بخشی از مقاله
چکیده
عیوب مربوط به یاتاقان یکی از علل رایج خرابی ماشینآلات دوار الکتریکی و مکانیکی هستند. بهوسیله تکنیکهای پیشرفته تشخیص، میتوان این عیوب را در مراحل ابتدایی، پیش از آنکه منجر به آسیبهای جبرانناپذیر شوند، شناسایی کرد.
در این مقاله ابتدا ضرورت مفاهیم عیب و سامانههای تشخیص عیب را در قسمت اول معرفی مینماییم. در ادامه روشهای تشخیص عیب بهطور خلاصه گفته خواهد شد. در این میان بهطور خاص روش تحلیل اجزای اصلی که موردنظر این مقاله است، مفصلتر شرح داده خواهد شد. نتایج شبیهسازی این الگوریتم و نتیجهگیری نیز در آخر آورده خواهد شد.
.1 مقدمه
یکی از چالشبرانگیزترین موضوعات پیش روی مهندسان کنترل، طراحی نسل آینده سامانههای کنترلی است که، در مواقع بروز رویدادی غیرطبیعی به کمک اپراتورها بتواند تصمیمات مناسب اتخاذ نماید. در اکثر صنایع توقفهای برنامهریزی نشده به خاطر خرابی، اثرات جبرانناپذیر اقتصادی برجای میگذارد، که ممکن است به خاطر هزینه بالای فرآیند یا زمان بالای توقف باشد.
پایش وضیعت را میتوان اینگونه تعریف کرد که هر سیستم دینامیکی، الکتریکی، حرارتی یا هیدرولیکی، دارای علائم مشخصهای است که وضعیت عادی آن دستگاه را در حین کار نشان میدهد. تغییر این علائم مشخصه، هرچند بهاندازهی کم، میتواند نشانهای از بروز اشکال و خرابی در سیستم باشد. منظور از پایش وضعیت، تعیین وضعیت سیستم، با اندازهگیری علائم مشخصهی آن و بهرهگیری از این اطلاعات برای پیشبینی خرابی سیستم است.
از فواید مهمی که اجرای این عملیات حاصل میکند، به حداقل رساندن تعداد دفعات توقف ماشینآلات، کاهش دادن زمان توقف ماشینآلات، کاهش مصرف قطعات یدکی، کاهش هزینه، افزایش کیفیت محصول، بالا بردن ایمنی و ضریب اطمینان ماشینآلات است.
یکی از روشهای پایش وضعیت، تحلیل ارتعاشات است. همانطور که مشخص است، همهی ماشینها در حین کارکرد ارتعاش میکنند که مقدار این ارتعاش در ماشینهای مختلف، متفاوت است. درهرصورت، ارتعاش در همهی ماشینها وجود دارد و ویژگی جدانشدنی هر ماشین است که در سازوکارهای انتقال نیرو بهاجبار ایجاد میشود. یک ماشین نو با طراحی خوب، دارای حداقل دامنهی ارتعاش است.
این ارتعاش، اشکالی در ماشین به وجود نخواهد آورد. اما با استهلاک ماشین، اجزای آن بهتدریج ساییده شده و لقیهای آن افزایش مییابد. درنتیجه تغییر شکل اجزا زیاد شده و همچنین در برخی از موارد، فونداسیون ماشین نشست پیدا کرده و بهطورکلی رفتار دینامیکی ماشین تغییر میکند. این تغییر رفتار، باعث ایجاد نیروهای ارتعاشی نامطلوب در سیستم میشود و علاوه بر اعمال بار بیشازحد به اجزای مختلف، عامل اتلاف انرژی نیز میگردد.[1] این ارتعاشات نامطلوب خود علامت مشخصهای برای پایش وضعیت ماشین نیز خواهند بود، که این روش از پایش وضعیت را تحلیل ارتعاشاتی گویند.
عیب میتواند در هر قسمتی از ماشین یا حتی فرآیند رخ دهد. عیب هم میتواند الکتریکی باشد و هم مکانیکی. عیوب الکتریکی بیشتر مربوط به سیمپیچ روتور یا استاتور است و عیوب مکانیکی یاتاقانها، غیر هممحوری، عیبهای گیربکس و دیگر عیبها را دربر میگیرد
آمارها نشان میدهد که در ماشینهای الکتریکی مختلف بین 40 تا 60 درصد مربوط به یاتاقانها است .[4] این عیوب بهیکباره منجر به خرابی نمیشوند و فقط زمانی خودشان را نشان میدهند که باعث خرابی ماشین گردند که هم هزینه تعمیر و هم هزینه توقف تولید را باعث میشود. عواملی چون، پایان عمر مفید، گرمای بیشازحد، اصطکاک زیاد، آلودگی، خوردگی و استفاده نامناسب باعث چنین عیوبی میشوند. اما مهمترین عامل روغنکاری ضعیف است.
عموماً پایش بر اساس ارتعاشات برای تشخیص عیوب یاتاقانها بکار میرود که علاوه نیاز به حسگرهای مناسب، به روشن بودن ماشین نیز نیاز دارد. البته در ماشینهای الکتریکی میتوان از آنالیز جریان نیز استفاده کرد که در مقایسه با روش قبل به حسگرهای ارزانتری نیاز دارد و عیوب مختلف ماشین را نیز تشخیص میدهد.
.2 عیب و روشهای تشخیص آن
طبق استاندارد ISO/CD 10303-226 عیب - Fault - عبارت است از یک تغییر ناخواسته در عملکرد تجهیزات یا سامانههایی که باعث انحراف رفتار آنها از حالت طبیعی یا نامی خود شود. اما استاندارد C1037 فدرال ایالاتمتحده در شرایط مختلف سه تعریف را برای عیب عنوان میکند.
· شرایط اتفاقی که باعث میشود یک قسمت نتواند بهدرستی کار کند.
· اثری که باعث عملکرد بد تکراری یا فاجعهبار میشود. چنین عملکردی در شرایط مشابه ایجادشده تکرار میشود.
· در سیستمهای قدرت، اتصال کوتاه ناخواسته، عیب شناخته میشود.
عدم تشخیص بهموقع عیب در تجهیزات منجر به صدمه دیدن و از بین رفتن بخش قابلتوجهی از امکانات و اطلاعات و در برخی موارد نیروی انسانی خواهد شد. تکیه تنها بر اپراتورهای انسانی در مدیریت چنین مشکلاتی به علت وسعت علل مختلف این شرایط غیرعادی و نیز پیچیدگی سامانهها و تجهیزات جدید امکانپذیر نیست.
عدمتشخیص عیب باعث مشکلاتی از قبیل مشکلات و تبعات اقتصادی و اجتماعی، مشکلات امنیتی و مشکلات و تبعات زیستمحیطی را به وجود میآورد. صنایع نفت در ایالات متحده در حدود سالانه 20 میلیارد دلار به دلیل عدمتشخیص بهموقع عیب ضرر کردهاند.
یک سیستم تشخیص عیب برای عملکرد مناسب و دلخواه باید ویژگیهایی همچون تشخیص سریع وقوع عیب و نوع آن، جداسازی عیب - توانایی سیستم برای تمایز بین عیوب مختلف - ، مقاوم بودن به انواع مختلف نویز و عدم قطعیتها و قابلیت تشخیص عیوب جدید را داشته باشد.
از الگوهای مختلفی برای دستهبندی روشهای مختلف عیب استفاده میشود، در اینجا ما به آوردن یک تقسیمبندی بسنده میکنیم.
در روشهای مبتنی بر مدل - Model-Based Fault Detection - میبایست شناخت دقیقی از نحوه عملکرد سیستم و مدلسازی آن داشت، که این بهنوبه خود هم میتواند در تشخیص بهتر عیب به ما کمک کند، و هم باعث ناکارآمدی این روش در برخی موارد ازجمله فرآیندهای صنعتی پیچیده شود. اولین کاربرد روش مبتنی بر مدل در سال 1971 بر روی سیستم یک فضاپیما و فرآیندهای شیمیایی گزارش شده است.
شکل :1 تقسیم بندی روشهای مختلف تشخیص عیب
مشاهده گرها، فیلترهای کالمن، تخمین زنندههای پارامتر و روابط قیاسی در حیطه روشهای مبتنی بر مدل کمی قرار میگیرند.
طرح اصلی استفاده از این روش در زیر گفته شده است :
1. مدلسازی دقیق تجهیزات یا فرآیندهای فیزیکی
2. تولید مجازی حالتها یا پارامترهای مدل با تخمین زنندههای حالت یا پارامتر
3. مقایسه حالتها یا پارامترهای تخمین زدهشده با مقادیر اندازهگیری شده و تولید باقیمانده - Residual -
4. تشخیص عیب بر اساس مقادیر باقیمانده
روشهای مبتنی بر مدل کیفی بر پایه بررسی رفتار تجهیزات یا سیستم موردنظر و تحلیل این رفتار جهت تصمیم گیری در مورد وقوع عیب و نوع و محل آن استوار است.
