Автоматизация контроля и управления техническим состоянием основных фондов предприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ОСНОВНЫХ ФОНДОВ ПРЕДПРИЯТИЯ

КОНСТАНТИНОВ И.С., САВВА Ю.Б.

Одним из самых действенных способов снижения производственных издержек, предотвращения сбоев в работе технологического оборудования и аварийных ситуаций, нарушающих штатный режим функционирования предприятия, является совершенствование технического обслуживания и ремонтов основных фондов. Исследования [1, 2] показывают, что проведение планово-предупредительных ремонтов позволяет сократить число незапланированных простоев оборудования и повысить производительность на 10-15 процентов.

Основные фонды предприятий - производственное оборудование, здания и обслуживающие системы представляют собой сложные технические объекты (СТО). При этом внешняя среда для этих объектов - экологическая и технологическая - все более приобретает свойства нестабильности и неопределенности. Нестабильность проявляется в том, что темпы изменения внешней среды увеличиваются, а неопределенность - в том, что ситуации, возникающие в природе и на технических объектах, все чаще становятся неузнаваемыми и плохо прогнозируемыми.

Для обеспечения эффективной и безопасной эксплуатации этих объектов необходим регулярный контроль и анализ их технического состояния, включающие сбор и обработку значений параметров, характеризующих состояние объектов данного типа. При этом количество таких параметров велико и может достигать нескольких десятков, а с учетом факторов внешней среды - нескольких сотен. Однако, несмотря на значительное многообразие методов контроля и диагностики СТО в настоящее время отсутствуют не только универсальные методы, способные полностью заменить остальные, но также отсутствуют методы, позволяющие на основе зафиксированных значений отдельных параметров получать объективную оценку текущего состояния наблюдаемых объектов, а также сделать прогноз развития этого состояния. Связано это не только с высокой сложностью объекта - большим количеством параметров, многообразием связей, множеством режимов функционирования, нелинейным характером протекающих в нем процессов, но и с различием физической природы наблюдаемых и измеряемых параметров, характеризующих состояние объекта.

Указанные обстоятельства не позволяют при сегодняшнем уровне развития науки и техники создавать автоматизированные системы контроля и управления основными фондами для всех типов СТО, к числу которых относятся различное производственное и вспомогательное оборудование, здания и сооружения. Для точной оценки степени износа материалов и конструкций, из которых они созданы, отсутствуют не только технические средства, но и строгие количественные методы.

Существующие автоматизированные системы управления основными фондами - ЕАМ-системы (Enterprise Asset Management), обеспечивают ведение баз данных по оборудованию, событиям, ремонтам, обслуживанию; сбор статистики; управление материально-техническим снабжением. Однако в этих системах отсутствуют инструменты обработки значений параметров, характеризующих техническое состояние СТО, представленных нечеткими данными, что снижает объективность анализа и прогнозирования технического состояния обследуемых СТО.

В этих условиях наиболее актуальной проблемой является разработка и внедрение современных информационных технологий - автоматизированных систем, позволяющих качественно и эффективно решать задачи оценки текущего технического состояния сложных технических объектов и прогнозирования его изменения в будущем. Использование автоматизированных систем оценки и прогнозирования технического состояния СТО позволит перейти от управления на основе прошлого опыта к стратегическому управлению, позволяющему выявлять тенденции и риски. Это особенно важно сейчас, так как своевременное обнаружение и локализация отказов позволит исключить многочисленные аварийные и катастрофические ситуации, участившиеся в последнее время.

Имеющийся опыт разработки и внедрения автоматизированных систем в различных отраслях экономики и производства показал их эффективность, в том числе и при решении задач с нечеткими и неполными исходными данными.

В то же время для автоматизации процессов оценки и прогнозирования технического состояния сложных многопараметрических производственных технических объектов, в силу особенностей моделирования процессов изменения состояний этих объектов и недостатка средств измерений, опыт применения автоматизированных систем незначителен. Несмотря на обилие существующих систем (например, систем диспетчерского управления и сбора данных - SCADA) [3], построить универсальную систему оценки и прогнозирования технического состояния сложных многопараметрических производственных технических объектов не представляется возможным. В связи с этим возникает необходимость в создании методики и инструментария для построения систем данного типа.

Анализ особенностей сложных многопараметрических производственных технических объектов как объектов управления

Анализ предметной области показал [4…7], что рассматриваемым СТО присущи следующие особенности:

– сложность конструкции и структуры объекта;

– необходимость учета разрушающего влияния на объект изменчивой внешней среды; естественное старение и износ материалов, из которых создан объект;

– динамический и стохастический характер нагрузок на объект;

– взаимное, как правило, разрушительное влияние объекта и окружающей среды;

– большая размерность вектора параметров, характеризующего состояние объекта;

– не все параметры, характеризующие состояние СТО, могут быть выражены в виде качественных характеристик и количественных значений, т.е. среди данных имеются лингвистические понятия, а также нечеткие множества;

– наличие параметров, оцениваемых путем внешнего осмотра и обмера выявленных при нем дефектов.

Надежность и эксплуатационные качества СТО, а также их отдельных элементов и конструкций обусловливается изменением во времени внутренних свойств материалов, примененных при их создании, под воздействием нагрузок, факторов внешней среды и естественного старения.

Анализ существующих средств автоматизации технологических процессов прогнозирования поведения СТО показал невозможность их применения к объектам, обладающим выше приведенными особенностями по следующим причинам:

– отсутствуют технические средства для получения точных количественных значений абсолютного большинства параметров, характеризующих техническое состояние СТО, вследствие чего оценка этого состояния формируется на основе визуальных наблюдений по внешним признакам, имеющим качественный характер;

– все существующие в настоящее время средства автоматизации процесса оценки технического состояния СТО основаны на количественном подходе и статистических методах, что предполагает наличие базы данных регулярных ретроспективных наблюдений;

– в настоящее время и в обозримом будущем невозможно оснастить все СТО автоматизированными системами мониторинга их технического состояния.

Разработка и исследование моделей автоматизированной системы оценки и прогнозирования состояния сложных многопараметрических технических объектов

Любое конкретное состояние СТО определяется фиксированными взаимосвязями между его компонентами, установившимися как в процессе функционирования этого объекта (износ), так и в результате воздействия на него со стороны человека (ремонт, восстановление и т.п.) и окружающей среды (естественное старение материалов, окисление и т.п.). Особенности состояния исследуемого объекта, в которых раскрывается многообразие его качеств, проявляются в форме совокупности разнородных физических эффектов. Именно эти эффекты становятся отличительными признаками, характеризующими и идентифицирующими состояние исследуемого объекта. Выявить и систематизировать факторы, влияющие на изменение технического состояния СТО, позволяет модель жизненного цикла объекта, так как основные его свойства и потребительские качества формируются с момента зарождения идеи создания объекта и проведения маркетинговых исследований о потребностях рынка в нем.

С позиций объектно-ориентированного анализа жизненный цикл СТО представляет собой процесс смены фазовых состояний этого объекта, а при моделировании жизненного цикла этого объекта особое внимание уделяется специфицированию следующих элементов: событий, на которые объект должен реагировать, реакций на такие события, а также влияния прошлого на поведение исследуемого объекта в текущий момент времени. При этом под состоянием СТО понимается ситуация в жизненном цикле объекта, на протяжении которой он удовлетворяет некоторому условию, выполняет определенную деятельность, несет функциональную нагрузку или ожидает какого-то события. Событие же представляет собой спецификацию существенного факта, имеющего место в пространстве и во времени. При этом переход СТО из одного состояния в другое совершается, как только произойдет некоторое событие, и будут удовлетворены определенные условия.

Для определения контекста модели жизненного цикла СТО было выделено множество взаимосвязанных элементов, позволяющих специфицировать состояния СТО на различных стадиях этого цикла. Модель жизненного цикла СТО, а также потоков управления по обеспечению соответствия его качества установленным требованиям, представлена на рисунке 1 в форме диаграммы деятельности, отражающей динамический аспект изменения состояний объекта.

Анализ модели жизненного цикла СТО, представленный в виде диаграмм деятельности и взаимодействий участников обеспечения этого цикла (рисунок 2), показывает, что целенаправленное изменение технического состояния СТО осуществляется посредством регулярного анализа множества параметров, характеризующих техническое состояние объекта, оценки этого состояния и принятия на ее основе соответствующих управленческих решений по реализации мероприятий, направленных на обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации СТО. При этом основу информационных сообщений, которыми обмениваются участники обеспечения жизненного цикла СТО, составляют значения параметров (parameters), характеризующих техническое состояние объекта на различных стадиях этого цикла.

На основе модели технологического процесса оценки технического состояния СТО разработана схема информационных потоков, основу которых составляет множество признаков возможных состояний исследуемого СТО. При этом под состоянием или множеством состояний понимается систематически наблюдаемое значение, величина, свойство, качество выбранного для наблюдения объекта или его части. Значения каждого из признаков могут быть представлены в виде: вещественных чисел, определенных измерительными приборами; интервальными оценками диапазонов значений; балльными оценками; номерами или индексами групп, категорий или классов; текстовыми описаниями. И в этой связи возникает проблема интерпретации нечеткости.

Рисунок 1 - Модель жизненного цикла СТО (диаграмма деятельности)

Рисунок 2 - Модель технологического процесса оценки технического состояния СТО (диаграмма взаимодействий участников обеспечения жизненного цикла СТО)

Для формализации описания значений, принимаемых признаками , введем множество лингвистических переменных , значениями которых являются термы из терм-множеств . При этом каждому терму ставится в соответствие некоторая функция , где , а - базовая шкала признака . Теперь состояние СТО в любой момент времени можно определить, как .

Из введенного понятия состояния, а также применяемых на практике параметров, характеризующих состояние конкретных СТО, следует, что значения оценок состояния СТО также представляются термами из множества лингвистических переменных, которое определяется, как . Значениями переменных являются термы из терм-множества . Каждому терму ставится в соответствие некоторая функция , где , а - базовая шкала возможных значений переменных . По сути, терм-множество есть не что иное, как интегрированная качественная оценка состояния СТО.

На практике при оценке технического состояния СТО используются номограммы и система шкал, полученные эмпирическим путем на основе анализа опыта экспертов. Однако с течением времени в производстве СТО применяются более новые материалы и технологии, что требует постоянного обновления нормативной базы. Поэтому для автоматизации технологического процесса получения оценки и прогнозирования технического состояния СТО предусмотрена возможность проведения анализа ретроспективных данных наблюдений за СТО, а также данных различных экспериментов и испытаний этих объектов. Это позволит повысить объективность формирования выводов как о совершенствовании существующих, так и введении новых шкал, используемых для интерпретации нечетких исходных данных, используемых для оценки и прогнозирования технического состояния СТО. В этом алгоритме для интерпретации значений нечетких данных предусмотрено использование по выбору пользователя одной из четырех возможных функций принадлежности. Значения элементов терм-множеств определяются методом анализа иерархий. Т. Саати показал, что человек может различать от 7 до 9 элементов (ими в данном случае являются кластеры), но для более детальной интерпретации нечетких данных в алгоритме предусмотрена возможность изменения числа элементов терм-множеств шкал в зависимости от числа кластеров.

Идентификация состояний СТО по данным его обследования и ретроспективным данным наблюдений производится на основе анализа дерева решений.

Разработка и исследование процессов реализации автоматизированной системы оценки и прогнозирования состояния сложных многопараметрических технических объектов

Исходя из целевого назначения данной системы, в ее рамках предусматривается решение следующих задач:

- ввод в ЭВМ данных текущих измерений и наблюдений, в том числе нечетких, за обследуемыми СТО;

- хранение в базе данных ретроспективных значений параметров обследуемых СТО;

- интерпретация нечетких значений параметров СТО, выявляемых в процессе обследования этих объектов;

- оценка текущего технического состояния СТО и выдача рекомендаций по его обслуживанию;

- прогнозирование технического состояния СТО на заданный интервал времени, в т.ч. предсказание возможности возникновения аварийных ситуаций с целью их предупреждения путем проведения соответствующих профилактических мероприятий.

В качестве пользователей автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО выступают эксперт - высококвалифицированный специалист в данной предметной области и оценщик - рядовой исполнитель работ. Диаграмма прецедентов, показывающая совокупность вариантов использования (прецедентов) автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО, пользователей и отношений между ними приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Диаграмма вариантов использования (use case) автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО

В результате анализа вариантов использования автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО, в системе были выделены следующие пакеты, представленные на рисунке 4:

1) UI - пакет реализации пользовательского интерфейса ПС;

2) UniData - пакет анализа, интерпретации и унификации представления данных наблюдений и измерений;

3) DataModel for UI - модель данных, предоставляемая элементам пользовательского интерфейса для визуализации данных и интерактивного управления ими;

4) XML processor - пакет обеспечивающих процедур ввода/вывода данных в XML- файл, поиск и изменение необходимых элементов;

5) Objects - пакет описания модели данных объектов, хранимых в XML файлах;

6) PCMCIA - пакет, содержащий реализацию программного интерфейса, реализуемого через COM объект;

7) Analysis - пакет, реализующий функции анализа технического состояния СТО;

8) Prognosis - пакет, реализующий функции прогнозирования технического состояния СТО;

9) Administrations - пакет, реализующий функции администратора по предоставлению прав доступа к функциональным возможностям автоматизированной системы.

Рисунок 4 - Диаграмма пакетов - визуальная модель структуры автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО

Сложность структуры обследуемых объектов, а также многообразие типов и форм представления значений параметров, характеризующих техническое состояние СТО, существенно затрудняют организацию хранения данных об этих объектах по следующим причинам.

У различных типов объектов, как правило, имеется различное число атрибутов. Более того, при проведении обследований одного и того же СТО в разное время может быть увеличено число анализируемых параметров, и, следовательно, невозможно заранее определить число зарезервированных в БД атрибутов.

Добавление нового поля в таблице БД приводит к изменению формы этой таблицы и переопределению структуры метаданных БД, а в итоге - к разработке новой программы. Эта же ситуация будет иметь место и при создании описания нового типа СТО, так как заранее невозможно установить не только число необходимых для этого атрибутов, но и их набор. Это обстоятельство отрицательно скажется на возможности тиражирования автоматизированной системы, так как в различных инсталляциях наборы атрибутов могут кардинально различаться.

Решить эти проблемы позволяет хранение данных об обследуемых объектах в виде XML файла с соответствующей XSD-схемой. Визуальная модель пакета XML-processor представлена на рисунке 5 и содержит в себе классы, реализующие процедуры ввода/вывода данных в XML- файл, поиск и изменение необходимых элементов.

Для моделирования физических аспектов функционирования автоматизированной системы - сущностей, размещенных в узле: исполняемых модулей, библиотек, таблиц, файлов и документов, построена диаграмма компонентов, представляющих собой физическую упаковку логических элементов, таких, как классы, интерфейсы и кооперации.

Рисунок 5 - Диаграмма классов - визуальная модель пакета XML-processor

Для программной реализации разработанной системы был выбран язык Object Pascal в среде Delphi 7. C помощью средств пакета Sparx Enterprise Architect были автоматически сгенерированы программные модули, каждый из которых содержит интерфейсную часть одного класса. От разработчика системы потребовалось только реализовать отдельные алгоритмы обработки данных и организовать работу классов через пользовательский графический интерфейс. Автоматическая генерация кода и четкое структурированное описание позволило сократить время разработки системы.

Алгоритм работы автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния сложных технических объектов

Алгоритм работы автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО представлен в виде диаграммы состояний этой системы на рисунке 6.

После запуска системы она переходит в состояние подготовки, который включает в себя аутентификацию пользователя и подготовку экранных форм для работы конкретного пользователя в соответствии с его правами.

Затем система переходит в состояние ожидания команды пользователя. В этом состоянии клиентское приложение получает от сервера команды синхронизации для сохранения целостности данных.

Из состояния ожидания система может перейти в одно из следующих состояний:

- представление информации (таблицы, графики);

- анализ состояния СТО;

- прогноз состояния СТО;

- добавление данных (результаты осмотра, новые объекты);

- сохранение данных.

В состоянии «Представление информации» в режиме графического представления система автоматически строит таблицу используемых данных, а выбор представления в виде точечного графика или диаграммы делает пользователь, выбирая для себя наиболее информативный.

Рисунок 6 - Диаграмма состояний автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО

Алгоритм работы системы при анализе технического состояния СТО представлен на рисунке 7 в виде диаграммы состояний «Анализ состояния СТО.

Рисунок 7 - Диаграмма состояний «Анализ состояния СТО»

Разработанный прототип автоматизированной системы оценки и прогнозирования технического состояния СТО путем внесения дополнений в базу данных и правил вывода оценок технических состояний под конкретные производственные технические объекты может быть адаптирован для применения в автоматизированных системах управления предприятий различных отраслей экономики.

технический автоматизированный безопасный эксплуатация

Литература

1. Шехватов, Д. Управление основными фондами: как автоматизировать ремонты и техническое обслуживание [Электронный ресурс] / Д. Шехватов. - CIO. - 2003. - № 2. Амбарцумян, А.А. Анализ функциональности систем управления техническим обслуживанием и ремонтом оборудования [Текст] / А.А. Амбарцумян, А.С. Хадеев. - Автоматика и телемеханика. - 2005. - № 6. - С. 2-12.

2. Савва, Ю.Б. Средства автоматизации технологических процессов анализа, оценки и прогнозирования состояний сложных многопараметрических технических [Текст] / Ю.Б. Савва. - Изв. ОрелГТУ. Сер. Информационные технологии и системы. - 2003. - 1(1) - с. 17-29.

3. Константинов, И.С. Интеллектуальная система оценки состояния и поведения сложных объектов [Текст] / И.С. Константинов, Ю.Б. Савва. - Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Международная научно-техническая конференция. В 2-х ч. Ч.2. - Волгоград: РПК «Политехник», 2002. - С. 108-111.

4. Константинов, И.С. Автоматизированный анализ состояний в управлении сложными многопараметрическими техническими объектами [Текст] / И.С. Константинов, Ю.Б. Савва / Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП). Материалы международной научно-технической конференции 11-12 мая 2004 г./ Известия ОрелГТУ. Сер. Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2004. - № 1 (2). - С. 67-72.

5. Константинов, И.С. Проблемы применения информационных технологий для анализа данных обследования зданий и сооружений в САПР [Текст] / И.С. Константинов, Ю.Б. Савва. - Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Материалы международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: ОрелГТУ, 2002. - С. 154-156.

6. Константинов, И.С. Визуальное моделирование предметной области при разработке системы оценки технического состояния зданий [Текст] / И.С. Константинов, Ю.Б. Савва. - Известия Тульского государственного университета. Сер. Бизнес-процессы и бизнес-системы. Избранные труды участников Первой Международной научно-технической конференции «Бизнес-процессы и бизнес-системы». - Вып. 4., 2006. - С. 20-25.

Размещено на Allbest.ru