Шрифт:

Стационарная система мониторинга состояния и оперативной диагностики СМД-4. Краткое описание

 

1. Назначение системы СМД-4

 

Система предназначена для непрерывного автоматического контроля различных параметров, мониторинга состояния, оперативной диагностики и краткосрочного прогноза состояния оборудования с узлами вращения.

Контролируемые процессы, используемые при диагностировании:

  • вибрация неподвижных частей оборудования (основной диагностический сигнал),
  • силовой ток электродвигателей (основной диагностический сигнал),
  • частота вращения, температура,
  • другие процессы (по отдельным соглашениям с заказчиком).

Постоянно обновляемая информация о состоянии может использоваться для предупредительной (аварийной) сигнализации и оперативного управления оборудованием.

В дополнение к основному назначению система обеспечивает сбор информации (сигналов и реальной наработки) для раннего обнаружения дефектов с целью долгосрочного прогноза безотказной работы и планирования обслуживания (ремонта) оборудования по фактическому состоянию

  

2. Состав системы  СМД-4

 

Система имеет сетевую структуру и состоит из включенных в измерительную сеть Ethernet идентичных измерительных блоков (БАЭС) и компьютера с программой мониторинга и диагностики (программа ОДА). Все алгоритмы автоматических мониторинга, включая определение и адаптацию пороговых значений, диагностики и прогноза состояния агрегата, определяющие интеллектуальную составляющую системы, реализованы в программе ОДА

 

Количество подключаемых к измерительной сети через сетевые коммутаторы блоков БАЭС практически не ограничено, к каждому блоку может быть подключено до 9 измерительных преобразователей.

Структура стационарной системы мониторинга и оперативной диагностики СМД-4

Рис.1. Структура стационарной системы мониторинга и оперативной диагностики СМД-4.

 

Компьютер с программой ОДА подключается к двум сетям – измерительной и информационной. По информационной сети, к которой подключаются рабочие места, терминалы и устройства сигнализации, пользователям передаются выходные данные системы СМД-4 и осуществляется обмен информацией с рабочими местами специалистов. Количество и назначение рабочих мест определяется при составлении договора на поставку системы.

 

Обеспечена возможность увеличения количества используемых системой СМД-4 сетей для обмена информацией с имеющими сетевой выход средствами измерения параметров рабочих и других процессов (с целью их мониторинга) и имеющими сетевые входы средствами управления объектами мониторинга и диагностики.

 

3. Объекты контроля и диагностики

 

Типовыми объектами контроля и диагностики являются механизмы и агрегаты с узлами вращения, использующие в качестве привода электрическую машину или турбину и работающие при скоростях вращения привода выше 200 об/мин, в том числе:

  • вентиляторы, нагнетатели и компрессоры роторного типа,
  • центробежные, осевые и винтовые насосные агрегаты,
  • электрогенерирующие агрегаты с турбо или электроприводом,
  • механические передачи (зубчатые, ременные, цепные),
  • вращающиеся приводы, в том числе регулируемые, установок различного назначения.

 

Предусмотрена возможность диагностики агрегатов с использованием ограниченной номенклатуры измерительных датчиков, в том числе для диагностики погружных электронасосов по потребляемому току, а также диагностики агрегатов, имеющих до трех (с разными частотами вращения) режимов работы, без встраивания в агрегат датчика оборотов.

 

4. Основные возможности системы СМД-4

 

Контроль и мониторинг вибрации машин и механизмов по действующим стандартам, например, ГОСТ ИСО 10816, требует измерений общего уровня вибрации каждой опоры вращения, как минимум, в двух (а при наличии осевой нагрузки – трех) направлениях. При установке на агрегат всех необходимых датчиков система обеспечивает непрерывные измерения вибрации с обнаружением и анализом трендов. Измерения проводятся от момента начала пуска до полной остановки агрегата с обновлением результатов каждые 1,6 секунды и выводом соответствующих предупреждений на рабочие места и команд на средства сигнализации.

 

Мониторинг состояния агрегатов по вибрации и другим процессам стандартами не регламентирован и выполняется по методикам и другим документам, разрабатываемым производителями агрегатов, эксплуатирующими организациями или разработчиками систем мониторинга (диагностики). Предлагаемая система мониторинга состояния вращающегося оборудования выполняет мониторинг его состояния по мощности всех составляющих вибрации в звуковом диапазоне частот с разделением сигнала вибрации на три основные компоненты - периодическую, случайную и импульсные. В свою очередь, и весь сигнал вибрации, и каждая его компонента, анализируется дополнительно. Для всего сигнала формируется третьоктавный спектр (частотный диапазон 5Гц – 10кГц), для периодической компоненты – узкополосный спектр (0,5Гц – 10кГц), для случайной компоненты – октавный спектр (125Гц – 10кГц), а для импульсной компоненты на частотах выше 8кГц определяется СКЗ и пиковые значения.

 

Результаты анализа разных компонент вибрации обеспечивают получение нескольких независимых оценок состояния, что дает возможность сократить количество используемых датчиков вибрации, как минимум, в 2 раза с одновременным ростом достоверности обнаружения опасных изменений состояния.

 

Дополнительно к вибрации дополнительный мониторинг состояния может вестись по контролируемым параметрам других процессов. Так, для мониторинга состояния по току могут использоваться параметры нескольких составляющих (амплитуда, частота) узкополосного спектра силового тока или тока возбуждения электрической машины, если установлена связь этих параметров с состоянием электрической машины или агрегата в целом. Для мониторинга состояния по температуре в конкретной точке ее контроля и другим медленно изменяющимся процессам могут использоваться два параметра – величина и скорость ее изменения. Всего для каждого контролируемого параметра может использоваться до четырех порогов, а именно порог «пуск», порог «предупреждение», порог «опасность» и порог «останов».

 

Для решения основной проблемы мониторинга состояния – определения и адаптации пороговых значений для всех контролируемых параметров в системе используются алгоритмы самообучения с учетом обнаруживаемых трендов этих параметров, как в сторону ухудшения состояния (при появлении неисправности), так и в сторону улучшения состояния (при приработке после обслуживания, ремонта, работы в опасных режимах). Для оптимизации процессов обнаружения трендов с разной постоянной времени используется несколько ступеней последовательно – параллельной обработки и накопления данных. Решение об изменении состояния принимается автоматически после подтверждения факта превышения соответствующих порогов в трех последовательно выполняемых измерениях. Время обнаружения скачкообразного изменения состояния не превышает 5 секунд.

 

При регистрации новых изменений состояния объекта мониторинга (событиях) и периодически производится запись измеряемых сигналов в энергонезависимую память измерительных блоков, захватывающих отрезок времени до события, момент его регистрации и отрезок времени после события. Записанные сигналы могут быть использованы для диагностирования, в том числе глубокого, с поиском зарождающихся дефектов, в том числе с использованием дополнительных программ глубокой диагностики.

 

Диагностика состояния агрегатов по вибрации и другим процессам также не регламентирована стандартами и проводится в соответствии с методиками, используемыми разработчиками технических средств и диагностического программного обеспечения. Различают три основных технологии диагностирования агрегатов, в том числе по сигналам вибрации:

  • автоматическое оперативное диагностирование опасных дефектов по результатам непрерывного мониторинга состояния для использования в системах управления,
  • периодическое диагностирование (частично автоматизированное) зарождающихся дефектов с долгосрочным прогнозом безаварийной работы и мониторингом развития дефектов для перехода на обслуживание и ремонт по состоянию,
  • диагностирование дефектов, в том числе причин повышенной вибрации, перед выводом в ремонт (дефектация) и в процессе наладки.

Данная система реализует первую технологию полностью в автоматическом режиме и производит накопление информации для выполнения работ (с привлечением специалистов, в том числе дистанционно) по второй технологии.

 

Оперативное диагностирование агрегата автоматически производится в двух случаях – в момент регистрации изменения состояния по данным непрерывного мониторинга и периодически, не реже 10 раз в сутки. Количество параметров, используемых для диагностирования в каждой точке контроля вибрации агрегата, существенно превышает 100. Списки диагностируемых дефектов и диагностических параметров для разных видов агрегатов приводятся в пользовательской документации. Время, затрачиваемое на постановку автоматического диагноза и прогноза, не превышает 5 секунд. Предусмотрена возможность параллельного диагностирования в ручном режиме с рабочего места специалиста, который позволяет оператору использовать дополнительную информацию, содержащуюся в записываемых измерительными блоками сигналах, для проведения диагностики зарождающихся дефектов по второй технологии диагностирования.

 

Автоматическая диагностика включает в себя идентификацию наиболее вероятного вида развитого дефекта, представляющего опасность для дальнейшей эксплуатации агрегата, и, при использовании датчиков вибрации на каждой опоре вращения, локализацию места возникновения дефекта. При обнаружении развитого дефекта производится оценка остаточного ресурса агрегата по трендам развития диагностических признаков этого дефекта. Полная диагностика проводится для определенного стабильного (по частоте вращения) режима работы агрегата. При диагностировании агрегатов с изменяемой частотой вращения заранее выбирается несколько типовых режимов работы агрегата, в которых производится идентификация дефектов. Текущий режим работы агрегата определяется по частоте вращения, а стабильность работы агрегата в этом режиме – дополнительно по третьоктавным и узкополосным спектрам вибрации. При обнаружении опасных изменений состояния в переходных режимах работы возможна только предварительная идентификация дефекта с последующим уточнением при отказе от решения срочной остановки агрегата, после его выхода на один из выбранных режимов работы.

 

По мере накопления данных в процессе мониторинга могут изменяться как средние значения диагностических параметров, так и пороги для них, в связи с чем может измениться и список обнаруживаемых диагностических признаков дефекта, и наиболее вероятный вид идентифицируемого дефекта. Поэтому диагноз, если неисправность растет не очень быстро, может иметь три последовательных стадии – предварительный, текущий и итоговый. Системные дефекты, возникающие, в частности, из-за ошибок управления агрегатами, идентифицируются по одновременной регистрации изменений состояния группы контролируемых агрегатов. Оценка состояния каждого из агрегатов после аварийной остановки или восстановления номинального режима функционирования осуществляется по трендам «приработки» контролируемых параметров в процессе последующей работы агрегатов.

 

Результаты мониторинга и диагностики группы контролируемых агрегатов выводятся на экран выделенного монитора в виде мнемосхемы их текущих состояний. Имеется возможность вывода на этот экран списка обнаруженных дефектов с указанием времени обнаружения и прогноза их развития, а также рекомендаций обслуживаемому агрегаты персоналу. Дополнительно для включенных в информационную или отдельную управляющую сеть локальных исполнительных устройств, например, реле, токовых выходов и т.п., могут формироваться управляющие воздействия, а для видеотерминалов - более подробная информация по конкретным агрегатам (группам агрегатов) в форме видеокадров. Структура команд для включенных в информационную сеть исполнительных устройств и/или содержание видеоинформации и форма ее представления могут согласовываться с заказчиком.

 

5. Основные характеристики используемых средств измерений

 

Датчики виброускорения и совмещенные датчики температуры

В системе для измерения вибрации используются датчики виброускорения (акселерометры) с изолированным от корпуса пьезокерамическим элементом и стандартным ICP – питанием. Типовой коэффициент преобразования – 100мВ/g с предельной пиковой величиной измеряемого ускорения -50g. Нормируемый частотный диапазон датчика – 0,5 – 10000Гц, для относительных измерений используется частотный диапазон до 20кГц, динамический диапазон – не хуже 110дБ. Диапазон внешних температур – от -40 до +125градусов Цельсия.

При необходимости могут использоваться акселерометры с пъезоэлементом в отдельном корпусе, в частности, для агрегатов, имеющих более высокую температуру в точке контакта датчика с корпусом подшипникового узла.

При необходимости может также использоваться встроенный в один корпус с датчиком вибрации и питающийся от его же источника термоэлемент с рабочим диапазоном температур до 125 градусов Цельсия.

Питание датчиков ускорения (и совмещенных датчиков температуры) осуществляет измерительный блок.

 

Датчики тока

В системе для измерений силового тока в электрической машине могут используются как измерительные трансформаторы с магнитопроводом или без него (катушка Роговского), так и измерители на основе встроенного в магнитопровод датчика Холла. Частотный диапазон измерительного трансформатора переменного тока составляет от 2 до 10000Гц, питание не требуется. В машинах постоянного тока используется измеритель Холла, обеспечивающий измерение и постоянной, и переменных (до 10кГц) составляющих тока, но требующий отдельного источника питания электронной части датчика.

Динамический диапазон датчика тока – не менее 110дБ. Верхняя граница температуры в месте крепления датчика тока (с электроникой) на силовом кабеле машины составляет 125 градусов Цельсия.

Возможна установка датчика тока не на силовой кабель, а на измерительный, если в состав агрегата с электрической машиной входит встроенный измерительный трансформатор.

 

Датчики оборотов

В системе для контроля частоты вращения используются типовые датчики оборотов (частотный диапазон 1-300Гц) с одним импульсом на оборот, формирующие синхронизирующий импульс напряжения любой полярности напряжением 1-30В с передним фронтом длительностью до 10 мкс. Для оптических и вихретоковых датчиков оборотов производства Ассоциации ВАСТ в состав БАЭС включен источник питания.

При использовании для контроля частоты вращения агрегата датчика тока в силовой цепи электрической машины переменного тока необходимо включать в состав датчика формирователь импульсного сигнала.

 

Измерительные блоки (блоки анализа электрических сигналов БАЭС)

Все малогабаритные измерительные блоки (БАЭС) системы одинаковы и взаимозаменяемы, обеспечивают параллельный прием и непрерывный анализ сигналов с 9 датчиков (из них 4 – вибрация или ток). Могут использоваться до 4 акселерометров, до 4 датчиков тока, до 4 датчиков постоянного напряжения (температура и т.п.), 1 датчик оборотов.

В каналах измерения вибрации обеспечивается формирование:

  • уровня виброскорости в полосе частот 10-1000Гц
  • двух узкополосных спектров виброускорения на 6400 полос (до 2 и до 10кГц)
  • одного 1/3 октавного спектра виброускорения в полосе частот 5-10000Гц,
  • СКЗ и ПИК высокочастотной вибрации (выше 8кГц),

В каналах измерения тока обеспечивается формирование двух узкополосных спектров тока на 6400 полос (до 500Гц и до 10кГц), а также определение частот и амплитуд максимальных составляющих до 500Гц и выше 500Гц .

Динамический диапазон измерительных каналов вибрации и тока – не менее 110дБ, частотный диапазон – не менее 20кГц, периодичность обновления результатов измерений – 1,6 секунды.

В канале измерения частоты вращения обеспечивается определение ее текущего значения и скорости изменения.

В четырех вспомогательных каналах обеспечивается измерение постоянной составляющей входного напряжения (диапазон 0 – 3В) и преобразование этого значения в физическую величину (в соответствии с передаваемым в БАЭС коэффициентом преобразования используемого датчика).

Питание используемых во вспомогательных каналах датчиков в составе БАЭС не предусмотрено.

В каждом БАЭС предусмотрена возможность записи отрезков измеряемых сигналов (по внешней команде или периодически) в собственную энергонезависимую память емкостью до 32 гигабайт и возможность съема записанных отрезков во внешний компьютер, подключенный к измерительной сети.

Каждый измерительный канал периодически тестируется, при его отказе соответствующая информация передается в диагностическую программу и отображается на мониторе вместе с результатами мониторинга и оперативной диагностики.

Питание БАЭС осуществляется либо по сети Ethernet, от стандартного источника РоЕ питания, входящего в состав коммутатора (+48В) либо от отдельного источника постоянного напряжения +18В, например, стандартного устройства для зарядки аккумуляторов компьютеров. Потребляемая одним БАЭС мощность не превышает 5 Вт.

 

Альтернативные устройства измерения и анализа сигналов

 

В системе СМД-4 могут использоваться различные виды измерителей вибрации и других процессов, в том числе и цифровые анализаторы сигналов, реализуемые на компьютерах. Так, в программе ОДА предусмотрена возможность работы с программными модулями непрерывного анализа сигналов вибрации и тока для стандартных устройств ввода в компьютер цифровых потоков по стандартным USB и Ethernet протоколам. Эти модули могут устанавливаться как на отдельные компьютеры, так и, при ограниченном количестве измерительных каналов в системе СМД-4, на компьютер с программой мониторинга и диагностики ОДА.

 

Обеспечена возможность приема в программу мониторинга и диагностики результатов измерения параметров других процессов с устройств измерения, не входящих в состав СМД-4. Для этого Ethernet – выходы таких устройств подключаются в основную или дополнительную измерительную сеть системы СМД-4.

 

6. Особенности конструктивного исполнения

 

Сетевое исполнение СМД-4 позволяет строить распределенные системы мониторинга и диагностики вращающегося оборудования с использованием оперативно получаемых результатов как для диспетчерского управления оборудованием, так и для его обслуживания и ремонта. Система позволяет расширять количество и номенклатуру охваченной диагностической сетью оборудования в кратчайшее время, с минимумом затрат и без потерь накопленной информации. При охвате системой группы агрегатов, задействованных в едином технологическом процессе, появляется возможность идентификации системных дефектов по данным параллельного мониторинга и диагностики этих агрегатов.

 

Система состоит из работающих на одну информационную сеть измерительных устройств, каждое из которых обеспечивает мониторинг и диагностику либо одного, либо группы агрегатов. В зависимости от размеров контролируемых агрегатов и количества точек контроля каждое измерительное устройство представляет собой, либо один БАЭС, помещенный в корпус с требуемой степенью защиты, либо несколько БАЭС в одном защитном корпусе.

 

Распределенная система мониторинга и оперативной диагностики с разнесенными в пространстве измерительныими устройствами, объединяемыми измерительной сетью Ethernet

Рис.2. Распределенная система мониторинга и оперативной диагностики с разнесенными в пространстве измерительныими устройствами, объединяемыми измерительной сетью Ethernet

 

Простейшим является корпус с одним БАЭС, к которому присоединено до 9 датчиков. Степень защиты корпуса выбирает пользователь, в зависимости от места его установки. Как правило, такой блок устанавливается непосредственно на агрегат, что позволяет оптимизировать длину используемых кабелей. К блоку подводится сеть Ethernet, по которой подается и питание БАЭС.

При объединении в один корпус нескольких БАЭС в этом же корпусе может размещаться  сетевой коммутатор и отдельный источник питания БАЭС и коммутатора

 

В одном из корпусов может размещаться и компьютер с диагностической программой ОДА. Так, базовая система СМД-4 на 16 точек контроля вибрации и/или тока реализована в одном защитном корпусе, в котором размещены компьютер с программой ОДА, 4 БАЭС, источник питания и сетевой коммутатор. Монитор, отображающий состояние контролируемых агрегатов, может также размещаться в этом же корпусе, но может быть размещен и на удалении от системы, подключаясь к информационной сети Ethernet. При установке системы на удалении от контролируемых агрегатов рекомендуется подключать дачики через распределительные коробки, устанавливаемые в непосредственной близости от точек контроля вибрации (тока), позволяющие оптимизировать длину кабелей с усиленной механической защитой (от датчика до коробки).

 

К базовой системе, кроме входящих в ее состав 16 датчиков вибрации (вместо части датчиков вибрации могут поставляться измерительные трансформаторы тока) и датчика оборотов могут дополнительно подключаться до 3 датчиков оборотов (при охвате системой группы агрегатов) и до 16 датчиков других процессов с выходным сигналом в виде постоянного напряжения 0-3В.

 

СМД-4 относится к классу необслуживаемых систем, в которой все процессы, включая всем измерения и анализ сигналов в любом режиме работы агрегата, постановку диагноза и прогноза, самотестирование, восстановление после перерывов в электропитании и др. полностью автоматизированы. В то же время информация, которую может использовать подготовленный специалист по диагностике для решения дополнительных задач, в частности, более глубокой диагностики или виброналадки агрегата может быть передана по запросам на рабочее место специалиста, подключаемое к выходной (информационной) сети Ethernet.

 

 

Приложения

Приложение1. Структурная схема программы оперативной диагностики агрегатов (ОДА)

 

Структурная схема программы оперативной диагностики агрегатов (ОДА)

 

Приложение 2. Используемые измерительные преобразователи вибрации и тока

 

 

На рисунке последовательно приведены установленные на объекте диагностики датчик виброускорения (акселерометр) общепромышленного назначения, малогабаритные акселерометры, а также акселерометр, рассчитанный на повышенную температуру с вынесенным из корпуса акселерометра предварительным усилителем сигнала.

 

altaltalt

 

На рнсунке последовательно приведены измерительный трансформатор силового тока, измерительный трансформатор для вторичной цепи в высоковольтных электродвигателях, измерительный преобразователь с датчиком Холла (измеритель и переменных, и постоянных составляющих тока) и гибкий измеритель без магнитного сердечника (пояс Роговского).

 

Приложение 3. Блоки анализа электрических сигналов (БАЭС) и с отображением результатов анализа в одном из параллельных измерительных каналов (виброизмерительный канал)

Блоки анализа электрических сигналов (БАЭС)

 

 

Блоки анализа электрических сигналов (БАЭС). Технологическая программа