Detekcija otkaza u sušari u laboratorijskim uslovima primenom kontrolnih dijagrama

Autori: Emilija Kisić
Slobodan Drašković
Studijski program: Mehatronika

U Visokoj školi elektrotehnike i računarstva u Beogradu, na specijalističkim studijama Mehatronike, na predmetu Upravljanje dinamičkim sistemima izučavaju se savremeni softverski alati za programiranje PLC uređaja, kreiranje samostalnih aplikacija automatskog upravljanja, nadzora i prikupljanja podataka. U ovom radu biće prikazan sistem koji se nalazi u laboratoriji za Automatiku koji simulira princip rada sušare. Pomoću SCADA sistema prikupljeni su podaci potrebni za analizu, a zatim su primenjeni kontrolni dijagrami na sakupljene podatke u cilju detekcije simuliranog otkaza.

Regulacija temperature u sušari-opis sistema
Temperatura u cevi, koja predstavlja simulirani prostor u kome se vrši regulacija temperature, meri se pomoću temperaturnog senzora (sonde)  Pt-100. Uz pomoć temperaturnog modula za prihvatanje i obradu analogne veličine, temperature, ovaj signal se dovodi na ulaz PLC-a, i na osnovu izmerene veličine a uz pomoć programskog rešenja koje je smešteno u memoriju  PLC-a, odvija se upravljanje nad grejačem. Grejač je smešten unutar cevi gde se meri temperatura. Pomoću motora koji predstavlja izlazni upravljački uređaj kao i grejač, a nalazi se na kraju ove cevi, kontroliše se i protok vazduha kojim se omogućava održavanje zadate temperature. Na slici 1 prikazan je izgled sistema:

Cilj upravljanja ovim sistemom je da se obezbedi konstantna temperatura u određenom prostoru, koji u ovom  slučaju simulira plastična cev prečnika 75mm i dužine 600mm. Zamšljeno je da se temperatura menja   u određenim intervalima, koji će u ovom radu iznositi samo jedan minut zbog prirode rada i potrebe da se proces simulira u kratkom vremenskom periodu. Temperaturu će menjati grejač koji se napaja širinski modulisanim signalom. Modulacija je izvršena tako što se na osnovu ponavljanih merenja  došlo do odnosa između trajanja signala i pauze koji obezbeđuju određenu temperaturu. Promenom ovog odnosa dolazi do promene frekvencije paljenja i gašenja solid-state releja, koji upravlja grejačem, a samim tim i temperaturom. Projektovane vrednosti temperatura su 40, 50 i 80ºC. Sistem upravljanja se sastoji od PLC uređaja i SCADA sistema za nadzor.

Opšta teorija kontrolnih dijagrama
Kontrolni dijagram predstavlja statistički alat koji se koristi za detekciju otkaza u sistemu. Kontrolni dijagram predstavlja grafički prikaz kvalitativnih karakteristika koje su izmerene ili izračunate iz odbiraka u odnosu na broj odbiraka ili vreme. Uobičajeno, svaki kontrolni dijagram sadrži centralnu liniju (eng. Central Line) koja predstavlja srednju vrednost kvalitativnih karakteristika koje odgovaraju stanju sistema koji je pod statističkom kontrolom. Druge dve horizontalne linije nazivaju se gornja kontrolna granica (eng. Upper Control Limit) i donja kontrolna granica (eng. Lower Control Limit). One se biraju tako da ako je proces pod statističkom kontrolom, gotovo sve tačke će upasti između ove dve linije. U ovom radu korišćen je MR (eng. Moving Range) kontrolni dijagram za individualna merenja koji se zapravo sastoji od dva dijagrama-gornji dijagram je dijagram individualnih merenja, a donji je MR dijagram. Naime, u mnogim primenama kontrolnih dijagrama za individualna merenja koristimo pomerajući opseg dve sukcesivne opservacije kao osnovu za estimiranje promenljivosti procesa. Neka je MR_i pomerajući opseg koji definišemo kao razliku dve sukcesivne opservacije:

Neka (MR) ̅ bude srednja vrednost svih pomerajućih opsega. Tada su kontrolne granice za dijagram individualnih merenja:

Dok su kontrolne granice za MR dijagram:

Sve konstante u formulama (2) i (3) se računaju iz tabela i zavise od veličine uzorka.

Rezultati
Kako bi se prikazala primena kontrolnih dijagrama u detekciji otkaza na opisani sistem najpre su izvršena merenja temperature u simuliranim uslovima rada kada se pretpostavlja da je u sistemu sve u redu i da nije došlo do otkaza. Primenom MR dijagrama dobijaju se rezultati na slici 2 a).

Slika 2   a) MR kontrolni dijagrami temperature u  nominalnom režimu rada sušare

Zatim, kako bi se simulirali uslovi otkaza u sistemu izvučena je sonda Pt-100, zbog čega je temperatura naglo skočila. Izvlačenjem sonde simulirani su uslovi hardverskog otkaza koji se dešavaju u realnom industrijskom okruženju. Primenjeni su MR dijagrami sa uspostavljenim kontrolnim granicama za podatke kada je sistem u nominalnom režimu rada na podatke kada je nastupio otkaz i rezultati su prikazani na slici 2 b).

Slika 2   b) MR kontrolni dijagrami temperature kada    je u sušari nastupio otkaz

Na osnovu dobijenih rezultata vidi se da su podaci na slici 2 a) u okviru kontrolnih granica, odnosno da je temperatura u opsegu koji označava nominalan režim rada sušare. Na slici 2 b) jasno se vidi trenutak kada je temperatura naglo skočila, odnosno trenutak kada je sonda izvađena i kada je u laboratorijskim uslovima nastupio otkaz. Vrednosti na individualnom kontrolnom dijagramu se nalaze izvan gornje kontrolne granice nakon otkaza, dok se na MR dijagramu vidi tačno tačka iznad gornje kontrolne granice u trenutku kada je nastupio otkaz.

Zaključak
Iako je ovde rađena analiza na sušari u laboratorijskim uslovima, kontrolni dijagrami su pokazali da efikasno mogu detektovati otkaz u sistemu. Zbog svojih osobina kontrolni dijagrami se već godinama veoma uspešno koriste u industriji. Postoji najmanje pet razloga za njihovu popularnost: 1. Kontrolni dijagrami su dokazana tehnika za poboljšanje produktivnosti. 2. Kontrolni dijagrami su efikasni u prevenciji defekata. 3. Kontrolni dijagrami sprečavaju nepotrebna poboljšanja procesa. 4. Kontrolni dijagrami obezbeđuju dijagnostičke informacije. 5. Kontrolni dijagrami obezbeđuju informaciju o efikasnosti procesa.

Zahvaljujući modernim kompjuterskim tehnologijama kontrolne dijagrame je lako implementirati u bilo koji tip procesa, zato što akvizicija podataka i analize mogu da se izvrše na mikroračunaru u realnom vremenu.