Диагностирование механизмов ткацкого станка СТБ с использованием методов экспертных систем

Для современного ткацкого производства характерна автоматизация отдельных машин и узлов в целях повышения качества продукции и эффективности использования технологического оборудования. Развивается централизация контроля и управления на базе диспетчеризации и систем автоматизированного сбора информации о техническом состоянии оборудования, включающем контроль механических систем и технологических параметров. Ткацкие станки, имеют разветвленные механизмы с нелинейными функциями положения, подверженные значительным динамическим нагрузкам. Возникающие в механизмах дефекты приводят к невыполнению ими своих функций, аварийным остановам, выпуску бракованной продукции. Для повышения надежности оборудования и эффективности его работы целесообразна разработка методов и средств технической диагностики. Эти разработки позволяют при создании оборудования оценить качество его проектирования и изготовления, наметить пути устранения «узких» мест, а при эксплуатации машин на работающем оборудовании определить износ и настройку, а также качество ремонта механизма.

Система диагностирования технического состояния механизмов ткацкого станка органично вписывается в систему автоматизированного сбора информации. Это доказывает опыт эксплуатации подобных систем 1985;90х годах на Ровенском льнокомбинате и Дарницком шелковом комбинате. Для усовершенствования системы диагностирования важна разработка новых методов анализа информации для получения диагностических параметров с дальнейшим использованием их в нечеткой модели определения работоспособности механизмов станка. Современный уровень технической базы, развитие средств моделирования и программирования позволяет существенно улучшить параметры ранее разработанных систем.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Одним из направлений улучшения эксплуатации оборудования, повышения его надежности и эффективности использования является разработка методов и средств технической диагностики, позволяющей при эксплуатации машин на работающем оборудовании определить износ и настройку, а также качество ремонта механизмов, сопоставляя их параметры с нормативными данными.

Для эффективного использования оборудования его эксплуатация должна сопровождаться своевременным диагностированием и обоснованным определением сроков ремонтных работ. Поэтому актуальной задачей является разработка новых методов анализа информации для получения диагностических показателей и применение теории нечеткой логики для определения работоспособности механизмов, а также разработка базы данных для хранения информации.

Работа также выполнялась в рамках Гранта Т02−08.0−3357 «Разработка методики проектирования сетей датчиков, структур технических средств и их алгоритмического обеспечения для оценки работоспособности технологической машины на основе методов экспертных систем» 2002;2004 г.

Цель ш задачи работы. Целью работы является совершенствование методики и средств автоматизированного диагностирования и прогнозирования механизмов ткацкого станка. При этом решаются следующие задачи:

1. Анализ и систематизация научно-технической информации по: конструктивным особенностям и дефектам основных тканеобразующих механизмов, существующим методам и средствам технического диагностирования механизмов ткацких станков.

2. Разработка методики цифровой фильтрации виборускорения рабочих органов механизмов ткацких станков, для выделения диагностической информации, характеризующей износ кинематических пар механизма, место дефекта в цикле работы механизма.

3. Разработка методики анализа получаемой диагностической информации с использованием методов нечеткой логики для количественной оценки технического состояния ткацких станков и определения рекомендуемых сроков ремонта.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для ЭВМ, реализующего методики получения и анализа диагностической информации.

5. Апробация разработанного программного обеспечения на сигналах виброускорения, полученных с рабочих органов батанного, зевообразовательного и боевого механизмов ткацких станков СТБ.

6. Разработка и обоснование выбора схемного решения прибора, который реализует съем сигналов виброускорения с рабочих органов механизмов и передачу получаемых сигналов в ЭВМ для последующего анализа.

7. Разработка базы данных, в целях усовершенствования организации ремонта ткацких станков.

Методы исследований. В работе использовались методы математического моделирования, вычислительной математики (анализ Фурье, вейвлет-анализ), методы статистического анализа данных, методы теории нечеткой логики, искусственных нейронных сетей, проектирования баз данных при использовании современных ЭВМ.

Научная мешка* В процессе работы над диссертацией:

1. Разработана методика частотно-временного анализа сигналов виброускорений рабочих органов механизмов на основе цифровой фильтрации сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье и вейвлет-анализа.

2. Разработан алгоритм программы «Вибродиагностика цикловых механизмов», которая выделяет низкочастотные и информативные высокочастотные компоненты виброускорения рабочего звена циклового механизма, анализирует их амплитудно-частотный спектр, определяет диагностические показатели, как на всем цикле работы механизма, так и на отдельных участках.

3. Разработана нечеткая модель прогнозирования работоспособности батанного механизма. Разработан алгоритм программы «Пакет классов Java для создания нечеткой системы типа Сугено оценки работоспособности механизмов ткацкого станка», для определения рекомендуемых сроков ремонта механизмов ткацкого станка.

4. Определена структура и состав системы сбора диагностической информации, в основе которой лежит специализированный контроллер ввода данных.

5. Спроектирована логическая модель данных, на основе которой построена физическая база данных для учета технического состояния ткацких станков, сроков и результатов ремонта.

Практическая значимость и реализация результатов работы,.

1. Разработана автоматизированная методика определения сроков ремонта механизмов ткацкого станка при использовании мобильного диагностического прибора с обработкой результатов измерений на рабочем месте, базирующаяся на разработанном программном обеспечении.

2. Разработано программное обеспечение «Вибродиагностика цикловых механизмов» (св. № 20 066 131 191 зарег. 8.09.06), которое позволяет производить: спектральный анализ информационного сигнала, вычисление периодических составляющих, формирование выходной диагностической информации в графическом и табличном виде. Программное обеспечение использовалось для нахождения диагностических показателей механизмов ткацких станков.

3. Разработано программное обеспечение «Пакет классов Java для создания нечеткой системы типа Сугено оценки работоспособности механизмов ткацкого станка"(св. № 2 005 610 599, зарег. 11.01.05). Пакет классов Java также может быть использован при написании программ для нечетких систем прогнозирования ситуации. С помощью данного программного обеспечения была определена работоспособность механизмов ряда ткацких станков. 4. Результаты работы используются в учебном процессе в курсах «Проектирование систем управления», «Математические методы анализа процессов и производств», при дипломном проектировании студентов направления 210 200 — «Автоматизация технологических процессов и производств», «Монтаж эксплуатация и ремонт текстильного оборудования» специальности 170 700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности».

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», (Прогресс — 2004). Иваново — 2004; Международной научно-технической конференции. «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях». (Лен-2004) Кострома, 2004; Международной научно-технической конференции. «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона». (Лен-2006) Кострома, 2006; Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль — 2005)» Москва, 2005; Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки-2004». С-Петербург 2004; Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки-2005». С-Петербург, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи из них 1 в издании, рекомендованном «Перечень. «В АК, 6 тезисов и получено 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Струпстура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций. Содержит 140 с. 52 рисунков, 14 таблиц, 1 приложение и список литературы из 81 наименований.

4А Выводы.

1. Предложена структура и состав системы сбора диагностической информации, в основе которой лежит специализированный контроллер ввода данных MiniLABlOOS. В отличие от предлагавшихся ранее систем, она имеет более высокую степень интеграции вследствие исполнения всех основных элементов системы в едином корпусе специализированного микроконтроллера. Высокая степень интеграции, позволяет повысить надежность системы, что является преимуществом при использовании ее на производстве. Высокая частота дискретизации (до 8 КГц) и возможность ввода до 36 (в зависимости от типа выходной величины датчиков) сигналов виброускорения, позволит использовать предлагаемую систему для диагностирования нового высокоскоростного оборудования с большим количеством узлов подлежащих диагностированию.

2. Определены диагностические точки для установки датчиков ускорений. Исходя из амплитудно — частотного диапазона измеряемых сигналов, выбран тип датчиков ускорений.

3. Спроектирована база данных для хранения диагностической информации, рекомендаций по срокам и сведения по результатам ремонта. Это позволит усовершенствовать организацию ремонта ткацких станков путем использования обоснованных данных, полученных методами автоматизированного диагноза и прогноза технического состояния механизмов.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Разработана усовершенствованная методика диагностирования и прогнозирования технического состояния механизмов, отраженная в составленных алгоритмах и программах, ориентированная на новую модификацию диагностического прибора. Программы апробированы на реальных массивах ускорений механизмов, результаты обработки адекватны действительному техническому состоянию механизмов. Использование полученных результатов предполагает повысить стабильность технического состояния ткацких станков и организовать ремонтные работы на основе обоснованных рекомендаций, полученных с применением нечеткой логики.

1. На основании анализа конструктивных особенностей и дефектов основных тканеобразующих механизмов, систематизации научно-технической информации по существующим методам и средствам диагностирования механизмов определены пути совершенствования методов и технических средств диагностирования механизмов и прогнозирования работоспособности механизмов.

2. В целях обнаружения дефектов кинематических пар и их расположения на фазовом угле поворота главного вала применено вейвлет-преобразование. Метод эффективен для определения информативных компонент колебательного процесса, места и времени возникновения дефектов, особенно при диагностировании механизмов новых конструкций. Выполнен частотно-временной анализ колебательных процессов батанного механизма, на основе кратномаштабного и непрерывного вейвлет-анализа. Выявлено, что в кинематической паре кулак-ролик, наиболее изношенным является участок профиля кулака, соответствующий прибою уточной нити. Также определены другие локальные дефекты.

3. В целях разработки методики определения диагностических параметров, применимой для производственных диагностических систем и ее программной реализации, исследован метод цифровой фильтрации, построенной на дискретном преобразовании Фурье. Метод позволяет для выделенной диагностической полосы частот, характеризующей дефект определенной кинематической пары, восстановить колебательный процесс, рассчитать диагностические показатели на различных участках движения механизма и оценить износ кинематической пары.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для ЭВМ, реализующее методику определения диагностических показателей (ДП/). Программа имеет графический интерфейс взаимодействия с пользователем. Методика позволяет более точно рассчитать ДШ по сравнению с существовавшим вариантом.

5. С помощью разработанного программного обеспечения получены диагностические показатели для батанного, зевообразовательного и боевого механизмов, имеющих различное техническое состояние, результаты диагностирования представляются в таблицах и графиках. Для батанного механизма диагностические показатели колеблются в пределах 0<�ДШ<3. Изношенной можно считать кинематическую пару, если ДЛ/> 1.1.

6. Разработана методика определения работоспособности механизмов, реализованная в алгоритме и программе «Пакет классов Java для создания нечеткой системы типа Сугено оценки работоспособности механизмов ткацкого станка» на базе нечеткой модели.

7. Составлена и программно реализована нечеткая модель определения срока до остановки на ремонт для батанного механизма. В качестве входных параметров нечеткой модели принимаются значения диагностических показателей отдельных кинематических пар. На основании экспертных знаний, полученных априорно из опыта диагностики, с учетом каждого диагностического показателя и его значимости был определен набор правил (база знаний), определяющий работу нечеткой системы, состоящий из 32 правил. Нечеткая модель была опробована при обследовании 25 батанных механизмов ткацких станков. Полученные рекомендации по срокам ремонта механизмов адекватны реальному техническому состоянию и сопоставимы с результатами эксплуатации и ремонта механизмов, что дает основание к использованию данной нечеткой модели и программы для установления сроков ремонта механизмов стажа.

8. Разработана структура и состав мобильного диагностического прибора, обеспечивающего получение и обработку диагностической информации на работающем станке.

9. Спроектирована база данных для хранения диагностической информации, рекомендаций по срокам и сведений по результатам ремонта. Это позволит усовершенствовать организацию ремонта ткацких станков путем использования обоснованных данных, полученных методами автоматизированного диагноза и прогноза технического состояния механизмов.