Система мониторинга вибрации с оперативной

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВИБРАЦИИ С
ОПЕРАТИВНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИЕЙ
ОБНАРУЖИВАЕМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Барков А. В., Баркова Н. А., Грищенко Д. В., Федорищев В. В.
Северо-Западный учебный центр, г. Санкт-Петербург, Россия
barkov@vast.spb.ru
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.