Waga zrozumienia fizycznych przyczyn awarii i myślenia systemowego nowoczesnej inżynierii.
Jedno z charakterystycznych zdań Clinta Eastwooda z filmu ?Siła magnum? brzmi: ?Człowiek musi znać swoje ograniczenia?. Bez wątpienia jest to życiowa prawda, ale w jaki sposób związana jest ona z niezawodnością projektowanych systemów?
Co mamy na myśli, mówiąc, że można polegać na danej osobie? Czy można powiedzieć, że polegamy na kimś cały czas, czy tylko czasami, we wszystkich, czy tylko w niektórych przypadkach? To samo pytanie musi być zadane w fazie projektowania, gdyż niezawodność rozwiązania nie może być analizowana po fakcie.
Ponieważ stajemy się coraz bardziej zależni od złożonych systemów mechatronicznych, nie wystarczy już zrozumienie, w jaki sposób działają ? musimy wiedzieć, dlaczego przestają działać. Najważniejsze stało się tworzenie systemów odpornych na problemy, a nie proste wykorzystywanie odpornych na problemy podzespołów. Niezawodność to prawdopodobieństwo wykonywania przez system/urządzenie swojej funkcji przez określony czas, w określonych warunkach. Inżynier musi określić, co jest zadaniem systemu, jak mogą zmienić się warunki pracy i przez jaki czas wymaga się pewności działania.
Aby lepiej zrozumieć zagadnienie niezawodności, porozmawiałem z Timem Kerriganem, pracownikiem Instytutu Mechaniki Płynów w Milwauaukee School of Engineering, który bada niezawodność różnych przemysłowych systemów.
Debatowanie o potencjalnie możliwych przyczynach awarii na podstawie praw fizyki jest tym samym, co badanie właściwości obiektu mechatronicznego w oparciu o jego model. Wykorzystanie modelowania i analizy w projektowaniu niezawodnych systemów jest nieocenione, bo pozwala ocenić potencjalne ryzyko i jednocześnie wybrać odpowiednią metodę testowania rozwiązania. Podejście takie wymaga zrozumienia i modelowania potencjalnych przyczyn awarii (np. zmęczenie, zużycie, temperatura), miejsc ich występowania i sposobów reakcji na nie.
Na niezawodność całego systemu wpływają potencjalne awarie elementów mechanicznych, elektrycznych, komputerowych czy sterowania. Znajomość fizycznych przyczyn powstawania awarii może zwiększyć niezawodność, zmniejszyć zasięg awarii, zmniejszyć jej czas i koszt, zwiększając tym samym zadowolenie klienta.
Mechatroniczne systemy są coraz bardziej złożone, a co za tym idzie interakcje między poszczególnymi podsystemami coraz trudniejsze do analizy. Z tego powodu niezbędne jest przyjęcie marginesu bezpieczeństwa przy szacowaniu ryzyka. Podobnie jest zresztą w zamkniętych pętlach sterowania. Zalety sprzężenia zwrotnego są bezsprzeczne, ale w przypadku braku balansu między siłą (wzmocnieniem) akcji korekcyjnej a opóźnieniem obiektu (przesunięciem fazy) system może stać się niestabilny. Zapas wzmocnienia i fazy zapewniają stabilną pracę przy założonej tolerancji parametrów pętli regulacji. W rzeczywistych systemach trzeba również uwzględniać zapas bezpieczeństwa.
Mechatronika może zwiększyć niezawodność systemów i ich odporność na problemy, zapewniając prognozę, zaawansowaną diagnostykę i wbudowane możliwości autotestu. Dodatkowe czujniki i elementy sterujące muszą być niezwykle niezawodne, co kosztuje. Ale długookresowy koszt niepewności jest znacznie większy od początkowego kosztu wdrożenia systemu o określonej niezawodności. Co więcej, system niezawodny jest zwykle systemem bardziej energooszczędnym i ekologicznym. Niezawodność i odporność rozwiązania to bardzo pożądana i konkurencyjna cecha produktu, absolutnie niezbędna w sektorze ochrony zdrowia, wojskowości i transportu.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE
Kevin C. Craig jest przewodniczącym Engineering Design, College of Engineering, Marquette Universityy.