Підвищення безвідмовності металургійних машин з використанням експертної системи технічного обслуговування і ремонтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.02-192+669.02.004.67:681.518.2

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ БЕЗВІДМОВНОСТІ МЕТАЛУРГІЙНИХ МАШИН З ВИКОРИСТАННЯМ ЕКСПЕРТНОЇ СИСТЕМИ ТЕХНІЧНОГО ОБСЛУГОВУВАННЯ І РЕМОНТІВ

05.05.08 - Машини для металургійного виробництва

ОШОВСЬКА ОЛЕНА ВОЛОДИМИРІВНА

ДОНЕЦЬК - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, СОПІЛКІН Георгій Вікторович, Донецький державний технічний університет, професор кафедри "Механічне обладнання заводів чорної металургії"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, ЦАПКО Валерій Костянтинович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри "Машини та агрегати металургійного виробництва" (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, професор, УЛЬЯНИЦЬКИЙ Василій Нікіфорович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри "Машини металургійного комплексу" (м.Алчевськ).

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет, Міністерство освіти і науки України , кафедра "Підйомно-транспортні механізми та деталі машин" (м. Маріуполь).

Захист відбудеться 20 квітня 2000 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.01 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м.Донецьк, вул. Артема, 58, ДонДТУ, 5 учбовий корпус, ауд.353.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 учбовий корпус).

Автореферат розісланий 18 березня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор С.М. Саф'янц

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

ремонт обладнання металургійний запасний

Актуальність теми. Ефективність функціонування металургійного підприємства нерозривно пов'язана з безвідмовністю механічного обладнання, яка у значній мірі залежить від організації ремонтного виробництва і прийнятої системи технічного обслуговування і ремонтів (ТО і Р). Сучасне економічне положення в чорній металургії і підвищення вимог до якості і конкурентоспроможності продукції зробили необхідним розробку більш гнучких стратегій проведення ремонтних робіт і відповідних до них систем ТО і Р. Такі системи повинні забезпечувати швидке реагування на змінення завантаженості обладнання і підтримку необхідного рівня його безвідмовності з урахуванням стану матеріальних, трудових і фінансових ресурсів ремонтного виробництва.

Використання засобів діагностики для раннього розпізнавання несправностей обладнання і контролю якості виконаних ремонтних робіт; збір, збереження, обробка на ЕОМ всієї інформації про стан ресурсів системи ТО і Р та стан обладнання є невід'ємними умовами обґрунтованого вибору напрямків підвищення безвідмовності металургійних машин.

У сучасних умовах комп'ютерною підтримкою прийняття рішень у сферах планування і керування виступають експертні системи (ЕС). Починають з'являтися експертні системи й у ремонтному виробництві. Проте галузь їх використання обмежується тільки діагностикою і пошуком несправностей. Для пошуку і прийняття обґрунтованих організаційно-управлінських рішень у сфері ТО і Р таких систем не існує.

Все це вказує на актуальність задачі підвищення безвідмовності механічного обладнання металургійних підприємств за рахунок удосконалювання ТО і Р з використанням експертної системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт кафедри "Механічне обладнання заводів чорної металургії" Донецького державного технічного університету (державна тема №Г-14-95 "Розробка і впровадження теоретичних основ побудови експертно-діагностичних систем, що підвищують надійність металургійних машин на стадії експлуатації").

Мета роботи. Розробка теоретичної концепції і практичних рекомендацій підвищення безвідмовності металургійних машин за рахунок удосконалювання технічного обслуговування і ремонтів із використанням експертної системи.

Ідея роботи полягає в тому, щоб базуючись на експертній системі ТО і Р, запропонувати конкретні заходи щодо підвищення ефективності використання облад-нання і досягнення максимальних економічних показників основного виробництва за рахунок використання засобів технічної діагностики, оптимізації термінів і обсягів ре-монтних робіт, кількості запасних частин; раціонального розподілу ресурсів для виконання ТО і Р обладнання.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі задачі.

Розробити принципи побудови експертної системи ТО і Р металургійного обладнання, яка забезпечує підвищення безвідмовності машин за рахунок своєчасного прийняття оптимальних рішень.

Створити базу знань експертної системи на основі цих принципів.

Розробити комплекс математичних моделей для пошуку оптимальних рішень задач по ТО і Р обладнання, а саме: для визначення термінів проведення ремонтно-профілактичних робіт з урахуванням різноманітних стратегій ТО і Р та інформації про стан обладнання; для розрахунку та оптимізації кількості запасних частин; для прогнозування зміни показників безвідмовності машин; для пошуку і прийняття рішень по підвищенню безвідмовності обладнання. Скласти алгоритми для реалізації зазначених моделей.

Розробити рекомендації по впровадженню експертної системи ТО і Р обладнання на металургійних підприємствах.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше розроблена концепція побудови експертної системи технічного обслуговування і ремонтів, яка засновується на функціональному, модульному та ієрархічному принципах; розподілі бази знань на базу інформації та базу моделей; і логічній послідовності прийняття рішень, що забезпечує підвищення безвідмовності металургійних машин завдяки своєчасній підготовці інформації для прийняття рішень.

Розроблено модель прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт за технічним станом, яка заснована на застосуванні єдиного показника - коефіцієнта технічного стану, що визначається за результатами діагностування, і використанні набору аналітичних залежностей для опису процесів зміни діагностичних параметрів.

Вперше розроблено дві математичні моделі для розрахунку оптимальної кількості запасних частин, що забезпечує заданий рівень коефіцієнта готовності машини при мінімізації витрат або максимальний рівень коефіцієнта готовності при обмеженні витрат, які засновані на використанні методу невизначених множників Лагранжа і враховують, що напрацювання на відмову елементів машини розподілені за законом Вейбула.

Формалізовано процес пошуку і прийняття рішень в експертній системі з використанням ієрархічного принципу аналізу безвідмовності і принципу багатоваріантності вибору.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати дозволяють забезпечити необхідний рівень безвідмовності обладнання завдяки обґрунтованому вибору і прийняттю рішень у ремонтному виробництві металургійних підприємств. Обгрунтованість приймаємих рішень зумовлюється розробленими моделями, та реалізуючими їх алгоритмами, які роблять можливим швидке реагування на змінення технічного стану металургійних машин та забезпеченність їх ресурсами.

Основні теоретичні положення роботи і її методичні розробки доведені до практичного впровадження, як: "Методичні вказівки до проектування експертної системи технічного обслуговування і ремонтів", прийняті до використання у відділі голового механіка ВАТ Донецького металургійного заводу при виконанні робіт по удосконаленню системи ТО і Р у обтискному цеху та Донецькому науково-дослідному інституті чорної металургії при виконанні робіт по проектуванню та реконструкції прокатних комплексів; "Методичні вказівки до оптимізування міжремонтних періодів елементів машин", "Методичні вказівки до прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт за результатами діагностування", "Методичні вказівки до оптимізування кількості запасних частин металургійних машин", що прийняті у обтискних цехах Донецького і Єнакіївського металургійних заводів та на ВАТ Гуляйпільскому заводі "Сільмаш" при підготовці до ремонтів; "Методика прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт для трубопроводів і посудин", що використані на підприємствах Обласного виробничого об'єднання "Донецьктеплокомуненерго" та у інженерно-виробничому центрі "Діагностика та реконструкція" при проведенні діагностичних робіт. Основні практичні результати роботи використані при розробці та удосконаленні практичних і лабораторних занять по дисциплінах, що читаються кафедрою МОЗЧМ ДонДТУ: "Математичні методи проектування ремонтної документації"; "Математичні методи проектування технічного обслуговування обладнання"; "Технічне обслуговування машин на базі комп'ютерної техніки".

Особистий внесок здобувача. Особисто автором були розроблені основні принципи побудови експертної системи, склад і структура її основних компонентів - бази моделей і бази інформації; модель прогнозування термінів ремонтно-профілактичних дій; моделі і реалізуючи їх алгоритми з розрахунку оптимальних періодів замін деталей, кількості запасних частин, прогнозуванню коефіцієнта готовності, моделі пошуку і прийняття рішень проблемних ситуацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були подані на: I Українській конференції "Технічна діагностика і неруйнуючий контроль в Україні", м. Дніпропетровськ, 1994 р.; науково-технічній конференції "Нові технології і системи опрацювання в машинобудуванні", м. Севастополь, 1994 р.; II З'їзді Магдебурзьких машинобудівників, м. Магдебург, Німеччина, 1995 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес", м. Севастополь, 1996 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Питання проектування, експлуатації технічних систем у металургії, машинобудуванні, будівництві", м. Старий Оскол, Росія, 1999 р.; об'єднаному семінарі кафедри "Машини та агрегати металургійного виробництва" Національної металургійної академії України, м. Дніпропетровськ, 2000 р.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 1 монографії, 11 статтях і 5 тезах доповідей на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 глав, висновків, списку використаних джерел із 147 найменувань, 20 додатків на 139 сторінках. Дисертація містить 174 сторінок комп'ютерного тексту, 26 рисунків, 9 таблиць, які займають 26 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ проаналізовані існуючі системи ТО і Р металургійного обладнання і тенденції їх розвитку. Розглянуто використання комп'ютерних систем у ремонтному виробництві. Проаналізовано їх достоїнства і вади, області вирішуваних задач. Показано можливість і необхідність використання експертних систем у сфері ремонтної служби, виділені основні вимоги, що необхідно враховувати при розробці експертної системи ТО і Р металургійного обладнання. Сформульовано задачі дослідження.

В ДРУГОМУ РОЗДІЛІ подані основні принципи побудови експертної системи технічного обслуговування і ремонтів обладнання.

Експертна система ТО і Р обладнання (ЕС ТО і Р) - це комп'ютерна система, призначена для організації і керування технічним обслуговуванням і ремонтами обладнання підприємства, яка засновується на оцінці технічного стану машин і механізмів на стадії експлуатації і враховує матеріальні, трудові і фінансові ресурси ремонтного виробництва.

За основу побудови ЕС ТО і Р прийнята структура типової експертної системи. Відмінною рисою структури ЕС ТО і Р обладнання є поділ її бази знань на дві взаємозалежні і взаємодіючі частини - базу інформації і базу моделей. База інформації призначена для збереження різноманітного роду інформації, що існує в ремонтному виробництві, та знань експертів і являє собою сукупність баз даних. База моделей - це комплекс математичних і логічних процедур, які використовують і опрацьовують інформацію з бази інформації для рішення різноманітних задач системи.

Аналіз вимог, які ставляться до експертної системи ТО і Р обладнання, дозволив сформулювати принципи її побудови: 1) функціональний; 2) модульний; 3) ієрархічний.

Функціональний принцип відбиває функції, які виконує ЕС ТО і Р обладнання. До них відносяться: облік, аналіз, планування, прогнозування, прийняття рішень і контроль. Перераховані функції відбивають сутність усіх сфер діяльності ремонтних служб виробничих цехів і спрямовані на об'єкт керування. Об'єктом керування виступають: машини й агрегати, що характеризуються показниками надійності і технічного стану, а також трудові, матеріальні і фінансові ресурси ремонтних служб виробничих цехів і цехів відділу головного механіка металургійного підприємства, необхідні для підтримки працездатного стану обладнання.

"Прийняття рішень" є специфічною функцією експертної системи ТО і Р, яка відрізняє її від автоматизованих комп'ютерних систем. Ця функція призначена для вибору оптимальних рішень проблемних ситуацій, пов'язаних із порушенням нормальної роботи обладнання і ремонтної служби. Для здійснення цієї функції ЕС ТО і Р містить комплекс моделей пошуку і прийняття рішень, а також баз даних, які забезпечують їх інформацією.

Модульний принцип значе, що кожна з застосовуваних у системі моделей являє собою окремий програмний модуль, а інформація зберігається в окремих файлах баз даних. Використання модульного принципу забезпечує можливість редагування і доповнення складу бази знань у процесі експлуатації ЕС без великих витрат праці і часу обслуговуючого її персоналу.

Ієрархічний принцип відбиває прийняті в системі: спосіб організації збереження, обробки та аналізу інформації; порядок пошуку рішень проблемних ситуацій, а також рівні використання ЕС ТО і Р.

До складу бази інформації ЕС ТО і Р обладнання входять різноманітні показники, які розділено на декілька груп:

1) показники надійності машин і їх елементів;

2) показники, що використовуються для контролю і оцінки технічного стану обладнання;

3) показники ефективності роботи ремонтної служби;

4) показники ефективності роботи основного виробництва.

При формуванні показників ЕС ТО і Р обладнання окремо розглянуто коефіцієнт готовності Кг. Прийнято використовувати коефіцієнт готовності як критерій при пошуку рішень по підвищенню безвідмовності, тому що він є комплексним показником надійності машин, відбиває ефективність роботи ремонтної служби і впливає на показники ефективності основного виробництва - кількість виробленої продукції, її собівартість, прибуток. Уся інформація експертної системи поділена на: постійну, змінну та варіанти рішення проблемних ситуацій. Постійна і змінна інформація - це опис об'єктів керування системи ТО і Р. До постійної інформації належать нормативно-довідкова і виробнича. Змінну інформацію складають: 1) облікова; 2) розрахункова; 3) результуюча. Варіанти рішення проблемних ситуацій - важливий компонент експертної системи, від повноти і якості формування якого залежить її ефективність використання. Для збереження та опису варіантів рішення проблемних ситуацій використовується база даних, структура якої наведена в табл.1.

Таблиця 1 - Структура бази даних варіантів рішення проблемних ситуацій

Код варіанта	Умови застосування (USL)	Опис варіанта рішення	Результат	Ефект	Витрати
	Об'єкт	Особливості об'єкта	Вид і причина відмов	Найменування	Зміст
KOD_V	OBJ	OSOB_OBJ	VID_OTK, PR_OTK	NAME_VAR	S_VAR	REZ	EF	ZATR
ZM_0103	Валок робочий	Ст. 9Х2МФ	Знос робочого шару, конструктивна вада	Змінення матеріалу	Ст. 9Х2С2М	Підвищення часу безвідмовної роботи	1.2-1.4 рази

Будь-який варіант рішення характеризується найменуванням, змістом і кодом. Найменування (NAME_VAR) - це назва заходу. Під змістом варіанта рішення (S_VAR) розуміється технологія виконання заходу або посилання на модель із бази моделей, за допомогою якої виконується розрахунок. Умови застосування (USL) розуміють: вказівку об'єкта (OBJ), на який спрямовано захід; вказівку виду і причини відмов (VID_OTK, PR_OTK), для усунення яких виконується захід; а також опис особливостей об'єкта (OSOB_OBJ), при котрих цей захід може бути застосовано. У колонці "Результат" (REZ) вказується на який показник, що характеризує об'єкт, впливає захід і як.

Під ефектом (EF) варіанта рішення розуміється кількісна оцінка ступеня впливу описаного заходу на показник об'єкта. У колонці "Витрати" (ZATR) вказуються кількісне вираження витрат на виконання описаного варіанта рішення, або статті витрат і посилання на моделі, використовуючи які можна розрахувати суму витрат. На підставі літературних джерел і розробленого у дисертації комплексу обчислювальних моделей складена база, що містить варіанти рішень по підвищенню безвідмовності деталей і вузлів металургійного обладнання.

Експертна система ТО і Р обладнання включає велику кількість алгоритмів, об'єднаних у обчислювальні та логічні моделі, що дозволяють вирішувати різноманітні задачі ремонтної служби і знаходити рішення проблемних ситуацій. Ці моделі складають зміст бази моделей.

Побудова бази моделей ЕС виконана з урахуванням функціонального і модульного принципів. Крім того при складанні алгоритмів більшості моделей аналізу і пошуку рішень було враховано ієрархічний принцип, який дозволяє розглядати об'єкти різних рівнів.

У цьому комплексі виділено чотири групи моделей: обліку, обробки і пошуку інформації; пошуку і вибору рішень; організації і проведення ТО і Р; організації і виконання діагностування. Взаємодія останніх трьох груп моделей здійснюється за допомогою моделей обліку, обробки та пошуку інформації. У роботі розглянуті етапи процесу рішення проблемних ситуацій і розроблена логічна послідовність процедур, які виконуються під час пошуку і прийняття рішень в експертній системі ТО і Р обладнання.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ подано комплекс математичних моделей, що входять у базу знань експертної системи і призначені для: визначення і прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт; розрахунку кількості запасних частин і прогнозування значень показників надійності обладнання. Практична реалізація поданих моделей полягає у розробці блок-схем алгоритмів і реалізуючих їх програм, складених на мові програмування TURBO PASCAL і в прикладному пакеті MathCAD.

Модель прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт за технічним станом (ТС) базується на визначенні коефіцієнта технічного стану КТС і використовує статистичні дані про зміну діагностичних параметрів у функції часу Pі(tk) і їх гранично припустимі значення :

. (1)

Оцінювання коефіцієнта KТС виконується по всіх діагностичних параметрах Pі (і=1...n), які використовуються для характеристики ТС об'єкта діагностування (деталь, вузол). У якості фактичної оцінки ТС приймається мінімальне значення KТС, яке відповідає параметру, що характеризує максимальне витрачання ресурсу об'єкта. По цьому ж діагностичному параметру здійснюється прогнозування термінів проведення ремонтно-профілактичних робіт. Термін Tj зупинки машини на ремонт або профілактику визначається з умови досягнення діагностичним параметром Pі елемента j машини граничного значення:

fі(Tj) = , (2)

де fі(t) - математична модель зміни в часі діагностичного параметра Pі, що характеризує ТС елемента j машини (рівняння апроксимуючої кривої).

У роботі проаналізовані існуючі залежності і критерії призначення граничних значень діагностичних параметрів металургійних машин. Розглянуто типові залежності зміни в часі параметрів, що характеризують процеси розвитку ушкоджень елементів машин, на основі яких сформовано набір із 18 рівнянь, який включає найпростіші ступеневі, показові і дрібно-раціональні функції, що використовуються при доборі апроксимуючих кривих. Складено алгоритм і розроблена програма для визначення параметрів і вибору рівняння апроксимуючої кривої, що описує зміну діагностичного параметра в часі.

Апробація моделі виконана при прогнозуванні терміна ремонту вузла блока циліндрів компресора по параметрах віброшвидкості. При цьому розраховане значення терміну служби вузла у 3-4 рази є більшим у порівнянні з середнім напрацюванням на відмову. Похибка прогнозу склала 7.1 %. За допомогою методу Байеса виконана оцінка достатності обраного комплексу діагностичних параметрів (три складові віброшвидкості) для розпізнавання ТС вузла блока циліндрів компресора, яка показала необхідність використання додаткових параметрів для підвищення вірогідності прогнозу. Крім того використання розробленої моделі при визначенні термінів ремонту трубопроводів дозволило зменшити запланований обсяг робіт по їх заміні на 50 % .

Аналіз і обробка статистичних даних діагностики металургійного обладнання дозволили встановити і кількісно оцінити вплив ремонтно-профілактичних дій (затягування різьбових з'єднань, змазування підшипників, балансування та інше) на рівень діагностичних параметрів. Отримана інформація дозволяє ремонтній службі управляти ТС машин і впливати на їх показники безвідмовності. Так проведене балансування ротора вентилятора ДН-19 дозволило збільшити термін служби підшипника на 13%.

Для забезпечення стратегії ТО і Р, заснованої на оптимізації витрат від планових і аварійних ремонтів, і більш повного наповнення бази моделей експертної системи варіантами рішень проблемних ситуацій, у роботі розглянуто дві відомі в теорії надійності моделі визначення оптимальних періодів замін елементів машин, що використоують статистичну інформацію про безвідмовність і ремонтопридатність. Критеріями оптимізації виступають питомі витрати на ремонти об'єкта і його коефіцієнт готовності. Об'єктами прийняті деталі, вузли або механізми металургійних машин.

Модель 1. Визначення оптимального міжремонтного періоду 0 при мінімізації питомих витрат:

, (3)

де CА , CП - середні вартості аварійної (при відмові) і планової заміни елемента машини;

Q(t), P(t) - імовірність відмови і імовірність безвідмовної роботи елемента машини на інтервалі .

Модель 2. Визначення оптимального міжремонтного періоду 0 при максимізації коефіцієнта готовності:

, (4)

де TП , TА - тривалість планової та аварійної заміни.

Оптимальний період заміни 0 є рішенням рівняння:

, (5)

де c - відношення величин: для моделі 1 - c=CП/CА , для моделі 2 - c=TП/TА;

l(t) - функція інтенсивності відмов.

Для випадку, коли час безвідмовної роботи об'єкта розподілено за законом Вейбула, використовуючи розкладання функції імовірності безвідмовної роботи в ряд Тейлора, у дисертації запропоновано метод для знаходження значень інтеграла :

, (6)

де a, b - параметри закону Вейбула.

Порівняння точності і часу обчислення інтеграла запропонованим методом розкладання функції в ряд і чисельними методами - прямокутників, трапецій і Ромбергу показало, що при однаковій точності час обчислення інтегралів запропонованим методом в 3...10 разів менше. З урахуванням запропонованого методу находження інтеграла в дисертації розроблено алгоритм, що реалізує метод ітерацій, для пошуку кореня 0 рівняння (5). Цей алгоритм використовується в обох моделях (3) та (4).

Досліджено вплив значень параметрів законів Вейбула на значення періоду заміни 0. Отримана інформація дозволяє оцінювати зміну показників надійності елементів машин і досягати необхідних міжремонтних періодів і відповідних значень коефіцієнта готовності і витрат на ремонти. Для діапазонів зміни b=1.05…3, c=005…0.9, використовуючи методи регресійного аналізу, отримана аналітична залежність для розрахунку оптимального міжремонтного періоду (коефіцієнт кореляції R=0.9967):

, (7)

x=ln(ln(b)); y=ln(c),

при цьому похибка обчислення 0 складає 2-14%.

Розрахунок по моделям (3)-(4) оптимальних періодів заміни елементів робочого рольгангу показав, що при існуючих показниках безвідмовності та ремонтопридатності для окремих деталей є можливість збільшення міжремонтних періодів у 1.2-3 рази у порівнянні з напрацюваннями на відмову. Важливою задачею планування ремонтних робіт є розрахунок кількості запасних частин.

Даний вид ресурсів ремонтної служби не тільки забезпечує безвідмовну роботу обладнання, але і значною мірою обумовлює показники роботи ремонтного та основного виробництв.

Показано, у відмінності від використовуваних залежностей, що при розподілі часу безвідмовної роботи деталі за законом Вейбула, очікуване число її відмов на інтервалі Т є змінною величиною і відповідає накопиченій інтенсивності відмов L--(T).

Враховуючи вплив кількості запасних частин на тривалість часу відновлення, у роботі уперше виведена аналітична залежність, що пов'язує кількість запасних частин і коефіцієнт готовності машини Кгм:

 , (8)

де X={xі}N - вектор кількості запасних частин машини;

N - кількість типів елементів машини;

dі - очікуване число відмов елементів типу і машини на інтервалі Т;

- час усунення аварійної відмови елемента типу і за умови, що запасна частина є у наявності;

- час виготовлення (покупки) і доставки запасної частини типу і;

Т - інтервал планування.

На підставі залежності (8) розглянуті дві постановки оптимізаційних задач, що відповідають двом моделям розрахунку кількості запасних частин.

Постановка 1 (модель А). Визначити кількість запасних елементів машини Х={xі}N , необхідну для забезпечення заданого значення коефіцієнта готовності машини , при цьому витрати C(x) на їх придбання повинні бути мінімальні:

, (9)

де Cі - вартість елемента типу і;

- очікуваний час простою на інтервалі Т, пов'язаний з елементом типу і.

Постановка 2 (модель Б). Визначити кількість запасних елементів машини Х={xі}N, що забезпечує максимальний коефіцієнт готовності машини , при обмеженні витрат на їх придбання C0:

. (10)

Рішення обох задач виконано методом невизначених множників Лагранжа. Для визначення xі вирішуються рівняння:

, (11)

де ш( ) - діагама-функція--;

J - невизначений множник Лагранжа.

Для кожної моделі розроблено алгоритм і складено програму (для пакета MathCAD), що реалізують метод невизначених множників Лагранжа для пошуку рішень рівнянь (11) і враховують, що час безвідмовної роботи розподілено за законом Вейбула.

Встановлено, що функція коефіцієнта готовності машини (8) відносно параметра xі має межу, яка відповідає комплекту запасних частин, при наявності якого час простоїв машини буде обумовлюватися тільки операціями по безпосередній заміні елементів, що відмовили.

Для робочого рольгангу у роботі виконано порівняння кількості запасних частин, що розраховано по розробленим моделям та відомій моделі, яка базується на імовірності достатності. Встановлено, що використання запропанованих моделей дозволяє зменшити витрати на придбання запасних частин на 5-7.2 % при забезпеченні заданого рівня коефіцієнта готовності машини.

Для планування роботи ремонтного виробництва необхідна інформація про зміну стану обладнання. Одержання такої інформації в ЕС ТО і Р забезпечується функцією прогнозування. У роботі доведена можливість використання моделей часових рядів для опису зміни в процесі експлуатації і прогнозу показників надійності машин. Побудову такої моделі виконано для опису зміни коефіцієнта готовності зливковозу:

. (12)

Використовуючи вираз (12), виконано прогноз значень коефіцієнта готовності зливковозу на 12 місяців. Порівняння дійсних значень коефіцієнта готовності і розрахованих по моделі показало високу точність прогнозу (похибка склала ?1%), яка в 1.2-2 рази перевищує точність, що одержується по статистичній моделі прогнозування. Таким чином, поданий комплекс обчислювальних моделей забезпечує рішення основних задач і проблемних ситуацій ремонтної служби та утворює початковий зміст бази моделей експертної системи ТО і Р обладнання. Розроблені алгоритми і програмна реалізація моделей дозволяє виконати швидке промислове впровадження ЕС ТО і Р.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ розглянуто етапи формалізації процесу прийняття рішень проблемних ситуацій, що включають формування класифікатора проблемних ситуацій, бази варіантів рішень, множини критеріїв вибору рішень, а також моделей пошуку і прийняття рішень. Виділено три класи проблемних ситуації в сфері ремонтної служби: 1) ситуації, пов'язані з організацією і проведенням ремонтно-профілактичних робіт; 2) ситуації, пов'язані з підвищенням показників ефективності роботи ремонтної служби; 3) ситуації, пов'язані з підвищенням показників надійності обладнання. Для опису проблемної ситуації запропоновано використовувати: вказівку об'єкту або задачі, із якими пов'язана проблема, і характеристику, у якості якої можуть виступати рівень або стан показника надійності чи ресурсів ремонтної служби. Результатом аналізу проблемної ситуації є формальна постановка цілі, що вказує, яких результатів і у яких умовах треба досягти. Приведено приклади можливих формулювань проблемних ситуацій і відповідних їм цілей.

Показано, що для наочного уявлення міркувань експерта при розгляді альтернатив пошуку рішень проблемної ситуації, необхідно використовувати топологічні схеми - дерева подій і дерева рішень. Дерево рішень можна уявити у вигляді матриці рішень ¦eіj¦m,n , де m - кількість варіантів рішення; n - кількість становищ. Елементами eіj матриці є значення оцінних функцій, що відповідають варіанту Eі і становища Fj і характеризують прибуток, витрати або надійність.

Для проблемної ситуації "Недостатнє значення коефіцієнта готовності" у роботі розроблена модель пошуку рішення. Ця ситуація виникає, коли фактичний коефіцієнт готовності машини , визначаємий за статистичними даними або прогнозуємий за допомогою обчислювальних моделей, є меншим коефіцієнта готовності машини , необхідного для виконання виробничого замовлення Qз за період часу Tз . Таким чином, необхідно вибрати і прийняти такі організаційні, експлуатаційні або конструктивні заходи, які забезпечать фактичний коефіцієнт готовності більшим або рівним необхідного.

Загальна схема пошуку рішення даної ситуації подана у вигляді логічної послідовності. З цієї схеми, видно, що проблемній ситуації відповідає ціль - "Підвищити Kг", яка може бути досягнута за допомогою трьох стратегій пошуку рішення. Пошук рішень також здійснюється по трьом напрямкам. Описана проблемна ситуація може виникнути на любому із рівнів ієрархії металургійного обладнання: цех, ділянка, агрегат, машина, вузол, деталь.

З урахуванням ієрархічного принципу отримано залежності для визначення ступеня підвищення коефіцієнта готовності об'єкта нижнього рівня , що забезпечує необхідне значення коефіцієнта готовності об'єкта верхнього рівня:

, (13)

де m - кількість об'єктів нижнього рівня з однаковим значенням коефіцієнта готовності;

- ступінь підвищення коефіцієнта готовності об'єкта верхнього рівня;

;

- фактичне значення коефіцієнта готовності об'єкта нижнього рівня.

Відповідно до напрямків (рис. 2), що забезпечують підвищення коефіцієнта готовності об'єкта будь-якого рівня в J--K разів, отримано аналітичні залежності для визначення ступеня підвищення наробітки на відмову J--Т та ступеня зниження часу відновлення --J--t----об'єкта:

, . (14)

Вирази (13)-(14) утворюють обчислювальну основу моделі пошуку і прийняття рішень для наведеної проблемної ситуації. На підставі викладених теоретичних положень складено алгоритм моделі пошуку і прийняття рішень для проблемної ситуації "Недостатнє значення коефіцієнта готовності". Модель заснована на ієрархічному принципі аналізу безвідмовності обладнання, багатоваріантності пошуку рішень і включає активний діалог із особою, що приймає рішення. Основними етапами рішення проблемної ситуації є пошук і вибір у базі знань варіантів рішень, що забезпечують підвищення коефіцієнта готовності об'єкта. Для збереження варіантів рішення, використовується база даних, структура якої описана у другому розділі.

В дисертаційній роботі розглянуто і проаналізовано критерії, які використовуються при виборі технічних рішень, і показана можливість їх застосування в ЕС ТО і Р на прикладі вибору варіанта по підвищенню безвідмовності безперервного широкосмугового стана гарячої прокатки з урахуванням ефекту, який буде одержано в сфері основного виробництва.

У П'ЯТОМУ РОЗДІЛІ на підставі розроблених принципів побудови експертної системи ТО і Р обладнання запропоновано етапи її впровадження на металургійному підприємстві. Впровадження здійснюється робочими групами, які складаються з інженерно-технічного персоналу відділу головного механіка, ремонтних служб виробничих цехів і обчислювального центру підприємства. Подано послідовність етапів впровадження і дана оцінка їх тривалості. Виконані в дисертацій розробки дозволять в 10-20 разів зменшити вартість і трудомісткість побудови ЕС ТО і Р обладнання у порівнянні з рівнем світових витрат на подібні системи.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Розроблено концепцію побудови експертної системи технічного обслуговування і ремонтів обладнання, що засновується на функціональному, модульному та ієрархічному принципах; розподілі бази знань на базу інформації і базу моделей; і логічній послідовності прийняття рішень, що забезпечує підвищення безвідмовності металургійних машин завдяки своєчасній підготовці інформації для прийняття рішень.

Сформовано базу знань ЕС ТО і Р, що містить базу даних для збереження варіантів рішень по підвищенню безвідмовності металургійного обладнання і комплекс обчислювальних і логічних моделей для визначення термінів проведення ремонтних робіт, кількості запасних частин машин і прогнозування їх показників безвідмовності.

Розроблено модель прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт за технічним станом, яка заснована на застосуванні єдиного показника - коефіцієнта технічного стану, визначаємого за результатами діагностування, і використанні набору аналітичних залежностей для опису процесів зміни діагностичних параметрів. Модель апробувана при прогнозуванні терміна ремонту вузла блока циліндрів компресора за параметрами віброшвидкості. Похибка прогнозу склала 7.1%. Використання моделі при визначенні термінів ремонтів трубопроводів дозволило зменшити запланований обсяг робіт на 50 %.

Отримана залежність для визначення оптимального міжремонтного періоду елементів металургійних машин по відомим у теорії надійності моделям, яка враховує, що час безвідмовної роботи об'єкта розподілено за законом Вейбула. Досліджено вплив значень параметрів закону на значення міжремонтного періоду і відповідний йому коефіцієнт готовності та питомі витрати на ремонти.

Вперше отримана аналітична залежність між коефіцієнтом готовності машини і кількістю її запасних частин, що дозволяє кількісно оцінити вплив матеріальних ресурсів ремонтної служби на рівень безвідмовності обладнання. На підставі даної залежності розроблено дві моделі розрахунку оптимальної кількості запасних частин, яка забезпечує заданий рівень коефіцієнта готовності машини при мінімізації витрат і його максимум при обмеженні на витрати. Складено алгоритми пошуку рішень по моделях, які базуються на застосуванні методу невизначених множників Лагранжа і враховують, що час безвідмовної роботи елементів машини розподілено за законом Вейбула. Встановлено, що розроблені моделі дозволяють на 5-7.2 % зменшити витрати на придбання запасних частин у порівнянні з моделлю, яка базується на імовірності достатності, при забезпеченні заданого рівня коефіцієнта готовності машини.

Розроблено модель і алгоритм пошуку оптимального рішення проблемних ситуацій, пов'язаних з підвищенням показників надійності металургійного обладнання, що засновуються на ієрархічному принципі аналізу безвідмовності об'єктів і забезпечують багатоваріантний вибір рішень

Розроблено методичні вказівки, що знайшли практичне впровадження у обтискних цехах Донецького і Єнакіївського металургійних заводів, Донецькому науково-дослідному інституті чорної металургії, на ВАТ Гуляйпільскому заводі "Сільмаш", підприємствах Обласного виробничого об'єднання "Донецьктеплокомуненерго" та у інженерно-виробничому центрі "Діагностика та реконструкція".

Дано рекомендації по впровадженню експертної системи ТО і Р обладнання на металургійних підприємствах. Ефективність використання ЕС ТО і Р обладнання полягає у наступному: збільшенні в 1.2-3 рази періодів замін елементів обладнання при їх оптимізації з урахуванням витрат на планові та аварійні ремонти та в 3-4 рази при застосуванні засобів технічної діагностики; зменшенні на 5-7.2% витрат на придбання запасних частин; підвищенні у 1.2-2 рази точності прогнозування показників надійності обладнання, а також своєчасному прийнятті обґрунтованих рішень по підвищенню безвідмовності металургійних машин. Виконані у дисертації розробки дозволяють у 10-20 разів скоротити вартість і трудомісткість побудови ЕС ТО і Р обладнання у порівнянні з рівнем світових витрат на подібні системи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

Экспертная система технического обслуживания машин / Еременко Ю.И., Крахт В.Б., Ошовская Е.В., Седуш В.Я., Сопилкин Г.В./Под ред. Сопилкина Г.В. - Старый Оскол: СОФ МИСиС, 1999. - 306 с.

Принципы построения экспертной системы обслуживания оборудования / Г.В. Сопилкин, Н.А. Ченцов, В.А. Сидоров, Е.В. Ошовская // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып. 3. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С.115-124.

Сопилкин Г.В., Ошовская Е.В. Экспертная модель планирования трудовых ресурсов ремонтных служб // Сталь. - 1995. - №5. - С.78-81.

Модели планирования и организации диагностирования металлургического оборудования / Г.В. Сопилкин, Н.А. Ченцов, В.А. Сидоров, Е.В. Ошовская // Сталь. - 1996. - №3. - С.61-65.

Сопилкин Г.В., Ошовская Е.В. Решение проблемных ситуаций в ремонтном производстве // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып.5. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - С.196-206.

Сопилкин Г.В., Крахт В.Б., Ошовская Е.В. Планирование и оценка эффективности работы ремонтной службы // Производство проката. - 1999. - №2. - С.33-38.

Совершенствование системы технического обслуживания металлургического оборудования / Сопилкин Г.В., Седуш В.Я., Ошовская Е.В., Ченцов Н.А., Чекунова Н.Л. // Металл и литье Украины. -1997. - №5. - С.28-30.

Оценка состояния трубопроводов промышленных предприятий с использованием средств технической диагностики / Г.В. Сопилкин, В.А. Сидоров, Н.А. Ченцов, Е.В. Ошовская // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып.4. - Донецк: ДонГТУ. - 1997. - С. 155-158.

Сопилкин Г.В., Сидоров В.А., Ошовская Е.В. Влияние ремонтно-профилактических работ на состояние машин // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып.4. - Донецк: ДонГТУ. - 1997. - С.149-154.

Сопилкин Г.В., Ченцов Н.А., Ошовская Е.В. Модели экспертно-диагностической системы технического обслуживания оборудования // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып. 2. - Донецк: ДонГТУ, - 1995. - С.73 - 82.

Использование метода множителей Лагранжа при проектировании машин / Г.В. Сопилкин, Е.В. Ошовская, А.В. Нижник, И.В. Подгорный // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Вып.3. - Донецк: ДонГТУ. - 1996. - С.115-124.

Sopіlkіn G.V., Chentsov N.A., Oshovskaya E.V. Elaboratіon of technіcal dіagnostіcs expert system // Magdeburger Maschіnenbau-Tage. Part 2. № 29. - 1995. - P.1-2.

АНОТАЦІЯ

Ошовська О.В. Підвищення безвідмовності металургійних машин з використанням експертної системи технічного обслуговування і ремонтів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 - "Машини для металургійного виробництва". - Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена підвищенню безвідмовності металургійних машин завдяки удосконаленню технічного обслуговування і ремонтів з використанням експертної системи. В роботі сформульовано основні принципи побудови експертної системи технічного обслуговування і ремонтів обладнання: функціональний, модульний, ієрархічний. Запропоновано структуру та склад її бази знань. Розглянуто групи показників, які використовуються в системі, та взаємодії між ними. Розроблено комплекс математичних моделей, які входять до бази знань експертної системи і призначені для: визначення та прогнозування термінів ремонтно-профілактичних робіт; розрахунку кількості запасних частин і прогнозування значень показників надійності обладнання. Більшість моделей є оптимізаційними і враховують, що час безвідмовної роботи елементів машин розподілено за законом Вейбула. Для запропонованих моделей розроблено реалізуючі їх алгоритми та складено програми. В роботі виконана класифікація проблемних ситуацій у сфері ремонтної служби, сформована логічна послідовність пошуку та прийняття рішень, розглянуто етапи формалізації пошуку рішень та критерії вибору варіантів. Розроблені модель і алгоритм пошуку та прийняття рішень проблемної ситуації щодо підвищення показників безвідмовності машин. На основі літературних джерел та розроблених математичних моделей сформована база даних варіантів рішень, яка містить конструкторські та організаційні заходи. Дані рекомендації по впровадженню експертної системи на металургійних підприємствах.

Ключові слова: металургійне обладнання, безвідмовність, система технічного обслуговування і ремонтів, експертна система, прийняття рішень.

Ошовская Е.В. Повышение безотказности металлургических машин с использованием экспертной системы технического обслуживания и ремонтов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.08 - "Машины для металлургического производства". - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросам повышения безотказности металлургических машин за счет совершенствования технического обслуживания и ремонтов с использованием экспертной системы.

В работе сформулированы основные принципы построения экспертной системы технического обслуживания и ремонтов оборудования: функциональный, модульный, иерархический. Предложены структура и состав базы моделей и базы информации системы, образующих базу знаний. Рассмотрены группы показателей, используемые в системе при формировании базы информации, и взаимодействие между ними. Отмечена особая роль коэффициента готовности, позволяющего отражать безотказность и ремонтопригодность машин, характеризовать эффективность работы ремонтной службы и выражать взаимосвязь надежности и показателя эффективности основного производства - прибыли.

Разработан комплекс математических моделей, входящих в базу знаний экспертной системы и предназначенных для: определения и прогнозирования сроков ремонтно-профилактических работ; расчета количества запасных частей и прогнозирования значений показателей надежности оборудования. Для предложенных моделей разработаны реализующие их алгоритмы и составлены программы. Модель прогнозирования сроков ремонтно-профилактических работ машин основывается на определении коэффициента технического состояния по результатам диагностирования и подборе математических зависимостей изменения диагностических параметров во времени. Модель апробирована при установлении сроков ремонтов трубопроводов и элементов компрессорного оборудования. Для известных в теории надежности моделей оптимизации межремонтных периодов получена аналитическая зависимость для расчета периода замен элементов машин, у которых время безотказной работы распределено по закону Вейбулла. Впервые разработаны две оптимизационные модели расчета количества запасных частей для обеспечения коэффициента готовности машины с учетом затрат на их приобретение. Показана возможность построения моделей временных рядов для прогнозирования изменения во времени показателей надежности металлургических машин.

В работе выполнена классификация проблемных ситуаций в сфере ремонтной службы, сформирована логическая последовательность поиска и принятия решений, рассмотрены этапы формализации поиска решений и критерии выбора вариантов. Разработаны модель и алгоритм поиска и принятия решений проблемной ситуации по повышению показателей безотказности металлургических машин, которые основываются на иерархическом принципе анализа надежности оборудования и многовариантности выбора решений. На основании литературных источников и разработанных математических моделей сформирована база данных вариантов решения, содержащая конструкторские и организационные мероприятия.

Даны рекомендации по внедрению разработанной экспертной системы технического обслуживания и ремонтов на металлургических предприятиях.

Ключевые слова: металлургическое оборудование, безотказность, система технического обслуживания и ремонтов, экспертная система, принятие решений.

Oshovskaya Е.V. Relіabіlіty іncreasіng of the metallurgіcal machіnes usіng the technіcal maіntenance and repaіr expert system. - Manuscrіpt.

A dіssertatіon for the degree of the technіcal scіence by specіalty 05.05.08 - "Мachіnes for metallurgіcal manufacture". - Donetsk state technіcal unіversіty, Donetsk, 2000.

The dіssertatіon іs devoted to relіabіlіty іncreasіng of metallurgіcal machіnes at the expense of technіcal maіntenance and repaіrs іmprovіng usіng expert system. The basіc up-buіldіng prіncіples of equіpment technіcal maіntenance and repaіrs expert system: functіonal, modularіty, hіerarchіcal are formulated. The structure and composіtіon of knowledge base are offered. Indexes' groups used іn system and theіr іnteractіon are consіdered. Mathematіcal models complex enterіng to expert system knowledge base іs elaborated. These models allow to defіnіte and forecast the perіods of repaіrs and preventіve measures; to calculate the spare parts quantіty and to forecast the values of equіpment relіabіlіty іndexes. The most of models are optіmal and take іnto account, that relіabіlіty work tіme of machіnes' elements іs dіstrіbuted by Weіbull law. The algorіthms and programs are elaborated for offered models. The problem sіtuatіons classіfіcatіon at repaіr servіce sphere іs carrіed out, the logіcal consequence of decіsіon searchіng and makіng іs formed, the stages of decіsіon searchіng formalіzatіon and choosіng varіants crіterіons are consіdered. The model and algorіthm of searchіng and makіng decіsіon for problem sіtuatіon about іncreasіng machіnes' relіabіlіty іndexes іs elaborated. The data base of decіsіon varіants іs formed іn vіrtue of lіterature and elaborated mathematіcal models. The base consіsts of constructіve and organіzatіon measures. The recommendatіons of expert system іntroductіon іnto metallurgіcal enterprіses are gіven.

Key words: metallurgіcal equіpment, relіabіlіty, technіcal maіntenance and repaіr system, expert system, decіsіon makіng.

Размещено на Allbest.ru

...