Разработка нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга состояния оборудования: на примере глиноземного производства БАЗ-СУАЛ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Харисов, Азамат Робертович

• Харисов, Азамат Робертович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Харисов, Азамат Робертович

Перечень сокращений.

Введение.

1 Аналитический обзор литературных источников о диагностике состояния оборудования.

1.1 Обзор стратегий обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования.

1.2 Обзор методов, диаграмм и технологий диагностики и мониторинга состояния оборудования.

1.2.1 Обзор методов неразрушающего контроля.

1.2.2 Обзор технологий диагностики.

1.2.3 Обзор диаграмм событий/состояний.

1.2.4 Обзор технологий мониторинга.

1.3 Обзор отечественных приборов виброконтроля и сравнение приборов для вибродиагностики.

1.3.1 Сравнение параметров виброметров.

1.3.2 Сравнение параметров анализаторов вибросигналов.

1.4 Системы распознавания неисправностей. Экспертные системы диагностики.

1.4.1 Детерминированные, стохастические и нечёткие экспертные системы.

1.4.2 Экспертные системы закрытого и открытого типа. Их преимущества и недостатки.

1.5 Обзор отечественных программных продуктов, реализующих экспертные системы.

1.5.1 Экспертная система диагностики фирмы «ВАСТ».

1.5.2 Экспертная система диагностики фирмы «ДИАМЕХ».

1.5.3 Экспертная система диагностики фирмы «ИНКОТЕС».

1.6 Выводы по Главе 1.

2 Диагностика оборудования с использованием нечётких экспертных систем технической диагностики и мониторинга.

2.1 Методология нечетких экспертных систем.

2.2 Метод создания нечетких экспертных систем технической диагностики и мониторинга.

2.3 Рациональный выбор компонентов оборудования. Информационно-диагностические модели некоторых компонентов технологического оборудования БАЗ-СУАЛ.

2.4 Выбор методов неразрушающего контроля, выбор лингвистической переменной.

2.5 Нечеткая диаграмма событий /состояний технологического оборудования.

2.6 Вербальная, концептуальная и математические модели нечеткой экспертной системы.

2.7 Решатель, объяснитель и интеллектуальный интерфейс НЭС.

2.8 Состав информационно-диагностических моделей АНК.

2.9 Выводы по Главе 2.

3 Нечеткая экспертная система. Программный комплекс «КвиХар».

3.1 Общие положения.

3.2 Основные функции программного комплекса «КвиХар».

3.3 Структура программного комплекса «КвиХар».

3.4 Ввод информации «КвиХар Input».

3.5 Описание базы знаний ПК «КвиХар».

3.5.1 База знаний «THESAURUS».

3.5.2 Редактор базы знаний «Editor».

3.6 Вывод информации «КвиХар Output».

3.6.1 База диагностических данных WORKDATASET.

3.6.2 Вывод информации «КвиХар Output».

3.7 Функционирование НЭС «КвиХар».

3.8 Выводы по Главе 3.

4 Практика использования и эффективность НЭСТДМ.

4.1 Проект создание ПАСТДМ БАЗ-СУАЛ. Технологии мониторинга, диагностики, генезиса и прогноза состояния оборудования БАЗ-СУАЛ. Организационная структура ПАСТДМ.

4.1.1 Назначение, цель и задачи создания ПАСТДМ ОТО.

4.1.2 Выделение АНК для ПАСТДМ БАЗ-СУАЛ.

4.1.3 Структура ПАСТДМ ОТО БАЗ-СУАЛ.

4.1.4 Информационное обеспечение.

4.1.5 Описание работы ПАСТДМ БАЗ-СУАЛ.

4.2 Оценка эффективности ПАСТДМ БАЗ-СУАЛ.

4.3 Внедрение КП «КвиХар» в учебный курс «Информационно-измерительные системы».

4.3.1 Назначение, цель и задачи создания УСТДМ МД.

4.3.2 Структура УСТДМ МД.

4.3.3 Описание работы УСТДМ МД.

4.4 Выводы по Главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга состояния оборудования: на примере глиноземного производства БАЗ-СУАЛ»

Актуальность темы исследования. Исторически сложилось так, что обеспечение эксплуатационной надежности или технического состояния технологического оборудования мануфактур, фабрик и заводов длительное время осуществлялись «до отказа».

Во второй половине прошлого столетия возникло, и успешно применяется до настоящего времени, другое направление обеспечения эксплуатационной надежности оборудования «по системе планово-предупредительных ремонтов» (ППР). Достоинства такой стратегии обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования общеизвестны. Однако стратегия ППР имеет крупный недостаток, заключающийся в том, что она весьма высокозатратна.

Сегодня, особенно в условиях рыночной экономики, становится очевидным, что нужно переходить к более прогрессивной стратегии обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования «по его фактическому состоянию». Переход к этой стратегии вызывает необходимость обязательного создания систем технической диагностики и мониторинга (СТДМ) и даже информационных диагностических сетей (ИДС), если технологическое оборудование размещено на большой территории. Многообразие вариантов реализации различных СТДМ и ИДС технологического оборудования по состоянию порождает целый класс нетривиальных научных задач, решение которых в каждом конкретном случае является необходимым. Среди российских ученых, внесших значительный научно-технический вклад в эту область знаний, следует отметить: П.П. Пархоменко, В.В. Клюева, С.А. Тимашева, В.И. Кузякина, Т.З. Аралбаева, Е.Ю. Барзиловича, Г.В. Дружинина, Н.А. Северцева, А.С. Гольдина, Ю.Н. Руденко, И.А. Ушакова, Б.В. Гнеденко, и др., а также зарубежных ученых Дж. Богданоффа, Ф. Байхельта, П. Франкена, Р. Барлоу, Ф. Прошана, Д. Коллинза, Ф. Козина, Т. Юкобори, Р. Ховарда и др.

Вместе с тем, необходимо отметить, что область проблем создания СТДМ в научном плане изучена все еще достаточно слабо. Хотя средства автоматизации контроля технического состояния оборудования появились достаточно давно (более 20-и лет назад), теоретическая база объективного анализа и эффективного синтеза СТДМ все еще недостаточна. Особенно это касается металлургического оборудования. Отсутствие научных методов, позволяющих решать задачи создания СТДМ и информационных технологий, объясняют причину того, что в металлургии процент успешных внедрений таких систем очень низкий.

В этой связи, предлагаемое автором диссертации решение задачи обеспечения эксплуатационной надежности металлургического оборудования Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ» (БАЗ-СУАЛ) по его фактическому состоянию с помощью создания и внедрения экспертной системы с использованием нечеткой логики (нечеткой экспертной системы - НЭС) является весьма актуальным. Для этого автор разработал метод создания экспертных систем с нечеткой логикой для контроля технического состояния оборудования, главным компонентом которых является программно-технический комплекс (ПТК), предназначенный для определения статуса, диагноза, генезиса и прогноза состояния наблюдаемого оборудования. Такая система позволяет управлять процессами восстановления утраченного ресурса технологического оборудования в реальном масштабе времени.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Концепции промышленной политики Свердловской области и ряда целевых научно-исследовательских программ министерства металлургии при правительстве Свердловской области, в том числе:

1. Программы реализация государственной промышленной политики в металлургической отрасли Свердловской области, включая горнорудные предприятия, предприятия черной и цветной металлургии, огнеупорного производства, предприятия по добыче и переработке драгоценных и редкоземельных металлов, а так же определение стратегических приоритетов её развития как основы реформирования и развития промышленного комплекса;

2. Программы содействия в техническом перевооружении и реконструкции металлургических предприятий, освоению и выпуску конкурентоспособной продукции.

Объектом исследования тля шея теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСОДУ, АСКУЭ и др.

Предметом исследования является технологическое оборудование глиноземного производства (ГП) БАЗ-СУАЛ, нечеткая экспертная система технической диагностики и мониторинга технологического оборудования и информационные технологии управления техническим состоянием оборудования ГП БАЗ-СУАЛ.

Цель и задачи исследования. Цель исследования заключается в создании нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования ГП БАЗ-СУАЛ.

Цель достигается решением следующих научно-исследовательских задач:

1. Системного анализа стратегий и систем управления техническим состоянием и методов и средств неразрушающего контроля оборудования, а также анализа экспертных систем диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования в сфере промышленных предприятий;

2. Рационального выбора низконадежного оборудования ГП БАЗ-СУАЛ и метода неразрушающего контроля;

3. Разработкой метода синтеза НЭС технической диагностики и мониторинга (ТДМ) и информационных технологий управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию;

4. Разработкой вербальной, концептуальных и математических моделей оценки статуса технического состояния, диагностирования, прогнозирования останова эксплуатации и восстановление ресурса наблюдаемого оборудования;

5. Разработкой и созданием программного комплекса «KviXar», реализующего информационные технологии НЭС ТДМ;

6. Разработкой ПТК НЭС ТДМ для БАЗ-СУАЛ.

Методы исследования базируются на использовании методов теории систем, системного анализа информационных систем и технологий, теории принятия технических решений, теории нечетких множеств, а также на использовании методов теории шкал.

Научная новизна заключается в том, что разработан новый метод, синтеза нечетких экспертных систем оценки технического состояния контролируемого оборудования, отличающийся от известных методов тем, что в нем изначально используется стохастическая, а затем нечеткая логика оценки, диагностики и прогнозирования событий/состояний. При этом:

7. Систематизированы аналоги и выбраны прототипы стратегии управления техническим состоянием, метода неразрушающего контроля, диаграмм событий/состояний технологического оборудования и экспертной системы контроля технического состояния наблюдаемого оборудования;

8. Построены информационно-диагностические концептуальные и математические модели состояний объекта исследования - ансамбля низконадежного оборудования глиноземного и теплоэнергетического производства БАЗ-СУАЛ;

9. Построены вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемых НЭС ТДМ при оценке, диагностике и прогнозировании событий/состояний;

10. Приближен язык оценки событий /состояний контролируемого оборудования к понятиям естественного русского языка, чем достигнут отказ от сложных экспертных оценок при разработке и от услуг ЛПР при эксплуатации СТДМ;

11. На основе нового метода разработан комплекс программ «KviXar», реализующий нечеткую экспертную систему оценки событий/состояний оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ.

На защиту выносятся:

12. Новый метод синтеза НЭС ТДМ и информационной технологии управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию;

13. Информационно-диагностические концептуальные модели объектов исследования -ансамбля низкопадежного оборудования глиноземного и вспомогательного производства БАЗ-СУАЛ;

14. Вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемые НЭС ТДМ при оценке, диагностике и прогнозировании событий/состояний;

15. Программный комплекс «KviXar», реализующий нечеткую экспертную систему оценки событий/состояний оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что предложенный автором диссертации метод создания систем оценки оборудования по его фактическому состоянию позволяет повысить эффективность глиноземного производства за счет снижения времени простоев оборудования в ремонте, снизить себестоимость продукции за счет снижения затрат на ремонты и послеаварийное восстановление оборудования. Кроме того НЭС ТДМ позволяет осуществлять постепенный переход от стратегии ППР к стратегии управления техническим состоянием контролируемого оборудования по фактическому состоянию. Нечеткая экспертная система ТДМ легко и просто встраивается в существующую автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) ГП БАЗ-СУАЛ и может быть использована на других предприятиях цветной и черной металлургии.

Использование результатов исследований. Результаты исследований, выполненные автором диссертационной работы, и разработанный им метод создания НЭС ТДМ были использованы НПФ «ЭДМОН» и ЗАО «РТСофт» при разработке техно-рабочего проекта 1-й очереди переносной автоматизированной системы технической диагностики и мониторинга (ПАСТДМ) ГП БАЗ-СУАЛ, а так же были использованы в учебном процессе при проведении лабораторного практикума в РИ УГТУ-УПИ.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-й международной научно-практической конференции «Болонский процесс: развитие менеджмента и маркетинга» (Екатеринбург, 2006 г.); международной научной конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2006); международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2007» в рамках IV-ro Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПРО 2007» (Екатеринбург, 2007 г.); IV,V, VI и XI отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и семинарах кафедр АИТ и АУТС УГТУ-УПИ, РИ-РТФ (Екатеринбург, 2003-2005 гг.).

Личный вклад автора заключается в определении целей и задач исследования, в проведении анализа стратегий и систем управления техническим состоянием оборудования БАЗ-СУАЛ, в разработке метода создания НЭС ТДМ, построении концептуальных и математических моделей задач оценки технического состояния низконадежного оборудования. Кроме того, автор лично принимал участие в разработке программного комплекса «KviXar», реализующего информационную технологию управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 132 наименования и 5 приложений. Диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, включая 59 рисунков и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Харисов, Азамат Робертович

4.4 Выводы по Главе 4.

После проведения обследования и проектирования переносной автоматизированной системы технической диагностики и мониторинга для Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ и создания учебной системы технической диагностики и мониторинга состоянии макета двигателя с использованием КП «КвиХар» можно сделать следующие выводы:

• Системы с использованием КП «КвиХар» могут обеспечить создание необходимых и достаточных условий постепенного перехода от системы ППР к стратегии технической эксплуатации ОТО по его фактическому состоянию.

• Системы с использованием КП «КвиХар» обеспечивают получение, хранение и выдачу всем заинтересованным службам информации о статусе и диагнозе технологического оборудования, а так же позволяют вычислять и прогнозировать ориентировочную дату техобслуживания, среднего и капитального ремонтов.

• Созданная система УСТДМ МД позволяет изучить новые методы технической диагностики оборудования с помощью нечетких экспертных систем.

• Спроектированная система ПАСТДМ позволит по информации о статусе, диагнозе и прогнозе состояния технологического оборудования БАЗ-СУАЛ планировать проведение ремонтов, в частности, формирования гибких графиков планово-предупредительного ремонта (ППР), составления дефектных ведомостей и отчетных документов.

• ПАСТДМ с КП «КвиХар» даст возможность значительно упростить процедуру диагностики и сделать её более прозрачной для пользователя. Использование нечеткой логики позволяет не озадачиваться спецификой оборудования и значениями измеренных параметров - нечеткая логика делает работу с системой диагностики удобной и простой.

• Оценка эффективности внедрения системы ПАСТДМ, проведённая в данной работе показывает достаточно хорошую ресурсную эффективность. По вычисленным показателям срок окупаемости системы ПАСТДМ с КП «КвиХар» составит менее 2 лет, что является хорошим показателем для систем диагностики и мониторинга.

• Системы, построенные с использованием КП «КвиХар» могут быть внедрены и на других металлургических и энергетических предприятиях Свердловской области и Российской Федерации.

Оценка результатов проектирования ПАСТДМ для БАЗ-СУАЛ и внедрения УСТДМ МД в учебный процесс курса «Информационно-измерительные системы» УГТУ-УПИ подтверждается Актами о внедрении научно-исследовательских работ Харисова А.Р., соискателя ученой степени кандидата технических наук.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность выдвинутых и обоснованных в диссертационной работе теоретических положений и их практическое использование представляют собой законченное решение важной научно-технической задачи повышения эффективности металлургического производства, в частности, повышения производства глинозема на Богословском алюминиевом заводе - филиале ОАО «СУАЛ» с помощью внедрения современных систем технической диагностики и мониторинга состояния технологического оборудования.

При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Систематизированы аналоги и выбраны прототипы стратегии управления состоянием, метода неразрушающего контроля, диаграммы событий/состояний технологического оборудования и экспертная система контроля технического состояния наблюдаемого оборудования.

2. Разработан новый метод построения НЭС ТДМ и информационная технология управления техническим состоянием оборудования по его фактическому состоянию.

3. Построена информационно-диагностическая, концептуальная модель ансамбля низконадежного оборудования глиноземного производства БАЗ-СУАЛ - «дерево АНК».

4. Построены вербальная, концептуальные и математические модели задач, решаемые НЭС ТДМ при оценке событий/состояний.

5. Приближен язык оценки состояний контролируемого оборудования к понятиям естественного русского языка, чем достигнут отказ от сложных экспертных оценок при разработке и услуг ЛПР при эксплуатации СТДМ.

6. Разработан комплекс программ «KviXar», реализующий НЭС оценки событий/состояний технологического оборудования. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «Комплекс программ нечеткой экспертной системы диагностики и мониторинга «КвиХар» (КП НЭС КвиХар)».

7. Спроектирована и подготовлена к внедрению переносная автоматизированная система технической диагностики и мониторинга (ПАСТДМ) основного технологического оборудования Богословского алюминиевого завода - филиала ОАО «СУАЛ».

8. Создана и внедрена учебная система технической диагностики и мониторинга состоянии макета двигателя (УСТДМ МД) в лабораторный практикум курса «Информационно-измерительные системы» РИ УГТУ-УПИ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Харисов, Азамат Робертович, 2007 год

1. Авакян, В.А. Разработка теоретических положений, внедрение в промышленность методов и средств вибродиагностики роторных машин и станков: Дис. доктора техн. наук/ В.А. Авакян.-Ереван, 1984.

2. Андреев, Е.Б. SCADA системы: взгляд изнутри/ Е.Б. Анреев; Н.А. Куцевич; О.В. Синенко.-М.: РТСофт, 2004.176 с.

3. Андрейчиков, А.В. Интеллектуальные информационные системы: Учебник/ А.В. Андрейчиков; О.Н. Андрейчикова. М.: Финансы и статистика, 2006. - 424 е.: ил.

4. Аралбаев, Т.З. Построение адаптивных систем мониторинга и диагностирования сложных промышленных объектов на основе принципов самоорганизации/ Т.З. Аралбаев. Уфа: Гилем, 2003.-- 238 с.

5. Байхельт, Ф. Надёжность и техническое обслуживание. Математический подход. Пер с нем./ Ф. Байхельт; П. Франкен. М.: Радио и связь, 1988. - 92 с.

6. Балицкий, Ф.Я. Алгоритм диагностирования дисбаланса роторных машин./ Ф.Я. Балицкий; М.А. Иванова; В.И. Ивин // Проблемы вибродиагностики машин и приборов. Тезисы докладов Всесоюзное совещание., Иваново, 1985. -М., 1985. -С. 38-39.

7. Баринов, Ю.Г. Методы, модели и алгоритмы вибродиагностики авиационных зубчатых приводов: Дис. доктора техн. наук/ Ю.Г. Баринов. -Рига, 1992.- 353 с.

8. Барков, А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: Учеб. пособие/ А.В. Барков; Н.А. Баркова; А.Ю. Азовцев. СПб., 2000. - 158 с.

9. Батищев, А.Н. Монтаж, эксплуатация и ремонт технологического оборудования перерабатывающих отраслей АПК/ А.Н. Батищев. М., 1997.

10. Богатенков, Ю.В. Исследование диагностических моделей и разработка автоматизированных систем вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций: Дис.канд. техн. наук: 05.11.13./ Ю.В. Богатенков.- М., 1999. 142 с.

11. Богатенков, Ю.В. Исследование динамических моделей и разработка автоматизированной системы вибродиагностики магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций: Автореф. дис.канд. техн. наук: 05.11.13/ Ю.В. Богатенков. М., 1999. - 23 с.

12. Богданофф, Дж., Вероятностные модели накопления повреждений: Пер. с англ./ Дж. Богданофф; Ф. Козин М.: Мир, 1989. - 334 е.: ил.13