Velmi důležité pro tyto analýzy je, aby záznam nasnímaných surových dat byl dostatečně dlouhý, aby výpočty a zpracování datových souborů, které potřebujeme provádět, byly schopné zaznamenat dynamické změny, které se na sledovaném zařízení odehrávají.

Při řešení a analýze takto složitých problémů je nutné spojit výsledky multiparametrické diagnostiky s poznatky z historie stroje (jako je například počet vyskytujících se stejných závad, provozních parametrů, vlivu obsluhy apod), jeho údržby (poznatků z dřívějších oprav, apod), znalostí konstrukce a také s působením vnějších vlivů (například vliv vibrací sousedních strojů, bludné proudy atd.). Výsledkem analýzy je zjištění a definování příčiny problému (závady). Na základě tohoto zjištění jsme schopni lépe navrhnout vhodná opatření, která po jeho realizaci je nutné ověřit.

Nejspolehlivějším ověřením provedeného opatření je prodloužení životnosti zařízení, které potlačilo, případně zabránilo dalšímu opakování řešených poruch. Dalším ověřením je provést opakovanou multiparametrickou diagnostiku, která má za úkol provést porovnání sledovaných parametrů před opravou a po opravě.

Technická a organizační příprava

• Definice problému

Na začátku každého řešení nějakého problému je nutné tento problém vyspecifikovat, popsat jednotlivé části problému které je nutné v rámci multiparametrické diagnostiky řešit. Definice problému může být zcela jednoduchá, jde o to, aby v dalších krocích této metody bylo jasně stanoveno, jaký problém se má řešit a jakého výsledku by mělo být dosaženo.  Příklad definice může vypadat následovně: Problém: Soustrojí pohonu napájecího čerpadla, nízká životnost ložiska elektromotoru, hlučnost ložiska a jeho časté výměny.

• Stanovení postupu

Na základě specifikace problému a znalostí konstrukce stroje je třeba navrhnout diagnostické prostředky, metody a systém multiparametrického snímání dat. Nejprve je třeba provést technický rozbor, kde je třeba popsat funkci stroje, mít k dispozici informace o údržbě strojního zařízení, historii oprav, informace od provozovatele jak zařízení používá (počet startů, počet motohodin za rok, zatížení apod.), případně zda jsou k dispozici záznamy z on-line měření (vibrace, sledování výkonu, teplot, průtoku apod.), Dále je třeba stanovit, jaké parametry jsme schopni měřit, měřící místa, měřící rozsahy a metody. Dále je třeba vzít v úvahu potřebnou délku a počet předchozích měření, abychom dostali požadovaný vzorek naměřených dat, bez nějakého případného domodelovávání potřebného počtu měření.  Tuto délku měření stanovíme na základě funkce stroje, například pokud je třeba měřit parametry stroje od startu strojního zařízení při oteplování stroje až do doby, kdy teploty stroje jsou v ustáleném stavu.  Dalším příkladem může být měření, kdy stroj má určitý pracovní cyklus, kde se například mění otáčky stroje, zatížení stroje apod.

Při návrhu diagnostických prostředků vycházíme z druhu a rozsahu měřících parametrů, předpokládaného množství zaznamenaných dat, vhodnosti použitých senzorů a výstupních parametrů z těchto senzorů apod.

Multiparametrická diagnostika

V této části metodiky na základě stanoveného postupu měření provedeme multiparametrickou diagnostiku stroje. Abychom mohli z naměřených dat dostat maximum informací, při měření provádíme záznam snímaných dat pomocí vhodného záznamového zařízení, do kterého ukládáme digitalizované časové záznamy tak, abychom mohli tato data následně zpracovat a vyhodnotit. Záznam dat provádíme v určitém časovém úseku, do kterého se snažíme zaznamenat celý otáčkový rozsah od minimálních otáček do maximálních otáček, přechodové stavy případně celý pracovní cyklus strojního zařízení, kdy stroj pracuje v různých provozních režimech. Měřené parametry, pokud máme dostatek měřících kanálů, je vhodné měřit a zaznamenávat paralelně. Pokud dostatek měřících kanálů nemáme a jsme omezeni pouze několika málo kanály, je nutné, abychom zvolili vhodné představitele měřících kanálu z vibrodiagnostiky, z elektrodiagnostiky, případně tlaku, teploty apod. a ty měřily současně, včetně daných provozních podmínek s účelem následného porovnání. 

• Vibrodiagnostika – záznam hodnot vibrací.
• Elektrodiagnostika – záznam hodnot proudu, případně napětí.
• Termodiagnostika – záznam hodnot měřených teplot ve vybraných místech, případně časové termografické snímky.
• Provozní měření – záznam dat z provozních parametrů (průtok, výkon, …).
• Data z ON/OFF- LINE diagnostického zařízení V mnoha aplikacích se provádí ON-LINE diagnostika zařízení. V rámci této diagnostiky jsou zaznamenávána snímaná data v různých časových intervalech, jako jsou například vibrace motoru a čerpadla, teplota ložisek, vinutí a čerpaného media, napájecí proud motoru, průtok media apod. Tato data jsou v systému ukládána a z těchto dat lze pak vyčíst velmi užitečné informace vzhledem k historickému chování stroje.
• Vyhodnocení multiparametrického měření – z naměřených surových dat v této části provádíme pomocí vhodných vyhodnocovacích programů postprocesingové vyhodnocení. Díky této metodě, jsme schopni provést opakované vyhodnocení naměřených dat, s různými rozlišovacími parametry, různými frekvenčními filtry a s využitím různých diagnostických metod. Specifikum této metody je, že všechny naměřené a vyhodnocené parametry jak z našeho provedeného měření, které jsme schopni různě nadefinovat, tak i dlouhodobějších dostupných záznamů, které jsou již zpracované systémem, vyhodnocujeme společně a hledáme vzájemné propojení a závislosti. Při vyhodnocení měření využíváme všech dostupných metod diagnostiky.

Multiparametrická analýza

V další části multiparametrické analýzy je třeba dát do souvislosti výsledky provedené multiparametrické diagnostiky s funkcí a konstrukcí stroje a s informacemi, které získáme z údržby, historií poruch, informacemi od obsluhy apod.

• Tribodiagnostika – v rámci multiparametrické diagnostiky lze také využít metody tribodiagnostické analýzy maziv
• Nedestruktivní zkoušky materiálů – nedestruktivních diagnostických metod, (defektoskopie, tzn. ultrazvuk, prozařovací metody včetně rentgenu, apod), forenzních analýz poškozených dílů (rozbor a analýza poškozeného ložiska za použití metod jako je například rozbor materiálu, elektronový mikroskop, zjišťování podpovrchových trhlin, struktura materiálu a jeho deformace apod.).
• Forenzní analýzy – zjišťování příčin poškozených dílů – poškozené díly jsou podrobeny materiálovým zkouškám, kdy je třeba poškozený díl rozříznout, zhotovit vzorky pro testování nebo pro analýzu poškození součásti pod mikroskopem apod. (zkoumání poškozných ložisek, ucpávek apod.)
• Rozbor funkce a konstrukce – na základě zjištěných indicií se provede analýza, zda stroj a jeho funkce pracují v souladu s návrhem stroje.
• Vliv vnějších vlivů – funkci stroje mohou často ovlivnit i vnější faktory, jako například okolní teplota, bludné proudy, vlhkost, prašnost apod.
• Informace o údržbě – zde je nutné vzít v úvahu jakým způsobem a v jakém rozsahu se údržba provádí.
• Informace o výskytu a četnosti poruch – Důležitou informací je také jaké poruchy a jak často se na stroji vyskytují.

Analýza problému – je hlavní článkem multiparametrické diagnostiky. Tato část patří k nejdůležitějšímu krokům této metodiky. Pro analýzu většiny problémů lze využít metod, jako je například riziková analýza FMEA, či jiné metody rizikové analýzy (FMECA, ETA, FTA, HAZOP aj.), Ishikawův diagram apod. Pomocí těchto metod zde zpracováváme výsledky z provedeného měření, které se snažíme dát do souvislosti s funkcí stroje, informacemi o historii stroje a jeho poruchách, údržbě stroje apod., např. podle obr. 3. Výsledkem každé takové analýzy by měl být soubor potenciálních příčin, které způsobují řešený problém.

Definice příčiny – jak již bylo napsáno, výsledkem analýzy je definování souboru možných příčin, které způsobují řešený problém. Ze souboru možných příčin se určí nejpravděpodobnější příčina řešeného problému. Výsledkem může být i více příčin, které se vzájemně ovlivňují, případně ve složitějších případech se může jednat o řetězec příčin.

Obr. 3 Schéma analýzy problému

Návrh vhodných opatření, realizace a verifikace

Výsledkem multiparametrické analýzy je pravděpodobná příčina nebo soubor, resp. řetězec příčin. Na základě určení příčiny problému je nutné stanovit vhodná opatření, která eliminují řešený problém nebo nejlépe celý problém odstraní. Tuto část je nutné řešit nejlépe s projektantem, resp. konstruktérem zařízení i s ohledem na přijatá opatření pro řešení podobných, či stejných zařízení. Návrhy opatření mohou být různého charakteru. Mohou spočívat v konstrukční úpravě stroje, změně provozních, či technologických podmínek, úpravě pokynů pro obsluhu, či změně systémů údržby.

Realizace opatření

Zavedení doporučených opatření může být někdy velice jednoduché, kdy postačuje změnit systém údržby nebo upravit provozní podmínky stroje tak, aby se stroj při jeho provozu vyhnul nestandardnímu chování (například rezonanci na určitých otáčkách). Někdy je třeba provést poměrně velký časově i finančně náročný konstrukční zásah.  Při realizaci takových zásahů je nutné počítat i s dalšími problémy, které se mohou při realizaci opatření vyskytnout a které je nutné během realizace řešit.

Verifikace

Abychom si ověřili, že specifikace příčiny problému a realizace opatření byla úspěšná, je nutné provést ověření. Jsou v zásadě dva základní druhy ověření možných verifikačních postupů. První způsob je ověření pomocí opakovaného měření a porovnání výsledků s měřením před opravou. Tento způsob se zpravidla používá tam, kde řešíme nevyhovující procesní a provozní parametry stroje. Druhý způsob se využívá při opakovaných závadách stroje, kde provádíme časté opravy stejného druhu.  Zde se jeví jako nejlépe hodnotící parametr prodloužení životnosti stroje nebo prodloužení doby do detekce další poruchy v přijatelných mezích. Celý proces navržené metodiky je znázorněn v následujícím procesním modelu podle obr. 4.

Obr. 4 Procesní model řešení problému pomocí metodiky multiparametrické diagnostiky

Princip multiparametrické diagnostiky, který je popsán v navržené metodice spočívá v komplexnosti řešení problémů strojů a zařízení. Cílem celého postupu je s co největší pravděpodobností určit příčinu řešeného problému, při použití metod z různých diagnostických oborů.  Při diagnostice strojů se nelze omezit jen na určitý diagnosticky obor, ale je třeba tyto obory provázat a vnímat souvislosti z těchto oborů. Dále je nutné vzít v úvahu jako parametr řešení i informace z údržby, různých rozborů a analýz materiálů a poškozených dílů, nedestruktivního testování apod. Výsledkem je určení příčiny, navržení a realizace vhodného opatření. Nedílnou součástí celého postupu je nejen verifikace problému, ale i jeho validace v rámci nasazení a využití multiparametrické diagnostiky a analýzy.

Přínosy multiparametrická diagnostiky

Popsaný postup byl s úspěchem aplikován při řešení několika složitých případů, kdy se podařilo vyřešit pomocí multiparametrické diagnostiky a multiparametrického přístupu několik závažných a opakujících se problémů u strojních zařízení, která byla napájena z frekvenčních měničů.  Dnešní inteligentní systémy dokážou nejenom sbírat data, ukládat do cloudových jednotek a případně vyhodnocovat a sledovat technický stav zařízení, ale na základě získaných dat upravovat a řídit výrobní procesy. Využití multiparametrické diagnostiky v této oblasti je velice široké.  Jako příklad lze uvést multiparametrickou diagnostiku pohonu strojního zařízení, který je poháněn frekvenčním měničem. Toto zařízení je osazeno několika senzory vibrací, které snímají jak rychlost a zrychlení vibrací, tak monitorují teplotu určité kritické části zařízení. Na základě změřených dat systém zjistí, že zařízení se dostalo např. do rezonance, nebo se v technologii zpracování materiálu změnila jeho struktura, a to se projevilo třeba ve změně velikosti hodnot zrychlení vibrací.  Na základě předem definovaných algoritmů a naměřených hodnot je systém schopen změnit otáčky zařízení a přizpůsobit technologický proces, jak schopnosti stroje plnit svoji funkci, tak druhu zpracovávaného materiálu.  

Multiparametrický přístup k diagnostice strojů a zařízení napájených frekvenčním měničem je v dnešní době důležitý. V systému napájecí transformátor, frekvenční měnič a asynchronní motor existuje mnoho možných potenciálních rizik pro správnou funkci tohoto zařízení. Objasnění určitých dějů, postupů a metod, které je nutné využívat pro objasnění a zjišťování prvotních příčin opakovaného poškození určitých částí zařízení, je nalézt způsoby, jak efektivně diagnostikovat tato zařízení s využitím moderních přístupů, a především najít vhodná opatření pro odstranění prvotních příčin problémů. Při řešení a sledování stavu zařízení se dnes již nejedná o diagnostiku, která má za cíl pouze stanovit současný stav zařízení, ale o multiparametrickou diagnostiku, kterou lze využít i k optimalizaci výrobních procesů a spolehlivého chodu pohonů strojů a zařízení. 

Závěrem

Přínosy pro praxi a vědu jsou v oblasti rozšíření aplikace vědeckých poznatků. Mluvíme tak především o aplikované vědě s využitím, jak do nově stavěných technických systémů, tak současně provozovaných. Aplikací odpovídacích změn jejich konstrukčního provedení a zajištění zvýšení jejich diagnostikovatelnosti, spolehlivosti, bezpečnosti vede v neposlední řadě k vyšší užitnosti a výrobní provozuschopností. Aby provedená diagnostika strojů měla význam pro praxi, nestačí jen měřit, ale naměřená data je nutné správně vyhodnotit a najít správná řešení jak pro odstranění příčin řešených problémů, tak pro stanovení správné údržby strojních zařízení.

Autory článku jsou Ing. Petr Nahodil - ELVITED Nahodil a doc. Ing. Miloš Hammer, CSc. - VUT FSI UAI Brno. Článek prošel recenzním řízením.