ارایه مدلی برای تعمیرات پیشگویانه تجهیزات با تکنیکهای داده کاوی

دانشکده آموزشهای الکترونیکی مهندسی فناوری اطلاعات(گرایش مدیریت سیستمهای اطلاعاتی)

عنوان: ارایه مدلی برای تعمیرات پیشگویانه تجهیزات درکارخانه های نفتی با تکنیکهای داده کاوی، مطالعه موردی: شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران

تعداد صفحات : 145

چکیده:

کارخانه ها و تاسیسات هر روزه با چالشها و مشکلات بیشتری برای افزایش بهره وری و کاهش هزینه ها مواجه می شوند و در این راستا استراتژی های نگهداری و تعمیرات نقش بسزایی دررسیدن به این هدف دارند.در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی شده است تا بتوان با کمک سیستمهای فناوری اطلاعات انواع روشهای نگهداری و تعمیرات را به طرز موثری پیاده سازی و اجرایی نمود. نگهداری و تعمیرات پیشگویانه یکی از استراتژی‌های نگهداری و تعمیرات است که بر مبنای آن در بازه‌های زمانی معین تعدادی از پارامترهای تجهیرات اندازه‌گیری می‌شود و بر اساس این داده‌ها، زمان رخداد خرابی احتمالی آینده پیش بینی شده و برای تعمیر و یا تعویض قطعات و تجهیزات تصمیم‌گیری می‌شود.

در این مقاله سعی شده است یک مدل پشتیبان تصمیم گیر برای نگهداری و تعمیرات پیشگویانه مبتنی بر شرایط بر اساس تکنیکهای داده کاوی طراحی شود. این پروژه در یکی از شرکتهای بهره برداری نفت و گاز جنوب کشور انجام شده و تجهیز انتخابی برای این پروژه توربین می باشد که یکی از اساسی ترین و بحرانی ترین تجهیزات در کارخانه های نفتی است.

در این پروژه چندین تکنیک داده کاوی از جمله درخت تصمیم وشبکه های عصبی برای پیش بینی رخداد خرابی مورد استفاده قرار گرفت و با مقایسه خروجی و نتایج آنها و با آنالیز این خروجی ها سعی شد بهترین مدل برای پیش بین رخداد خرابی در تجهیز مورد نظر مشخص شود.در انتها پیشنهادهایی از جمله توسعه این مدل برای سایر تجهیزات، کنترل مدت زمان مشاهده وضعیت تجهیزات و تعیین زمان بهینه تعمیر و نگهداری برای آینده ارائه شده است.

فصل اول

1- مقدمه و طرح مسئله

1-1- مقدمه

در عصر حاضر و در حالی که کارخانجات صنعتی بزرگ به دنبال ایجاد تغییرات در درون خود هستند تا بتوانند در رقابت با سایر رقبای خود در تحولات جهانی شدن موفق گردند این بحث نگهداری و تعمیرات است که بطور جدی و موثر مسیر استراتژی تولید را در کارخانه های صنعتی مشخص می نماید.امروزه ،کارخانه های صنعتی به شدت درگیر مباحثی همچون کاهش هزینه ها ،توان رقابت بالا ، بهبود مستمر،بحران انرژی و افزایش کیفیت و کمیت محصولات هستند که در این راستا اندیشیدن پیرامون نگهداری و تعمیرات به عنوان یک امر استراتژیک جهت رسیدن به اهداف فوق بسیار مهم و انکارناپذیر جلوه می کند.همواره رقابت ، عامل فشار بر کارخانجات تولیدی بوده است. به منظور کنترل و مدیریت این فشار، کارخانجات تولیدی می بایست ضمن کاهش هزینه ها، کیفیت و راندمان محصولات خود را افزایش داده و انعطاف پذیر نیز باشند[1, 2] .با توسعه فناوری اطلاعات میزان و سرعت دسترسی به اطلاعات بطور فوق العاده ای افزایش یافته است.از طرفی پیشرفت تکنولوژی نیز منجر به افزایش دستیابی موسسات و سازمانها به منابع وسیع اطلاعاتی شده وامکان تحقیق وبررسی موضوعات مختلف را برای سازمانها فراهم نموده است[3]. بنابراین نکته قابل توجه در سناریو جدید پیرامون مدیریت نگهداری و تعمیرات، آماده و در دسترس نگهداشتن تجهیرات در زمان نیاز است.یک کارخانه بسیار بزرگ با چندین هزار دستگاه متنوع از پیچیدگی بالایی در فعالیت نگهداری و تعمیرات(نت) برخوردار است. تصمیم گیری پیرامون استراتژی نت نیازمند دانشی است که منطبق بر واقعیت سازمان باشد.از طرف دیگر کسب دانش مفید نیازمند استفاده و تحلیل صحیح از داده ها می باشد.لذا استفاده از داده ها و اطلاعات و چگونگی کار با آنها در طول مراحل پیاده سازی استراتژی نگهداری و تعمیرات از جایگاه ویژه ای برخوردار است [4, 5].

2-1- تشریح و بیان مسأله

آنچه در سالهای اخیر توجه مدیران صنایع مختلف را در دنیای رقابتی امروز به خود جلب کرده است ، کاهش هزینه های تولید و در نتیجه کاهش قیمت نهایی محصولات است. در این میان هزینه های تعمیراتی ، مهمترین هزینه قابل کنترل در صنایع است و طبیعی است که کاهش آن در دستور کار مدیران صنعت قرار گیرد . یکی از مهمترین ابزارهایی که برای نیل به این هدف در اختیار مسئولین قرار دارد استفاده از روشهای نوین نگهداری و تعمیرات بر اساس پایش وضعیت دستگاهها است که بخصوص در صنایع تولید مداوم ، نظیر نفت ،گاز و پتروشیمی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. فلسفه وجودی روشهای تعمیراتی از قبیل نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه1 و نگهداری و تعمیرات پیشگویانه2 ارائه راهکارهایی جهت کاهش هزینه های تعمیراتی و در نتیجه افزایش بهره وری واحد های تولیدی است[6].

عموما نگهداری و تعمیرات یا در زمان های مشخص و از قبل تعیین شده انجام می شود یا اینکه هر وقت خرابی رخ داد بسته به نوع خرابی تعمیر مرود نظر انجام می شود.اگرچه انجام تعمیرات پیشگیرانه می تواند تعمیرات ناگهانی و غیرمترقبه را کاهش دهد اما همچنان باعث کاهش دردسترس بودن و افزایش هرینه های تعمیرات می گردد. گاهی تعمیرات پیشگیرانه روی تجهیز انجام می شود درحالیکه تجهیز به خوبی کار می کند و نیازی به تعمیر و توقف ندارد اما چون نگهداری از قبل در بازه زمانی خاصی برنامه ریزی شده است بایستی طبق روال خود انجام شود.یک سیاست مناسب در نگهداری و تعمیرات می گوید تعمیر زمانی باید انجام شود که نیاز باشد[6].

پیشرفت تکنولوژی باعث افزایش پیچیدگی در هر دوصنعت ماشین آلات و سیستمهای تولید شده است.صنایع مدرن دایما به کار کردن با قابلیت اطمینان بالا ، ریسک محیطی پایین و امنیت افراد که در حال انجام فرایندهای خود با بیشترین بازدهی هستند وابسته است.بنابراین پیشگیری از شکست و تشخیص سریع و ابتدایی مشکلات سیستمها و ماشین ها عمر کارکرد ماشین آلات صنعتی را افزایش می دهد[7].

کارخانجات صنعتی نباید دیگر تصور کنند که خرابی های تجهیزات تنها پس از مدت زمان ثابتی که در حال کار هستند اتفاق می افتد.آنها باید استراتژی های نگهداری آنلاین و پیشگویانه را گسترش دهند که بتوانند تصور کنند که هر خرابی در هر زمانی ممکن است بطور تصادفی رخ دهد.آغاز خرابی و شکست تجهیزات ممکن است خود را در داده های بوجود آمده از روشهای مختلف آشکار سازد.تجهیزات علایم و نشانه هایی از خود بروز می دهند که می گویند این تجهیزات باید تعمیر یا جایگزین شوند و یا رها شوند تا به کار خود ادامه دهند[8].

تشخیص اشتباه و عیب در مراحل اولیه آسیب برای جلوگیری از نقص و عیب فنی در طول کارکرد و عملیات لازم است.این مساله سود قابل توجهی را در رسیدن به استفاده از تکنیکهای بهینه سازی در عملیات واحد صنعتی با بهبود استفاده از منابع در سطوح مختلف از فرایند تصمیم گیری بر می گرداند.فرضیه نگهداری شرطی یک مشاهده منظم از شرایط واقعی از تجهیزات بر اساس ویژگی های مهم و برجسته و موثر آنها و کارایی عملکرد از سیستمهای فرایندی است که باعث اطمینان از حداکثر کردن فاصله بین تعمیرها ، کاهش هزینه تعمیرات برنامه ریزی نشده ناشی ازخرابی ماشین آلات و بهبود دسترسی جامع از عملکرد واحد های صنعتی خواهد بود.یکی از مهمترین و به صرفه ترین تکنیکهای موثر نگهداری ، نگهداری مبتنی بر شرایط(CBM)1 است[8].

1Condition Based Maintenance

استفاده از نگهداری و تعمیرات پیشگویانه یا همان نگهداری مبتنی بر شرایطباعث رسیدن به پیشرفتهای بزرگی در هزینه های نگهداری و تعمیرات ، کاهش خرابیهای برنامه ریزی نشده ماشین آلات1 ، کاهش زمان ازکارافتادگی(بیکاری) ناشی از تعمیر2 تجهیزات و بهبود موجودی قطعات یدکی می شود[7].

نگهداری پیشگویانه یکی از استراتژی‌های نگهداری و تعمیرات است که بر مبنای آن در بازه‌های زمانی معین و یا بصورت مستمر تعدادی از پارامترهای تجهیرات اندازه‌گیری می‌شود و بر اساس این داده‌ها برای تعمیر و یا تعویض قطعات و تجهیزات تصمیم‌گیری می‌شود.

1-3- هدف از انتخاب موضوع

هدف از اجرای برنامه نگهداری و تعمیرات پیشگویانه شناسایی و تشخیص عیوب تجهیزات از بدو پیدایش و برنامه ریزی به موقع جهت انجام اقدامات اصلاحی است.

روش نگهداری و تعمیر پیشگویانه بر این اصل استوار است که دستگاهی را که با شرایط مطلوب در حال کارکرد است نباید برای تعمیر باز کرد. در این روش تلاش می شود با استفاده از تکنیکهای مناسب هر دستگاه نظیر لرزه نگاری3 ، ترموگرافی4 ، صوت سنجی5 ، آنالیز روغن6 و سایر تکنیکها ضمن رسیدن به حد اکثر بهره وری ، دستگاه فقط هنگام نیاز به تعمیر باز شود و همچنین با اعمال تعمیرات کوچک و به موقع ، نظیر هم محوری و بالانس ، از نتایج زیانبار خرابی های ثانویه که معلول مشکلات کوچک هستند پیشگیری شود.[9]

در این روش عمر قسمتهای مهم بر اساس تعمیرات پیشگیرانه و سایر داده های تاریخی قبلی1 ، تعمیرات و بازرسی ها محاسبه شده و بر اساس آن بصورت منظم فعالیت تعمیرات انجام می شود.

تعمیرات پیشگویانه یک روش تعمیرات مبتنی بر شرط است که در این روش پارامترها و ویژگی های مهم تجهیز و دستگاه بصورت طبیعی محاسبه می گردد و مقادیر بدست آمده به عنوان مبنا در نظر گرفته می شوند، سپس در هنگام استفاده و بکارگیری تجهیز این پارامترها و ویژگی ها بصورت مستمر و مرتب سنجیده شده و با مقایسه با میزان مبنا، زمان خرابی ، علت آن و احتمال وقوع آن محاسبه می شود[7].

اساس و ذات پیش بینی عیب و نقص، برآورد و تخمین زمان باقیمانده از عمر تجهیز در دوره های معنی داری است که می خواهد به سمت یک فرایند تصمیم گیری نگهداری و تعمیرات عمیق و هوشمند هدایت شود[9].

پیش بینی ها به عنوان یک ویژگی اضافه بر امکانات تشخیص عیب نمایش داده می شوند.آنها سلامت و بهبودی جاری یک سیستم را ارزیابی می کنند و میزان زمان از باقیمانده عمر تجهیز را پیش بینی می کنند.پیش بینی ها برای بهبود امنیت ، برنامه ریزی ماموریتهای موفق ، نگهداری های برنامه ریزی شده و کاهش هزینه های نگهداری و زمان بیکاری حیاتی هستند .تکنیکهای نگهداری مبتنی بر شرط یک ارزیابی از شرایط سیستم بر اساس داده های جمع آوری شده از سیستم با مشاهده مستمر را فراهم می کنند[7].

هدف مشخص کردن زودتر برنامه نگهداری مورد نیاز برای هر خرابی پیش بینی شده است.بنابراین استراتژی های نگهداری برای کمینه کردن هزینه با بهبود ایمنی عملیات و تعداد خرابی های سیستم در حال کار کمک می کند.



فهرست مطالب:

فصل اول :مقدمه

1-1-مقدمه

1-2- تشریح و بیان مساله

1-3- هدف از انتخاب موضوع

1-4- وضعیت تعمیرات پیش گویانه در کشور

1-5-چالشهای پروژه

1-6- معرفی شرکت بهره برداری نفت و گاز گچساران

1-7-مفاهیم نگهداری و تعمیرات

فصل دوم:مبانی نظری تحقیق

2-1- اثر نگهداری و تعمیرات

2-2-بهینه سازی نگهداری وتعمیرات پیش بینانه

2-3- مفاهیم اقتصادی وتوجیه هزینه ها

2-3-1- ارزیابی نیازهایBM

2-3-2-توجیه هزینه

2-3-3- هزینه استراتژی جاری تعمیراتی

2-4- طراحی یک برنامه نت پیش بینانه

2-4-1-امتیازات نت پیش بینانه

2-5-تکنیکهای نت پیش بینانه

2-5-1-مانیتورینگ ارتعاش

2-5-2-انواع سیستمهای ترموگرافی

2-5-3-ترایبولوژی

2-5-4-بازرسی بصری

2-5-5-مافوق صوت

2-5-6-تکنیکهای دیگر

2-6- ایجاد یک برنامه نت پیش بینانه

2-6-1-اهداف ، مقاصد و امتیازات

2-6-2-الزامات عملی

2-6-3-انتخاب یک سیستم نت پیش بینانه

2-6-3-1-نیارهای پایه ای سیستم

2-7- برنامه نت پیش بینانه کل کارخانه

2-7-1-برنامه نت پیش بینانه مطلوب

2-7-2- سیستم نت پیش بینانه مطلوب.

2-7-3-پیش بینی کافی نیست

2-8-مبانی نظری و مفاهیم تحقیق

2-8-1-روش تحقیق

2-8-2-طراحی مدل پیش بینی

2-8-3-داده کاوی

فصل سوم: مروری بر تحقیقات انجام شده

3-1-مقدمه

3-2-سیستم پیش بینی نگهداری با استفاده تکنیکهای داده کاوی

3-3-روشی عملی برای ترکیب داده کاوی و تشخیص خرابی

3-4-روشی هوشمند برای بهینه سازی تعمیرات پیش گویانه

3-5- برخی تکنیکهای نگهداری و تعمیرات پیش گویانه

3-6-مروری بر تعمیرات مبتنی بر شرایط و زمان در برنامه های صنعتی

فصل چهارم: روش تحقیق(ارایه راهکار،الگوریتم و مدل پیشنهادی روش تحقیق)

4-1-مقدمه

4-2-طراحی مدلCBM

4-2-1-انتخاب بخش، واحد یا محیط پایش

4-2-2-انتخاب پارامترها و معیارهای پایش تجهیزات

4-2-3-انتخاب روش مدلسازی پیش بینی

4-2-4-مدل فیزیکی

4-3-تعیین اهداف داده کاوی

4-4- شروع مراحل انجام پروژه

4-4-1-انتخاب کارخانه ها و تجهیزات مورد نظر برای پروژه

4-4-2-شناخت داده

4-4-3-آماده سازی و آنالیز داده

4-4-4-اکتساب داده / جمع آوری و ورود داده

4-4-5-پالایش داده ها

4-5-آنالیز داده ها

4-5-1-آنالیز داده های وضعیت و شرایطی

4-5-2-آنالیز داده های رخداد خرابی

4-6-طراحی و توسعه مدل

4-6-1-بررسی سطح آستانه پارامترها

4-6-2-شناخت خوشه های خروجی

4-7-طراحی مدل با روشهای داده کاوی

4-7-1-طراحی مدل با استفاده از درخت تصمیم

4-7-2-طراحی مدل با استفاده از روش شبکه عصبی MLP

4-7-3-طراحی مدل با استفاده از روش شبکه عصبی KNN

4-8-نتیجه گیری

فصل پنجم: بررسی و تحلیل داده ها و نتایج تحقیق

5-1-مقدمه

5-2- بررسی خروجی ونتایج وارزیابی مدل بر پایه روش DT

5-2-1-ارزیابی مدل بر اساس روش DT

5-3- بررسی خروجی و نتایج روش MLP

5-3-1-ارزیابی مدل بر اساس روش MLP

5-4- بررسی خروجی و نتایج روش KNN

5-4-1-ارزیابی مدل بر اساس روش KNN

5-5-ارزیابی و تفسیر نتایج و خروجی ها

5-6-نتایج

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادها

6-1- نتایج کلی حاصل از پروژه

6-2-پیشنهادهایی برای آینده