3. FUNDAMENTARE TEORETICĂ

Proiectul de faţa are ca obiectiv principal realizarea unei analize principiale asupra celor mai importante probleme care apar în cadrul sistemelor de detecţie şi diagnosticare a defectelor care pot să apară în cadrul unor procese tehnologice, cu o largă arie de răspândire în industrie cum o reprezintă reglarea unor debite şi nivele. Aspectele principale legate de sinteza unor astfel de sisteme de monitorizare sunt completate cu analiza problematicii de modelare şi simulare.

Sinteza sistemelor de detecţie şi diagnosticare se face în colaborare cu tehnologul de proces, care proiectează şi studiază procesului tehnologic considerat. Cunoaşterea unor modele matematice generale facilitează identificarea unor modele matematice viabile, suficient de precise pentru aceste tipuri de sisteme de monitorizare şi reprezintă una dintre problemele des întâlnite în practica curentă, premergătoare etapei de proiectare a unei strategii de conducere complexe.

Dificultăţile întimpinate la dezvoltarea analitica a unor modele ale sistemelor de monitorizare pot fi surmontate printr-o dezvoltarea a unor modele experimentale, pe baza unor măsurători efectuate asupra proceselor. Pe baza acestor modele matematice pot fi sintetizate şi dezvoltate diverse strategii de monitorizare.

    3.1. Generalităţi

    În domeniul ingineriei sistemelor de conducere automate au apărut şi s-au dezvoltat noi domenii de aplicaţii practice. Noul concept de detecţie a defectelor reprezintă un astfel de domeniu nou în sistemele automate, care s-a dezvoltat pe baze ştiinţifice generale. Acest nou concept a dus la apariţia unui subdomeniu în cadru sistemelor automate. Numeroase lucrări ştiinţifice şi cărţi au fost publicate în literatura de specialitate internaţională în domeniul detecţiei defectelor.

    Acest proiect îşi propune să facă o scurtă iniţiere, în scop didacti, în domeniul detecţiei defectelor bazată pe metoda analitică de estimare a parametrilor.

    Dezvoltarea domeniului detecţiei şi diagnosticării defectelor se bazează, în cadrul tuturor proceselor industriale, pe dezvoltarea tehnologiei echipamentelor de conducere în timp real. În cadrul acestor procese de producţie se pot utiliza în prezent, cu o mare eficienţă, o multitudine de date culese din proces, pentru reducerea timpului de execuţie, creşterea calităţii produselor, într-un cuvânt optimizarea acestor procese. În paralel cu dezvoltarea echipamentelor numerice de conducere s-au dezvoltat şi numeroase metode de monitorizare, bazate pe cunoştinţele despre proces. O astfel de metodă este şi utilizarea unor metode analitice, cum este cea a estimării parametrilor.     În acest mod de detecţie şi diagnosticare a defectelor se utilizează modele matematice ale proceselor, care trebuiesc determinate cu mare precizie. Multe procese tehnologice se desfăşoară în prezent sub o conducere automată şi în cazul lor utilizarea detecţiei şi monitorizării defectelor reprezintă un progres tehnologic. O schemă generală a unui sistem de conducere modernă a unui proces tehnologic se prezintă în fig. 1 [Ise95].

    Conforma acestei scheme, operaţiile de măsurare şi de prelucrare a datelor se efectuează la nivelul cel mai de jos. Următorul nivel constă în conducerea automată, bazată pe reacţie şi reglare. Prin reglare anumite mărimi ale procesului u - mărimi de intrare de conducere şi y – mărimi de ieşire, reglate, sunt ajustate în concordanţă cu mărimile de intrare de prescriere w şi mărimile de intrare perturbatoare v. Al doilea nivel conţine supervizarea sau monitorizarea procesului, în cadrul căreia are loc detecţia, identificarea şi diagnosticarea defectelor din proces şi din sistemul de conducere automată. Prin detecţia defectelor se înţelege indicarea în mod automat a stărilor nedorite sau nepermise ale procesului. Pe baza identificării şi diagnosticării defectelor se iau decizii şi se acţionează adecvat pentru readucerea procesului şi a sistemului de conducere automată la starea normală de funcţionare („recuperare”), eliminarea defectelor şi readucerea la starea de funcţionare sigură, oprirea procesului, comutarea sistemelor de conducere redondante sau reconfigurarea structurii de conducere automată. Nivelele superioare pot avea diverse sarcini, cum ar fi: optimizare, coordonare şi conducere centralizată, cu scopul realizării unor cerinţe economice sau de organizare. La nivelele inferioare este necesar un timp redus de răspuns, ele acţionând local, pe când la nivele superioare acţiunea se desfăşoară global.

    Procesele tehnologice moderne sunt procese complexe, care operează cu un număr mare de mărimi, care sunt reglate în bucle de reglare închise. O detecţie a defectelor în aceste sisteme efectuată la timp reduce timpul de execuţie, creşte siguranţa procesului şi reduce costurile de producţie. Procesele de producţie moderne sunt dotate cu numeroase instrumente de măsură, care furnizează numeroase date.     Aceste date devin disponibile pentru detecţia şi diagnosticarea defectelor. Metodele convenţionale au limitele lor în ce priveşte capacitatea de a detecta şi a diagnostica defectele în aceste procese multivariabile. De aici a apărut necesitatea dezvoltării unor metode eficiente de monitorizare a proceselor, cum este cazul metodei analitice cu estimare a parametrilor.

    Pentru aplicarea acestor metode de monitorizare în sistemele industriale reale este necesar să se depună mari eforturi ştiinţifice şi tehnice. Dintre multiplele domenii în care s-a dezvoltat în ultimii ani utilizarea tehnologiilor de detecţie şi diagnosticare a se pot enumera, cu precădere: acţionări electrice, centrale atomice, vehicule rutiere, ferate, aeriene, şi spaţiale, nave, instalaţii chimice etc.

    Tehnicile de monitorizare a proceselor pot fi modelate, simulate şi implementate utilizând programe specializate, cum ar fi Matlab şi Simulink [Che92].

    Metodele de detecţie bazate pe modele analitice sunt sprijinite de asemenea prin utilizarea unor concepte de estimare a parametrilor. Cercetările în domeniu s-au concentrat pe pe aceste metode, care se utilizează ca o alternativă la alte metodele convenţionale cum ar fi [...]: controlul statistic al calităţii sistemelor, metode bazate pe cunoştinţe, analiza variantei canonice, analiza componentei principale [...], sau analiza bazată pe discrimant.

    Procesele conduse convenţional cu regulatoare standard, de exemplu de tip PID, sunt proiectate să menţină condiţii de funcţionare satisfăcătoare compensând efectele perturbaţiilor şi schimbările apărute în proces [...]. Aceste sisteme de conducere pot compensa un număr mare de tipuri de perturbaţii, dar sunt anumite schimbări în proces la care ele nu pot face faţă în mod corespunzător. Aceste schimbări se numesc defecte. Un defect se defineşte ca o deviaţie nepermisă a cel puţin unei proprietăţi caracteristice, sau a unei mărimi, ale unui sistem (diverşi parametri: rezistenţă sau inductanţă electrică, cuplu mecanic, coeficient de frecare, moment de inerţie, tensiune sau curent electric, temperatură, presiune, sau indicatori de calitate, cum ar fi de exemplu suprareglajul şi altele). Printre tipurile de defecte întâlnite în practică sunt: modificarea parametrilor procesului, modificarea parametrilor perturbaţiilor, probleme ale elementelor de execuţie şi probleme ale traductoarelor. Scurtcircuitarea rezistenţei unui motor, sau creşterea coeficientului de frecare la arborele unei maşini electrice sunt exemple de schimbări ale valorilor parametrilor proceselor. Un exemplu de schimbare a parametrilor perturbaţiilor este o schimbare extremă în cuplul de sarcină al unei maşini de lucru sau o modificare majoră a temperaturii mediului ambient. Un exemplu de problemă la un element de execuţie este distrugerea tranzistoarelor într-un convertor de putere. O problemă de traductoare este apariţia unei deviaţii permanente la un traductor de măsură.

    Pentru a fi siguri că procesul se desfăşoară cu satisfacerea specificaţiilor de calitate, defectele din proces trebuiesc detectate, diagnosticate şi eliminate. Aceste sarcini se regăsesc în activitatea de monitorizare a procesului. De-a lungul anilor au fost dezvoltate diverse metode pentru monitorizarea proceselor [...]. Metoda analitică bazată pe estimare s-a impus printre aceste metode. Scopul monitorizării proceselor este asigurarea efectuării cu succes a operaţiunilor planificate prin recunoaşterea anomaliilor din comportarea procesului. Informaţiile achiziţionate din şi despre proces permit nu numai o bună informare a personalului asupra stării procesului, ci de asemenea aceste informaţii constituie un suport pentru efectuarea de remedieri adecvate a comportării anormale a procesului. Şi ca rezultate se obţine o reducere a duratei de execuţie, se asigură o siguranţă sporită în lucru şi se reduc costurile de producţie. Pe măsură ce procesele industriale devin tot mai complexe, mai integrate, defectele care apar în cadrul lor pun la o mai grea încercare proiectanţii şi aceste defecte nu mai pot fi tratate cu metode convenţionale, apelându-se la metode ale inteligenţei artificiale, cum ar fi logica fuzzy şi reţelele neuronale.

    Sistemele industriale complexe sunt dotate cu numeroase echipamente de măsură, ceea ce a dus la obţinerea unei cantităţi mari de informaţii disponibile în monitorizarea proceselor. Iar aceste procese sunt conduse cu echipamente numerice, calculatoare care au devenit tot mai puternice. Disponibilitatea datelor culese în timpul unor condiţii de lucru în caz de defect este esenţială pentru monitorizarea proceselor. Capacitatea de memorare şi viteza de calcul a calculatoarelor permit utilizarea de algoritmi de monitorizare a proceselor care utilizează o mare cantitate de date. Procesele industriale sunt conduse în timp real cu echipamente numerice, cum ar fi calculatoare PC, procesoare de semnal numeric şi programe performante. Aceste structuri de conducere reprezintă o bază pentru aplicaţii care se pretează la implementarea unor astfel de algoritmi de monitorizare.

    3.2. Proceduri de monitorizare a proceselor

    În cadrul monitorizării proceselor se regăsesc patru proceduri […] şi anume: detecţia defectelor, identificarea defectelor, diagnosticarea defectelor şi refacerea procesului. Schema de principiu a monitorizării procesului se prezintă în fig. 2.

    Detecţia defectelor se face atunci când are loc un defect. Detecţia timpurie asigură atenţionări importante a problemelor care pot apărea, pentru luarea de măsuri adecvate pentru înlăturarea unor defecte majore.

Identificarea defectelor constă în identificarea mărimilor măsurabile sau observabile, cele mai relevante pentru diagnosticarea defectelor. Scopul acestei proceduri este de a concentra atenţia operatorilor şi inginerilor de proces spre subsistemele cele mai importante pentru diagnosticarea defectelor, astfel încât efectul defectului să poată fi eliminat într-un mod cât mai eficient.

    Prin diagnosticarea defectelor se determină ce defect a avut loc şi cauza stării sistemului, observată în afara sistemului de conducere automată. Sau, mai bine zis, se determină tipul, locul şi amplitudinea defectului şi momentul apariţiei lui.     Diagnosticarea este procedura cea mai importantă pentru contracararea sau eliminarea defectului.

    Recuperarea procesului, în urma intervenţiei în proces, constă în înlăturarea efectului defectului şi este procedura necesară pentru închiderea buclei de monitorizare. Dacă în cadrul unui proces s-a detectat un defect atunci cele patru proceduri de monitorizare trebuie aplicate în ordinea amintită mai sus, altfel se efectuează doar procedura de detecţie. În practică nu este necesar implementarea tuturor celor patru proceduri pentru monitorizarea unui proces. De exemplu, o defecţiune poate fi diagnosticată fără identificarea mărimilor afectate de defect şi apoi se poate reface modul de lucru normal al procesului. Adesea scopul monitorizării procesului este dor de a da indicaţii operatorilor şi inginerilor de proces, fără a realiza un sistem automat de monitorizare. După ce a apărut o defecţiune, procesul poate fi refăcut, reconfigurat sau reparat şi se poate întoarce la strategia de conducere anterioară. Câteodată, după ce a fost diagnosticat precis un defect, nu se poate determina o metodă corespunzătoare de contraatacare a defectului. În acest caz o abordare potrivită ar putea fi întoarcerea la strategia de conducere considerată standard. Pentru evaluarea performanţelor regulatoarelor au fost dezvoltate câteva metode şi acestea pot fi utilizate pentru determinarea strategiei de conducere la care trebuie să se întoarcă sistemul, pentru refacerea în mod satisfăcător a performanţelor procesului industrial. De exemplu, în cazul unei probleme la un traductor de măsură, se poate aplica o tehnică de refacere a traductorului pentru restabilirea sistemului de reglare în buclă închisă.

    În cadrul supravegherii procesului se iau câteva măsuri, bazate pe diverse metode şi teorii, cum ar fi: statistică matematică, clasificarea formelor şi teoria sistemelor. Aceste măsuri reprezintă comportarea procesului. Principiul constă în a converti data obţinute on-line de la proces în câteva măsuri pentru a asista operatorul să determine starea de operare a procesului şi diagnosticarea defectelor. Limitele detecţiei defectelor trebuie să fie menţionate în aceste măsuri. O defecţiune se detectează atunci când în urma evaluării unei măsuri se determină depăşirea limitelor impuse. Pe această cale, o măsură este capabilă să definească o comportare greşită a procesului, în concordanţă cu starea în afara condiţiilor normale d funcţionare a procesului. În aceste măsuri valoarea mărimii poate fi comparată cu valorile altor mărimi pentru a se determina care este mărimea cea mai afectată de defect. Defectele pot fi de asemenea diagnosticate şi prin dezvoltarea şi compararea măsurilor care reprezintă cu precizie diverse defecte ale procesului. Scopul monitorizării proceselor este de a dezvolta măsuri care prezintă o sensibilitate şi o robusteţe maximă la toate defectele posibile. Datorită faptului că defectele se manifestă pe diverse căi nu toate defectele pot fi detectate şi diagnosticate doar numai prin unele măsuri. Fiecare măsură caracterizează un defect într-o manieră diferită, o măsură va fi mai sensibilă la anumite defecte şi mai puţin sensibilă la alte defecte, comparativ cu alte măsuri. Aceste aspecte arată că sunt necesare mai multe măsuri de monitorizare a unui proces, fiecare măsură fiind adaptată unui anumit proces şi unor anumite defecte. Diversele măsuri dezvoltate în practică sunt clasificate prin asociere la diverse abordări teoretice [Chi01]: metode statistice de achiziţie şi prelucrare de date, metode analitice şi metode bazate pe cunoştinţe.

    Datele sunt culese direct din proces. Sistemele industriale moderne sunt sisteme mari, cu multe date. Ele sunt dotate cu multe instrumente de măsură, care furnizează o mare cantitate de date. Dar, o cantitate mare de date, achiziţionate de la proces, nu poate fi prelucrată de creierul unui operator uman. Prin metodele statistice de prelucrare a datelor se urmăreşte să se transforme informaţia de mari dimensiuni într-o informaţie utilă de mai mici dimensiuni, în care să se sintetizeze ce este mai important. Astfel, pentru prelucrarea datelor se utilizează metode din statistica matematică […]. În acest caz dezavantajul metodei este dat de faptul că metodele statistice necesită o mare şi foarte variată cantitate de date.

    Metodele analitice utilizează modele matematice, care sunt adesea construite pe baza modelelor matematice primare obţinute din legile fizice, care guvernează procesul, exprimate prin ecuaţii integro-diferenţiale [...]. Metodele analitice sunt aplicabile la sisteme care au modele matematice satisfăcătoare, prevăzute cu diverse traductoare. Cazul maşinilor electrice se pretează la aşa ceva, deoarece maşinile electrice sunt bine descrise prin modelele lor cu fazori spaţiali [...], ele putând fi dotate cu diverse traductoare de turaţie, poziţie, curent , tensiune sau flux. Majoritatea modelelor analitice se bazează pe estimarea parametrilor [...], observatoare de stare [...] şi relaţii de paritate […]. Metodele analitice se aplică la sisteme cu un număr mic de mărimi de intrare, stare şi de ieşire, cum este şi cazul sistemelor de conducere automată a maşinilor electrice. Deoarece metodele analitice necesită modele matematice detaliate este mai dificil ca ele să fie aplicate la sisteme mari. Principalul avantaj al metodelor analitice constă în aceea că ele asigură ca strategia de monitorizare să se bazeze pe o înţelegere corectă a procesului, şi anume atunci când se utilizează un model adecvat al acestuia.

    Metodele bazate pe cunoştinţe utilizează modele calitative pentru dezvoltarea unor măsuri de monitorizare. Metodele bazate pe cunoştinţe se pretează în cazurile în care pentru sistemele monitorizate nu se dispune de modele, sau acestea au modele complexe sau puternic neliniare. Măsurile bazate pe cunoştinţe se aplică prin intermediul sistemelor expert, analizei cauzale sau recunoaşterii formelor. ŞI aceste metode se aplică la sisteme cu un număr mic de mărimi. Pentru o aplicare uşoară a acestor metode este necesară dezvoltarea e pachete de programe specializate.

3.4. Metode de monitorizare a proceselor

3.4.1. Metode de detecţie a defectelor

    În ultimii ani au fost dezvoltate diferite metode de detecţie a defectelor. Detecţia defectelor în procesele tehnice, elemente de execuţie sau traductoare se face prin măsurarea mărimilor de intrare u şi de ieşire y disponibile. În fig. 3 se prezintă schema de detecţie a defectelor într-un sistem de reglare automată.

    În cadrul monitorizării procesului se consideră că acesta lucrează în buclă deschisă. Se pot face distincţii între procese liniare şi neliniare, între regimurile lor de funcţionare dinamice sau statice. Cele mai importante metode utilizate pentru detecţia defectelor sunt: estimarea parametrilor, estimarea stărilor şi ecuaşiile de paritate. Estimarea parametrilor asigură determinarea modificărilor care apar în parametrii proceselor. Estimarea stărilor asigură determinarea modificărilor care apar la mărimile de stare ale proceselor sau în erorile de ieşire. Ecuaţiile de paritate oferă erorile de ieşire sau erorile polinomiale. Cantităţile măsurate sau estimate, cum sunt: semnalele de intrare şi ieşire, parametrii, mărimile de stare sunt în general mărimi stohastice, cu variaţii aleatoare, caracterizate prin valori medii şi repartiţii de probabilitate. Ele au variaţii faţă de valoarea lor considerată normală din cadrul procesului neafectat de defect. Simptomele analitice e obţin ca schimbări raportate la valori normale. Dacă se utilizează un prag fix, se poate face întotdeauna un compromis între detecţia unor mici defecte şi alarme false datorate depăşirilor valorilor normale pe timp scurt. Pentru îmbunătăţirea deciziei se utilizează metode de detecţie a modificărilor care apar, prin estimarea modificărilor faţă de valoarea medie şi compararea lor cu deviaţiile standard. Logica fuzzy permite ca în această abordare să se aleagă funcţii de apartenenţă definite pe universuri de discurs specifice domeniului e valori în care apar defectele.

    3.4.2. Metode de diagnosticare a defectelor

    În cadru diagnosticării defectelor se determină tipul defectului, ca şi dimensiunea acestuia, locul în care a apărut şi momentul la care a fost detectat. Procedura de diagnosticare se bazează pe observarea în proces a simptomelor de defect.

    Pentru aceasta, una din metode constă în utilizarea sistemelor expert, bazate pe cunoştinţe euristice şi mecanisme de inferenţă. Aceste sisteme expert imită raţionamentul uman în diagnosticarea defectelor. Experienţa umană dintr-un anumit domeniu poate fi exprimată prin reguli, care pot fi combinate cu informaţii provenite din ecuaţiile fizico-matematice ale legilor care guvernează procesul sau cu o descriere structurală a sistemului. Sistemele expert sunt capabile să capteze raţionamentul uman de diagnosticare, care nu se poate exprima prin modele matematice.

    O altă metodă o constituie recunoaşterea formelor, care realizează asociaţii dintre datele din proces clasificate ca forme şi clasele de defecte, fără a utiliza un model explicit al procesului, al stării sau structurii lui. Pentru recunoaşterea formelor se utilizează reţele neuronale, de tipul feedforward, sau cu reacţie, antrenate cu metode de gradient sau cu algoritmi genetici […]. Aceste tehnici pot fi asociate tehnicilor de tratare a datelor, pentru modelarea unor relaţii care să descrie aplicaţii matematice dintre datele din proces ca forme şi clasele de defecte clasificate ca forme. Reţelele neuronale sunt tratate ca şi cutii negre, care pot învăţa asociaţii de forme, prezentate la intrările şi ieşirile lor, prin sesiuni de antrenare […].

    Toate metodele, bazate atât pe date statistice, modele analitice sau cunoştinţe au avantajele şi dezavantajele lor, astfel încât utilizarea unei singure metode nu este cea mai bună soluţie.

1. INTRODUCERE

1.1. Contextul realizării proiectului

1.2. Domeniul ştiinţific şi tehnic al temei

1.3. Tema proiectului

2. STUDIU BIBLIOGRAFIC

3. FUNDAMENTARE TEORETICĂ

3.1. Generalităţi

3.2. Proceduri de monitorizare a proceselor

3.3. Măsuri de monitorizare a proceselor

3.4. Metode de monitorizare a proceselor

3.5. Metodele analitice

3.6. Descrierea erorilor

3.7. Estimarea parametrilor

4. STUDIU DE CAZ

4.1. Procesul industrial

4.2.      Modelarea şi simularea procesului

4.3. Estimarea parametrilor

5. CONCLUZII