Система мониторинга вибрации с оперативной идентификацией обнаруживаемых изменений

 

Барков А.В., Баркова Н.А., Грищенко Д.В., Федорищев В.В.

Северо-Западный учебный центр, Санкт-Петербург

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

 

Введение

Одним из основных источников повышенного шума и вибрации является работающее промышленное оборудование, а их уровень может многократно расти по мере ухудшения технического состояния оборудования. Учет связи параметров шума и, особенно, вибрации оборудования с его техническим состоянием может объединить решение многих проблем по защите населения и окружающей среды как от шума и вибрации, так и от последствий аварий. Необходимо только совместить во внедряемых системах виброакустического контроля решение двух задач – мониторинга и диагностики. Даже если это потребует дополнительного контроля и других процессов, протекающих в аварийно-опасном промышленном оборудовании.

Многолетние исследования вибрации различных машин и оборудования показывают, что именно в ней происходят наиболее сильные изменения при развитии аварийно-опасных дефектов, а наиболее быстрое развитие опасных дефектов имеет место в процессах смены режимов работы оборудования. Таким образом, создавая системы непрерывного виброакустического мониторинга для промышленности, необходимо предусматривать возможность быстрого решения диагностических задач с выявлением причин регистрируемого изменения виброакустического состояния объекта. От современной системы вибрационного мониторинга и диагностики требуется принимать быстрые решения без участия человека, как в установившихся режимах работы, так и при смене режима работы машин и оборудования.

Перед разработчиками предсавляемойк  системы была поставлена задача создания экономически оправданной многоканальной системы и мониторинга, и диагностики, и прогноза, как вибрации, так и технического состояния машин и оборудования путем последовательного расширения количества и номенклатуры используемых измерительных преобразователей и увеличения возможностей используемого программного обеспечения. Анализ основных технических решений, позволивших создать такую систему, приводится в докладе.

 

 

Общие решения

Одно из основных требований к многоканальным системам вибрационного мониторинга - параллельные измерение и анализ вибрации - реализовано путем наращивания количества идентичных средств измерения, работающих на единую измерительную сеть. А для того, чтобы не перегружать измерительную сеть и средства мониторинга потоками оцифрованных сигналов, решено все необходимые виды анализа сигналов вести параллельно, непосредственно в средстве измерения (блоке анализа электрических сигналов БАЭС).

Количество и сложность используемых видов параллельного анализа сигналов вибрации, как правило, растут при переходе от задачи мониторинга к решению задач идентификации причин изменения состояния (оперативной диагностики) и, далее, к глубокой диагностике с долгосрочным прогнозом состояния объекта. Да и задачи вибрационного мониторинга решаются с применением разных по сложности видов анализа сигналов вибрации и алгоритмов принятия решений, зависящих от требуемой скорости обнаружения изменений. При оптимизации технических характеристик БАЭС, обеспечивающих непрерывный прием сигналов с группы измерительных преобразователей, их параллельный анализ и передачу по сети полученных результатов, в разрабатываемой системе ограничено количество используемых видов непрерывного анализа для мониторинга и оперативной диагностики объектов. Что касается глубокой диагностики с долгосрочным прогнозом состояния контролируемых объектов, то с учетом больших интервалов между их периодическим проведением принято решение накапливать отрезки сигналов в памяти БАЭС, передавая их по той же измерительной сети во внешние средства глубокой диагностики.

Основные решения по расширению программы мониторинга и диагностики относятся к возможности дополнения базовой программы вибрационного мониторинга различными дополнительными программами, в том числе:

• мониторинга невибрационных процессов в объекте контроля,
• автоматического построения и адаптации пороговых значений,
• оперативной диагностики объекта по результатам вибрационного мониторинга,
• оперативной диагностики объекта по результатам совместного мониторинга вибрации и других процессов,
• записи сигналов (периодической и по событиям) в память измерительных приборов и их передачи во внешнюю программу глубокой диагностики и долгосрочного прогноза

Собственно программа глубокой диагностики и долгосрочного прогноза различных объектов, включающая в себя и модули необходимых видов анализа сигналов, не является составной частью системы мониторинга и разрабатывается по отдельным техническим требованиям.

Средства измерения и анализа сигналов

Основным из контролируемых системой процессов является вибрация, однако разработанные средства измерения и анализа сигналов рассчитаны на прием и анализ электрических сигналов не только с вибропреобразователей, измеряющих как звуковую, так и ультразвуковую вибрацию, но и с преобразователей других, в частности низкочастотных процессов, таких как термопреобразователи и т.п.

В качестве используемых видов непрерывного измерения и анализа сигналов вибрации были выбраны узкополосный спектральный анализ (до частоты 10кГц), широкополосный спектральный анализ (1/3октавный), измерение уровня низкочастотной вибрации в стандартной полосе частот (10-1000Гц) и величины импульсных высокочастотных (до 20-60кГц) составляющих вибрации. Интервал обновления результатов анализа вибрации обычно определяется максимальной разрешающей способностью в узкополосном спектре вибрации. В базовой системе мониторинга этот интервал составляет 1,6 секунды. Для реализации указанных измерений был разработан соответствующий электронный блок (БАЭС), см.рис.1.

Рис.1. Блок анализа электрических сигналов, рассчитанный на непрерывное измерение и анализ до 9 сигналов с различных измерительных преобразователей, в том числе до 4 широкополосных (вибрация, шум или ток, до 60кГц) и одного датчика оборотов. Размеры БАЭС: 120*100*50мм, масса 0,4кг, потребляемая мощность – 5Вт. Обеспечено питание до 4 ICP – преобразователей вибрации (шума) и оптического датчика оборотов. Выходные данные БАЭС передаются во внешние устройства по измерительной сети Ethernet.

Для того, чтобы обеспечить измерения и детальный анализ вибрации многорежимных объектов с изменяющимся уровнем вибрации до 1000 и более раз, обеспечен высокий динамический диапазон измерений – более 100дБ.  На рис.2 представлены результаты текущего анализа сигнала вибрации.

Рис.2. Результаты текущих измерений вибрации в одном из параллельных измерительных каналов – третьоктавный и узкополосные спектры.

 По внешней команде БАЭС обеспечивает запись отрезков сигнала в собственную энергонезависимую память (до 32 гигабайт), в том числе и ту их часть, которая уже находится в буферной памяти на момент прихода внешней команды. По отдельной команде информация, находящаяся в энергонезависимой памяти БАЭС, может быть передана во внешние устройства по сети Ethernet.

Программа мониторинга

Программу мониторинга контролируемых параметров вибрации было решено оптимизировать под обнаружение и анализ как быстрых, так и медленных изменений, Задачами программы мониторинга является обнаружение скачков контролируемых параметров, анализ их монотонных изменений с разными скоростями развития, определение зоны состояния для каждого из более 50 параметров и прогноз развития опасных ситуаций. Часть этих параметров является общей для всех видов объектов контроля, часть определяется специфическими особенностями объекта и формализуется в программе при конфигурировании объекта. Для всех контролируемых параметров используется несколько последовательных скользящих накопителей с прореживанием данных между ними и конечный накопитель без прореживания (база данных), см. рис.3.

Рис.3. Блок-схема программного обеспечения системы вибрационного мониторинга с возможностью оперативной диагностики и съема сигналов для глубокой диагностики.

Тренды изменения контролируемых параметров строятся по данным всех накопителей, т.е. для интервалов порядка 12 секунд, 7 минут, 7 часов и 10 суток. По данным, накапливаемым в основной базе, можно строить и более длинные тренды с возможностью прогноза медленных изменений параметров до нескольких недель. Пороги обнаружения быстрых изменений параметров могут адаптироваться с учетом их медленных изменений.

Аналогичные накопители организованы и для мониторинга параметров невибрационных сигналов. Эти сигналы (с последующим определением требуемых параметров) могут измеряться преобразователями, подключенными к БАЭС, либо передаваться в компьютер с программой мониторинга по информационной сети.

Важнейшей составной частью программы мониторинга является обеспечение режима обнаружения «событий», под которыми понимаются важные для последующего подробного изучения изменения контролируемых параметров, как вибрации, так и других процессов. Эта задача решается в режиме online с одновременным формированием команды, по которой система мониторинга может записать отрезок первичных сигналов в энергонезависимую память соответствующего БАЭС. А режим работы БАЭС с предварительной записью сигналов позволяет запомнить и накопленный в буфере отрезок сигнала перед событием.

Запись сигнала в память БАЭС может производиться и периодически, при отсутствии событий, что дает возможность построить «эталоны» для моделей глубокой диагностики объектов контроля внешними программами глубокой диагностики.

Оперативная диагностика

Диагностика, т.е. идентификация вида и степени опасности обнаруживаемых изменений вибрационного (или технического) состояния объекта выполняется по регистрируемым превышениям каждым из контролируемых параметров соответствующих пороговых значений и анализа трендов изменения этих параметров (прогнозируемого времени достижения ближайшего порога). Для каждого параметра в каждой точке контроля определяется до 4 зон его состояния, и задача идентификации сводится к определению наиболее вероятного состояния объекта в целом из множества возможных. Это множество возможных состояний предварительно составляется и закладывается в диагностический модуль, являющийся составной частью программы оперативной диагностики. В модуль заносятся необходимые данные об объекте диагностики (часть из них берется их данных, внесенных в программу при конфигурировании объекта мониторинга), список идентифицируемых изменений состояния и признаки изменения состояния с коэффициентами влияния на каждую из точек контроля, в которых такое влияние имеет место. Составление (или адаптация) такого модуля – задача эксперта, имеющего специальную подготовку.

По данным анализа трендов изменения параметров, характеризующих обнаруженный вид изменения состояния, составляется оперативный прогноз, а в случае обнаружения быстрых монотонных изменений – оценивается время достижения предаварийной ситуации (остаточный ресурс технического объекта).

Для каждого из возможных состояний могут формироваться определенные рекомендации по устранению опасных изменений, или по уточнению вида и степени опасности, которые входят в предоставляемое описание обнаруженных изменений.

Оперативная диагностика объекта при отсутствии регистрируемых в процессе мониторинга опасных изменений состояния выполняется периодически. Минимальный интервал между плановыми операциями диагностики – 7 минут, соответствующий полной смене данных измерений в накопителе быстрого мониторинга. При регистрации изменений состояния программой мониторинга производится внеочередная диагностика. По мере смены данных в следующих накопителях результаты диагностики корректируются с учетом информации, получаемой из расширенных трендов изменения контролируемых параметров.

Вибрационная диагностика проводится по узкополосным и третьоктавным спектрам вибрации, а также по статистическому распределению пиковых значений ее импульсных высокочастотных компонент. У используемых невибрационных процессов количество контролируемых диагностических параметров существенно ниже. Все контролируемые параметры по каждому используемому в диагностическом модуле виду дефекта делятся на три группы – основные, дополнительные и несущественные, что позволяет идентифицировать большую группу возможных причин регистрируемого изменения состояния объекта.

Одной из основных областей применения разрабатываемой системы мониторинга и оперативной диагностики, которой разработчики уделяют максимальное внимание, является диагностика ответственных машин роторного типа. Основными процессами, по которым ведется диагностика, являются вибрация и ток приводного электродвигателя. С целью эффективного построения диагностических модулей для разных типов машин разработаны методики их диагностирования по вибрации и току.

Выводы

Разрабатываемая система вибрационного мониторинга и диагностики рассчитана на оперативное получение данных, необходимых для одновременного решения двух задач – защиты от персонала технических объектов от повышенной вибрации и предупреждения аварийных ситуаций.

Выполняемый системой параллельный контроль и анализ вибрации и других процессов в большой группе машин и оборудования позволяет оптимизировать режимы работы крупных технических объектов оборудования по минимуму вибрационного воздействия на персонал и окружающую среду, сохраняя при этом надежность и производительность таких объектов.

Система не требует обслуживания и может быть использована для мониторинга виброакустических процессов в удаленных объектах, функционирующих без присутствия персонала.

Литература

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7т. Под общей редакцией В.В.Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. Вибродиагностика, - М.: Машиностроение, 2005. – 829с.

2. НОУ «Северо-Западный учебный центр»: [Электронный ресурс]. СПб, URL: http://www.vibro-expert.ru.