System of Support Maintenance Control Decision-making Systém podpory rozhodování řízení údržby

Transkript

1 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, System of Support Maintenance Control Decision-making Systém podpory rozhodování řízení údržby VROŽINA, Milan 1, DAVID, Jiří 2, OVČÁČÍKOVÁ, Romana 3 & HEGER, Milan 4 1 Prof., Ing., CSc., Katedra APTM-638, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, milan.vrozina@vsb.cz, 2 Ing., Ph.D. j.david@vsb.cz 3 Ing., Ph.D. romana.ovcacikova@vsb.cz 4 Doc., Ing., CSc. milan.heger@vsb.cz Abstrakt: V článku je popsán prototyp znalostního Systému doporučení pro spolehlivost a údržbu strojů pro stanovení termínu údržby složitého technologického zařízení vytvořeného na Katedře automatizace a počítačové techniky v metalurgii, VŠB TU Ostrava. Jehož účelem je podpora rozhodování pracovníků údržby s cílem zajistit splnění požadavků na spolehlivost, bezpečnost zařízení a dopadů na životní prostředí v souladu s vymezenými nároky na zvolenou koncepcí údržby při minimálních nákladech a přitom udržet technické vlastnosti zařízení ve stavu definovaném technickou specifikací. Klíčová slova: podpora rozhodování, údržba, znalostní systémy, optimalizace 1 Podpora rozhodování Rozhodování představuje jednu z nejvýznamnějších aktivit, které řídicí a vedoucí pracovníci v organizacích realizují. Kvalita a výsledky rozhodovacích procesů ovlivňují zásadním způsobem efektivnost fungování a budoucí prosperitu těchto organizací. Rozvoj výpočetní techniky významně přispěl k rostoucímu uplatnění nástrojů pro podporu řešení rozhodovacích procesů. Počítačová podpora rozhodování může mít tři formy: informační, modelovou a expertní. Informační podpora je spojena především s existencí manažerských informačních systémů. Tyto systémy umožňují vytváření rozsáhlých počítačových databází, soustřeďujících informace především interního charakteru. Informace poskytované manažerskými informačními systémy neprocházejí zpravidla zpracováním pomocí složitějších matematických modelů. Důraz se klade na uchovávání, třídění, vyvolávání a aktualizaci informací. Vyšší stupeň podpory, a to nejen informační, ale především modelovou podporu poskytují manažerům tzv. systémy na podporu rozhodování. Systémy na podporu rozhodování se chápou jako počítačové systémy interakčního charakteru, tvořené modelovým, programovým a informačním zabezpečením, které pomáhají jejich uživatelům (manažerům) při realizaci řídících a rozhodovacích činností. Uživatel je v přímém styku s osobním počítačem, má možnost konfrontovat dílčí výsledky řešení se svými intuitivními představami a podle toho ovlivňovat další průběh řešení. Počítač přitom poskytuje uživateli určité nabídky řešení, případně kladením dotazů usměrňuje jeho postup. Nejvyšší stupeň podpory, tj. podpory znalostní, resp. expertní, poskytují expertní systémy. Expertní systémy se chápou jako interakční počítačové programy simulující činnost

2 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, experta při řešení složitých úloh a využívající vhodně zakódovaných znalostí převzatých od experta s cílem dosáhnout ve zvolené problémové oblasti kvality řešení problémů srovnatelné s expertem. Expertní systémy představují především nástroj podporující řešení špatně strukturovaných problémů, jejichž řešení není primárně založeno na propočtech pomocí matematických modelů, ale využívají principy lidského uvažování a usuzování. Poskytovaná podpora má často povahu stanovení příčin daného problému a tvorby variant řešení. Na rozdíl od systémů na podporu rozhodování, které pouze podporují uživatele při řešení rozhodovacích procesů, expertní systémy mohou v určitých případech člověka i nahradit. 2 Rozhodování v oblasti údržby V oblasti údržby má podpora rozhodování velký význam, neboť mají-li pracovníci údržby snadno a přehledně dostupné informace o všech pracovních úkolech a jejich nákladech, mohou efektivně určovat nejvhodnější strategie pro dané úkoly. Větší informovanost lze zužitkovat na: - rozhodnutí, zda je cenově výhodnější výměna místo opravy, - preference výběru určitých komponent zařízení na základě kalkulace jejich prokázané životnosti, - požadavky na školení, - zamezení nesprávnému používání nebo provozování výrobního zařízení, - zamezení nesprávnému vykonání opravy, - zjištění, pochopení a zamezení opakování chyb, - zpřesnění úrovně a periodicity preventivní a prognostické údržby, - stanovení konkrétních požadavků na schopnosti a výkonnost pracovníků údržby, operátorů, plánovačů, externích dodavatelů atd. Z poznatků z praxe lze odhadnout, že je možné odstranit až 10 % zbytečného času, jestliže se specialista údržby nebude zabývat neproduktivními činnostmi, jako je např.: - obstarávání náhradních dílů ze skladu, - shánění technických výkresů a další technické dokumentace, - čekaní na další pracovníky údržby nebo výroby, se kterými je nutné spolupracovat, - čekání, až výrobní operátoři odstaví zařízení z výroby. Možná úspora finančních prostředků vlivem zlepšeného rozhodování pomocí systému pro správu podnikových hmotných prostředků vzniká hlavně zkrácením doby odstávek odstraněním opakujících se problémů. 3 Systém podpory rozhodování Pro efektivní řešení cílů v oblasti údržby je vytvářen otevřený systém, s využitím existujících řídicích systémů různých úrovní, databází a údajů z průběžně budovaných a rozšiřovaných informačních systémů, který je založen na principech a prvcích umělé inteligence. Cílem takového řízení je zajistit minimalizaci výrobních nákladů a provoz zařízení s maximální spolehlivostí. Komplexní řešení problematiky řízení údržby si vyžaduje přejít od zpracování dat ke zpracování znalostí a tedy nasazení znalostních resp. expertních systémů. Úlohou systému je pak provádět efektivní interpretaci dat s cílem určit, která z hypotéz o chování zkoumané soustavy nejlépe koresponduje s reálnými daty, týkající se konkrétního případu. Řešení problému probíhá formou postupného ohodnocování a přehodnocování dílčích hypotéz v rámci pevně daného modelu řešeného problému, který je sestaven expertem. Základem báze znalostí je model spolehlivosti, který je vytvářen na základě analýzy současné strategie údržby, tj. modifikace údržby podle časového plánu, kde stav zařízení je hodnocen na základě informací z inspekčních prohlídek. Z analýzy všech v současnosti dostupných provozních zdrojů spolehlivostních dat, kterými jsou preventivní údržba a údržba

3 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, po poruše - revizní hlášení, výkazy o údržbě; opravářské úkony (na místě, v dílně) - výkazy o poruchách a záznamy o chování zařízení v provozu - provozní deník, výkazy o provozu, vyplývají následující závěry: životnost metalurgických zařízení je ovlivněna celou řadou vlivů a procesů, které působí přímo na strojích nejenom při jejich provozu, většina prvotních technických příčin poruch částí strojů je výsledkem postupné degradace mechanických částí, vznikající především působením opotřebení, únavy materiálu, stárnutím materiálu, působením vnějších mechanických sil a tepelnou degradací, které se projeví v periodě měsíců. Integrací těchto závěrů a skutečnosti, že u většiny zařízení jako celku i u jejich hodnocených rozhodujících uzlů není zpravidla mechanismus provázející a charakterizující poruchu předem znám, nebo je znám, ale je ovlivňován velkým počtem rozmanitých vlivů a tyto poruchy a jejich odstraňování můžeme chápat jako náhodné jevy, je při tvorbě spolehlivostního modelu uplatněn přístup k soustavě i k jejím prvků jako k černé skříňce. Vstupy do modelu jsou kvalitativní i kvantitativní provozní faktory. Jádro nového systému řízení údržby a zabezpečování spolehlivosti tvoří řídicí mechanismus, který operacemi nad bází znalostí na základě aktuálních dat upřesňuje (aktualizuje) spolehlivostní stochastický model a vyvozuje odpověď simulace pravděpodobnostního typu IF < předpoklad P > THEN < závěr Z> WITH < váha V >. Výsledkem činnosti je seznam ohodnocených závěrů - cílových hypotéz (diagnóz) - a výstupem jsou informace a návrhy opatření vedoucí k podpoře rozhodovacích procesů a k minimalizaci následků poruchy jako jsou např.: pravděpodobnost výskytu náhodných jevů v předem zvoleném provozním intervalu, hodnota dispozičního života zařízení nebo jeho částí, místo a čas vykonání preventivní údržby v mimosměnovém období a zabraňující tak vzniku prostojů; místo a čas vykonání preventivní obnovy, aby se zabránilo vzniku havarijní formy poruchy a přitom se zabránilo vzniku především následných poruch; příprava organizačního a technického zabezpečení vykonání preventivní údržby resp. odstranění poruchy atd. Hlavní přínos tohoto systému však lze spatřovat ve faktu, že řídicí mechanismus musí svá doporučení koordinovat s modely operativního řízení a plánování a umožní tak plánovat odstavení zařízení v optimálním okamžiku, jak z hlediska bezpečného provozu, tak i s ohledem na požadavky provozu z hlediska výrobního programu. Z toho vyplývá, že systém řízení údržby a zabezpečování spolehlivosti nelze řešit jako čistě diagnostický expertní systém, ale musí v sobě mít zabudovány i funkce plánovacího expertního systému. Aktualizace modelu bude prováděna vstupem konkrétních dat k danému případu z báze dat, která bude tvořena: systémem sběru informací o spolehlivosti provozu, systémem volby a využití primární analýzy hodnoceného zařízení, který zahrnuje podrobný popis sledovaného systému a podmínek jeho provozu, podrobné údaje o odpracované době v průběhu sledování a základní charakteristiky spolehlivosti sledovaného systému, systémem kvantifikace charakteristik a ukazatelů spolehlivosti prvků objektu, systémem kvantifikace charakteristik a ukazatelů spolehlivosti objektu jako soustavy, systémem technické a matematicko-statistické analýzy s následným vyhodnocením pro volbu optimální strategie údržby.

4 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, SDSUS Systém sběru dat z provozu Databáze spolehlivostních dat H Plán nebo Hodnocení P Modely spolehlivosti jednotlivých částí Stanovení doby sledování Kontrola doby sledování A N Doplnění sledované náhodné veličiny Stanovení dalších technicko-ekonomických parametrů jednotlivých částí Vyhodnocení výsledků modelu predikce poruch Vyhodnocení efektivnosti údržby Vyřazení částí splňujících podmínky běžné opravy Stanovení termínu běžné opravy Výběr částí s minimální zbytkovou životností Seskupování vybraných částí zařízení Seskupování vybraných zařízení Plán údržby Doplňková optimalizace plánu údržby Plán údržby Konec Obr. 1 Zjednodušený algoritmus systému doporučení

5 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, V konečné fázi bude báze dat doplněna o systém umožňující využít prostředků technické diagnostiky jako zpětné vazby báze znalostí (modelu predikce). Na obrázku 1 je zjednodušené schéma algoritmu znalostního Systému doporučení pro spolehlivost a údržbu strojů (SDSUS), který byl v rámci řešení problematiky vytvořen. Je nutno podotknou-ti, že přestože v systému jsou užity algoritmy a znalosti které mají obecnou platnost, systém je vytvářen na míru, neboť strukturní modely zařízení a výrobního provozu jsou pro každý podnik jiné. Po spuštění SDSÚS (viz. obr.2) nabídne tři základní režimy: Sběr dat - režim sběru dat o spolehlivosti, SUS - režim spolehlivostních výpočtů zahrnující predikci stavu zařízení, navržení optimální strategie údržby na nejbližší časové období a optimálního systému preventivních prohlídek, TPM - režim hodnocení efektivnosti údržby za stanovené časové období podle principů totálně produktivní údržby. Obr. 2 Základní obrazovka SDSUS Režim sběru dat o spolehlivosti Jak již bylo řečeno, hodnocení provozní spolehlivosti strojů je závislé na monitoringu provozního režimu a záznamu událostí ovlivňujících spolehlivost těchto zařízení a jejich částí. Tento režim (viz. obr. 3) slouží k zjednodušení a zkvalitnění této činnosti, kdy je vytvářena databáze obsahující všechny důležité údaje ke stanovení zvolených spolehlivostních ukazatelů. Obr. 3 Obrazovka režimu sběru spolehlivostních dat Režim spolehlivostních výpočtů Režim spolehlivostních výpočtů (viz. obr. 4) představuje jádro SDSÚS - zahrnuje subsystém analýzy vstupních dat se stanovením rozdělení pravděpodobnosti a určením

6 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, minimální doby sledování pro zajištění požadované přesnosti spolehlivostních ukazatelů, model predikce poruch a subsystém optimalizace strategie údržby. Obr. 4 Obrazovky režimu spolehlivostních výpočtů Tento režim je řešen jako obecný otevřený matematicko-statistický spolehlivostní model, umožňující provedení analýzy vstupních provozních dat s možností vykonání Dixonova testu extrémních odchylek a testu doby sledování ovlivňující přesnost stanovených spolehlivostních charakteristik. Dále model umožňuje stanovit testem Kolmogorov-Smirnov pro jeden výběr nejvhodnější rozdělení pravděpodobnosti vstupních dat. Rozdělení pravděpodobnosti je vstupní informací pro model predikce poruch a subsystém optimalizace strategie údržby a preventivních prohlídek. Režim hodnocení efektivnosti údržby Při tvorbě tohoto subsystému se vycházelo ze skutečnosti, že bez objektivního kvantitativního hodnocení by nebylo možné hodnotit výsledky systému řízení a hledat možnosti další racionalizace. Pro hodnocení produktivity a efektivnosti údržby se stále více uplatňují ukazatele totálně produktivní údržby a tyto principy jsou plně uplatněny v režimu hodnocení efektivnosti údržby SDSÚS. Subsystém hodnocení efektivnosti údržby (viz. obr. 5) bude při provozním nasazení SDSUS plnit dvě funkce - vlastní hodnocení efektivnosti údržby podle principů totálně produktivní údržby a funkci zpětné vazby jednotlivých subsystémů.

7 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Obr. 5 Obrazovka režimu hodnocení efektivnosti údržby 4 Závěr V současné době snahy o realizaci maximálních ekonomických úspor se ukazuje, že zavedení moderních přístupů k řízení procesu údržby technologických zařízení, především zaměřených na optimalizaci dílčích činností, řadí oblast údržby mezi oblasti ve kterých je možno dosáhnout významných ekonomických úspor. Obecně platí, že při normálním provozu zařízení je ekonomicky nejvýhodnější taková strategie údržby, při které se údržbářské zásahy provádějí v optimálním okamžiku, to znamená právě na počátku vznikajícího poškození. Předpokladem pro určení optimálního termínu pro údržbu a opravy je znalost informací o stavu daného zařízení. Na Katedře automatizace a počítačové techniky v metalurgii, VŠB-TU Ostrava je v rámci řešení problematiky podpory rozhodovacích procesů vytvořen Systém doporučení pro spolehlivost a údržbu strojů, který je vytvářen jako otevřený znalostní systém pro podporu rozhodování v oblasti řízení údržby. Přínosy takto koncipovaného systému lze spatřovat v umožnění řízení údržby na základě dat s možností: plánovat odstávky v optimálním okamžiku z hlediska bezpečného odstavení s ohledem na požadavky provozu a dodavatelský program a tím plánovat odstávky s materiálním a pracovním zabezpečením. 5 Použitá literatura BARLOW, R.E., PROSCHAN, F Statistical Theory of Reliability and Life Testing Probability Models. Holt, Rinehart and Winston, Inc LEITL, R Spolehlivost elektrotechnických systémů. SNTL, Praha 1990 COX, D.R Renewal Theory. Methuen & Co. LTD, London 1967 FUSCH, P Využití spolehlivosti v provozní praxi. TU Liberec 2003 VROŽINA, M Racionalizace údržby metalurgických agregátů s využitím modelů spolehlivosti a s uplatněním komplexních přístupů při realizaci. GAČR 106/02/0086, Ostrava BECKMANN, G Optimalne metody údržby. ALFA Bratislava 1990 Problematika je řešena za podpory Grantové agentury ČR v rámci projektů GAČR 106/02/0086 Racionalizace údržby metalurgických agregátů s využitím modelů spolehlivosti a s uplatněním komplexních přístupů při realizaci, GAČR 106/02/P045 Zvyšování celkové efektivnosti výrobních zařízení na kyslíkové ocelárně optimalizací technické údržby a GAČR 106/03/P159 Využití moderních metod operativního řízení při racionalizaci údržby metalurgických agregátů.