Главная Научно-исследовательская деятельность Контроль, мониторинг, диагностика и наладка
Контроль, мониторинг, диагностика и наладка
Шрифт:

Научно-практическая работа Северо-Западного учебного центра включает в себя не только исследования, направленные на развитие физических и методических основ измерения, анализа и диагностики машин и механизмов по таким вторичным процессам, как вибрация вращающегося оборудования и ток электрических машин. Важным направлением работ является участие в создании и адаптации новых приборов и систем, разрабатываемых предприятиями Ассоциации ВАСТ.

Ключевыми работами Учебного центра в этом направлении можно считать обоснование основных технических требований на новое поколение средств и программного обеспечения для контроля, мониторинга, диагностики и наладки. К таким приборам и системам относятся:

Простейшие одноканальные приборы мониторинга состояния машин и механизмов

1. Простейшей из таких работ стало обоснование требований к одноканальной системе мониторинга состояния. В результате ее выполнения было предложено дополнить простейшие виброметры несколькими важными для мониторинга функциями - измерением температуры, частоты вращения и широкополосных спектров вибрации, которые позволят перейти от мониторинга вибрации к мониторингу состояния машин и оборудования (при дополнении виброметра компьютером с программой мониторинга).

Основной довод - низкая эффективность контроля состояния машин и оборудования по уровню вибрации в стандартной полосе частот (10-1000Гц или 2-1000Гц). Причина низкой эффективности - невозможность освоения в странах СНГ в ближайшие годы в полном объеме современных технологий обслуживания и ремонта машин и оборудования в отличие от многих развитых стран, где такие технологии освоены. А отклонения от оптимальных технологий обслуживания и ремонта приводит к тому, что вибрация на частоте вращения растет и стандартный контроль уровня вибрации эксплуатации современных машин и механизмов после года-двух эксплуатации фактически соответствует контролю вибрации на частоте вращения, но такой контроль позволяет своевременно обнаруживать лишь около половины опасных дефектов.

По результатам проведенных исследований специалистами Ассоциации был отработан полный комплект технических требований, по ним разработаны опытные образцы простейшей системы мониторинга состояния (см. рис. 1).

система мониторинга состояния машин и оборудования, включающая в себя виброметр ВТ-21 с расширенными возможностями и программу VibroM-21. Измерения вибрации и температуры проводятся периодически с интервалами от нескольких часов до нескольких дней, в соответствии с инструкцией по эксплуатации системы. Для многорежимных по частоте вращения механизмов перед измерениями вибрации (температуры) измеряется частота вращения

Рис.1. Простейшая система мониторинга состояния машин и оборудования, включающая в себя виброметр ВТ-21 с расширенными возможностями и программу VibroM-21. Измерения вибрации и температуры проводятся периодически с интервалами от нескольких часов до нескольких дней, в соответствии с инструкцией по эксплуатации системы. Для многорежимных по частоте вращения механизмов перед измерениями вибрации (температуры) измеряется частота вращения.

Назначением системы является периодический контроль состояния механизмов (без учета конструктивных особенностей механизма) в установившихся режимах работы с обнаружением происходящих изменений состояния и его краткосрочный прогноз по трендам изменения вибрации и температуры. Для предварительной оценки причины обнаруженного изменения состояния выпущена методика идентификации состояния механизмов по результатам вибрационного мониторинга и контроля температуры.

 

Многоканальные сборщики данных - анализаторы типа СД для переносных систем автоматической диагностики вращающегося оборудования

2. Следующая из работ этого направления - оптимизация требований к многоканальному сборщику данных - анализатору сигналов. Обоснованы требования к четырехканальному анализатору (СД-41), обеспечивающему важные для диагностики и наладки машин и механизмов одноканальные векторные измерения вибрации и тока (с трехкомпонентным измерительным преобразователем вибрации или трехфазным преобразователем тока). Обоснованы требования и к параллельным измерениям сигналов по всем каналам, и к попарным двумерным измерениям, в частности взаимным амплитудно-фазовым и взаимно-корреляционным измерениям вибрации, и к измерениям орбит движения вала одновременно в двух плоскостях.

Важнейшими из обоснованных требований к портативному анализатору нового поколения являются возможность параллельной по всем измерительным каналам записи отрезков сигнала в память для последующего анализа более сложными приборами и системами. Особенно важны сигналы, записываемые в переходных режимах работы объекта исследований, для чего необходимо обеспечивать расширенные частотный и динамический диапазоны измерения и анализа сигналов. Так частотный диапазон сборщика данных рекомендовано увеличить не мене, чем до 60кГц (частота дискретизации не менее 128кГц), а динамический - не менее, чем до 100дБ, но с минимальным уровнем собственных гармонических помех, позволяющим за счет накопления доводить динамический диапазон анализа гармонических сигналов, как минимум, до 130дБ.

В качестве развития уже отработанных в сборщиках данных серии СД видов измерений предложено ввести в новые сборщики измерения различных видов синхронных спектров, в том числе с повышенной разрешающей способностью. Важнейшим направлением работ по развитию анализаторов СД предложено считать снижение времени измерения за счет накопления частично зависимых результатов анализа (перекрытия используемых для анализа отрезков сигнала), выполнение он-лайн анализа сигналов и предварительного накопления их отрезков для последующего многократного анализа по разным алгоритмам.

Предложено также организовать предварительную оценку получаемых сборщиком данных результатов анализа непосредственно на месте измерений за счет их сравнения с пороговыми значениями и результатами предшествующих измерений.

По результатам проведенных специалистами Учебного центра исследований разработчики сборщиков данных приняли решение о поэтапной разработке сборщика нового поколения. На первом этапе принято решение разработать двухканальный сборщик данных для новой версии диагностического программного обеспечения DREAM-5 c небольшими расширениями в части новых функций для того, чтобы обеспечить их совместимость и с предыдущими версиями диагностической программы. Опытный образец такого сборщика приведен на рис.2

Двухканальный сборщик данных – виброанализатор СД-22 с встроенным типовым компьютером для работы с программами автоматической диагностики DREAM, в том числе, с повышенной разрешающей способностью и сокращенным временем измерений за счет проведения разных измерений из одного накапливаемого отрезка сигнала

Рис. 2. Двухканальный сборщик данных - виброанализатор СД-22 с встроенным типовым компьютером для работы с программами автоматической диагностики DREAM, в том числе, с повышенной разрешающей способностью и сокращенным временем измерений за счет проведения разных измерений из одного накапливаемого отрезка сигнала.

Многоканальные он-лайн анализаторы сигналов для диагностических обследований и наладки машин и механизмов

3. Многоканальный он-лайн анализатор сигналов разрабатывается параллельно новому сборщику данных, но к нему были выдвинуты более жесткие требования. Во-первых, по числу параллельно работающих каналов, причем параллельно требовалось обеспечить и запись сигналов, и их он-лайн анализ. Кроме этого, при обосновании технических требований к анализатору специалисты Учебного центра и «Вибротехники» выдвинули ряд новых требований, позволяющих расширить применимость разрабатываемого анализатора для диагностических обследований, наладки машин и механизмов и проведения их длительных испытаний.

Эти требования, как правило, не реализуемые при создании аналогов разрабатываемого анализатора, включают в себя следующие возможности:

  • нескольких видов параллельного он-лайн анализа сигналов для одновременного и независимого решения двух задач - аварийной сигнализации и выполнения необходимых исследований, в процессе которых может возникать предаварийная ситуация с объектом,
  • проведения второй части последовательного он-лайн анализа сигналов, когда одновременно с анализом сигналов в каждом измерительном канале проводится и обобщающий анализ результатов по всем или отдельным группам каналов,
  • обнаружения важных изменений (событий) во время он-лайн анализа сигналов, их классификацию и запись событий в один файл с сигналами для дальнейшей навигации по событиям,
  • записи сигналов только по регистрируемым событиям, причем с использованием буфера для записи отрезка сигнала до момента регистрации каждого из событий,
  • записи результатов он-лайн анализа в память параллельно или вместо записи первичных сигналов.

Независимая аварийная сигнализация необходима из-за того, что испытания и наладка выполняется, как правило, в ручном режиме управления и в пограничных режимах работы объектов контроля, а штатные системы аварийной защиты на это время могут отключаться.

Обобщающий анализ результатов он-лайн измерений по всем (группе) измерительных каналов необходим для многократного увеличения скорости оценки состояния объекта в целом (до долей секунды) персоналом, осуществляющим управляющие воздействия на работающий объект контроля, испытаний или наладки.

Параллельное записи сигналов обнаружение и регистрация событий (или запись сигналов по событиям) многократно упрощает последующую обработку результатов длительных измерений или испытаний объектов контроля, а также анализ записанных сигналов.

По результатам проведенных исследований были разработаны конкретные технические требования к средству параллельных измерений и предварительного анализа сигналов (сетевому измерителю СИ), а также к программному обеспечению он-лайн анализатора, выполняемого на основе типового компьютера. Сетевой измеритель разработан одним из предприятий Ассоциации ВАСТ (ООО «ВАСТ-АПР»), а разработку и дальнейшее развитие программы он-лайн анализа принимаемых из группы СИ сигналов и результатов предварительной обработки ведут специалисты Учебного центра. Сетевой измеритель представлен на рис.3, а многоканальный он-лайн анализатор сигналов, составленный из двух СИ и компьютера с программой анализа - на рис. 4.

Из полученных технических характеристик сетевого измерителя следует выделить частотный (до 60кГц) и динамический (не хуже110дБ) диапазоны измерений сигналов вибрации и тока, а также возможность измерения и анализа вибрации одним акселерометром от частоты порядка 0,5Гц (величина виброперемещения от1мкм) до частоты порядка 50 кГц (величина виброускорения до 50g).

Из полученных технических характеристик внешней программы он-лайн анализатора следует выделить возможность параллельного анализа и записи «по событиям» сигналов с 32 виброизмерительных каналов (до 4 СИ в одной измерительной сети).

Сетевой измеритель (СИ), обеспечивающий параллельный прием, оцифровку и предварительную обработку сигналов вибрации, тока и других процессов (всего 18 измерительных каналов, до 8 вибрационных каналов). Оцифрованные сигналы с выбираемой для каждого канала из числа возможных частотой дискретизации (максимальная – 128кГц) и результаты предварительного анализа передаются в компьютер по сети Ethernet

Рис.3. Сетевой измеритель (СИ), обеспечивающий параллельный прием, оцифровку и предварительную обработку сигналов вибрации, тока и других процессов (всего 18 измерительных каналов, до 8 вибрационных каналов). Оцифрованные сигналы с выбираемой для каждого канала из числа возможных частотой дискретизации (максимальная - 128кГц) и результаты предварительного анализа передаются в компьютер по сети Ethernet.

Многоканальный он-лайн анализатор, включающий группу сетевых измерителей в сети Ethernet, в том числе и беспроводной, и программы динамического анализа сигналов

Рис.4. Многоканальный он-лайн анализатор, включающий группу сетевых измерителей в сети Ethernet, в том числе и беспроводной, и программы динамического анализа сигналов.

Возможности анализатора определяются не только видами он-лайн анализа сигналов и их записи, как непрерывной, так и по событиям. Не менее важными являются возможности анализа записанных ранее сигналов. И в этом вопросе есть свои особенности анализа у трех групп потенциальных пользователей анализатора.

Первая группа - специалисты по диагностированию машин и оборудования. Для них важны следующие особенности анализа записанных сигналов:

  • возможность типовых видов анализа для диагностики машин и механизмов, недоступных для установки средств измерения на функционирующий объект без его остановки,
  • анализ сигналов, записанных в разных точках (и у разных объектов) в один и тот же момент времени при изменяющемся режиме работы группы связанных общим производственным процессом машин и механизмов,
  • упрощение поиска важных для постановки диагноза отрезков сигнала по записанным «событиям» с последующим анализом событий,
  • сравнение результатов анализа на разных режимах работы объекта (анализ разных по времени записи отрезков сигналов),
  • приведение результатов измерения при меняющейся частоте вращения к стабильной (переоцифровка сигнала по датчику оборотов ротора),
  • взаимный анализ вторичных процессов в разных точках контроля, в том числе на неустановившихся режимах работы объекта.

Вторая группа - специалисты по наладке машин и оборудования. Для них важны и режимы он-лайн формирования обобщенных показателей состояния объекта сразу (без задержки) после корректирующего воздействия на работающий объект, и следующие виды анализа записанных сигналов:

  • определение амплитудно-фазовых характеристик вибрации объекта и их зависимости во времени, от частоты вращения и от нагрузки,
  • контроль за появлением импульсной вибрации и импульсных нагрузок на приводной электродвигатель,
  • определение формы и направления колебаний объекта на собственных частотах.

Третья группа - специалисты по проведению длительных испытаний машин и оборудования. Для них важны вопросы аварийной он-лайн сигнализации, обнаружения «событий» с записью сигналов по событиям и следующие виды анализа записанных сигналов:

  • анализ формы сигналов вибрации и тока,
  • необходимые для диагностики виды анализа в установившихся режимах работы объекта (после зарегистрированных событий),
  • построение трендов выделенных параметров сигналов во времени,
  • анализ вибрации и тока в переходных режимах работы с переоцифровкой сигналов по датчику оборотов.

В настоящее время все сложные виды анализа (за исключением спектрального) записанных сигналов выполняются с помощью внешних программ, в том числе диагностической (DREAM) и типовыми, например Lab view. В то же время Учебный центр ведет работу по расширению собственной библиотеки видов многоканального анализа записанных сигналов.

Cтационарные системы автоматического мониторинга и оперативной диагностики оборудования с узлами вращения

4. Важнейшей для Учебного центра стала разработка основных требований к автоматической системе мониторинга состояния и оперативной диагностики механизмов по вибрации, температуре и току приводного электродвигателя.

Необходимо было определить основные принципы он-лайн мониторинга состояния машин и механизмов в любом режиме работы, в том числе пусковых и переходных, а также совместить их с возможностями диагностики по вторичным процессам. Главной особенностью таких систем является их работа в течение длительного времени полностью без участия специалиста в области диагностики и обслуживания, как объектов, так и системы мониторинга и диагностики.

Первым из принятых решений стало предложение вести все необходимые виды анализа во всех точках контроля непрерывно, что и определило структуру приборной части системы. Это блоки анализа электрических сигналов (БАЭС), во многом похожие на сетевые измерители предыдущего анализатора сигналов, но все программы анализа сигналов переведены в их встроенное программное обеспечение. Это существенно разгружает сеть Ethernet, по которой непрерывно передаются только результаты анализа сигналов, необходимые для он-лайн мониторинга состояния.

Второе решение - ограничиться проведением всего двух видов непрерывного анализа вибрации и тока - спектрального (широкополосного и узкополосного) и импульсного, что несколько ограничивает возможности обнаружения зарождающихся дефектов, но упрощает вопросы автоматизации обработки данных и позволяет идентифицировать развитые дефекты вращающегося оборудования с высокой достоверностью.

Третье решение относится к разбиению алгоритмов мониторинга состояния в переходных режимах работы вращающегося оборудования на три связанных между собой группы, первая из которых относится к начальной фазе переходного процесса, вторая - к процессам стабилизации частоты вращения и третья - к стабилизации тепловых процессов в работающем оборудовании. Для реализации трехступенчатой схемы мониторинга накопление измеряемых параметров проводится в трех последовательных скользящих накопителях с прореживанием выходных данных. В каждом из накопителей производится идентификация дефектов с разной глубиной поиска. Диагностика проводится периодически, каждые 6-7 минут, и по вызову, при обнаружении опасного изменения состояния объекта контроля. Прогноз развития дефекта и остаточного ресурса объекта контроля выполняется по трендам контролируемых параметров, общее число которых существенно превышает сотню в каждой точке контроля.

Четвертое из принятых решений относится к алгоритмам диагностики, которые составляются не для отдельных узлов вращающегося оборудования, а для агрегата в целом. Такой подход усложняет процессы составления диагностических модулей, увеличивает их номенклатуру и объем работ по адаптации к конкретному объекту, но, несмотря на указанные сложности, позволяет полностью автоматизировать процессы постановки диагноза и прогноза.

Пятое решение рассчитано на поддержание режимов глубокой диагностики и долгосрочного прогноза состояния контролируемого вращающегося оборудования, которые решают проблемы планирования обслуживаний и ремонтов по фактическому состоянию. Для решения этих проблем, при необходимости с участием экспертов, в стационарную систему мониторинга вводятся устройства записи отрезков сигналов по командам системы оперативной диагностики. Предусмотрено два режима записи первичных сигналов - периодически, в установившихся режимах работы объектов контроля, и по событиям, регистрируемым системой мониторинга и оперативной диагностики. Сигналы записываются в энергонезависимую память БАЭС, и могут периодически передаваться по измерительной сети в отдельную программу сбора информации для дальнейшей глубокой диагностики.

Еще одно из принятых решений относится к автоматической адаптации пороговых значений для разных фаз мониторинга и для диагностики, которое позволяет идентифицировать не только развивающиеся естественным путем дефекты объектов контроля, но и оценивать причины и последствия ошибок управления, возникающих при ручном управлении объектами контроля или при отказах систем автоматического управления.

Стационарная система мониторинга состояния и оперативной диагностики (см. рис 5.) включает в себя:

  • группу объединенных измерительной сетью многоканальных анализаторов (БАЭС) с подключаемыми к его входам датчиками сигналов вибрации, тока электродвигателя, температуры, частоты вращения и, при необходимости, других видов сигналов, непрерывно измеряющих:
  • узкополосные спектры вибрации (тока) до частоты не менее 10кГц с максимальным разрешением по частоте не хуже 15% от минимальной частоты вращения узлов механизма,
  • широкополосный (оптимально - третьоктавный) спектр вибрации неподвижных узлов механизма, как минимум до 10кГц,
  • среднюю и пиковую величины вибрации в нескольких широких полосах частот на высоких частотах, включая ультразвуковые,
  • среднеквадратичные величины сигналов вибрации (в стандартной полосе частот), тока и температуры,
  • мгновенные значения частоты вращения узлов механизмов и скорости ее изменения.
  • программу непрерывного контроля состояния, оперативной диагностики и мониторинга дефектов механизма, устанавливаемую на компьютер и обеспечивающую в автоматическом режиме решение следующих задач:
    • оперативное обнаружение изменения состояния механизма по передаваемым в программу результатам непрерывных измерений,
    • идентификации развитых дефектов задолго до перехода механизма в предаварийное состояние,
    • краткосрочный прогноз состояния по трендам развития обнаруживаемых дефектов,
    • выработку команд на периодическую запись первичных сигналов для глубокой диагностики с долгосрочным прогнозом состояния механизма, прием записанных сигналов и передачу их в удаленный диагностический центр.
  • измерительную сеть с устройствами питания используемых в системе анализаторов, средствами формирования (коммутаторами) выходных данных анализаторов в единый поток, передаваемый в компьютер с диагностической программой.

 

Стационарная система оперативного мониторинга и автоматической диагностики механизмов с узлами вращения, включающая в себя группу анализаторов, включенных измерительную сеть Ethernet и программу оперативной диагностики ОДА. Измерения вибрации и других вторичных процессов проводятся непрерывно, с обновлением данных каждые 1,6 секунды

Рис.5. Стационарная система оперативного мониторинга и автоматической диагностики механизмов с узлами вращения, включающая в себя группу анализаторов, включенных измерительную сеть Ethernet и программу оперативной диагностики ОДА. Измерения вибрации и других вторичных процессов проводятся непрерывно, с обновлением данных каждые 1,6 секунды