Шрифт:

Многоканальный online анализатор вибрации АВС-8 для промышленных условий

Барков А.В., Борисов А.А., Усыпко Т.М. ООО «Вибротехника»

Баркова Н.А., Киселев В.Б. Северо-Западный учебный центр

 

Введение

Современное развитие методов и средств измерения и анализа сигналов позволяет создавать многоканальные системы измерения и анализа физических процессов в режиме, близком к реальному времени, когда результаты анализа, используемые для принятия последующих решений, выдаются с задержкой, определяемой необходимым физическим временем накопления сигналов, а не временем их обработки. Такой online режим анализа сигналов реализовать тем сложнее, чем динамичнее контролируемые процессы (чем шире их частотный диапазон) и чем выше частота дискретизации при переводе сигнала из аналоговой в цифровую форму. Сигналы вибрации, как и акустические, не являются особо широкополосными, их частотный диапазон в технике со стороны высоких частот часто ограничивают верхней частотой звукового диапазона, т.е. частотой около 20кГц, или ее удвоенным значением, а частота их дискретизации обычно находится в зоне от 40 до 200кГц. Многоканальные акустические системы для приема сигналов, перевода в цифровую форму с передачей по радиоканалу и последующим воспроизведением массово производятся на протяжении нескольких десятков лет. Не представляет большой технической сложности и создание аналогичных систем (стационарных и переносных) с введением в нее дополнительных процедур анализа и сравнения полученных результатов с различными порогами, например, для организации многоканальных систем мониторинга шума и вибрации в режиме online. Проблемы в разработке таких систем могут определяться лишь количеством параллельно анализируемых сигналов, требуемой глубиной анализа и обеспечением работы в сложных промышленных условиях.

Анализ потенциальных областей применения на производствах многоканальных online анализаторов широкополосных сигналов показывает, что таких областей две. Основной является мониторинг рабочих и вторичных процессов, и, прежде всего, вибрации, в динамических режимах работы оборудования для принятия быстрых решений по его результатам. Второй – мониторинг возникающих опасных событий по параметрам рабочих и вторичных процессов не только для своевременной реакции на их появление, но и для детализации причины возникновения как в режиме online, так и более подробно по записанным во время события процессам.

Одно из направлений работ по диагностике машин и механизмов, решаемых предприятиями Ассоциации ВАСТ - создание нового поколения стационарных систем диагностики, обеспечивающих в online режиме не только мониторинг, но и диагностику оборудования, позволяющую своевременно выявлять как естественно развивающиеся дефекты, так и вносимые при ошибках управления и обслуживания. В процессе этой работы специалисты Ассоциации ВАСТ пришли к пониманию необходимости создания и переносных систем такого же назначения с небольшими изменениями и дополнениями их возможностей. Ведь далеко не все виды оборудования необходимо комплектовать стационарными системами контроля, мониторинга и диагностики, но есть отдельные режимы функционирования, когда online контроль состояния оборудования необходим не только с целью обеспечения безопасности определенных работ, но и для многократного повышения их производительности. Это кратковременные режимы пуска сложных агрегатов, наладки, «обкатки», испытаний, и ряд других. Кроме этого с помощью таких систем можно производить сбор данных в переходных режимах работы для последующей диагностики.

Использовать выпускаемые рядом изготовителей многоканальные online анализаторы сигналов в промышленных условиях и операторами без специальной подготовки крайне сложно, так как для этого необходимо обеспечивать одновременное выполнение следующих дополнительных функций:

  • формировать в режиме online легко воспринимаемый оператором «образ» состояния контролируемого объекта в целом (по всем или выбранной части измерительных каналов и видов online анализа),
  • обнаруживать и запоминать широкую номенклатуру потенциально опасных событий в online режиме анализа для последующей навигации в режиме offline анализа записанных сигналов (и для записи отрезков сигнала, включая моменты до и после событий),
  • обеспечивать совместный online анализ процессов в разных объектах, разнесенных друг от друга на значительные расстояния

С учетом изложенного Ассоциацией ВАСТ принято решение о подготовке к выпуску многоканальной переносной системы online измерения и анализа вибрации АВС-8 с возможностью расширения номенклатуры измеряемых и анализируемых процессов. Конструктивно эта система выполнена в виде группы измерительных устройств (сетевых измерителей), и компьютера с программой анализа сигналов (программа динамического анализа), объединенных измерительной сетью Ethernet. Первичные сигналы программа принимает от измерительных устройств, а результаты анализа сохраняет в памяти и может передавать в независимую информационную сеть. Измерительные устройства, входящие в состав анализатора, могут быть и другими, как и способ передачи цифровых потоков в компьютер, однако их технические характеристики должны удовлетворять достаточно жестким требованиям.

Ниже приводится краткий анализ технических характеристик такой системы (переносного online анализатора сигналов), рассматриваются основные области его применения и последовательность работ по расширению возможностей. В зависимости от пожеланий потенциальных заказчиков анализатора в проводимые работы могут быть внесены коррективы.

1. Задачи, решаемые переносным online анализатором сигналов

Главной задачей, решаемой анализатором АВС-8, является контроль параметров вибрации, а при необходимости, и других процессов, действующих в объектах контроля. Объектами контроля могут быть машины, оборудование, строительные конструкции. Контроль вибрации объектов в режиме online с обнаружением и анализом происходящих изменений необходим в следующих случаях:

  • при управлении объектами контроля в ручном режиме для оптимизации процессов управления,
  • при выявлении опасных режимов работы объекта контроля для своевременного устранения опасности,
  • при обнаружении кратковременных изменений состояния объекта (событий) для их регистрации с записью измеряемых сигналов и/или результатов анализа в момент их обнаружения.

Область применения анализатора АВС-8в таких случаях достаточно широка и включает в себя:

  • управляемый пуск сложных агрегатов или групп агрегатов, объединенных общими рабочими процессами
  • кратковременная «обкатка» оборудования после его изготовления, ремонта или обслуживания,
  • периодические испытания и сдача объекта или группы связанных общим рабочим процессом объектов,
  • наладка машин и оборудования в режиме функционирования,
  • сбор данных в переходных и кратковременных режимах работы объектов (запись сигнала и/или результатов анализа для последующей диагностики).

Основным видом измерения вибрации в задачах контроля всех типов объектов является определение уровня вибрации в стандартной полосе частот. Для строительных конструкций оптимальными видами анализа вибрации также являются фильтрация отдельных компонент и спектральный анализ. Для вращающегося оборудования – спектральный анализ, определение величины импульсных составляющих (высокочастотных ударных компонент) и определение параметров (амплитуда, частота, фаза) отдельных гармонических составляющих. Для оборудования ударного и возвратно-поступательного действия это определение величины, длительности и формы импульсных составляющих, а также временных задержек импульсных составляющих относительно опорных сигналов и друг относительно друга.

Во многих задачах, например, при диагностике причин обнаруживаемых изменений необходимо анализировать их во времени, т.е. строить тренды, формировать спектры или определять статистические характеристики этих изменений. А для решения таких задач в режиме online необходимо вести накопление не только собственно сигнала вибрации, но и результатов его непрерывного анализа.

Кроме основной задачи online контроля параметров вибрации, есть еще ряд дополнительных задач, которые можно решать многоканальным анализатором сигналов АВС-8, в том числе и в режиме offline. К ним относятся:

  • запись измеряемых сигналов, не только вибрационных, в память компьютера по внешним командам (запись сигналов и результатов анализа по событиям – привилегия online анализатора),
  • анализ записанных сигналов в установившихся и переходных режимах работы объектов, - использование анализатора сигналов в качестве эталонного средства измерения.

Вопросы записи сигналов для последующего анализа переносным анализатором представляют существенную ценность в задачах диагностики машин и оборудования, не оснащенных стационарными системами мониторинга, особенно в переходных режимах работы. Кроме того, и в установившихся режимах работы многоканальные устройства записи сигналов применяются в случаях, когда установить датчики вибрации в точках контроля можно только с остановкой машин и оборудования. Наконец, запись сигналов, желательно по событиям, необходима и для диагностики оборудования, работающего кратковременно, особенно если существенную часть рабочего цикла занимает переходной процесс.

Далеко не все контролируемое в режиме online оборудование требует большого количества измерительных каналов, поэтому многоканальный анализатор лучше всего выполнять в наращиваемом, блочном исполнении. Кроме того, часть задач контроля требует одновременного измерения и анализа нескольких объектов, которые могут находиться на большом расстоянии друг от друга. Поэтому оптимальным режимом работы такого блочного online анализатора является подключение измерительных блоков к общей измерительной сети (сеть между измерительными устройствами и компьютером с программой). К этой же сети могут подключаться внешние средства измерения других сигналов, если они не входят в состав измерительных каналов собственно анализатора.

 

2. Основные функции online анализатора

Схема измерений

При работе с многоканальным анализатором АВС-8 сначала составляется схема измерений, в которой измерительные каналы анализатора привязываются к точкам измерения процессов, протекающих в объекте контроля, и в каждом канале определяются виды анализа сигнала, а также порядок вывода результатов на экран и записи сигнала (результатов анализа) в файл. Так, на рис. 1 показана схема измерений вибрации объекта с использованием 8 виброизмерительных каналов и одного датчика оборотов, обеспечивающая измерение спектров сигналов и запись сигналов по событию, которым является выход частоты вращения на рабочую частоту. Такая схема измерений обычно применяется для записи вибрации простейших агрегатов с четырьмя опорами вращения, работающих короткий промежуток времени, для их последующей диагностики другими (диагностическими) программами.

Схема измерений вибрации оборудования, механизмов и строительных конструкций online анализатором АВС-8

Рис 1. Схема измерений вибрации online анализатором АВС-8

Составление схемы измерений не требует специальных навыков и не представляет большой трудности. При проведении offline анализа из записанного файла схема может быть восстановлена и откорректирована. Для удобства работы с анализатором предусмотрена возможность сохранения схем измерения, а к файлу с записанными сигналами и другими необходимыми для дальнейшего (offline) анализа данными прилагается описание о структуре записанных данных.

Измерения с online анализом сигналов

Номенклатура измеряемых анализатором процессов достаточно велика, но в качестве базовых процессов, для измерения которых предусмотрено прямое подключение первичных измерительных преобразователей без согласующих устройств и внешних источников питания, выбраны вибрация неподвижных частей машин и оборудования, а также ток (напряжение) в силовых электрических цепях. Возможно также прямое подключение датчиков температуры, если они встроены в один корпус с датчиками вибрации и используют общий источник питания.

При использовании измерительных преобразователей других процессов необходимо включать в состав анализатора элементы электрического согласования выходов преобразователей с входами анализатора, устройства электрической защиты входов анализатора, а, при необходимости, и источники питания преобразователей. Другой вариант расширения номенклатуры измеряемых процессов – это использование измерительных устройств, рассчитанных на работу в сети Ethernet, первичные результаты измерений или результаты анализа с которых могут приниматься программой динамического анализа при наличии соответствующего драйвера.

Номенклатуру видов online анализа можно ограничивать и использовать online анализ преимущественно в следующих случаях:

  • в процессе измерений с записью измеряемых сигналов (и/или результатов online анализа) в память компьютера,
  • при воспроизведении записи для ее быстрого просмотра или построения зависимости выбранных параметров от времени,
  • в ждущем режиме анализа с выводом результатов (и записью) только в момент обнаружения событий.

Наибольшее количество видов online анализа, как правило, доступно для сигналов вибрации.

К основным видам анализа (и построения зависимости от времени) в частотной области относятся:

  • измерение среднеквадратического (и пикового) значения компонент сигнала в задаваемой области частот, в первую очередь определяемых существующими стандартами.
  • измерение узкополосного спектра сигнала с различным разрешением по частоте и различными граничными частотами,
  • измерение узкополосного спектра огибающей предварительно выделенных широкополосным фильтром компонент сигнала,
  • измерение узкополосного взаимного спектра сигналов с определением частоты, амплитуды и взаимной фазы отдельных составляющих спектра,

К основным видам анализа сигналов (или предварительно выделенных из сигнала компонент) во временной области относятся:

  • анализ формы сигнала или его компонент в задаваемом отрезке времени, в том числе с синхронным накоплением при наличии опорного сигнала, например, с датчика оборотов,
  • построение зависимости величины сигнала или его компонент от времени в задаваемом временном интервале,
  • построение огибающей выделенных фильтром составляющих сигнала и зависимости от времени с определением ее среднеквадратичного и пикового значений,
  • построение трендов монотонно меняющихся параметров сигнала,
  • статистическая оценка флуктуаций во времени параметров сигнала.

Так, на рис.2 приведены результаты online анализа, выполняемые параллельно их записи для дальнейшего анализа в рамках диагностического обследования агрегата.

Рабочее окно программы с результатами online анализа вибрации, проводимого параллельно записи первичных сигналов

Рис.2 Рабочее окно программы с результатами online анализа вибрации, проводимого параллельно записи первичных сигналов

После указанных видов анализа может предусматриваться еще один вид online анализа – пространственный (по группе датчиков) для формирования текущего «образа» объекта контроля в целом.

При необходимости и по предложениям заказчиков номенклатура видов online анализа сигналов может быть увеличена.

Анализ по группе датчиков

Особенностью разрабатываемого анализатора АВС-8, как уже отмечалось, является возможность проведения последовательно нескольких видов анализа в режиме online. Так, на рис. 3 показана схема измерений, отличающаяся от предыдущей схемы тем, что из всех спектров с одной граничной частотой строится «пространственный» спектр, в котором каждая спектральная составляющая имеет максимальное по всем измерительным каналам значение. Это так называемый спектр максимумов, используемый для контроля переходных режимов работы в агрегатах, когда в зависимости от частоты вращения максимальный уровень вибрации перемещается из одной точки контроля в другую. Рабочее окно программы в таком режиме измерений приведено на рис.4.

Схема измерений для случая многоканального двойного (последовательно временного и пространственного) спектрального анализа вибрации

Рис 3 Схема измерений для случая многоканального двойного (последовательно временного и пространственного) спектрального анализа вибрации

Рабочее окно программы с результатами online последовательного спектрального и пространственного (в нескольких узлах агрегата) анализа вибрации. На спектре максимумов (верхний рисунок) показано несколько гармонических составляющих вибрации, основной вклад в величину которых вносят разные узлы агрегата

Рис.4. Рабочее окно программы с результатами online последовательного спектрального и пространственного (в нескольких узлах агрегата) анализа вибрации. На спектре максимумов (верхний рисунок) показано несколько гармонических составляющих вибрации, основной вклад в величину которых вносят разные узлы агрегата

Информация о максимальной величине вибрации по группе (или всем) точек контроля оператору может быть недостаточно для принятия быстрых решений, поэтому для выбранной с помощью курсора составляющей спектра максимумов на экран выводятся значения, полученные по каждому измерительному каналу. Соответственно и для выбранной составляющей спектра максимумов, и для этой составляющей в выбранных каналах можно строить зависимость ее величины от времени.

Зависимость амплитуды на выбранной частоте (полосе частот) от времени

Рис.5 Зависимость амплитуды на выбранной частоте (полосе частот) от времени.

Аналогичным образом можно добавлять в схему многоканальное online измерение уровня вибрации в стандартной полосе частот, и такие схемы измерений использовать при оптимизации режимов работы агрегата или при проведении наладочных работ на работающем агрегате.

Запись сигналов и результатов online анализа

В анализаторе АВС-8 предусматривается несколько режимов записи первичных сигналов, а, при необходимости, и результатов выбранных видов их online анализа. Анализ сигналов, выполняемых в режиме online с выводом результатов на экран компьютера, не связан с организацией записи сигналов в файл, поэтому в процессе записи сигналов выводом на экран результатов их online анализа можно управлять, в том числе использовать режим стоп-кадра для дополнительного графического анализа интересующих результатов.

Запись сигнала может производиться непрерывно, по внешним командам или по «событиям», обнаруживаемым в процессе online анализа входных сигналов. Для обеспечения возможности анализировать весь ход «события» по записанным сигналам предусмотрена возможность сохранения сигнала до начала и после окончания события в течение указанных временных интервалов.

Записывать можно любые широкополосные сигналы (например, вибрацию или ток, до 32 каналов) с выбираемой из списка частотой дискретизации вплоть до 128кГц, синхросигналы (метка с датчика оборотов, до 8 каналов с удвоенной частотой дискретизации) и сигналы с информативной постоянной составляющей (температура и т.п., до 32 каналов с частотой дискретизации 32Гц). Длительность записи задается до начала измерений с учетом свободной памяти на диске компьютера. Прекращение записи сигналов может производиться по внешней команде или по событию.

Предусматривается режим одновременной записи и результатов анализа, необходимых для составления текущих отчетных материалов, и первичных сигналов в качестве архивных материалов или для дальнейшего более глубокого анализа.

Записанные сигналы и результаты анализа вместе со схемами измерения и другими данными, необходимыми для их дальнейшей обработки, составляют пакет файлов, который может храниться во внешних архивах и по мере необходимости анализироваться либо собственно анализатором, либо внешними программами анализа. Название пакета вносится в соответствующий журнал записей анализатора.

Обнаружение событий

Регистрируемые программой события делятся на внешние события, основанные на управляющих командах, и внутренние, формируемые по результатам online анализа сигналов, поступающих в программу от измерительных устройств. Регистрируемые события могут использоваться для управления процессом записи сигналов, а при необходимости – для автоматического анализа сигналов во время события с выводом на экран анализатора и/или записью результатов в файл.

Существует возможность online обнаружения широкой номенклатуры событий. Простейшими событиями являются пуск объекта, регистрируемый по превышению вибрацией, током или частотой вращения заданного порога, а также выход объекта на номинальный режим работы, регистрируемый по входу значения контролируемой частоты вращения или уровня вибрации в зону допустимых изменений, ограниченную двумя порогами.

К простейшим событиям можно отнести все те, по которым входные данные (текущие значения), поступающие в программу динамического анализа, сравниваются с порогами без предварительной online обработки. Поэтому номенклатура таких событий зависит от возможностей измерительного устройства и определяется разрабатываемым для него драйвером.

Вторая группа событий определяется возможностями online анализа сигналов, поступающих в программу из любого измерительного канала, и заключается в сравнении текущего значения одного из рассчитываемых параметров с порогом (порогами). Это могут быть уровень выделяемых из спектра сигнала составляющих, величина или длительность импульсных компонент огибающей сигнала, и т.п. В эту же группу входят и события, обнаруживаемые по перекрестным измерениям сигналов с двух каналов, например выход из зоны, задаваемой двумя порогами, фазы составляющей вибрации на частоте вращения ротора относительно метки с датчика оборотов.

Третья группа – события, обнаруживаемые не в одном, а в нескольких измерительных каналах или являющиеся результатом совместной обработки нескольких (более двух) сигналов Примерами таких событий является превышение порога максимальным по всем точкам контроля уровнем вибрации агрегата в стандартной полосе частот, а также превышение порога одной из составляющих спектра максимумов. Другой пример – формирование общего события по одновременно (в пределах заданного интервала) регистрируемым событиям сразу в нескольких измерительных каналах.

Четвертая группа событий связана с обнаружением тенденции изменения контролируемых параметров во времени и требует накопления определенной группы периодически получаемых в режиме online измерений этих параметров. Событием может быть скачек величины параметра выше заданного порога, монотонный рост (падение) величины параметра со скоростью выше заданного порога или, наоборот, отсутствие изменений параметра, характеризуемого среднеквадратичным отклонением результатов измерений на определенном интервале времени.

Для каждого из событий заранее задается его имя и пороги. Обнаруживаемые после начала измерений в режиме online события запоминаются и вносятся в отдельный файл, прикладываемый к файлам с записываемым сигналом и/или результатами его анализа. В момент регистрации определенного типа событий предполагается на выбор формировать следующие команды:

  • на выдачу информационного сообщения или запуск сигнализации,
  • на запись отрезка сигнала по всем (части) измерительных каналов, если таковая запись не ведется непрерывно,
  • на проведение определенных видов анализа сигналов с выводом на экран и/или записью в файл,
  • на выдачу информации в общую сеть предприятия, если анализатор сигналов подключен к такой сети.

Для удобства работы с ранее записанными сигналами создается специальный режим просмотра записей по т.н. «карте событий», в котором на экран выводится поканальная карта записанного файла (файлов при многократной записи сигналов по событиям) с указанием названий и времени начала (окончания) событий. Кроме того, в карту событий планируется внесение ссылок (с привязкой к конкретному моменту записи) на дополнительные файлы, в которые могут собираться результаты дополнительных видов offline анализа, выполняемых для конкретных отрезков записи.

Анализ сигналов из записанного файла

Простейший вид анализа сигналов из записанного файла – повторение online обработки сигнала по той же или частично измененной схеме измерений, выполняемой либо с момента начала записи, либо с выбираемой задержкой по времени от ее начала. При такой повторной обработке сигналов могут применяться только те виды анализа сигналов, которые используются для работы в online режимах.

Виды анализа сигналов при их воспроизведении из записанных файлов могут быть существенно сложнее, так как при таком анализе нет требований к скорости принятия решений. В то же время, необходимо минимизировать трудоемкость работы оператора при offline анализе сигналов. Важнейшим вопросом снижения трудоемкости является оптимизация поиска необходимого отрезка записи в файле с записанным сигналом. Для решения этой задачи создается карта измерений. По карте можно выбрать любой отрезок записи, в том числе с любым из зарегистрированных событий, и предварительно просмотреть собственно сигнал, параллельно записанные результаты его online анализа, а также выполнить предварительный online анализ в одном канале без схемы измерений или в нескольких каналах с выбором схемы измерений из базы.

В расширенный список видов offline анализа сигналов по предложениям пользователей могут включаться любые виды анализа сигналов во временной и частотной областях, а также любые виды статистического анализа выделяемых параметров. Задача пространственного анализа сигналов (исключая объединение результатов анализа по группе каналов) в рамках программы динамического анализа не ставится.

Важнейшей задачей offline анализа является обработка записей переходных процессов. Кроме стандартных видов анализа вибрации агрегатов в моменты их пуска (выбега), основанных на синхронном с датчиком оборотов спектральном анализе, предполагается использовать и другие виды синхронизирующих сигналов, в том числе напряжение питания на выходе статических преобразователей переменного напряжения.

Для анализа установившихся процессов, содержащих и периодические, и случайные составляющие, планируется использовать способы, основанные на адаптивной фильтрации, их предварительного разделения на случайные и периодические компоненты.

Для анализа скачкообразных изменений вибрации в переходных процессах планируется использовать двумерные широкополосные виды анализа сигналов, прежде всего некоторые виды вейвлет – анализа.

Часть из видов offline анализа сигналов, с частности измерение порядковых спектров, синхронное накопление сигнала и двумерный анализ сигналов (орбиты) при нестабильной частоте вращения агрегата, требующих переоцифровки входных сигналов, предполагается после отработки в режиме offline внести и в список алгоритмов online анализа.

Подготовка данных для внешних программ

Далеко не все программы диагностики и виброналадки, применяемые на предприятиях, имеют встроенные программы анализа вибрации, поэтому пользуются результатами измерений и анализа, получаемых от внешних приборов. При этом лишь немногочисленная часть приборов анализирует сигналы, измеряемые в неустановившихся режимах работы объектов контроля. Таким образом, возникает большой круг задач для рассматриваемого многоканального анализатора – не только записать первичные сигналы анализатора, но и выдать результаты типовых видов их анализа, необходимые для работы внешних программ диагностики и виброналадки, особенно в условиях, когда типовые средства измерения использовать крайне сложно или невозможно.

Часть таких данных может быть получена при анализе сигналов в режиме online, с внесением результатов в память программы динамического анализа в процессе проведения измерений.

В частности это измерение амплитуд и фаз составляющих вибрации на частоте вращения ротора различных машин для их балансировки на месте эксплуатации. Более того, программа балансировки роторов на месте эксплуатации может использоваться как составная часть программы динамического анализа.

Другое применение – использование результатов анализа сигналов в диагностических программах. Так, например, диагностическая программа DREAM имеет в своем составе виртуальный анализатор сигналов в установившемся режиме работы, и в такую программу можно передавать непосредственно файлы записанных первичных сигналов. Но в то же время программа DREAM не рассчитана на анализ сигналов в динамических режимах работы, и, особенно, на обработку длительных измерений, с построением зависимостей диагностических параметров от частоты вращения, нагрузки и т.п. А именно анализ таких зависимостей нужен, например, для диагностики механизмов с возвратно-поступательным движением, в частности для диагностики двигателей внутреннего сгорания.

Таким образом, программа динамического анализа может стать основой для развития новых направлений в диагностике машин и оборудования, готовя в оптимальной форме результаты анализа сигналов в динамических режимах работы для диагностических программ.

Есть еще одна область применения многоканального анализатора АВС-8 совместно с внешними программами, используемыми в некоторых отраслях промышленности – подготовка данных для различных испытательных систем, например систем определения резонансных свойств механических конструкций при тестовых воздействиях (модальный анализ).

3. Структура анализатора

Базовая структура online анализатора АВС-8 включает в себя многоканальный измеритель сигналов (сетевой измеритель) с подключаемыми к его входам измерительными преобразователями и компьютер с программой динамического анализа. Базовые измерительные преобразователи – датчики виброускорения, измерительные преобразователи тока (токовые клещи) и оптические датчики частоты вращения.

В сетевом измерителе количество параллельных входов для датчиков вибрации и тока – 8, для датчиков частоты вращения -2. Возможно подключение до 8 датчиков других величин, в частности температуры, давления и т.п., но, как правило, для этого необходимо использовать дополнительные источники питания и/или согласующие электрические цепи.

Сетевой измеритель – это не только средство параллельного преобразования аналоговых сигналов в единый цифровой поток, передаваемый в программу для дальнейшего анализа. Используемый в его составе контроллер (рис.6a) сам является анализатором сигналов в реальном времени, но с ограниченными анализирующими функциями. Заложенные в него функции анализа – фильтрация и спектральное преобразование – дает возможность непрерывного измерения на неподвижных частях объекта контроля уровня вибрации в стандартных полосах частот и параметров (СКЗ и пикового значения) импульсной высокочастотной вибрации ударного происхождения. А это – гарантия своевременного обнаружения опасного состояния объекта контроля в различных нештатных режимах функционирования, в которых чаще всего и нужен online анализ проходящих в нем процессов. Таким образом, при проведении измерений в потенциально опасных режимах работы объекта контроля появляется возможность подключения на время измерений независимых средств аварийной сигнализации, что особенно важно для работы в промышленных условиях.

Выходной цифровой поток передается из сетевых измерителей в компьютер с программой динамического анализа по сети Ethernet. По этой же сети может производиться и питание сетевых измерителей. Это особенно важно при параллельном включении в сеть нескольких (от 2 до 4) разнесенных в пространстве сетевых измерителей через стандартный коммутатор сети с РоЕ источником питания (48В). В то же время сетевой измеритель может питаться и от типового источника питания компьютера (18В), а в базовый анализатор (рис.6в) входит еще и аккумулятор для сетевого измерителя и компьютера (Notebook) с возможностью непрерывных измерений без подзарядки до суток.

 

а) Контроллер – основа сетевого измерителя

б) Сетевой измеритель

Контроллер – основа сетевого измерителя виброметра

Сетевой измеритель анализатора вибрации

в) Базовая версия online анализатора

г) Расширенная версия online анализатора

Базовая версия online анализатора вибрации оборудования и узлов механизмов

Расширенная версия многоканального online анализатора вибраций

Рис.6 Составные части online анализатора сигналов АВС-8

Расширение возможностей анализатора по сравнению с базовой версией ведется как в части увеличения числа параллельно работающих измерительных каналов, так и в части дополнения программного обеспечения новыми возможностями.

Увеличение числа измерительных каналов возможно за счет подключения дополнительных сетевых измерителей и освоения новых видов измерительных преобразователей. Для крупных агрегатов или группы агрегатов, объединенных одним рабочим процессом, с большим количеством точек контроля вибрации, эти точки могут быть разнесены в пространстве на большие расстояния. Поэтому сетевые измерители в составе одного анализатора не объединяются в один корпус, а допускают установку в разных помещениях, для чего, при необходимости, могут подключаться и к беспроводной сети Wi-Fi (рис.6г).

Освоение новых видов измерительных преобразователей связано с необходимостью проведения дополнительных работ по электрическому согласованию выходов аналоговых преобразователей с входами сетевого измерителя. Эта работа может выполняться под конкретных заказчиков, выдвигающих, как правило, ряд дополнительных требований к типам и особенностям измерительных преобразователей, которые обычно уже встроены в объекты контроля и используются другими измерительными системами. Более того, в устройства согласования с такими преобразователями необходимо вставлять средства защиты и измерительных преобразователей, и сетевого измерителя в виде оптических или трансформаторных средств электрической развязки.

Программа динамического анализа организуется таким образом, чтобы параллельно решать четыре группы задач:

  • принимать входной поток данных и дублировать входные сигналы для анализа параллельно записи с последующим выполнением online преобразования накапливаемых в буферах данных,
  • готовить к записи в файл (и записывать по командам) первичные сигналы с адаваемыми граничными частотами, для чего, при необходимости, прореживать сигналы после соответствующей фильтрации и синхронизировать потоки сигналов с разной частой дискретизации,
  • готовить выходные данные online анализа (и поступающие из измерителей результаты предварительного анализа) к сравнению с порогами для обнаружения событий, формировать сообщения о событиях и соответствующие команды управления,
  • отображать результаты online анализа на мониторе компьютера (графический анализ) и готовить их к записи в файл

Подготовленные в рамках последних трех групп задач данные полностью или частично (в соответствии со схемой измерений и формируемой картой событий) могут записываться в память компьютера в виде пакета файлов с его регистрацией в журнале измерений.

4. Технические характеристики анализатора АВС-8

Технические характеристики базовой версии online анализатора в целом определяются характеристиками его составных частей – измерительных преобразователей (датчиков вибрации с ICP –питанием, измерительных преобразователей тока и датчиков частоты вращения), измерительных приборов (сетевых измерителей), сети Ethernet и компьютера, на который устанавливается программа динамического анализа. При расширении номенклатуры используемых измерительных преобразователей возможные изменения характеристик анализатора определяются техническими характеристиками используемых датчиков и согласующих устройств.

Современные акселерометры с ICP – питанием и измерительные преобразователи тока могут ограничивать две основные характеристики анализатора – частотный и динамический диапазоны. Так, наиболее широко используемые акселерометры имеют сертифицируемый частотный диапазон от 0,5Гц до 10кГц, однако относительные измерения могут выполняться и на более высоких частотах, вплоть до частоты собственного резонанса, которые в зависимости от типа датчика находятся в диапазоне 25-50кГц. Верхнее граничное значение пиковой вибрации в таких акселерометрах обычно ограничивается величиной в 50g при типовом коэффициенте преобразования 100мВ/g, но есть специальные датчики ускорения до 1000g и более. Динамический диапазон типовых акселерометров обычно превышает 100дБ, доходя у некоторых датчиков до 120дБ и более. На рис 7 приведены типовые ICP – акселерометры фирмы РСВ, используемые в разрабатываемом анализаторе.

 

Акселерометры с ICP питанием, наиболее часто используемые в составе online анализатора вибрации

Рис.7 Акселерометры с ICP питанием, наиболее часто используемые в составе online анализатора

Используемые в анализаторе измерительные преобразователи тока делятся на трансформаторные и преобразователи, основанные на эффекте Холла. Измерительные трансформаторы переменного тока (рис. 8) могут использовать магнитопровод или обходиться без него (гибкий пояс Роговского). Преобразователи, измеряющие и постоянный, и переменный токи (на основе датчика Холла) обычно используют магнитопровод с одной обмоткой, но для улучшения рядя характеристик в преобразователь может устанавливаться и дополнительная (компенсационная) обмотка.

Измерительные преобразователи тока (трансформатор тока, пояс Роговского, токовые клещи с датчиком Холла, токовый преобразователь с компенсационной обмоткой и датчиком Холла)

 

Рис.8 Измерительные преобразователи тока (трансформатор тока, пояс Роговского, токовые клещи с датчиком Холла, токовый преобразователь с компенсационной обмоткой и датчиком Холла).

Нижняя частотная граница преобразователя трансформаторного типа составляет около 1Гц для преобразователей с магнитным сердечником и около 5 Гц для преобразователей без сердечника. Преобразователи на эффекте Холла измеряют как переменный, так и постоянный ток. Верхняя граничная частота для всех преобразователей может превышать верхнюю граничную частоту анализатора, составляющую 50 – 60кГц.

В качестве датчика оборотов в анализаторе обычно используются оптические датчики ФД-2, ФД-3 производства Ассоциации ВАСТ, для которых в составе сетевых измерителей, как и для указанных ранее датчиков вибрации, предусмотрены встроенные источники питания.

Каждый сетевой измеритель (рис 6б) имеет восемь каналов измерения широкополосных электрических сигналов амплитудой до +3.5В с 24-разрядными АЦП (типовой частотный диапазон 0-50кГц), восемь каналов измерения постоянной составляющей медленно меняющегося электрического сигнала и два канала измерения синхроимпульса с датчика оборотов.

Основные характеристики каналов измерения широкополосных сигналов следующие:

  • частотный диапазон 0-50кГц с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики не хуже 5%, при подключении акселерометра определяется его характеристикой,
  • динамический диапазон – не хуже 110дБ
  • собственные шумы – не хуже 10мкв, тональные составляющие собственных шумов – не более 3мкВ
  • частота дискретизации широкополосного сигнала на выходе АЦП – 128кГц,
  • возможные частоты дискретизации сигнала, передаваемого в сеть Ethernet, выбираются из ряда: 128кГц, 51,2кГц, 25,6кГц, 12, 8кГц 5,12кГц и 2,56кГц,
  • уровень нелинейных искажений – не хуже минус 80дБ,
  • взаимовлияние каналов – не более минус 80дБ
  • питание ICP –акселерометра напряжением 20В, стабилизированный ток питания – 3,6мА

Основные характеристики каналов измерения постоянной составляющей сигнала:

  • последовательный опрос 8 измерительных каналов, разрядность АЦП -12бит
  • частота дискретизации – 256Гц
  • входное напряжение – 0 - 3В,
  • время измерения – не более 0,1с на канал.

Канал измерения синхроимпульсов рассчитан на вход импульсного сигнала напряжением от 2 до 30В с частотой следования от 0,5 до 500Гц. Встроенное питание датчика частоты вращения - U=5В, I=25мА.

Встроенное в контроллер сетевого измерителя программное обеспечение обеспечивает прием цифровых потоков с выхода всех АЦП и синхросигнала, а также передачу выходных данных в сеть Ethernet по стандартному протоколу TCP/IP (100BaseT).

В функции встроенного в контроллер программного обеспечения также входит:

  • независимое в каждом широкополосном канале прореживание сигналов (после антилайзинговой фильтрации с глубиной подавления более 120дБ) в 2,5; 5, 10, 25 и 50 раз,
  • синхронизация сигналов после прореживания,
  • спектральное преобразование сигналов с определением уровня виброперемещения, виброскорости и виброускорения в выбираемой из следующих стандартных частотных полос: 10-2000Гц, 10-1000Гц, 2-1000Гц или 0,5 – 250Гц,
  • управление работой и проверка работоспособности каждого измерительного канала.

Пропускная способность используемой в измерительной части анализатора 100 мегабитной сети Ethernet должна обеспечивать передачу данных из трех сетевых измерителей при частоте дискретизации 128кГц во всех 24 широкополосных измерительных каналах и из четырех сетевых измерителей при более низкой частоте дискретизации сигналов в половине из 32 широкополосных каналов. Однако при необходимости использовать все четыре сетевых измерителя на полную мощность или увеличить количество используемых измерителей, можно перейти на измерительную сеть более высокой пропускной способности.

Разрабатываемая программа динамического анализа рассчитана на работу в операционной среде Win32 и персональные компьютеры со средними вычислительными возможностями. Ограничения по количеству сетевых измерителей и/или потребляемой мощности компьютера могут возникнуть лишь при питании анализатора, включая компьютер и коммутатор сети, от аккумулятора в течение длительного времени.

Одной из важных технических особенностей программы является ориентация на специалистов с минимальной подготовкой в области измерений и обработки результатов. Именно для достижения этой цели создается база типовых схем измерений и обеспечивается возможность передачи схемы измерения после ее создания с участием профессионалов на место проведения измерений.

Для этой же цели вводится навигация по карте измерений для проведения анализа сигналов режиме offline, а при работе в режиме online используются алгоритмы автоматического построения «образа» состояния объекта контроля в целом

Другая техническая особенность программы – возможность резкого увеличения производительности операторов, выполняющих анализ измеряемых сигналов. На это направлено введение в программу режима работы «по событиям» с большой номенклатурой возможных событий. Обнаруживаемые события, во-первых, вносятся в карту событий для облегчения дальнейшей навигации. Во-вторых, обеспечивается один из режимов записи сигналов только во время событий. Наконец, по событиям могут запускаться определенные виды анализа, а их результаты записываться одновременно с записью первичного сигнала. Это дает возможность перед проведением offline анализа оперативно оценить важность события по записанным результатам анализа и принять решения о необходимости выполнения более полного анализа записанных во время события сигналов.

 

5. Последовательность разработки.

Техническая основа многоканального online анализатора сигналов АВС-8– контроллер для измерения вибрации, непрерывно выдающий цифровой поток первичных и обработанных сигналов в Ethernet, разработан еще в 2010г и на его основе для расширенных испытаний была выпущена опытная партия сетевых измерителей, успешно используемых для многоканальной записи сигналов вибрации и тока. Опыт эксплуатации сетевых измерителей в различных промышленных условиях показал, что достигнутые при их разработке технические характеристики, по крайней мере, не уступают характеристикам лучших аналогов и стабильны в течение всего времени эксплуатации.

В связи с полученными результатами и было принято решение расширить область применения сетевых измерителей, в том числе и в полевых условиях, разработав на его основе сетевой многоканальный online анализатор сигналов. Такой анализатор, прежде всего сигналов вибрации машин и оборудования, а также тока в их силовых цепях, который мог бы увеличить возможности разрабатываемого и выпускаемого Ассоциацией ВАСТ диагностического программного обеспечения.

В процессе разработки технических требований на online анализатор сигналов пожелания специалистов выросли, и было принято решение о поэтапной разработке анализатора широкого назначения с возможностью использования параллельно нескольких сетевых измерителей, а также, в дальнейшем, с возможностью использования и других средств измерения, работающих на общую измерительную сеть.

В рамках первого этапа определялась структура анализатора на основе группы сетевых измерителей и общий список решаемых задач, краткое описание которых изложено в настоящей публикации. Главным направлением первого этапа стала подготовка базового программного обеспечения для многоканального online анализа вибрации (тока) с параллельной записью первичных сигналов, в том числе и по событиям. Основное внимание уделялось спектральному анализу сигналов и последующей их обработке по всем (группе) используемых измерительных каналов, что позволяет практически мгновенно контролировать реакцию вибрационного состояния агрегата в целом на любые управленческие или тестовые воздействия на агрегат.

По результатам работ первого этапа выпушены опытные образцы базового варианта анализатора АВС-8, которые проходят испытания на функционирование в сложных производственных условиях. Кроме online спектрального анализа вибрации и определения уровня виброускорения, виброскорости и виброперемещения в выбираемой полосе частот можно формировать спектры максимумов ( рис.4) и анализировать зависимости измеряемых параметров от времени.

Что касается offline анализа записанных сигналов, то до окончания работ по соответствующему этапу расширения возможностей анализатора его можно выполнять с помощью виртуальных анализаторов сигналов, в частности входящих в программное обеспечение для диагностики DREAM или программ более широкого назначения, например Lab View

В рамках второго этапа начата работа по созданию системы навигации записываемых сигналов по карте событий и расширению номенклатуры регистрируемых в режиме online событий.

Следующий этап – расширение номенклатуры видов online анализа сигналов и создание базы данных с соответствующими программами анализа, в том числе необходимых для диагностики машин и механизмов по переходным процессам, протекающим при пусках и сменах режимов их работы, в частности с изменением частоты вращения и/или нагрузки.

В заключительный этап расширения функций многоканального online анализатора сигналов АВС-8 будет входить освоение новых видов измерительных преобразователей, организация независимой от работы программы динамического анализа аварийно-предупредительной сигнализации в переходных режимах работы объектов контроля и метрологическая сертификация анализатора как средства измерений.

Определенные коррективы в программу расширения возможностей online анализатора сигналов могут быть внесены по заявкам потенциальных заказчиков.

 

6. Выводы.

1).Разрабатываемый переносной многоканальный online анализатор АВС-8 для промышленных условий имеет широкую область применения в рамках обеспечения краткосрочных и длительных измерений, анализа и записи вторичных процессов в работающем оборудовании.

2).Анализатор рассчитан на использование специалистами по обслуживанию контролируемого оборудования, имеющими лишь минимальные навыки работы со средствами измерения, путем проведения измерений по заранее составленным схемам.

3).Анализатор обеспечивает многократное ускорение работы операторов и их реакции на происходящие в объектах контроля изменения не только за счет увеличения количества параллельных online каналов измерения, но и путем построения online «образа» состояния объекта в целом.

4).Анализатор позволяет многократно сокращать объем записи первичных сигналов и результатов обработки путем ее выполнения по выбираемой номенклатуре «событий» и упрощать offline анализ за счет навигации по «карте» измерений с внесенными в нее событиями.

5).Организация измерительной сети Ethernet и блочная структура анализатора позволяют проводить совместный online анализ сигналов нескольких разнесенных в пространстве объектов, объединяемых общим рабочим процессом.