Одним из фундаментальных принципов технического обслуживания является Второй закон термодинамики — энтропия. Согласно этому закону, энтропия Вселенной как изолированной системы всегда возрастает. Без правильного понимания энтропии в контексте современного управления обслуживанием предприятия будут постоянно испытывать трудности в достижении целей в области безопасности, экологии и финансовой эффективности.

Понимание закона деградации и грамотное управление необходимы для максимизации полезного ресурса наших активов. Как бы нам ни хотелось, чтобы оборудование не изнашивалось, оно будет деградировать. Нельзя отменить законы Ньютона, и в вопросах технического обслуживания нельзя игнорировать Второй закон термодинамики.

Жонглирование тарелками

Мы будем использовать более широкое определение термина «техническое обслуживание», охватывающее все виды деятельности по поддержанию функции или полезности наших активов или систем. В этом смысле функция обслуживания заключается в действиях, которые обеспечивают выполнение оборудованием своих задач. Поскольку наши активы непрерывно деградируют под действием энтропии, мы должны постоянно вкладывать энергию в форме технического обслуживания обратно в активы, чтобы сохранить их полезность.

В качестве примера рассмотрим жонглера, раскручивающего тарелку на палочке. Давайте считать системой актива жонглера, палочку и тарелку. Если любой из этих элементов перестанет выполнять свою функцию, система актива перестанет давать желаемый результат. В краткосрочной перспективе мы не ожидаем, что тарелка, палочка или жонглер перестанут работать, но жонглер должен постоянно вкладывать энергию в систему, чтобы тарелка вращалась.

Теперь рассмотрим насосную систему, состоящую из электродвигателя, муфты и насоса. Со временем эти компоненты изнашиваются; вложение энергии технического обслуживания в систему для поддержания работоспособности предотвращает потерю функции, точно так же, как жонглер вкладывает энергию в палочку, а палочка передает энергию тарелке. 

В примере с насосом и жонглером применяются как минимум две формы энергии:

1. Механическая энергия, которую жонглер передает палочке, а палочка тарелке, точно так же, как электродвигатель передает механическую энергию муфте, а муфта насосу.

2. Информационная / управленческая энергия — жонглер принимает решение, когда и когда не вкладывать энергию в систему, чтобы сохранить ее стабильность. То же самое верно для электродвигателя, муфты и насоса.

Мы принимаем решение включить или выключить электропитание, а также решения, связанные со снижением воздействия обычных процессов деградации (время, температура, усталость, напряжения и т.д.). Эта управленческая энергия, которую мы вкладываем в двигатель, муфту и насос в виде процессов технического обслуживания и обеспечения надежности, позволяет системе выполнять свои задачи.

Когда наши активы функционируют должным образом, они находятся на пике вероятности отказа и всегда будут естественным образом деградировать до более стабильного, низкоэнергетического состояния. Самым низкоэнергетическим или наиболее естественным состоянием двигателя, муфты и насоса является сломанное состояние. Именно вложение энергии обслуживания удерживает систему активов в рабочем состоянии. Задача каждого предприятия — определить минимально необходимое количество безопасной энергии обслуживания, которую необходимо вложить в активы до наступления потери функции.

Отказ неизбежен

В рамках функции технического обслуживания существует пересечение Второго закона термодинамики (энергетическая энтропия) и теории информации Клода Шеннона (информационная энтропия). Понимая теорию информационной энтропии Шеннона, мы можем научиться определять необходимую энергию обслуживания.

Второй закон термодинамики гарантирует, что отказ — это не возможность, это неизбежность. При достаточном количестве времени деградация произойдет. Например, подождите достаточно долго и ничего не делайте, и ваша машина сломается.

Здесь вступает в силу понятие информационной энтропии. Насосная система выйдет из строя, но мы не знаем, что сломается первым: двигатель, муфта или насос. Это та информация, которая нам нужна. Это тот информационно-энтропийный прогноз, на который мы должны ответить: какая деталь выйдет из строя следующей? Нам нужно знать, куда вложить энергию обслуживания, чтобы предотвратить потерю функции. Это и есть пересечение энергетической и информационной энтропии.

Чтобы поддерживать работу нашей насосной системы, мы должны определить, что именно вызывает ее поломку. Пока система ломается, но еще не сломалась, ее деградация нарастает. Единственный способ предотвратить потерю функции из-за этой деградации — сначала обнаружить, что деградация происходит, а затем вложить энергию обслуживания для восстановления сопротивляемости системы деградации.

Рассмотрим макро- (система в целом) и микро- (отдельный компонент) состояния. Бесполезно вкладывать энергию обслуживания на макроскопическом уровне; вложение энергии должно быть направлено на микро-состояние. Другими словами, вложение энергии должно быть направлено на причину роста деградации. Например: «Я обнаруживаю дефект дорожки качения подшипника в насосе; следовательно, я вкладываю энергию обслуживания и заменяю подшипник, с минимальным или нулевым воздействием на технологический процесс».

Замена отказывающего подшипника до того, как он отказал — единственный способ избежать потери функции, к которой приведет заклинивание подшипника. Энергия обслуживания вкладывается на микро-уровне (подшипник), который вызовет эту потерю функции.

Техническое обслуживание — не сложная задача, но оно комплексное. Это связано с тем, что все наши машины подвержены случайным отказам. На макроскопическом уровне мы никогда не знаем, когда наши активы начнут выходить из строя. Мы можем знать, что актив сломается, но не когда и почему. Чтобы определить, когда и почему, нам нужно заняться определением микро-состояния в рамках информационной энтропии Шеннона.

Информационная энтропия

В теории Шеннона простейшим определением исхода является бинарное решение, например, подбрасывание монеты. У монеты может быть только два исхода: орел или решка. В области технического обслуживания, для важных активов и оборудования, мы должны выявлять случайно возникающие механизмы отказов на правильном уровне, чтобы свести исход к двум возможностям: либо приближающийся отказ обнаружен, либо он пока не вызывает опасений. Другими словами, оборудование либо ломается, либо нет.

Слияние теории информационной энтропии Шеннона и Второго закона термодинамики является фундаментальным строительным блоком современной практики технического обслуживания. Используя методологию RCM (обслуживание, ориентированное на надежность), мы сводим микроскопическую информационную энтропию к ее низшему возможному состоянию: механизму отказа с бинарным исходом. Теоретически мы преодолели информационную энтропию, определив на уровне микро-состояний, каким активам угрожает приближающийся отказ, а каким  нет. Это позволяет нам преодолеть энергетическую энтропию, точно зная, куда в системе вкладывать энергию обслуживания.

Рисунок 1. P-F кривая

Практическим результатом этого процесса является разработка механизмов отказов и P-F кривая деградации (см. Рис. 1). P-F кривая — это временной горизонт на уровне отдельного механизма отказа, где P — точка обнаружения потенциального отказа (например, момент контроля), а F — точка функционального отказа. Если состояние P требует выполнения корректирующего действия, то интервал до F должен обеспечивать достаточное время для адекватного корректирующего воздействия. Этот временной интервал от P до F формально документируется в ходе анализа RCM, с привлечением экспертов по данному активу, использующих данные, свои знания и опыт относительно того, сколько времени займет прогрессирование до точки F.

Для важного оборудования мы должны разрабатывать механизмы отказов, дающие бинарный исход, чтобы при проверке они либо предсказывали приближающийся отказ, либо нет. При прогнозировании приближающегося отказа скорость деградации, задаваемая P-F кривой, будет постоянной. Если кривая деградации непостоянна, это указывает на одно из двух:

Данные — это не информация

Часто мы охотимся за данными, когда на самом деле нам нужна информация. Без правильного понимания энтропии и ее применения к современному управлению техническим обслуживанием предприятия всегда будут испытывать трудности в достижении целей в области безопасности, экологии и финансовой эффективности. Мы должны понимать закон деградации и грамотно управлять для достижения желаемого результата, чтобы максимизировать полезный ресурс нашего оборудования.

Ключевой шаг — понять на микро-уровне, какой механизм отказа вызывает поломку нашего оборудования. Мы должны идентифицировать этот механизм отказа с такой степенью детализации, чтобы он обеспечивал прогнозирование приближающегося отказа. Если механизм отказа, идентифицированный на должном уровне детализации, не может обеспечить прогнозирование приближающегося отказа, то мы должны разработать планы по смягчению последствий будущих поломок. Эти стратегии смягчения могут включать создание запаса запасных частей, предварительное планирование типовых работ, установку резервного оборудования и т.д.

Мы не можем избежать практического применения законов физики Ньютона. Как бы нам ни хотелось, чтобы оборудование не изнашивалось, в вопросах технического обслуживания мы не можем игнорировать Второй закон термодинамики.