Шрифт:

Технические средства анализа вибрации

Переработанный пятый раздел учебного пособия «ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА

МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ. АНАЛИЗ ВИБРАЦИИ», 2018 г.

 А.В.БарковН.А.Баркова

1. Общие требования

Общая структура систем измерения и анализа вибрации, будь то технические средства вибрационного контроля, мониторинга или диагностики, включает в себя первичные измерительные преобразователи, согласующие устройства, линии связи, собственно средства анализа, базу данных (в простейшем случае - пороговые устройства) и средства (программы) обработки информации (рис 1).

Структурная схема системы измерения и анализа вибрации

Рис.1. Структурная схема системы измерения и анализа вибрации: ИП – измерительные преобразователи; УС – устройство согласования; АН – анализатор; БД – база данных; СОИ – средства обработки информации

Современные информационные технологии, составной частью которых являются измерения и анализ различных процессов, развиваются в направлении широкого использования цифровой техники. Поэтому в средствах измерения и анализа вибрации аналоговыми устройствами обычно остаются лишь измерительные преобразователи, да и в их состав все чаще включается аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а дальнейшая передача цифровых сигналов в средства анализа (компьютеры) производится как по проводным, так и беспроводным линиям связи.

В зависимости от задач, решаемых с помощью средств измерения и анализа вибрации, к ним предъявляются различные технические требования. Существующие средства можно разделить на несколько классов, а именно:

  • средства допускового контроля и аварийной защиты;
  • средства вибрационного мониторинга и мониторинга состояния по вибрации;
  • средства вибрационной диагностики;
  • исследовательские приборы и системы.

К входу средств измерения и анализа вибрации подключаются измерительные вибропреобразователи, причем чаще других применяются пьезоэлектрические преобразователи виброускорения (акселерометры), оптические (лазерные) преобразователи виброскорости и вихретоковые преобразователи относительного виброперемещения (проксиметры). Кроме них для обеспечения синхронных видов анализа вибрации и отслеживания режимов работы объекта контроля часто используются оптические или вихретоковые датчики оборотов, датчики тока (напряжения) электрических машин. Технические требования к измерительным вибропреобразователям приводятся в литературе [25], необходимость использования и характеристики датчиков оборотов и тока (напряжения) определяются в рамках постановки конкретной задачи.

Для связи вибропреобразователя со средствами анализа используются линии проводной или беспроводной связи и согласующие устройства. В простейшем случае это предварительные усилители сигнала. Так, для пьезоэлектрических акселерометров в зависимости от характеристик линии связи могут использоваться предварительные усилители напряжения, заряда или тока, причем достаточно часто для обеспечения высокой помехоустойчивости средств измерения и анализа вибрации, особенно многоканальных, предварительные усилители встраиваются в один корпус с акселерометром. В более сложных случаях согласующее устройство может выполнять функции предварительной фильтрации сигнала, в том числе антиалайзинговой, коммутации линий связи, преобразования сигнала в цифровую форму, а также ряд других.

Большинство требований предъявляется не к отдельным элементам устройств измерения и анализа вибрации, а к приборам или системам в целом. Чаще всего эти требования могут определять:

  • основные виды анализа и контролируемые параметры вибрации;
  • динамический и частотный диапазоны измерения и анализа;
  • линейность отдельных операций и параметров прибора (системы);
  • скорость выполнения операций анализа и время принятия решений;
  • количество параллельных каналов измерения и анализа;
  • помехоустойчивость и надежность;
  • ресурс и ремонтопригодность.

Собственно анализатор является основой любого средства измерения и анализа вибрации, может представлять собой компьютер с программой анализа сигналов или независимое устройство. В последнем случае к анализатору предъявляются требования по характеристикам входных и выходных сигналов.

2. Простейшие средства измерения и анализа вибрации

Простейшими по глубине анализа техническими средствами являются приборы и системы допускового контроля и аварийной защиты. К их обязательным функциям относится измерение величины (уровня) виброскорости или вибросмещения в стандартной полосе частот, например, от 2 до 1000 Гц или от 10 до 1000 Гц [25], которая должна укладываться в действующие нормы на вибрацию конкретного вида объектов контроля. Уровень вибрации либо определяется по мощности сигнала на выходе широкополосного фильтра, либо рассчитывается по результатам измерения спектра сигнала. При цифровой обработке сигнала в первом случае используется широкополосный FIR-фильтр со стандартной амплитудно-частотной характеристикой. Тогда время реакции измерителя на скачок вибрации контролируемого оборудования обратно пропорционально нижней граничной частоте фильтра и составляет для фильтра 10-1000Гц около 0,5 сек. При определении уровня вибрации по ее спектру время реакции обратно пропорционально ширине полосы спектра и составляет около 1,5 секунды при типовой ширине полосы в 2Гц.

Нормы на вибрацию в общем случае определяются для установившегося режима работы контролируемого оборудования, и основная ошибка использования средств аварийной сигнализации и защиты - ложные тревоги при неточной информации о текущем режиме работы, когда причиной регистрируемого роста вибрации может быть кратковременное изменение режима работы, а не обнаружение дефекта. Типовой рекомендацией для такого случая является проведение нескольких (обычно трех) последовательных измерений вибрации и сравнение полученных данных между собой и с нормами.

Пользователи переносных средств вибрационного контроля для оборудования, имеющего один режим длительной эксплуатации так и делают, а при контроле вибрации многорежимных машин используют дополнительные способы контроля текущего режима, например, с помощью датчиков оборотов, стробоскопов и т.п. На рис.2. приведен вид простейшего прибора (виброметра СМ-21) для допускового контроля вибрации производства Ассоциации «ВАСТ».

Виброметр СМ-21

Рис.2. Виброметр СМ-21 для допускового контроля вибрации в стандартных полосах частот, прослушивания вибрации в звуковом диапазоне частот и обнаружения ударных импульсов в высокочастотной вибрации.

Виброметр также снабжен датчиком теплового излучения для бесконтактного контроля температуры и датчиком частоты вращения ротора для контроля режима работы многоскоростных машин.

В системах аварийной защиты опасно вводить задержки на принятие решений по группе последовательных измерений вибрации для снижения вероятности ложной тревоги, так как при появлении дефектов, влияющих на вибрацию в стандартной полосе частот только в конечной стадии развития, защита срабатывает слишком поздно. Поэтому в современных системах аварийной защиты или сигнализации по вибрации все чаще проводится параллельный контроль вибрации в стандартной полосе и в дополнительных полосах на более высоких частотах, где независимые измерения могут проводиться гораздо чаще. Соответственно, задача повышения помехоустойчивости аварийной сигнализации за счет принятия решения по группе последовательных измерений вибрации в значительной степени перекладывается на измерения в этих полосах частот. Так, на рис.3 приведена простейшая 4х-канальная система аварийной сигнализации высокой помехоустойчивости по вибрации объекта сразу в нескольких диапазонах частот. Это нижний уровень технических средств из серии стационарных систем мониторинга и диагностики СМД-4, производимых Ассоциацией ВАСТ.

 Cтационарная система аварийной сигнализации СМД-4С повышенной помехоустойчивости

Рис. 3. Простейшая стационарная система аварийной сигнализации СМД-4С повышенной помехоустойчивости. Один из входов системы предназначен для подключения датчика оборотов или датчика тока для контроля режима работы объекта. Выходы системы – реле управления сигнализацией и сеть Ethernet для анализа накапливаемой информации.

Существуют, кроме базовой системы СМД-4С без элементов индикации результатов контроля на месте, несколько модификаций системы, отличающихся числом измерительных каналов и способом визуализации информации на месте ее установки – светодиоды на корпусе, встраиваемый в корпус монитор или внешнее устройство (планшет, смартфон), работающие через USB порт или по Wi-Fi.

Основной проблемой создания систем аварийной сигнализации повышенной помехоустойчивости является определение порогов состояния по параметрам, используемым дополнительно к уровню вибрации в стандартной полосе частот. Стандартов по таким порогам нет, и они должны определяться путем самообучения системы сигнализации в процессе накопления результатов периодических измерений вибрации контролируемого объекта. А для этого система должна иметь собственную базу данных для накопления измерений и программу их обработки, т.е. переходить в класс систем мониторинга вибрации или состояния объекта.

3. Средства мониторинга вибрации и состояния

Одним из естественных направлений развития средств контроля вибрации является переход к решению задач мониторинга параметров вибрации, т.е. накопления результатов измерений за длительное время с анализом тенденций их изменения во времени. Подобное изменение может быть быстрым (скачек параметра) или монотонным однонаправленным (тренд параметра), однократным и многократным. При монотонных изменениях параметра возможен прогноз его развития, но длительность прогноза не должна быть больше половины интервала, на котором выделяется обнаруживаемый тренд.

Мониторинг группы параметров вибрации, изменения которых связаны с изменением состояния (ростом дефекта) – это уже мониторинг состояния объекта по его вибрации, а простейшее стационарное средство мониторинга состояния – система СМД-4М, которая рассмотрена ранее на примере системы аварийной сигнализации, рис.3.

Систему мониторинга состояния можно формировать на базе переносного средства измерения и анализа вибрации и других процессов. Для этого необходимо решить три задачи – сформировать список параметров, отвечающих за состояние объекта мониторинга, выбрать оптимальное средство их измерения и сформировать базу данных, в каждой ячейке которой сохранять данные периодических измерений конкретного параметра в конкретной точке измерений. Простейшая система мониторинга состояния вращающегося оборудования по вибрации его опор вращения приведена на рис. 4.

Портативная система мониторинга состояния СМС-21

Рис.4.Портативная система мониторинга состояния СМС-21 (виброметр ВТ-21 + программа Вибро-21) производства Ассоциации ВАСТ. Измерения проводятся по маршрутам, формируемым программой, типовая периодичность 10-15суток.

Основной целью такой системы является своевременное (задолго до возможного отказа) обнаружение изменений состояния оборудования, происходящих в результате износа и старения, без детализации вида дефекта. Такая постановка задачи позволяет отказаться от измерения и анализа узкополосных спектров вибрации, т.е. от участия специалистов в постановке диагноза. Это позволяет упростить и удешевить систему без снижения достоверности оценки состояния, получаемой за счет контроля широкополосного спектра вибрации, а также обнаружения высокочастотных импульсов вибрации ударного происхождения и, при необходимости, контроля температуры отдельных узлов оборудования.

Технические характеристики виброметра ВТ-21:

Типы преобразователей: акселерометр, пирометр, датчик оборотов

Измеряемые величины: виброперемещение, виброскорость, виброускорение, температура, частота вращения

Частотный диапазон: 0,5-25600 Гц

Максимальная неравномерность АЧХ: +/- 5 %

Частотные полосы измеряемой вибрации По ГОСТ ИСО 10816-3-2002: 2-1000, 10-1000, 10-2000, 10-5000 Гц

Спектральный 1/3 октавный анализ виброускорения в частотном диапазоне 2Гц- 25кГц

Анализ пиковой вибрации на высоких частотах в полосах 6,4-25кГц, 10-25кГц, 15-25кГц

Диапазоны измерения СКЗ:

  • виброускорение: от 0,1 до 1000 м/с2
  • виброскорость: от 0,1 до 1000 мм/с
  • виброперемещение: от 1,0 до 10000 мкм

Вывод сигнала вибрации на наушники

Измерение температуры: от -40°С до +350°С, погрешность +/-4°С

Оптический датчик оборотов: от 120 до 39000 об/м, погрешность+/-1%, расстояние до объекта -до 200мм

Порт для обмена данных: USB

Хранение данных более 10000 результатов измерений, в том числе до 1000 спектров

Степень защищенности: IP65

Диапазон рабочих температур: 20/+50°С

Относительная влажность: 90 %

Масса: 200 г, Размеры: 133 х 76 х 26 мм

Время работы от аккумулятора: 12 часов

 Система мониторинга состояния рассчитана также и на оценку последствий ошибок обслуживания и управления объектами мониторинга по трендам изменения состояния после пуска (или после ликвидации ошибок управления), но необходимо существенно сокращать интервалы между измерениями

Пороги на все контролируемые параметры могут устанавливаться вручную или автоматически, после набора минимально необходимого числа либо периодических измерений (пороги по истории), либо измерений нескольких одинаковых агрегатов (пороги по группе)

Практически все средства контроля состояния, включая СМС-21, используют хотя бы один из методов обнаружения высокочастотной импульсной вибрации ударного происхождения для контроля состояния подшипников качения. Качество современных цифровых приборов позволяет получать практически одинаковые результаты как при использовании датчиков ультразвукового диапазона частот, так и используемых в составе продукции Ассоциации ВАСТ типовых акселерометров с собственным резонансом от 25кГц и выше.

Следующей ступенью в развитии систем мониторинга состояния вращающегося оборудования по вибрации можно считать выпуск многоканальной мобильной системы, приведенной на рис.5. Она может использоваться как в режиме переносной системы мониторинга или стендовой системы контроля вибрации и состояния, так и стационарной системы мониторинга, в том числе с расширением до системы диагностики.

Мобильная система мониторинга состояния СМД-4М

Рис.5.Мобильная система мониторинга состояния СМД-4М производства Ассоциации ВАСТ. Состоит из трех основных частей – встроенного в один корпус блока измерения и анализа сигналов (БИАС) и компьютера (СМД-сервера) для автоматического управления, обработки и хранения данных, а также внешнего компьютера (планшета или ноутбука) для конфигурирования системы и визуализации результатов

Использование базового варианта системы не предполагает знания детальных характеристик объекта, так как автоматический мониторинг проводится по широкополосным спектрам вибрации и форме ее импульсных составляющих, а пороги автоматически выставляются в режиме самообучения системы. Необходимо только определиться с признаками тех режимов работы объекта, на которых будет производиться мониторинг состояния.

В то же время для специалиста предусмотрены широкие возможности проведения разных видов анализа сигналов, в том числе узкополосных спектров вибрации и ее огибающей, накопления результатов измерений и автоматического построения порогов на выделяемые параметры вибрации. Но для этого в программе мониторинга необходимо сформировать количественное описание технических характеристик объекта.

Дополнительно с системой мониторинга для конкретных видов агрегатов и конкретных видов анализа их вибрации могут поставляться модули диагностики – автоматической идентификации наиболее вероятного вида и места появления дефектов, являющихся причиной обнаруживаемого изменения состояния.

Технические характеристики СМД-4М:

Блок измерения и анализа сигналов БИАС

16 параллельных аналоговых входа, 4 входа для импульсов с датчика оборотов

Типы преобразователей: акселерометры, микрофоны, гидрофоны, измерительные трансформаторы тока, датчики оборотов

Частотный диапазон: 0,5 – 51200 Гц, динамический диапазон: не хуже 100дБ

Диапазон входного напряжения: ± 5В,

Неравномерность частотной характеристики: не более 3% в полосе 2 Гц - 10 кГц, во всем диапазоне – не более 7%.

Измеряемые сигналы: вибрация, ток, давление, частота вращения

Интервал обновления данных измерений: от 0,125с, задается пользователем

Одновременно во всех каналах в режиме онлайн до 12 видов онлайн анализа сигналов, из следующего списка:

  • общие уровни вибрации в полосах частот по ГОСТам: 2-1000, 10-1000, 10-2000Гц и дополнительных, от 0,7Гц, в диапазонах СКЗ-виброускорения 0,1-3400м/сс, виброскорости 0,1-6000мм/с, виброперемещения 0,5-5000мкм
  • форма сигнала или форма огибающей в 1/3 октавных полосах частот от 400 Гц и в более широких полосах частот:
  • 25-400Гц, 400-1600Гц, 1600-6400Гц, 6400- 25600Гц и 25600Гц – 51200Гц.
  • узкополосные спектры и спектры огибающей с количеством полос до 25600, частотным разрешением от 0,001Гц и граничными частотами от 25Гц
  • широкополосные 1/3 октавные спектры от 0,63Гц до 25кГц
  • пространственные характеристики (амплитуды и фазы, АЧХ и ФЧХ)
  • частота вращения (до 4 каналов измерения)

Порт для обмена данными с СМД-сервером: USB, Ethernet

Степень защищенности: IP54, диапазон рабочих температур: от-20 до +50С

Программа мониторинга вибрации и состояния – три опции

Первая опция

Мониторинг по широкополосным измерениям, не требует знания технических характеристик объекта

Основа мониторинга – фильтры с оценкой СКЗ и формы импульсов, третьоктавный спектр 0,7Гц- 25кГц

Параллельное на разных интервалах времени накопление данных для автоматического построения порогов

Непрерывный и параллельный для разных точек контроля и разных скоростей развития контроль состояния

Краткосрочный прогноз состояния по обнаруживаемым трендам его ухудшения или восстановления

Возможность измерения, обработки и накопления узкополосных спектров вибрации и огибающей ее компонент периодически и по событиям

Связь с внешней программой визуализации данных (АРМ оператора) по Ethernet, в том числе, Wi-Fi

Возможно удаленное управление измерениями из внешней программы управления

Вторая, дополнительная опция

Мониторинг состояния по узкополосным спектрам, требует описания технических характеристик объекта

Основа мониторинга – дополнительные узкополосные спектры вибрации и тока, спектры огибающей вибрации

Расширенная база данных программы мониторинга

Модуль описания объекта с определением признаков состояния (частот информативных составляющих вибрации и тока)

Модуль автоматического построения порогов для идентифицируемых составляющих узкополосных спектров

Модуль идентификации текущего режима объекта мониторинга по спектрам вибрации и тока

Модуль сводной оценки состояния объекта по широкополосным измерениям и узкополосным спектрам

Третья опция

Оперативная диагностика агрегата с узлами вращения, требует отработанного под объект модуля диагностики

Основа диагностики – идентификация вида и степени опасности дефекта при фиксируемом изменении состояния

Отработанные для конкретных модификаций разных видов агрегатов диагностические модули

Обязательные условия:

  • наличие у разработчика СМД-4 диагностического модуля для конкретной модификации агрегата,
  • количество датчиков и точек контроля вибрации и тока, используемые в СМД-4, соответствует рекомендациям для конкретного модуля.

 

4. Средства диагностики вращающегося оборудования

Основной задачей диагностики подверженного износу и старению объекта является  прогноз его состояния, а при появлении  развивающихся дефектов – оценка остаточного ресурса. Для решения этой задачи необходимо обнаруживать, определять и вид, и величину каждого из типовых дефектов и учитывать в прогнозе состояния скорости развития разных видов дефектов, отличающиеся в десятки раз. А при изменении состояния объекта из-за ошибок управления и обслуживания – своевременно обнаруживать ошибки и оценивать их последствия после ликвидации.

Диагностика вращающегося оборудования с разной глубиной и достоверностью доступна при использовании любого из рассмотренных средств измерения и анализа вибрации. Однако с переносными одноканальными (двухканальными) приборами ее можно проводить на установившихся режимах работы оборудования, а с многоканальными – в любых режимах работы, в том числе и наиболее аварийно-опасных – пусковых.

Работы по диагностированию обычно выполняет подготовленный специалист (эксперт), используя известные и доступные для измерения используемыми средствами анализа диагностические признаки дефектов и определяя пороги состояния по статистике результатов измерений, собираемой в процессе эксплуатации диагностируемых объектов. Если объект один, пороги его состояния определяются по «истории» измерений, если под контролем находится группа идентичных объектов, возможно построение «групповых» порогов, и тогда диагностирование каждого объекта может выполняться по однократным измерениям его вибрации.

При использовании автоматизированных средств диагностики эксперта можно заменить диагностическим программным обеспечением и участием в измерениях и контроле ошибок оператора с минимальной специализированной подготовкой. При использовании стационарных систем автоматической диагностики можно полностью отказаться от участия человека в процессах постановки диагноза и прогноза, используя их результаты для оперативного управления агрегатами и планирования обслуживания по фактическому состоянию.

Периодическое диагностирование вращающегося оборудования по его вибрации с использованием переносных систем эффективно в том случае, если все потенциально опасные дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития, задолго до возникновения предаварийной ситуации. Для этого иногда приходится увеличивать количество точек контроля вибрации, выбирая их как можно ближе к диагностируемому узлу и используя признаки дефектов, проявляющиеся преимущественно в высокочастотной вибрации этого узла. А для отстройки от влияния текущего режима работы узла и внешних условий на контролируемую вибрацию проводить ее измерения только в одном режиме работы, после выхода объекта на этот режим и окончания переходных процессов.  

В системах непрерывного контроля состояния идентификация вида каждого дефекта нужна для практического определения скорости его развития с последующим прогнозом остаточного ресурса объекта диагностики. С учетом этого и создаются мобильные и стационарные средства диагностики вращающегося оборудования по вибрации и другим видам сигналов, прежде всего, по току электродвигателей. Обязательной составной частью таких систем являются устройства и программы контроля текущего режима работы объекта диагностики.

Таким образом, переносная и стационарная системы диагностики решают разные задачи прогноза состояния. От переносной системы требуется оценка вероятности отсутствия опасных дефектов в диагностируемом узле агрегата по данным измерения и анализа вибрации в конкретной точке, а по результатам этой оценки определяется минимальное время безопасной эксплуатации диагностируемого узла, которое для непрерывно работающих объектов может доходить до трех месяцев. При появлении потенциально опасного дефекта в этом узле либо время прогноза снижается, либо выдается рекомендация по устранению дефекта. По истечению прогнозируемого времени безопасной эксплуатации требуется повторная диагностика

Требования к стационарной системе диагностики гораздо шире. Во-первых, необходимо с более высокой достоверностью определять вид каждого из развивающегося дефектов во всех узлах агрегата и скорость его развития, в противном случае невозможно оценить остаточный ресурс до отказа. Во-вторых, необходимо обнаруживать и прогнозировать изменения состояния, не связанные с развитием конкретного вида дефекта, а являющего следствием ошибок обслуживания или управления агрегатом. Наконец, скорость постановки диагноза после обнаружения изменения состояния объекта должна быть минимальной, чтобы использовать результаты диагностирования для управления агрегатом

Переносная система диагностики           

Типовая переносная система диагностики производства Ассоциации ВАСТ приведена на рис.6. Она включает в себя виброанализатор – сборщик данных серии СД и компьютер с программой диагностики DREAM.

Переносная система вибрационной диагностики вращающегося оборудования

Рис. 6. Переносная система вибрационной диагностики вращающегося оборудования. Состоит из виброанализатора СД и компьютера с программой автоматизированной диагностики DREAM

Первые из таких систем были выпущены в средине 90-х годов прошлого века. В настоящее время поставляется уже пятая версия системы (CД-23 и DREAM-5). Виброанализатор СД-23 приведен на рис. 7.

Двухканальный виброанализатор СД-23

Рис.7. Двухканальный виброанализатор СД-23

Технические характеристики виброанализатора СД-23:

2 параллельных аналоговых входа, один вход сигнала с датчика оборотов

Типы преобразователей: акселерометры, проксиметры, микрофоны, токоизмерительные клещи, датчик оборотов

Частотный диапазон: 0,5 – 51200 Гц, динамический диапазон: не хуже 100дБ

Диапазон входного напряжения: ± 5В,

Измеряемые величины: виброперемещение, виброскорость, виброускорение, ток, давление, частота вращения

Общие уровни вибрации в полосах частот по ГОСТам: 2..1000, 10..1000, 10..2000Гц и дополнительных

Диапазоны измерения СКЗ:

  • виброускорения: 0,1-3400м/сс,
  • виброскорость:  0,1-6000мм/с,
  • виброперемещение: 0,5- 5000мкм

Измерение формы сигнала

Измерение узкополосных спектров, спектров огибающей и взаимных спектров

Измерение широкополосных (дольоктавных) спектров

Граничные частоты спектров сигнала: 25- 51200Гц

Число полос в узкополосных спектрах: 400- 51200

Детектор огибающий на выходе полосовых фильтров 1/3 октавных: 800–20000Гц 1/1 октавные: 50-16000Гц

Порт для обмена данных: USB, Ethernet

Степень защищенности: IP65 (пыле-влагозащищенное)

Диапазон рабочих температур: -20/+50С

Масса прибора без датчиков: 1кг

Размеры: 143 х 194 х 39мм

Время работы от аккумулятора: не менее 8часов

Прикладные программы:

Балансировка роторов, Удар, Разгон/выбег

Составные части программы DREAM

Модуль описания объектов диагностирования

Модули формирования заданий на измерения под конкретные типы виброанализаторов

Модуль определения пороговых значений

Модули диагностики различных узлов вращения

СУБД и собственно база данных

Модуль визуализации результатов и составления отчетов

Модуль графического анализа для экспертной диагностики

Диагностируемое оборудование конфигурируется в виде многоуровнего дерева с поузловым описанием объекта диагностики.

В маршрут для выполнения измерений включаются все необходимые для диагностики обязательные измерения, а также дополнительные (пользовательские), заказываемые при конфигурировании объекта диагностирования.

Программа выполняет независимое диагностирование большой группы узлов, указываемых в документации на поставку программы. К ним относятся подшипники качения и скольжения роторной машины и подшипники качения и скольжения механических передач (разные диагностические признаки), элементы механических передач (ремни, цепи, шкивы, шестерни вместе с зацеплениями) рабочие колеса вентиляторов, насосов и турбин (совместно с неподвижными элементами, формирующими поток), электромагнитные системы электрических машин (асинхронных, синхронных и постоянного тока)

Пороги слабых, средних и сильных дефектов формируются автоматически либо по группе одинаковых объектов (при наличии результатов измерений вибрации более трех объектов) и по истории измерений (при наличии более трех измерений, выполненных не чаще, чем через 15дней)

Состояние машины оценивается как худшее из состояний продиагностированных узлов этой машины, определяется наиболее вероятный вид дефекта.

Стационарная система мониторинга и диагностики

Схема типовой стационарной система мониторинга и диагностики агрегатов с узлами вращения приведена на рис.8. Модульная стационарная, система СМД-4 производства Ассоциации ВАСТ, как и мобильная система мониторинга СМД-4М (рис 5) состоит из трех частей разного назначения. Это блоки измерения и анализа сигналов (БИАС), СМД-серверы с программами приема, обработки и хранения данных и внешние компьютеры с программами визуализации и внешнего управления. Однако в отличие от мобильной системы количество каждой из частей в стационарной системе может быть более одной. Кроме того, стационарная система комплектуется программой автоматической диагностики того агрегата, под который она заказывается у производителя. А при необходимости на начальном этапе работы системы, кроме ее самообучения, производится  адаптация модуля диагностики к конкретному агрегату с участием разработчиков

Схема стационарной системы мониторинга состояния и диагностики вращающегося оборудования СМД-4 с группой параллельно работающих блоков БИАС

Рис.8. Схема стационарной системы мониторинга состояния и диагностики вращающегося оборудования СМД-4 с группой параллельно работающих блоков БИАС

В такую систему можно объединить группу блоков аварийной сигнализации СМС (см рис. 3), заменив его программное обеспечение на встраиваемое в БИАС, объединив все СМС общей измерительной сетью Ethernet с СМД-сервером и подключив к серверу через вторую информационную сеть один или несколько компьютеров с программами визуализации результатов. При этом можно сохранить и время срабатывания аварийной сигнализации на уровне 0,5сек, и повышенную помехоустойчивость аварийной защиты, добавив регистрацию событий, сопровождающихся сменой состояния объекта, а также модуль оперативной диагностики по событиям и периодически с прогнозом состояния по ее результатам.

За работу СМД-4 в режиме мониторинга отвечает модуль мониторинга, описание которого приведено в разделе 5.3.

За работу в режиме оперативной диагностики отвечает модуль диагностики, который выполняет весь цикл операций диагностирования после обнаружения модулем мониторинга изменений состояния агрегата (после события), а также периодически на выбранных режимах работы с задаваемым минимальным интервалом между циклами диагностики. Типовой интервал – 5-10 минут.

Базовые модули диагностики формируются для конкретных типов машин и механизмов при условии постоянного контроля вибрации на всех опорах вращения. Он обеспечивает обнаружение типовых дефектов по их диагностическим признакам, которые могут различаться для одних и тех же дефектов в разных типах машин и оборудования.

Диагностическими параметрами в сигнале вибрации, по которым обнаруживаются эти признаки, являются уровни составляющих широкополосных спектров вибрации, форма и частота появления импульсных составляющих ударного происхождения в разных полосах частот, а также уровни составляющих узкополосных спектров вибрации или ее огибающей и форма колебаний агрегата на разных частотах.

В модуль оперативной диагностики конкретного агрегата для каждой точки контроля закладывается матрица диагностических параметров, значимых хотя бы для одного из типовых дефектов, и по совокупности превысивших адаптируемые пороги параметров определяется вид и текущая величина дефекта. Для повышения достоверности результата используются все независимые и доступные для измерения в выбранных точках контроля признаки каждого из дефектов. При недостаточном количестве признаков для идентификации вида дефекта обнаруженное изменение состояния считается неидентифицированным. Такие события иногда возникают при развитии дефектов, внесенных в результате ошибок управления агрегатом или его обслуживания.

При необходимости использовать для диагностики конкретного агрегата параметры других процессов, в частности, тока его электродвигателя или температуры отдельных узлов агрегата. под используемую совокупность  датчиков и диагностических параметров формируется соответствующая модификация диагностического модуля.

Распределенная система мониторинга и диагностики СМД-4 собирается из элементов, приведенных на рис.9.

Основные элементы системы СМД-4 – датчики, блоки БИАС и внешние компьютеры с программами настройки системы

Рис.9. Основные элементы системы СМД-4 – датчики, блоки БИАС и внешние компьютеры с программами настройки системы (конфигуратор), визуализации данных (АРМ оператора) и, при необходимости, внешнего управления и анализа данных (АРМ диагноста). Промышленный компьютер с программой «СДМ-сервер» на рисунке не приводится

После адаптации к конкретному объекту диагностики СМД-4 работает в автоматическом режиме и не требует обслуживания.

Результаты работы системы выводятся на монитор с помощью программы АРМ оператора. Типовая форма представления результатов приведена на рис. 10.

 Окно индикаторов состояния стационарной системы мониторинга и диагностики СМД-4

Рис. 10. Окно индикаторов состояния стационарной системы мониторинга и диагностики СМД-4. Простыми индикаторами отображается техническое состояние агрегатов в целом и их узлов, детальными индикаторами – вибрационное состояние

 

Технические характеристики других составных частей СМД-4:

Блок измерения и анализа БИАС – характеристики приведены при описании мобильной СМД-4М

СМД-сервер -конструктивно реализован на отдельном компьютере

Операционная система: ОС Windows 7-10, Linux (Ubuntu, Mate, Lubuntu) версии 16.04, Armbian (для ARM компьютеров)

Подключается к двум сетям:

  • измерительная сеть для связи с блоками БИАС и другими внешними измерителями различных параметров, используемыми для мониторинга состояния и диагностики
  • информационная сеть для конфигурирования системы и связи с компьютерами АРМ оператора (визуализация данных и результатов) и, при необходимости, с компьютером АРМ диагноста (конфигурирование системы, управление измерениями и ручной анализ данных)

Возможно подключение СМД-сервера к третьей, управляющей сети, в том числе и промышленной

СУБД - PostgreSQL (возможно использование SQLite)

База данных - нет ограничений на максимальный размер

Модуль связи - Обеспечивает управление измерительными каналами в каждом блоке БИАС, контроль режима работы объекта, прием, сортировку и первичный анализ данных измерений, обмен данными с модулями мониторинга и диагностики

Дополнительные возможности - автоматическое определение и адаптация порогов состояния, запись событий, доступность проведения удаленной экспертной диагностики.

Систему СМД-4 с небольшим количеством измерительных каналов можно разместить в одном монтажном шкафу, а при большом количестве каналов разнести шкафы с отдельными  или группами блоков БИАС по разным агрегатам и помещениям.

При необходимости можно запустить мобильную систему мониторинга состояния в стационарном режиме диагностики, добавив в СМД-сервер соответствующий диагностический модуль.

5. Многоканальные анализаторы для исследования вибрации

Измерения и анализ вибрации машин и оборудования необходимы не только для выполнения конкретных работ по вибрационному контролю, по мониторингу параметров вибрации и состояния или по диагностике причин изменения состояния. Достаточно часто требуется проводить виброобследовние объектов разной сложности для решения других задач, таких как поиск источников вибрации, анализ собственных колебаний механических объектов и конструкций, вибрационное сопровождение работ по наладке оборудования, и других.

Для выполнения такого рода работ необходим многоканальный анализатор вибрации, тока и других широкополосных сигналов, проводящий синхронные измерения всех принимаемых сигналов, их запись в память и последующий анализ записанных сигналов в выбранные моменты времени и по выбранным алгоритмам.

Такие анализаторы выпускаются более десятка лет, однако современное состояние цифровой измерительной и вычислительной техники позволяет вывести технологии многоканального анализа сигналов, и не только вибрации, в частотном диапазоне до 100кГц, на новый уровень, обеспечивая десятки видов анализа в режиме онлайн, выполняемых параллельно для сигналов, синхронно измеряемых в разных точках контроля.

Ограничения возникают только на этапе визуализации и восприятия человеком всей параллельно получаемой информации, но и эта задача может решаться автоматически, путем запоминания в базе данных всей информации и использования алгоритмов автоматического обобщения запомненной информации для представления ее оператору в доступном для освоения в онлайн режиме. Простейшим из алгоритмов такого обобщения является вывод на экран монитора не всех результатов измерения уровня вибрации в большой группе точек, а максимального с указанием номера точки.

Простейшим из онлайн анализаторов нового поколения можно считать четырехканальный виртуальный анализатор ВАС производства Ассоциации ВАСТ, приведенный на рис.11.

 Четырехканальный виртуальный анализатор сигналов ВАС

Рис.11. Четырехканальный виртуальный анализатор сигналов ВАС производства Ассоциации ВАСТ. Включает в себя 4 датчика виброускорения, датчик оборотов, модуль преобразования аналоговых сигналов в цифровой поток (МЦП) и компьютер с программным обеспечением для онлайн анализа.

 В результате исследований типовых требований заказчиков анализаторов вибрации из разных отраслей промышленности были составлены основные требования к многоканальному анализатору и выполняемым им видам параллельного анализа:

Требования к анализатору:

1.      Количество каналов – не менее четырех.

2.      Используемые датчики – вибрация, ток (напряжение), частота вращения

3.      Диапазон напряжений на входе МЦП до ± 5В

4.      Частотный диапазон измеряемых сигналов:

  • вибрация: 0,5Гц – 50кГц
  • ток (напряжение): 0-10000Гц
  • частота вращения: 1 -20000об/мин

5.      Динамический диапазон измерений – 100-120дБ

6.      Нелинейность – не более минус 80дБ

7.      Взаимовлияние каналов: - не более минус 90дБ.

Требования к видам параллельного анализа сигналов:

1.      Виды анализа и коэффициент преобразования устанавливаются независимо для каждого канала (исключая канал измерения частоты вращения)

2.      Величина виброскорости и виброперемещения в стандартной полосе частот

3.      Параллельная фильтрация перекрывающимися по частоте полосовыми фильтрами с построением огибающей выделенных компонент

4.      Широкополосный (третьоктавный) и узкополосный спектральный анализ

5.      Узкополосный спектральный анализ огибающей вибрации

6.      Анализ формы колебаний на разных частотах (амплитудно-фазовый и взаимный спектральный анализ)

7.      Анализ собственных колебаний (спектры и затухание)

8.      Анализ совокупной по всем (или группе) каналов мощности вибрации объекта в целом на разных частотах

Практически все указанные виды анализа проводятся в простейшем анализаторе параллельно и в режиме онлайн. Отображение результатов анализа выводится в графические окна, одна часть из которых может показываться одновременно  на экране монитора, другая часть скрыта в закладках и выводится на экран путем перехода к соответствующей закладке

Анализатор позволяет записывать в соответствующие файлы программы первичные сигналы и результаты из непрерывного анализа, обновляемого от 8 раз в секунду. Команды начала и окончания записи вводятся с клавиатуры компьютера вручную. Все переключения графических окон и временная остановка отображения для его подробного анализа не нарушают процессов записи сигналов и/или результатов анализа.

В качестве дополнительной опции для данного анализатора разработана программа балансировки роторов машин на месте их эксплуатации как на стабильных, так и на нестабильных (при пучке и выбеге) частотах вращения ротора.