Inżynieria systemów dla inżynierów mechatroników

Wstęp

Gdy realizujemy projekt stricte mechaniczny to, mamy przed sobą wyzwanie co najwyżej skomplikowane (ang. complicated). Natomiast, gdy w grę wchodzą zagadnienia mechatroniczne, to już możemy mieć do czynienia z tematem złożonym (ang. complex).

Jaka jest różnica?

Najprościej mówiąc, skomplikowane zagadnienie ma zazwyczaj jasne i jednoznaczne rozwiązanie, choć często wymagające dużej ilości pracy. Takim zagadnieniem jest np. projekt zegarka mechanicznego. Przy rozwiązywaniu tego typu zagadnień skupiamy się głównie na poszczególnych elementach, ich geometrii i odpowiedniej kompozycji. Złożone zagadnienia mają to do siebie, że ich rozwiązania rzadko są liniowe i przewidywalne, a przy ich rozwiązywaniu musimy brać pod uwagę nie tyle same elementy, a interakcje między nimi. Przykładem tego typu zagadnienia jest np. projekt kompletnego silnika samochodu spalinowego wraz z elementami elektrycznymi i elektronicznymi do sterowania oraz oprogramowaniem.

Działając w obszarze mechatroniki musimy posiadać nie tylko wiedzę mechaniczną, ale również znać podstawy elektryki, elektroniki i tworzenia oprogramowania. Wszystko to dlatego, że interakcje między elementami systemu przebiegają na rożnych płaszczyznach.

Jak ogarnąć te wszystkie interakcje?

Do identyfikacji i ustrukturyzowania informacji o interakcjach zachodzących w systemie przydatnym narzędzie jest macierz N2 zwaną również macierzą struktury projektu (ang. design structure matrix). Macierz tę można stworzyć tak dla ujawnienia interakcji pomiędzy funkcjami systemu (jak na obrazku poniżej), jak i pomiędzy jego elementami. W tym przypadku skupimy się na fizycznych interfejsach.

Macierz tę tworzy się umieszczając wszystkie elementy systemu (na określony poziomie dekompozycji systemu), jeden po drugim, na przekątnej tabeli. W ten sposób otrzymujemy kwadratową tabelę o N liczbie wierszy i N liczbie kolumn (N x N = N2), gdzie N odpowiada liczbie elementów systemu. Następnie przechodzimy do identyfikacji interfejsów i ich opisu. Do tego służą pola znajdujące się poza przekątną. Dla opisania interfejsu pomiędzy pierwszym oraz drugim elementem systemu używamy pola w drugiej kolumnie i pierwszym rzędzie oraz w pierwszej kolumnie i drugim rzędzie. Pierwsze pole służy to zdefiniowania interfejsu i potencjalnie przepływów z nim związanych z elementu pierwszego do drugiego. Drugie pole, analogicznie pokazuje przepływy ale w przeciwnym kierunku. Gdy nie mamy do czynienia z kierunkami działania to oba pola przedstawiają to samo.

Rysunek 1 Macierz N2 (źródło: Federal Aviation Administration)

Wraz z tą złożonością i elementami systemu nowego typu pojawiają się w systemie zjawiska fizyczne, z którymi nie mamy do czynienia w systemie mechanicznym. Nazywamy je zachowaniem emergentnym (ang. emergent behaviour) systemu.

Analizy systemu

Poniżej opiszę dla Was kilka przykładów zachowań emergentnych, które jako odpowiedzialni inżynierowie powinniśmy poddać analizom.

Kompatybilność elektromagnetyczna

W przypadku zastosowania urządzeń elektrycznych w systemach mechatronicznych, musimy pamiętać o zjawiskach fizycznych występujących w pobliżu przewodów elektrycznych, tj. powstającym polu elektromagnetycznym, które oddziałuje na inne urządzenia elektryczne. To oddziaływanie może powodować zakłócenia w pracy tych urządzeń.

Jeśli to zagadnienie brzmi dla Was poważnie, to bardzo dobrze, bo dokładnie takie jest.

Większość tego typu zjawisk można wyeliminować lub im zapobiec poprzez odpowiednie dobre praktyki inżynierskie lub rozwiązania techniczne. Niemniej, aby o nich pamiętać, należy sobie zdawać z nich sprawę. Ponadto, aby zweryfikować poprawne działanie systemu należy przeprowadzić zestaw odpowiednich testów na tzw. kompatybilność elektromagnetyczną.

Przegrzewanie się

Urządzenia elektryczne mają to do siebie, że przy ich nieidealnej sprawności, część energii elektrycznej ich zasilania, jest wytracana tj. wypromieniowywana w formie ciepła. Efektem tego może być nadmierne grzanie się urządzenia, jeśli nie zostaną zapewnione odpowiednie sposoby odprowadzania tego ciepła do otoczenia, a to może skutkować pogorszeniem sprawności, jeszcze bardziej pogarszając sytuację. To może prowadzić do powstania dodatniej pętli sprzężenia zwrotnego, prowadzącej nasz system do przegrzania się i awarii – potencjalnie niebezpiecznej dla otoczenia. Dla doświadczonego inżyniera takie zagadnienie jest oczywiste i w większości przypadków uda się jemu zapobiec stosując dobre praktyki inżynierskie. Niemniej podchodzenie do takich tematów „na czuja” jest obarczone pewnym ryzykiem. Czy jesteśmy gotowi na jego świadomą akceptację.

Zgodnie z procesami inżynierii systemów do tego tematu powinniśmy podejść metodycznie, rozpoczynając od wymagań środowiskowych, w których system musi być w stanie funkcjonować. Z drugiej strony projektant, dobierając jakiekolwiek urządzenia elektryczne lub elektroniczne, powinien brać pod uwagę dopuszczalny dla nich zakres temperatury pracy oraz temperatury przerwania. Mając takie dwa ograniczenia, w trakcie procesów analizy systemu i projektowania, powinniśmy sprawdzić, dla pierwszej wersji projektu czy przy nominalnych zakresach pracy nasz system będzie wykraczał poza dopuszczalny zakresem temperatur. Do tego celu mogą nam posłużyć np. analizy metodą elementów skończonych. Wynik takich analiz powinien być wkładem do procesu projektowania. Aby zakończyć cykl rozpoczęty przez definicję wymagań środowiskowych, powinniśmy przeprowadzić testy w symulowanym środowisku, dla skrajnych warunków temperaturowych. Takie testy przeprowadza się w komorach termicznych, dla nominalnych scenariuszy użycia w skrajnie wysokiej i/lub niskiej temperaturze. Dopiero po przeprowadzeniu takich testów, inżynier mechatronik może być pewien, że jego system się nie przegrzeje.

Budżety techniczne

Ponadto, gdy wchodzimy w obszar systemów mechatronicznych, musimy przyjrzeć się również tzw. budżetom technicznym. Mowa tutaj o takich parametrach systemu, dla których w wymaganiach wydajnościowych lub fizycznych mamy określony dopuszczalny zakres. Ponad standardowe dla systemów mechanicznych budżety masy i objętości, musimy zwrócić uwagę na np. budżet mocy. W przypadku zastosowania jakichkolwiek urządzeń elektrycznych, a głównie tych zasilanych prądem stałym pochodzącym z baterii (bo przy prądzie zmiennym prąd mamy zazwyczaj „z gniazdka”, tj. nieograniczony), musimy pamiętać, że system to wykonania swoich funkcji będzie potrzebował energii elektrycznej, a ta nie jest nieskończona.

Analiza błędów i ich efektów

Gdy pojawiają się w naszym systemie mechanicznym urządzenia elektryczne, czyniąc go systemem mechatronicznym, do tej pory proste mechanizmy „błędów” (ang. failure) zmieniają się w złożone i nieliniowe mechanizmy, które powinniśmy zidentyfikować i uważnie przeanalizować. W tym celu, dla wstępnego i potem szczegółowego projektu systemu, sumienny inżynier mechatronik (przy potencjalnym wsparciu innych inżynierów, np. ds. jakości, elektryka, utrzymania), powinien przeprowadzić Failure Mode and Effects Analysis (ang. Failure Mode and Effects Analysis) lub inną analizę tego typu. Ta analiza pozwala na identyfikację wszystkich możliwych mechanizmów, w ramach których system może zadziałać w sposób odbiegający od zakładanego, ocenę prawdopodobieństwa wystąpienia takiego mechanizmu oraz ocenę dotkliwości jego potencjalnych skutków. Na bazie takiej analizy, dla tych najbardziej „niebezpiecznych” mechanizmów, powinno się zastosować rozwiązania zmniejszające prawdopodobieństwo wystąpienia i/lub dotkliwość jego skutków. To również zadanie inżyniera mechatronika.

Dodatkowo, wszystkie te scenariusze użycia systemu, w ramach, których mogą wystąpić mechanizmy niepoprawnego działania systemu o najwyższych poziomach krytyczności powinny zostać przetestowane w ramach formalnej kampanii testowej.

Dla ciekawskich link do materiału omawiającego wykonywanie takiej analizy.

Macie już dość słuchania o dodatkowych rzeczach do wykonania?

Wiem, że każdy woli po prostu projektować, ale musimy być odpowiedzialni...

Niezawodność i dostępność a utrzymanie

Innymi ważnymi aspektami, wartymi rozważenia przez inżyniera mechatronika, są niezawodność i dostępność systemu. Szczególnie w przypadku systemów będących częścią linii produkcyjnych możemy spotkać się z wymaganiami na takie parametry systemu. Podczas, gdy ta pierwsza wartość jest trudna do określenia, tak druga powinna być przedmiotem analizy projektanta. Należy pamiętać, że procesy inżynierii systemów obejmują również fazę utrzymania systemu (ang. maintenance process). To co inżynier mechatronik powinien uwzględnić w swoim projekcie to wszystkie aspekty związane z planowanym serwisowaniem i nieplanowanymi naprawami. Taka analiza, przy pewnym poziomie uproszczeń i przy pewnych założeniach powinna dostarczyć informacji na temat przewidywanego czasu (np. na przestrzeni całego roku) w trakcie, którego system będzie niedostępny do użytku ze względu na prace utrzymaniowe. Jeśli wyniki takich analiz nie spełnią początkowych wymagań użytkownika/klienta to muszą zostać podjęte działania projektowe mające na celu, czy to zmianę podsystemów na takie, które rzadziej trzeba serwisować, czy zmianę projektu systemu, która skróci czas potrzebny do serwisowania.

Dodatkowo, tego typu prace serwisowe powinny zostać określone w instrukcji obsługi systemu (ang. user manual), tak aby docelowy użytkownik, mógł je przeprowadzać samemu. Nie musi to być wyłącznie po stronie inżyniera mechatronika, ale bez jego wkładu taki dokument raczej nie powstanie.

Podsumowanie

To co chciałbym żebyście wyciągnęli z tego artykułu to:

• Wzrost złożoności systemu zawsze powoduje nowe zachowania emergentne. Jeśli wydaje Ci się inaczej to wróć po początku i ponownie przeanalizuj Twój system. Pomoże ci macierz N2

• Im bardziej złożony jest nasz system tym więcej analiz mamy do przeprowadzenia. Możecie robić rzeczy na czuja, ale nie polecam bo to się mści.

• Te wszystkie analizy, które podałem mogą być czasochłonne, ale nie muszą. Poza analizą metodą elementów skończonych wszystkie inne, przy odrobinie wprawy można wykonać w kilka godzin.