Важнейшей составной частью современных систем управления машинами и механизмами являются средства контроля состояния и диагностики дефектов. Эти средства могут быть либо автономными, предоставляющими заинтересованным службам информацию о состоянии, либо объединенными со средствами аварийной защиты, либо входящими в состав систем диспетчерского или автоматического управления различными агрегатами.
Многие годы для контроля состояния и диагностики машин и механизмов применяются автономные средства диагностики на основе разовых или периодических измерений и последующего глубокого анализа наиболее информативных сигналов, источником которых являются рабочие и вторичные процессы в агрегатах. Такими сигналами являются вибрация, силовой ток в электрооборудовании, а также оптическое и тепловое излучение, способные распространяться до удаленных точек контроля с минимальными потерями информации. Использующие эти сигналы средства диагностики выпускаются как в переносном, так и в стационарном, в том числе стендовом, исполнении. Назначением этих средств чаще всего является повышение эффективности обслуживания и ремонта эксплуатируемых агрегатов.
Параллельно или независимо от средств диагностики часто используются стационарные средства аварийной защиты агрегатов, основанные на непрерывном измерении отдельных параметров тех же процессов. Но для обеспечения быстродействия из контролируемых сигналов извлекается лишь небольшая, наиболее быстро получаемая информация, недостаточно полно отражающая состояние агрегата. А для повышения достоверности принимаемых решений в средствах защиты увеличивают число точек контроля таких параметров и дополняют их датчиками других характеристик рабочих процессов, в частности, давления, расхода, мощности и т.п. Так как основой аварийной защиты является непрерывность измерений контролируемых параметров, развитие средств защиты чаще всего идет в сторону объединения со средствами управления,
с выполнением объединенными системами функций мониторинга отдельных параметров, используемых для защиты агрегатов.
Главным направлением современного развития средств диагностики также является объединение с системами управления агрегатами. Для этого в объединенные системы внедряются функции мониторинга, но уже расширенной группы параметров рабочих и вторичных процессов, достаточно полно отражающих состояние агрегата. А в случае регистрации изменения фактического состояния по этой группе параметров проводится диагностика с оценкой места возникновения и вида дефекта, прогноза его развития. Управление агрегатами по состоянию требует поддержания необходимого баланса между временем принятия решений и временем накопления информации для оперативной диагностики высокой достоверности. Этот баланс может отличаться для разных типов машин и механизмов, а также систем диспетчерского и автоматического управления агрегатами. Отличаться может и глубина диагностики, а сама диагностика может делиться на две части - оперативную с обратной связью на управление, и глубокую - для оптимизации работ по обслуживанию и ремонту агрегатов, причем объединенные системы могут лишь накапливать информацию для второй части диагностики, проводимой внешними средствами, при необходимости, с привлечением экспертов.
Введение в системы управления функций оперативной диагностики для управления с учетом фактического состояния является главной,
но не единственной областью использования стационарных средств диагностики. Наметившиеся в последние годы повышение эффективности
и снижение себестоимости многоканальных средств оперативной диагностики позволяет существенно расширить и области применения автономных систем диагностики,
как обеспечивающих функционирование различных информационных систем, так и расширяющих возможности средств аварийной защиты агрегатов. Особенности построения
и применения стационарных систем диагностики для разных задач и разных типов машин и механизмов рассматриваются в настоящей публикации.
Основное внимание уделяется системам диагностики агрегатов роторного типа, вибродиагностика которых развивается наиболее быстрыми темпами.
Основным видом диагностического сигнала, содержащего максимальный объем доступной диагностической информации о состоянии работающих машин и механизмов является их вибрация, а для машин с электроприводом еще и ток электродвигателя. Эффективно выделить эту информацию из измеряемых сигналов цифровыми средствами анализа можно при использовании в системе диагностики датчиков виброускорения на неподвижных частях агрегатов и измерительных трансформаторов тока в цепях питания их электродвигателей. Могут применяться датчики и других сигналов, но количество информативных параметров в них в десятки раз меньше, а использование каждого дополнительного датчика приводит к удорожанию автономной системы. Поэтому информация с других видов датчиков используется, как правило, тогда, когда они уже вмонтированы в объект в составе штатных систем контроля или управления.
Важнейшей функцией стационарных систем диагностики является непрерывный мониторинг состояния машин и механизмов по всем используемым для диагностики параметрам. Мониторинг состояния по вибрации отличается от непрерывного вибрационного контроля в системах аварийной сигнализации и защиты не только тем, что кроме сравнения с порогом величины (уровня) вибрации в стандартной полосе частот контролируется скорость его изменения с построением трендов и обнаружением скачков. Главное отличие при переходе к мониторингу состояния – увеличение количества контролируемых параметров вибрации с обязательным ее разделением на три основные группы компонент – периодических, стационарных случайных и импульсных (ударного происхождения). Вторым отличием является разбиение каждой компоненты на несколько составляющих разной частоты, в результате количество параллельно измеряемых параметров вибрации доходит до нескольких десятков, по-разному реагирующих на изменение состояния объекта при разных видах дефектов.
Мониторинг состояния электродвигателей и приводимых им во вращение механизмов по параметрам тока двигателя имеет много общего с мониторингом по вибрации, в то же время обладая рядом существенных отличий. К общим вопросам относится мониторинг величин полного тока, его периодических составляющих с разными частотами и импульсных (широкополосных) составляющих. Отличия связаны с измерением параметров пульсаций величины (модуляции) рабочего тока при появлении пульсаций механической нагрузки на двигатель, причиной которых чаще всего являются дефекты различных узлов в приводимом во вращение механизме.
Перечисленные функции мониторинга машин и механизмов по вибрации и току определяют структуру стационарной системы мониторинга, которая приведена на рис.1. Это группа объединенных компьютерной сетью многоканальных измерителей вибрации, тока и, при необходимости, других процессов в объектах контроля. К входам этих измерителей подключаются первичные измерительные преобразователи (датчики), с выхода по измерительной сети результаты анализа измеряемых сигналов передаются в компьютер с программой мониторинга состояния (и оперативной диагностики). В свою очередь программа мониторинга имеет выход во вторую, информационную сеть предприятия, по которой пользователям передается требуемая информация.
Многоканальная система мониторинга может производиться и в переносной модификации, выполняя функции «суточного» мониторинга состояния с экспертным анализом получаемых системой результатов. Но эксперты предъявляют к такой системе существенно более жесткие требования по количеству видов анализа сигналов в режиме онлайн и по возможностям графического анализа получаемых результатов. Поэтому анализ возможностей таких «мобильных» систем мониторинга, структура которых практически не отличается от приведенной на рис.1, представляет собой самостоятельную задачу и требует отдельной публикации. В такой публикации могут подробно рассматриваться и возможности использования мобильной системы мониторинга состояния в качестве стендовой системы диагностики вращающегося оборудования.
Мониторинг состояния стационарными системами проводится непрерывно с момента пуска до полной остановки агрегата. Для этого используются изменяющиеся в разных условиях работы несколько (для состояний с разной степенью опасности) пороговых значений у каждого контролируемого параметра. В современной системе мониторинга состояния пороги для каждого параметра (кроме законодательно закрепленных стандартами и техническими регламентами) определяются и корректируются автоматически, по мере накопления данных их измерений в разных условиях эксплуатации агрегата.
При включении в состав системы мониторинга программы оперативной диагностики ее функцией сразу после обнаружения изменения состояния (и периодически) является определение вида и величины возможных дефектов по совокупности параметров, превысивших разные пороги опасности, а также прогноз развития дефектов по скорости изменения этих параметров с оценкой остаточного ресурса агрегата.
Стационарные, стендовые и переносные системы диагностики машин и механизмов имеют как много общих решений, так и существенные особенности построения, выбора диагностических признаков дефектов, точек контроля диагностических сигналов и порогов в диагностических моделях. Свои особенности есть и в конструктивных, а также технологических решениях, используемых в каждой из систем с учетом работы в разных условиях.
Общим для всех типов систем диагностики широкого назначения является интенсивный переход на многоканальные параллельные измерения диагностических параметров с эффективным использованием дополнительной информации, получаемой путем сравнения контролируемых в разных точках контроля процессов, прежде всего вибрации, во времени и пространстве, как в стабильных, так и в переходных режимах работы объектов диагностики.
Существенные особенности построения переносных систем диагностики определяются возможностью без значительных затрат увеличивать номенклатуру контролируемых процессов и/или точек их контроля, проводя «диагностические обследования» в типовых режимах работы объекта, в том числе на разгоне и выбеге. Кроме того, пороговые значения в используемых диагностических моделях чаще всего строятся «по группе», т.е. путем сравнения идентичных параметров группы идентичных агрегатов в близких условиях работы по результатам измерений вибрации и других сигналов, накапливаемых в базе данных системы диагностики.
Стендовые системы обычно используют групповые модели диагностики, но в отличие от переносных систем увеличение количества контролируемых процессов на стендах происходит менее болезненно из-за отсутствия требований к частому «развертыванию» системы с переносом кабельных трасс, связывающих датчики с устройствами анализа и диагностики. Особенность стендовых систем – необходимость оптимизации режимов работы объекта на стенде, т.е. тестовых режимов, как правило, значительно отличающихся от типовых, в которых развиваются диагностируемые дефекты. Поэтому часть из дефектов может не проявлять себя в конкретном тестовом режиме работы и стенды должны предусматривать возможность обследования объекта в нескольких существенно различающихся тестовых режимах. Еще одна проблема – учет функционирования собственно стенда, вносящего существенные помехи в контролируемые сигналы, поэтому к эффективным стендам предъявляются очень жесткие требования, а стоимость высококачественных стендов многократно растет.
Основной принцип диагностики в стационарных системах – максимальное использование информации, накапливаемой системой мониторинга, т.е. диагностирование по «истории» измерений большой номенклатуры диагностических параметров. И чем большее количество контролируемых параметров изменяется в результате появления типовых дефектов, тем больше возможности системы диагностики. А особенности построения системы определяются экономическими и технологическими ограничениями не на количество параметров, а на номенклатуру измерительных каналов – их количество, а также стоимость каждого необходимо оптимизировать без существенного снижения достоверности диагноза и прогноза.
Многоканальный параллельный мониторинг состояния машин и механизмов по большому числу параметров вибрации и других процессов требует от разработчиков систем мониторинга и диагностики решения дополнительных проблем, связанных со сравнительным анализом параллельно измеряемых сигналов, а также современными особенностями проектирования и эксплуатации различных агрегатов. Эти проблемы, по-разному решаемые разработчиками стационарных систем, делятся на четыре основные группы:
минимизация времени принятия решений при сохранении оптимального объема информации,
определение и адаптация пороговых значений для каждого из контролируемых параметров при разных уровнях опасности состояния и разных скоростях развития дефектов,
обнаружение опасных ошибок управления агрегатами или их обслуживания с оценкой последствий влияния таких ошибок на состояние машин и механизмов,
оптимизация используемой группы диагностических признаков типовых дефектов для разных видов машин и механизмов.
Возможности решения указанных проблем анализируются ниже.
Показательной характеристикой минимально возможного времени принятия решения в системах мониторинга состояния машин и механизмов является его рост по сравнению с аналогичным временем в системах аварийной защиты. В системах защиты машин по их вибрации это время зависит от скорости вращения и, как правило, не бывает меньше трех периодов вращения приводного двигателя с момента скачкообразного изменения состояния. Более того, для повышения достоверности обычно используется метод задержки решения до момента троекратного подтверждения появления опасной ситуации, т.е. минимальное время принятия решения в системах аварийной защиты по вибрации обычно близко к 8÷10 периодам вращения ротора привода. Для сокращения времени принятия решения об аварийной остановке по росту контролируемой вибрации иногда используются дополнительные, более высокие пороги опасности, без задержки принятия решения. Но чаще для защиты оборудования используются и датчики рабочих процессов с более высокой скоростью реакции на появление в объекте контроля определенных видов дефектов, в частности датчики тока, давления и другие.
В системах мониторинга состояния машин и механизмов из-за необходимости использовать расширенное количество параметров вибрации, в том числе требующих достаточно длительного измерения спектра сигнала вибрации, типовое время принятия решения в 5-10 раз больше. Однако в лучших по этому показателю системах его удается снизить до ~ 20 периодов вращения, т.е. до значений, всего в 2,5 раза дольше систем аварийной защиты даже с использованием метода троекратного подтверждения перехода объекта в новое состояние. При этом постановка диагноза по параметрам, вышедшим по данным мониторинга из зоны бездефектного состояния, как правило, несущественно увеличивает время принятия решения. К таким системам относится и отечественная СМД-4, разработанная ООО «Вибротехника».
Современные достижения по увеличению скорости диагностирования машин и механизмов при сохранении высокой достоверности обнаружения опасных дефектов открывают еще одно направление использования стационарных систем диагностики по данным непрерывного мониторинга – это стендовые системы диагностики дефектов изготовления (ремонта) во время «обкатки» после изготовления (ремонта). Признаки части из дефектов изготовления могут «уходить» в процессе приработки, и в течение длительного времени их развития в процессе дальнейшей эксплуатации такие дефекты недоступны для обнаружения. Когда же эти дефекты становятся «видимыми» для систем диагностики, их скорость развития настолько высока, что они снижают достоверность долгосрочного прогноза состояния с использованием систем периодического диагностирования до недопустимо низких значений. Своевременно обнаружить эти дефекты можно при «обкатке» объекта с помощью стационарной или «мобильной» системы мониторинга и оперативной диагностики, по трендам диагностических параметров в процессе приработки, используя в диагностических моделях начальные пороги по группе идентичных машин и механизмов
Пороговые значения на величину вибрации различных типов машин и механизмов для нескольких по степени опасности уровней состояния законодательно (стандартами ИСО) установлены только на один параметр – величину вибрации в фиксированной полосе частот и не должны адаптироваться в зависимости от условий работы агрегатов. Такой подход во многих практических случаях приводит к ошибкам в работе систем аварийной защиты, в первую очередь к позднему ее срабатыванию из-за пропуска части из возможных предаварийных ситуаций с реагированием лишь на момент лавинообразного развития группы опасных дефектов в начальный момент отказа объекта контроля. Возможны и ложные срабатывания систем аварийной защиты по вибрации, особенно у выработавших значительную часть ресурса высокооборотных агрегатов.
В системах мониторинга состояния с большим количеством контролируемых параметров пороги на все кроме указанного параметры должны устанавливаются либо разработчиком системы, либо ее пользователем на основании накапливаемого опыта. Многие производители систем мониторинга с большим стажем таких разработок и опытом диагностики, повышая эффективность, как правило, закладывают в свои системы алгоритмы автоматического формирования порогов, превышающих средние за длительный период эксплуатации значения контролируемых параметров на рекомендуемые в специальной литературе величины.
Но и такой подход не дает возможности отстроиться от монотонных и скачкообразных изменений контролируемых параметров после обслуживания и текущего ремонта, ошибок управления или изменения внешних условий эксплуатации бездефектных машин и оборудования. Эти изменения могут иметь разную скорость и направленность, быть как временными, так и необратимыми. Задача выделения необратимых изменений диагностических параметров, характеризующих обнаруживаемое изменение состояния объекта, от временных, решается использованием разных порогов опасного состояния, зависящих от направления, скорости и длительности монотонного изменения каждого из этих параметров, а также от совокупности параметров с одинаковой закономерностью регистрируемых изменений, т.е. от результатов диагностирования. Решается она методами адаптации пороговых значений в динамических системах распознавания образов и позволяет резко повысить эффективность обнаружения опасных изменений состояния машин и механизмов, развивающихся с разной скоростью на фоне изменяющихся условий эксплуатации. Алгоритмы такой адаптации используются лишь в небольшом количестве новейших систем мониторинга и диагностики, в том числе, в отмеченной ранее СМД-4. В этой системе решаются вопросы адаптации порогов к изменяющимся условиям эксплуатации и к разным скоростям развития дефектов. Более того, использование адаптируемых порогов позволяет оперативно оценивать последствие кратковременной работы агрегатов в аварийно-опасных нештатных режимах функционирования, возникающих, как правило, из-за ошибок управления.
Состояние машин и механизмов в процессе эксплуатации изменяется не только вследствие естественного старения, но и в результате как ошибок обслуживания (ремонта), приводящих к появлению новых дефектов, так и ошибок управления, сопровождающихся выходом объекта управления в нештатный режим работы, характеризующийся опасным изменением состояния, которое может быть полностью или частично необратимым.
Задачей стационарной системы мониторинга состояния после проведения обслуживания (ремонта) является обнаружение скачкообразных изменений состояния агрегата из-за возможных ошибок, оценка степени их опасности и, при отсутствии опасных для эксплуатации ухудшений состояния, оценка трендов его монотонного изменения в процессе дальнейшей эксплуатации. Окончательное влияние ошибок обслуживания (ремонта), на состояние агрегата оценивается по его текущему состоянию после завершения приработки, т.е. после стабилизации (отсутствия значимых трендов) всех ранее вышедших из допустимой зоны параметров.
Изменение состояния машин и оборудования в результате перехода на опасный режим работы из-за ошибок управления чаще всего характеризуется скачкообразным изменением состояния и дальнейшим монотонным его ухудшением. Как правило, по регистрируемой системой мониторинга группе превысивших пороги параметров не удается идентифицировать это изменение состояния как один из типовых дефектов. После вывода такого объекта из перегрузки, обнаруживаемой различными системами контроля или приводящей к срабатыванию средств аварийной защиты, и последующим выходом объекта на типовой режим работы, регистрируемое состояние машин и оборудования может отличаться от начального. Но оно в дальнейшем может существенно изменяться во времени, и оценивать последствия ошибок управления можно лишь анализируя тренды определяющих состояние параметров в процессе дальнейшей эксплуатации, когда их значения либо выйдут на более высокий уровень опасности, требующий вывода объекта из эксплуатации, либо установятся на допустимом для эксплуатации уровне.
Алгоритм такой оценки иллюстрируется рис.2, на котором показано изменение во времени одного из контролируемых параметров вибрации машины, ошибочно проработавшей в режиме перегрузки в течение нескольких часов до момента срабатывания тепловой защиты. После повторного пуска агрегата без перегрузки наблюдается существенное изменение параметра относительно предшествующего бездефектного состояния и последующий этап «приработки» в течение двух суток. Разность между достигнутой после приработки величиной параметра и ее значением до выхода на опасный режим определяет последствия ошибки управления, и после оценки степени опасности можно продолжить эксплуатацию машины, но с учетом возможности появления дефектов износа, обладающих повышенной скоростью развития.
Работа по оптимизации списка оперативно обнаруживаемых дефектов и используемых диагностических признаков в сигналах вибрации, тока и других процессов проводится для разных видов машин и механизмов с узлами вращения индивидуально, с учетом таких факторов, как:
вид и особенности функционирования объекта диагностики,
количество точек контроля вибрации и доступные места их установки,
номенклатура используемых для оперативной диагностики невибрационных датчиков (тока и др. процессов),
затухание вибрации при распространении от дефектного узла к каждой точке контроля,
длительность пуска и количество режимов работы агрегата на разных частотах вращения.
Предварительно все виды диагностируемых машин и механизмов с узлами вращения делятся на группы по особенностям использования в диагностике вибрации и других процессов, а также по номенклатуре применяемых методов анализа измеряемых сигналов.
Первый шаг такого деления – на объекты с длительными и кратковременными режимами работы. В случае, когда за время работы объекта контролируемые узлы вращения не успевают сделать требуемые для диагностики с использованием спектрального анализа вибрации 20-30 оборотов, вибрационные измерения используются только для мониторинга состояния объекта (узла) по мощности вибрации и по форме ее импульсных компонент, а идентификация дефектов проводится по току двигателя (при наличии электропривода).
Второй шаг деления объектов диагностики – на машины и механизмы с узлами возвратно-поступательного действия и без них. В узлах вращения одним из основных признаков дефектов является появление возбуждаемой ударами импульсной вибрации, по которой многие дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития. При наличии в агрегате узлов возвратно-поступательного действия мощные удары - составная часть рабочего процесса, и возбуждаемая ими вибрация резко ограничивает возможности обнаружения слабых ударов в узлах вращения того же агрегата. Поэтому вибрационная диагностика агрегатов с узлами возвратно - поступательного действия делится на две части. Первая – разделение стационарной и ударной вибрации специальными методами анализа сигналов, а вторая - анализ стационарных компонент в частотной области для диагностики узлов вращения и анализ формы импульсной вибрации для диагностики возвратно-поступательных узлов. Естественно, что часть диагностической информации теряется при таком разделении вибрации, поэтому системы диагностики механизмов с узлами возвратно-поступательного действия строятся с широким использованием датчиков и других процессов, чаще всего датчиков температуры возвратно - поступательных узлов. Соответственно, и алгоритмы анализа вибрации таких механизмов, и алгоритмы принятия решений существенно отличаются от используемых для оперативной диагностики машин без крупных узлов возвратно поступательного действия.
Третий шаг деления машин и механизмов с узлами вращения, как объектов диагностики – на доступные и недоступные для измерения вибрации в оптимальных точках контроля. Так, например, контролировать вибрацию электроагрегатов, работающих под водой, крайне сложно, требуется встраивать датчики вибрации на этапе проектирования агрегата и тогда же решать вопросы передачи измеряемых сигналов на удаленные средства их анализа и диагностики. Поэтому погружные агрегаты чаще всего диагностируются по потребляемому току, источник которого доступен для измерения автономной системой диагностики. В тех случаях, когда конструкция агрегатов или другие причины не позволяют установить датчики вибрации близко к возможному месту появления дефектов, вибрация измеряется в удаленных точках агрегата, диагностика проводится только по низкочастотной и среднечастотной вибрации, дополняясь, при необходимости, диагностикой по другим видам процессов, в частности, по току двигателя.
Естественно, что полной унификации технических решений для систем диагностики всех видов машин и механизмов добиться практически невозможно. Логично разделить стационарные системы оперативной диагностики на четыре основных вида – два для машин и механизмов длительного действия с узлами возвратно-поступательного действия и без них, и два - для аналогичных машин и механизмов кратковременного действия. Два последних вида систем диагностики отличаются тем, что сначала контролируемые сигналы в течение одного цикла работы объектов диагностики записываются в память многоканальных измерителей системы, а после окончания цикла выполняется их анализ и выделение контролируемых параметров.
Запись контролируемого сигнала с последующим его анализом может использоваться и в первых двух видах систем диагностики машин и механизмов длительного действия. Но производится эта запись отрезками, и в трех основных случаях – в моменты пуска (смены нагрузки), периодически на установившихся режимах работы и в моменты резкого ухудшения состояния объекта мониторинга. Запись сигналов на пуске и в установившихся режимах может использоваться для последующего более глубокого и более длительного, чем в системе оперативной диагностики анализа с целью обнаружения дефектов эксплуатации на более ранней стадии развития и долгосрочного прогноза состояния для обеспечения обслуживания и ремонта объектов по фактическому состоянию. Запись сигналов в моменты ухудшения состояния может использоваться для анализа особенностей предаварийного развития дефектов с целью коррекции используемых алгоритмов диагностики и разработки технических решений по повышению надежности объектов контроля. Для всех видов анализа записываемых сигналов используются программы, не входящие в состав системы оперативной диагностики, а, при необходимости, к проведению такого анализа привлекаются эксперты со специальной подготовкой.
Ниже для сокращения объема данной публикации на конкретных примерах рассматривается лишь один из четырех видов систем мониторинга и оперативной диагностики – для длительно работающих машин и механизмов и без крупных узлов возвратно-поступательного действия. Но универсальность технических решений позволяет использовать системы диагностики этого вида и для агрегатов с недоступными для измерения вибрации отдельными узлами, в том числе, для диагностики полностью недоступных для контактных измерений вибрации агрегатов по потребляемому приводным электродвигателем току.
Важной особенностью многоканальных систем параллельного мониторинга и оперативной диагностики является возможность идентификации системных дефектов в агрегатах, использующих большое количество связанных между собой единым технологическим процессом машин и механизмов. Причиной таких дефектов может быть частичный отказ одного из механизмов, или ошибка управления с выходом в нештатный режим работы агрегата, а последствием – изменение состояния нескольких машин и механизмов в агрегате. Идентифицировать системные дефекты можно по совокупности изменивших состояние машин и механизмов, а также по задержкам между моментами регистрации этих изменений в разных объектах, которые могут либо составлять доли секунды, либо доходить до нескольких часов работы. Поиск диагностических признаков системных дефектов и доукомплектование систем оперативной диагностики программными модулями их обнаружения и идентификации обычно не относится к задачам проектирования систем оперативной диагностики и решается индивидуально, по мере расширения количества машин и механизмов, охваченных базовой системой мониторинга и диагностики агрегата, и после приобретения опыта ее эксплуатации.
Стационарная система оперативной диагностики машин и механизмов – это система непрерывного мониторинга состояния, т.е. всех предварительно отобранных параметров, определяющих это состояние с требуемой достоверностью, дополненная программой (программами) диагностики, определяющей причину регистрируемого и прогноз дальнейших изменений состояния. Структура системы мониторинга состояния, включающая объект с установленными первичными датчиками, универсальные анализаторы, подключенные к измерительной сети, и компьютер с программой мониторинга, приведена на рис.1. Диагностическое программное обеспечение может включать в себя программу оперативной диагностики, а также, при необходимости, ряд дополнительных программ для компьютеров, находящихся в общей информационной сети с программой оперативной диагностики.
Дополнительными программами, работающими совместно с программой оперативной диагностики, могут быть:
рабочие места пользователей, в частности, рабочее место оператора, управляющего объектом диагностики, рабочее место диагноста, руководителя и других специалистов,
программы формирования управляющих воздействий для различных средств (систем) управления по результатам непрерывного мониторинга и оперативной диагностики,
программы дополнительной (более глубокой, без ограничений на время принятия решения) диагностики, в том числе с участием эксперта,
программы диагностики системных дефектов, используемые в расширенных системах мониторинга или работающие с несколькими автономными системами оперативной диагностики.
Эффективность многоканальных систем мониторинга состояния и оперативной диагностики, как и достоверность принимаемых решений, наиболее сильно зависит от используемой совокупности измерительных преобразователей (датчиков), алгоритмов анализа измеряемых сигналов, способов определения границ зон состояния (пороговых значений для контролируемых параметров) и диагностических признаков дефектов. Максимально возможного результата в диагностике конкретного агрегата с узлами вращения можно добиться тогда, когда агрегат в полной мере оснащен датчиками вибрации и тока, размещенными в оптимальных точках контроля, т.е. датчики вибрации установлены на каждую опору вращения, а датчики тока – в силовые цепи питания электродвигателя.
Автономные системы мониторинга и оперативной диагностики, адаптированные под типовые однорежимные объекты диагностики с заранее определенными местами установки датчиков вибрации и тока, заказчик, как правило, может устанавливать на объект самостоятельно. В случае отклонения структуры системы диагностики от типовой, а также при установке системы на многорежимный объект требуется дополнительная работа по ее адаптации к агрегату.
Максимально возможные и оптимальные с точки зрения изготовителей и/или потребителей системы диагностики результаты могут существенно различаться. Причина - не в стоимости систем диагностики, так как системы диагностики для раннего предупреждения аварийных ситуаций могут оказаться дешевле, например, систем вибрационного контроля. Чаще всего – из-за сложности проведения подготовительных работ по обеспечению контролеспособности агрегата, т.е. по установке датчиков в оптимальные точки контроля, и из-за ограничений, существующих в нормативных документах, выпускаемых различными контролирующими организациями. При этом сами системы мониторинга и диагностики, как правило, не имеют внутренних ограничений, определяемых возможностями их разработчика, и обеспечивают необходимые возможности адаптации под внешние ограничения, появляющиеся в процессе привязки системы к агрегату по требованиям заказчика
В системах оперативной вибродиагностики обычно используются акселерометры - датчики виброускорения, как правило, в одном корпусе с предварительным усилителем электрического сигнала (рис.3). Наиболее часто используемые акселерометры такого типа имеют частотный диапазон от 0,5Гц до 30-50 кГц (до частоты собственного резонанса) с верхним пределом измеряемого ускорения – 50g и динамическим диапазоном измерений до 100-120дБ. Калибруются такие датчики обычно до 10кГц, так как на более высоких частотах вплоть до частоты собственного резонанса выполняются лишь относительные измерения, в первую очередь, параметров импульсной вибрации. Встроенная в корпус датчика электроника имеет температурные ограничения (около 125°С), поэтому при необходимости использования датчиков в высокотемпературных точках контроля используются разнесенные датчик и согласующий усилитель, связанные высокотемпературным малошумящим кабелем (рис.3), что, однако, приводит к существенному увеличению его стоимости.
В системах диагностики агрегатов с электроприводом в качестве датчиков тока обычно применяются измерительные трансформаторы (рис.4). Они используются для измерения и последующего спектрального анализа силового тока в одной из фаз машин переменного тока. В синхронных электрических машинах может дополнительно анализироваться спектральный состав тока возбуждения. Для измерения и анализа тока возбуждения, содержащего, как постоянную, так и переменные составляющие, используются универсальные датчики тока на основе эффекта Холла. Эти же датчики используются для измерения и анализа силового тока машин постоянного тока, в котором всегда есть и переменные составляющие. В асинхронных электродвигателях для диагностики чаще используются трансформаторы без встроенной электроники, либо с магнитопроводом, либо без него (т.н. гибкий пояс Роговского). В то же время в асинхронных электроприводах со статическим преобразователем напряжения в составе преобразователя штатно используются универсальные датчики тока, и сигналы с этих датчиков можно использовать в качестве диагностических. Следует отметить, что в статических преобразователях питающего двигатель напряжения, как и во многих штатных средствах измерения тока, используются измерительные преобразователи тока с датчиком Холла и компенсационной обмоткой, гарантирующей высокую стабильность и точность измерения постоянной составляющей тока. Ее использование приводит к росту потребляемой электронной частью датчика мощности, которая существенно превышает мощность согласующих усилителей на выходе трансформаторов тока и датчиков виброускорения.
К электронным средствам согласования в измерительных преобразователях тока обычно не предъявляется жестких требований по динамическому диапазону, который в большинстве датчиков тока не превышает 80дБ. Но для решения диагностических задач часто требуется более высокий динамический диапазон, начиная от 100дБ, и в этом случае преимущества переходят к измерительным трансформаторам тока, используемым без электронных усилителей сигнала. Особенностью гибкого датчика без магнитопровода является то, что выходной сигнал пропорционален производной измеряемого тока, т.е. коэффициент преобразования линейно растет с частотой измеряемой составляющей тока. Это свойство часто используется в задачах анализа высокочастотных компонент тока для увеличения динамического диапазона измерений, выполняемых без использования в датчике выходных интегрирующих устройств.
В ряде случаев качество напряжения питания диагностируемых по току привода агрегатов оказывается недостаточно высоким. Соответственно, в спектре питающего напряжения кроме основной гармоники присутствуют значительные составляющие напряжения (более 1-2%) на других частотах. Их появление приводит к росту аналогичных составляющих и в контролируемом силовом токе. Для исключения возможных ошибок диагностирования в таких ситуациях желательно контролировать и спектр тока, и спектр напряжения, вводя в ток необходимые поправки.
Мониторинг вибрации машин и оборудования проводится по единому параметру (уровню) вибрации, измеряемому в одной из заданных регламентирующими документами полосах частот во всех регламентированных точках контроля. Но при переходе к мониторингу состояния и диагностированию машин и механизмов по вибрации требуется ее предварительное разделение на периодические, случайные и импульсные компоненты. Этот факт и определяет структуру средств анализа вибрации для таких систем. Разделение вибрации на периодические и случайные компоненты чаще всего производится по узкополосному спектру сигнала, а выделение импульсных компонент – по форме сигнала с выхода широкополосных фильтров. Из-за слабых потерь при распространении низкочастотной вибрации количественно разделить вибрацию двух и более одинаковых машин, установленных на одном фундаменте, удается лишь на частотах выше 3-5Гц. Таким образом диагностировать машины и механизмы с использованием всей совокупности эффективных алгоритмов анализа низкочастотной вибрации можно при частоте вращения порядка 200 об/мин. и выше. Эффективная вибродиагностика машин с меньшей частотой вращения также возможна, но с применением косвенных алгоритмов, опираясь, в основном, на анализ более высокочастотной импульсной вибрации ударного происхождения.
С учетом изложенного средства анализа вибрации механизма с узлами вращения должны измерять узкополосный спектр вибрации с частоты 0,5 – 2Гц до частот не менее 10кГц с разрешением по частоте не хуже 10% от частоты вращения для последующего определения спектральной плотности гармонических и случайных составляющих. Кроме этого необходимо обеспечивать фильтрацию сигнала несколькими широкополосными фильтрами, в том числе и предусмотренными в действующих стандартах виброконтроля, с определением мощности или среднеквадратичного значения выделенных составляющих, а также характеристик импульсных компонент сигнала, прежде всего его пиковых значений.
Анализировать узкополосные спектры вибрации проще при стабильной частоте вращения, а при нестабильных частотах вращения механизмов для мониторинга состояния должны применяться другие виды разделения сигнала на компоненты разной частоты. Наиболее часто для такого разделения используется широкополосный спектральный анализ сигнала, в первую очередь третьоктавный, позволяющий оценивать текущее состояние объекта на всех режимах работы, в том числе и переходных. Таким образом, в стационарной системе мониторинга и оперативной вибродиагностики механизмов с узлами вращения можно ограничиться анализом импульсных составляющих вибрации на выделенных фильтрами высоких частотах с параллельным широкополосным и узкополосным спектральным анализом низкочастотных и среднечастотных составляющих вибрации.
Следует также учесть, что мониторинг состояния машин и механизмов по току электропривода, а наиболее эффективен он для объектов с асинхронным приводом, требует спектрального анализа с более высоким разрешением по частоте, определяемым частотой скольжения двигателя. По этой причине затрачиваемое на диагностические измерения тока электропривода время может быть больше времени измерения вибрации.
VCard
QR-код