Модели и информационное обеспечение системы управления техническим состоянием судового энергетического оборудования

Важной составной частью производственного процесса на водном транспорте является эксплуатация судов, к основным задачам которой относятся перевозка грузов и пассажиров, обеспечение безопасности судоходства, сохранности грузов и имущества, охраны человеческой жизни, предотвращения загрязнения природной среды.

Повышение грузоподъемности и скорости судов, интенсивности судоходства привели к повышению требований к безопасности и экологичности плавания по морским и внутренним водным путям. Стало ясно, что недостаточно их обеспечивать, необходимо безопасностью и экологичностью управлять. Основными направлениями являются управление техническим состоянием судов, управление персоналом судов и береговых подразделений, управление инфраструктурой водного транспорта. Применительно к морскому судоходству Международной морской организацией (ИМО) в 1993 г. принята Резолюция ИМО А.741(8) «Международный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения» (МКУБ).

Эксплуатацию судов принято разделять на относительно самостоятельные этапы использования по назначению, технического обслуживания и ремонта. Этап использования судов по назначению разделяется на подэтапы целевого использования и технологического обслуживания при использовании. Совокупность технологического обслуживания при использовании, технического обслуживания и ремонта представляет собой техническую эксплуатацию судов.

Указанные этапы и подэтапы чередуются и в течение срока службы судна многократно повторяются. На этапе использования судна по назначению наряду с выполнением полезной работы происходит расход технического ресурса основных функциональных комплексов и ухудшение их технического состояния. При техническом обслуживании осуществляются мероприятия по поддержанию работоспособного состояния корпусных конструкций и оборудования, выполняемые без вывода судна из эксплуатации. Ремонт является совокупностью мероприятий, обеспечивающих восстановление до необходимого уровня технического состояния и запаса работоспособности судна.

Последующее использование судна по назначению снова приводит к ухудшению его технического состояния, то есть процесс эксплуатации представляет собой замкнутый цикл. Для достижения необходимой степени готовности судов к использованию по назначению, повышению безотказности и безопасности в процессе работы необходимо четкое согласование характеристик судовых объектов и действий, осуществляемых на трех взаимосвязанных этапах эксплуатации. Такое согласование в замкнутом контуре в функции времени возможно только при наличии системы управления техническим состоянием судов.

Такие системы созданы во всех отраслях, связанных с эксплуатацией судов (морской и речной транспорт, военно-морской флот, рыбное хозяйство, лесосплав, добыча углеводородов на шельфе и др.). В случае, когда техническое обслуживание и ремонт судов осуществляются производственными подразделениями фирмы — судовладельца, система управления техническим состоянием судов является подсистемой системы управления фирмой. В тех случаях, когда поддержание и восстановление работоспособности судовых функциональных комплексов выполняется по контракту специализированными судоремонтными фирмами, имеет место корпоративная система управления техническим состоянием судов.

Длительное время указанные системы были планово — предупредительными и в основном осуществляли функции организации и планирования производства необходимых работ на основе единых ремонтных ведомостей, диспетчерского регулирования хода работ по техническому обслуживанию и ремонту судов, а также функции предремонтной дефектации и контроля за соблюдением правил технической эксплуатации.

Необходимость снижения трудоемкости и финансовых затрат на техническую эксплуатацию привела к переходу к системе обслуживания судов по фактическому состоянию. При этом возросла роль технического диагностирования и прогнозирования технического состояния в процессе использования судна по назначению.

Благодаря широкому применению информационных технологий и компьютерной техники указанные системы постепенно превращаются из систем неавтоматизированного управления в системы автоматизированного управления.

В частности, такие системы созданы на морском и речном транспорте. Для судоходно компании автоматизированные системы управления техническим обслуживанием и ремонтом (АСУТО и Р) реализуются путем установки в офисе компании центрального сервера с базой данных по всем судам и организации локальных баз данных на каждом судне.

Использование АСУТО и Р повышает оперативность планирования и принятия решений, усиливает контроль за техническим состоянием судового оборудования, дисциплинирует работу судовых экипажей и персонала береговых подразделений в процессе технической эксплуатации судов.

В настоящее время создано программное обеспечение систем АСУТО и Р. В работе [37] описаны два наиболее распространенных программных комплекса: AMOS for Windows и TRIM. Первый из них создан норвежской фирмой (г. Осло) Spec Тес A/s и расшифровывается как «организация технического обслуживания, управления и запасные части для Windows». Комплекс TRIM разработан российской фирмой (г. Санкт — Петербург) НПП «СпецТэк» и в переводе означает «Система, обеспечивающая комплексное управление».

Для наполнения указанных программных «оболочек» необходима формализация процессов, протекающих в звеньях системы управления техническим состоянием судовых технических средств. В связи с недостаточной изученностью этих процессов с позиции теории управления в настоящее время используются упрощенные закономерности.

В силу сложности и большого разнообразия видов судовой техники, различных условий эксплуатации судов, одновременного наличия нескольких фронтов судоремонтных работ (в цехах, в доке или на слипе, на открытых площадках и на плаву), многовариантности процессов поддержания и восстановления работоспособности объектов одного типа полная автоматизация систем управления техническим состоянием судов нецелесообразна и невозможна.

Участие людей в рассматриваемых системах управления необходимо, их роль в решении многих вопросов значительна. В ряде случаев они просто незаменимы. Здесь имеют место эргатические (человека — машинные) системы управления [65].

Методы теории эргатических систем направлены на решение задач анализа и синтеза структур эргатических систем, рационального распределения функций между операторами и техническими средствами, согласования характеристик «человеческого звена» и технической части системы.

Эргатические системы являются наиболее общим типом систем управления. Из них как предельные частные случаи возникли системы автоматического управления (путем исключения участия в них человека) и организационные системы управления с использованием только персонала и необходимых средств оргтехники, имеющих вспомогательный характер с позиций конечной цели управления.

Несмотря на то, что эргатические системы управления возникли задолго до создания систем автоматического управления, в настоящее время общая теория эргатических систем развита в меньшей степени, чем теория автоматического управления. Причина заключается в сложности формализации всей совокупности возможных действий человека — оператора, особенно в тех случаях, когда оператор включен в цепь управления последовательно и, таким образом, замыкает систему.

При исследовании конкретных эргатических систем управления указанную формализацию выполнить проще, однако при этом будут получены частные модели операторов конкретного вида (контролёр, диагностик, дефектов-щик, плановик, управленец, наладчик, ремонтник и др.). Оператор часто имеет дело не с самим объектом непосредственно, а с информационной моделью объекта. По модели оператор воссоздает динамический образ объекта, его состояния в отдельные моменты времени и на этой основе принимает решение и производит действия. Знание информационной модели и необходимых действий оператора при рассмотрении конкретной функции позволяет создать адекватную модель этого оператора с использованием относительно простых средств.

Эргатическая система содержит разнородные элементы, объединенные в единое функциональное целое. Это функциональное единство требует единого описания всех его элементов, и человек — оператор не может быть исключением. Наличие строгой теории автоматического управления с развитыми методами формализации осуществляемых элементами функций должно помочь в описании эргатической системы.

Результаты первого системного исследования процессов управления техническим состоянием судовой техники изложены в работе [101]. Автором показано, что техническое состояние является разновидностью качества объектов на стадии эксплуатации. Им обосновано распространение на техническое обслуживание и ремонт судов как производственно — технические услуги требований международных стандартов ИСО серии 9000, в частности процессного подхода к управлению техническим состоянием. Системы управления техническим состоянием судовой техники следует рассматривать как системы управления качеством на стадии эксплуатации. Установлена структура процесса управления техническим состоянием судов. Произведена формализация процессов изменения технического состояния основных типов узлов судовых машин и механизмов с учетом параметров среды, теплового, нагрузочного и скоростного режимов работы. Рассмотрены методы и средства оценки технического состояния функциональных комплексов судна и их элементов, а также методы прогнозирования технического состояния и остаточного ресурса. Приведена классифи.

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ СУДОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

КАК ОБЪЕКТА ФОРМАЛИЗАЦИИ.

Выводы по главе 4.

1. При известном виде зависимостей, связывающих параметры моделей изменения технического состояния с режимами работы и условиями эксплуатации судовых механизмов, а также небольшом разбросе экспериментальных данных наиболее приемлем для целей идентификации параметров этих моделей метод наименьших квадратов.

2. Предложена методика и выполнена идентификация параметров моделей изнашивания трех характерных групп узлов судовых механизмов при варьировании скоростного, нагрузочного и теплового режимов работы. Исходная информация была получена в условиях эксплуатации на судах смешанного река — море плавания.

3. Предложена методика и выполнено построение универсальных характеристик изнашивания судовых узлов трех характерных групп, что позволяет установить наиболее благоприятные по скорости изнашивания режимы работы. Получены модели для определения положения экстремумов характеристик.

4. Создана методика анализа динамики процесса изменения технического состояния узлов судового энергетического оборудования, учитывающая как процессы приработки, так и изнашивания в период нормальной эксплуатации.

5. Приведена методика определения параметров модели внешней среды судовых механизмов в виде совместных гистограмм распределения значений режимных параметров и продолжительности работы в этих режимах.

6. Предложена методика и выполнено компьютерное имитационное моделирование процесса изменения технического состояния узла судового механизма при случайном изменении режимного параметра. Методика предлагается для определения тренда процесса при прогнозировании технического состояния и оценки остаточного ресурса ответственных узлов судового оборудования.

7. Создана методика и выполнено построение фазового портрета системы управления техническим состоянием судового оборудования при нормальных условиях эксплуатации и плановом выполнении графика работ по восстановлению технического ресурса. Методика позволяет своевременно выявлять нестандартное развитие процесса.

Заключение

.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, а также проведенное имитационное моделирование позволяют сформулировать основные полученные результаты и сделать следующие выводы:

1. Анализ процессов расходования и восстановления технического ресурса судового энергетического оборудования позволил установить, что система управления его техническим состоянием является замкнутой двухконтурной автоматизированной полиэргатической системой стабилизации релейного типа. Блок периодической оперативной оценки технического состояния оборудования в процессе эксплуатации судна с позиций системы управления в целом функционирует как сложный импульсный элемент.

2. Техническое состояние судового оборудования необходимо рассматривать как разновидность его качества на стадии эксплуатации. На системы управления техническим состоянием распространяются требования международных стандартов ИСО серии 9000, предусматривающие, в частности, процессный и системный подходы к их анализу. При организации процесса управления техническим состоянием целесообразно использовать совокупность принципов робастности производственной среды, предупреждающих и корректирующих действий с естественным разделением функций между ними.

3. Выявлена общая структура процесса изменения технического состояния судового энергетического оборудования. Установлено, что помимо прямого влияния условий эксплуатации и режимов работы объектов на техническое состояние влияют аддитивное и параметрическое воздействия по каналам внутренних обратных связей. В зависимости от характера этих воздействий все многообразие узлов судовых механизмов разделено на три характерные группы.

4. Созданы комплексные математические модели динамики изменения технического состояния для каждой группы узлов, учитывающие влияние нагрузочного, скоростного и теплового режимов работы. Предложена единая формальная запись модели динамики процесса изменения технического состояния узлов всех трех групп, удобная при компьютерном имитационном моделировании.

5. Созданы модели функционирования блока оперативной оценки технического состояния судового оборудования. Периодическое функционирование системы технического диагностирования как звена системы управления техническим состоянием отождествлено с действием амплитудно — импульсного модулятора, а процедура определения периодичности проверок с учетом динамики изменения состояния рассмотрена как результат действия частотно — импульсного модулятора.

6. Анализ известных методов прогнозирования и особенностей моделей процесса изменения технического состояния судового оборудования позволил обосновать выбор метода статистической экстраполяции. При моделировании прогнозного фона признано целесообразным использовать набор двумерных совместных гистограмм (нагрузка — наработка, частота вращения — наработка, тепловой режим — наработка).

7. Созданы модели блока принятия управленческого решения и исполнительного блока системы управления. Формализован механизм влияния комплекса мероприятий и работ по техническому обслуживанию и ремонту судового оборудования на показатели его технического состояния.

8. Предложена структура информационного обеспечения системы управления техническим состоянием судового оборудования при функциональном и логическом подходах к его анализу. Определен подход к созданию нормативной базы для оперативной оценки технического состояния судовых объектов, характеризующихся взаимосвязанными показателями. Создан алгоритм определения независимых допусков, уменьшающий риски принятия ошибочных решений при оценке вида технического состояния.

9. Выполнено компьютерное имитационное моделирование процесса изменения технического состояния узла судового механизма при случайном из.

152 менении режимного параметра, позволяющее определить тренд процесса при прогнозировании состояния и оценки остаточного ресурса.

10.Произведено построение фазового портрета системы управления техническим состоянием судового оборудования при нормальных условиях эксплуатации и плановом выполнении графика работ по установлению технического ресурса.

11.Практическим выходом работы являются методики: идентификации параметров моделей изнашивания трех характерных групп узлов судовых механизмов с учетом изменения нагрузочного, скоростного и теплового режимов работыпостроения универсальных характеристик изнашивания узлов этих трех группанализа динамики процесса изменения технического состояния узлов с учетом приработки и изнашивания в период нормальной эксплуатацииопределения параметров модели внешней среды судовых механизмов.