Оперативный мониторинг и диагностика состояния машин и механизмов в процессе эксплуатации

Мониторинг состояния машин и механизмов является аналогом функций, выполняемых но­симыми фитнес-устройствами. В промышленных системах одним из важных процессов является процесс старения оборудования и машин. Это важно учитывать прежде всего в нефтедобываю­щей и перерабатывающей промышленности, газо­добывающей отрасли, ветроэнергетике и в управ­лении производственными процессами, где капи­тальные затраты на технологическое оборудова­ние высоки, а время простоя стоит дорого. Осо­бенности оперативного мониторинга сложного технологического оборудования рассмотрены в настоящей публикации.

С. Сервис

Незапланированные простои технологического оборудования могут стоить тысячи долларов в час. Исследования, проведенные в 2017 году, показали, что компании, эксплуатирующие сложное техноло­гическое оборудование, имели потери в среднем до двух миллионов долларов из-за одних только про­стоев такого оборудования, причем незапланиро­ванные простои стоили значительно дороже, чем плановое выведение оборудования из эксплуата­ции на его обслуживание. Это связано с тем, что та­кое оборудование необходимо вывести из эксплуа­тации для проведения внеплановой диагностики, должны быть заказаны запчасти и произведен вне­плановый ремонт.

На длительность непрерывной работы оборудо­вания и его срок службы влияют такие факторы, как изменение нагрузки и условий эксплуатации, а так­же различные неблагоприятные факторы в период эксплуатации. Мониторинг состояния технологиче­ского оборудования основан на количественной оценке всех влияющих факторов и прогнозирова­нии неблагоприятных событий для своевременного вмешательства в непрерывный технологический процесс. Каждое устройство в составе оборудова­ния имеет свой срок старения (службы), хотя про­цесс старения, как правило, достаточно медленный и малозаметный. Если не заниматься активным по­иском признаков незначительных изменений в ра боте оборудования во времени, старение может остаться незамеченным в течение продолжительно­го времени. В результате чего происходит внезап­ный сбой или катастрофический отказ, а значит, оборудование должно быть остановлено для прове­дения ремонта. Конечные пользователи должны своевременно получать уведомление о предстоя­щем сбое или отказе для заблаговременного пла­нирования простоев. Они также нуждаются в инди­каторах более тонких изменений в машинах и меха­низмах, которые могут повлиять на качество конеч­ного продукта, например, такого как бумага и ли­стовой металл, энергоносители и т.п.

Комплексная потребность в более ранней инди­кации износа оборудования или его частей и ин­формация о качестве конечной продукции приводят к необходимости внедрения более чувствительного и полноценного мониторинга. Расширяются виды измерений, такие методы, как измерение темпера­туры и вибраций, дополняются акустическими из­мерениями, измерением тока двигателя и напряже­ния на его обмотках и т.п.

Отдельные измерительные системы объеди­няются в комплексную систему мониторинга, чтобы дать представление о состоянии оборудования в целом. Это приводит к увеличению количества из­мерительных каналов на конкретный механизм или устройство. Отдельные измерения необходимо хо рошо синхронизировать, чтобы оценивать взаимо­связь, например, между измерениями вибраций по осям x, y и z. Это еще больше увеличивает слож­ность систем мониторинга.

Растущее число измерений и измерительных ка­налов означает то, что процедуры ручного контроля и индивидуальных измерений (рис. 1) уходит в про­шлое и больше не в состоянии обеспечить полно­ценный контроль работоспособности сложного тех­нологического оборудования. Системы мониторин­га должны быть развернуты непосредственно на производстве с использованием сетевой (провод­ной или беспроводной) архитектуры. Громоздкие и дорогие датчики следует заменить миниатюрными смарт-сенсорами, отличающимися высокой энер­гоэффективностью и небольшой стоимостью.

Рис. 1. Контроль оборудования с использованием пьезодатчиков и ручного регистрирующего прибора

Достижения современной микроэлектроники позволяют уже сейчас создавать системы монито­ринга с высоким уровнем интеграции, позволяю­щим вывести эти системы на уровень требований 4 индустриальной революции (Industry 4). Чтобы на ранних стадиях определить признаки износа обору­дования, необходимо выполнить множество изме­рений и получить данные от большого числа сенсо­ров, таких как сенсоры температуры, вибраций, аку­стических сигналов и многие другие, что позволит обнаружить самые незначительные отклонения в работе оборудования.

Например, для обнаружения начала износа поршневого насоса может потребоваться фиксация изменения конечного положения поршня с погреш­ностью не более чем 0.1 мм при движении поршня в пределах 300 мм. Для такого разрешения может по­требоваться прецизионный 16-разрядный АЦП с динамическим диапазоном 96 дБ.

Во многих случаях мониторинг должен выпол няться в широкой полосе частот. Так, например, мо­торные оси и зубчатые передачи имеют характер­ные вибрации на относительно низких частотах, близких к скорости вращения оси. Однако в таких системах, кроме того, есть компоненты, которые имеют более высокие частотные характеристики. Чтобы обнаружить изменения в износе таких компо­нентов с более высокими частотными характери­стиками, а к ним относятся шариковые и масляные подшипники, измерительные системы должны обеспечивать высокое разрешение и большой ди­намический диапазон на частотах вплоть до 80 кГц (рис. 2).

Рис. 2. Типовая полоса частот вибраций отдельных устройств в технологическом оборудовании

Исходя из этого, системы мониторинга должны иметь большой динамический диапазон и низкий уровень нелинейных искажений. В этих системах в качестве АЦП используются новейшие прецизион­ные сигма-дельта преобразователи с широкой по­лосой пропускания. Эти преобразователи имеют улучшенный динамический диапазон (до 108 дБ) и низкий уровень нелинейных искажений (-120 дБ), которые обеспечиваются в широкой полосе частот.

Кроме АЦП, в составе этих систем используются различные аналоговые интерфейсы, встроенные цифровые фильтры и многие другие узлы. В много­канальных системах мониторинга должна поддер­живаться одновременная выборка сигналов для со­хранения фазовых отношений между наборами дан­ных во временной области.

Например, при использовании двух ортогональ­но расположенных датчиков вибраций, появляется возможность определять направление и амплитуду векторов вибраций. На практике фазовые задержки сигналов в каждом измерительном тракте многока­нальной системы мониторинга должны быть хорошо согласованы. В таких системах могут использо­ваться, наряду с сигма-дельта АЦП, преобразовате­ли поразряднго уравновешивания.

Эти АЦП компании Analog Devices имеют частоту выборки до 2 МГц, большой динамический диапа­зон и отличаются простотой применения. Кроме того, они отличаются малым энергопотреблением и высокой плотностью компоновки измерительных каналов. Для таких систем мониторинга компанией Analog Devices разработаны миниатюрные измери­тельные модули сбора данных типа ^Module® с вы­сокой степенью интеграции (рис. 3). Эти модули со­держать все необходимые узлы, включая сенсоры, для построения многоканальных систем монито­ринга, предназначенных, в том числе, для встраива­ния в технологическое оборудование.

Рис. 3. Внешний вид модуля µModule®

Обеспечение большого динамического диапа­зона, широкой полосы пропускания, большей энер­гоэффективности и более высокой плотности ком­поновки измерительных каналов является частич­ным решением задачи построения систем монито­ринга для сбора данных.

Так, например, широко распространенные пье­зоэлектрические датчики вибраций являются круп­ногабаритными и дорогими устройствами. Они, как правило, выполнены в металлических корпусах, ра­ботают при напряжениях питания -24 В и токе по­требления не менее 2 мА, в то время, как система сбора данных может работать при напряжениях пи­тания 5 или 3 В с более низким потреблением.

Таким образом, пьезодатчики вибраций плохо вписываются в концепцию миниатюризации и повы­шения плотности компоновки измерительных кана­лов в системах сбора данных. В тоже время вибра­ционные и инерционные датчики на основе MEMS- технологий отвечают требованиям таких систем. Новые MEMS-устройства компании Analog Devices имеют широкую полосу пропускания, низкий уро вень шумов и хорошо согласуются с параметрами модулей типа ^Module®. Их потребление на порядок ниже пьезоэлектрических датчиков вибраций, что позволяет строить на их основе миниатюрные мно­гоосные системы измерения вибраций.

Отметим, что измерение температуры, вибра­ций или шума оборудования и преобразование этих параметров в цифровую форму хоть и является ос­новной задачей системы мониторинга, но этими по­казателями требования к таким системам не исчер­пываются. Для достижения низкого уровня шума в системе сбора данных требуются не только мало­шумящие датчики и компоненты аналого-цифрово­го преобразования, но и специально разработанная конструкция корпуса, ослабляющая внешние шумы и вибрации. Отметим, что для достижения низкого энергопотребления в системе сбора данных долж­ны использоваться узлы, которые могут обеспечить продолжительную работу от аккумуляторной бата­реи (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема типового измерительного канала системы сбора данных

Новые системы мониторинга для оценки состоя­ния технологического оборудования могут быть ис­пользованы не только в новых машинах и механиз­мах, но и в оборудовании, которое уже находится в эксплуатации.

Возможность замены старого диагностического оборудования в таком оборудовании сопряжена с рядом особенностей. На многих промышленных объектах уже имеется разветвленная кабельная сеть для измерения некоторых параметров обору­дования и параметров окружающей среды. Однако большая часть существующей инфраструктуры не в состоянии поддерживать большие потоки данных, обеспечивать их передачу с требуемой скоростью для решения задач комплексного мониторинга.

Один из подходов расширения возможностей уже существующей инфраструктуры со своей ка­бельной разводкой заключается во введении в си­стему мониторинга дополнительных измеритель­ных каналов так, чтобы это не влияло на работу си­стемы в целом. Например, технология HART® ис пользуется для сбора дополнительной диагности­ческой информации в цифровом виде совместно с данными, снимаемыми с аналогового интерфейса в виде токовой петли в диапазоне токов от 4 мА до 20 мА. Кроме того, может быть использована кабельная сеть промышленного Ethernet для обеспечения бо­лее высокой пропускной способности системы мо­ниторинга.

Другой подход заключается в использовании беспроводных сетей для сбора диагностической информации. В промышленных условиях требуется надежная и безопасная беспроводная сеть. Новей­шие сетевые приемопередатчики – это микросхемы и сертифицированные модули для беспроводной связи, которые обеспечивают низкое энергопо­требление и надежность передачи данных в про­мышленных условиях эксплуатации с вероятностью не ниже 99,999%. Перспективным направлением развития систем мониторинга для диагностики тех­нологического оборудования является встраивание датчиков вместе с измерительным каналом в си­стемный блок оборудования.

Это значит, что двигатели будут поставляться с встроенными датчиками вибраций и тока, то же са­мое может произойти с подшипниками, коробками передачи и другим оборудованием. Будут созданы автономные сенсорные модули, которые будут пе­редавать на мобильное устройство оператора ин­струкции по оптимальному управлению оборудова­нием и технологическим процессом в целом. Изме­рительные каналы будут унифицированными и обладать способностью обрабатывать сигналы, снимаемые с датчиков разных типов. Появится воз­можность использовать один и тот же узел системы мониторинга, например, в стиральной машине, в станке или другом оборудовании.

ВЫВОДЫ

Мониторинг состояния и диагностика сложного технологического оборудования основаны на коли­чественной оценке состояния отдельных его узлов путем оценки измеренных с помощью сенсоров па­раметров этого оборудования.

Повышение точности и чувствительности этих измерений, а также уменьшение размеров, веса и потребляемой мощности систем сбора данных поз­воляет эффективно использовать системы монито­ринга в производственных условиях. Капитальные затраты на оборудование могут быть снижены бла­годаря гибкой системе мониторинга его состояния. Раннее обнаружение и замена изношенных компо­нентов сможет защитить производство от внепла­новых простоев.

Срок службы оборудования может быть увели­чен за счет своевременного ремонта и замены из­носившихся узлов. Это позволит снизить себестои­мость и повысить качество производимого продук­та. Компания Analog Devices уже в настоящее время позволяет обеспечить измерительные каналы раз­личных систем мониторинга и диагностики техноло­гического оборудования необходимым набором электронных компонентов, начиная от MEMS-дат­чиков с низким энергопотреблением, высокопроиз­водительных и энергоэффективных АЦП и ЦАП, и заканчивая микросхемами и модулями для орга­низации и построения беспроводных сенсорных сетей.