Системы мониторинга и диагностики машин

Стеценко А.А., Бедрий О.И., Долгов Е.А., Стеценко А.А., «НТЦ «Диагностика», г. Сумы

Традиционные методы технического обслуживания объектов, применяемые на промышленных предприятиях можно разделить на две категории: эксплуатация оборудования до выхода его из строя и планово-профилактическое обслуживание (по календарным срокам или ресурсу). Повышение технического уровня, качества и надежности машин, улучшения их использования сейчас во многом зависит от средств технической диагностики. Поэтому многие фирмы переходят на техническое обслуживание оборудования по состоянию — мониторинг и диагностика.

Системы мониторинга и диагностики механических колебаний можно разделить на четыре группы по степени сложности, аппаратурному оснащению и программному обеспечению.

Простая система мониторинга механических колебаний может быть реализована в виде комбинации несложного малогабаритного виброметра и стробоскопа. Виброметр должен обеспечивать измерение общих параметров вибрации (вибросмещения, виброскорости и виброускорения) в стандартных частотных диапазонах, а также иметь возможность измерять параметры вибрации в других частотных диапазонах (иметь полосовые настраиваемые фильтры нижних и верхних частот). Стробоскоп используется для определения частоты вращения вала машины и относительного перемещения их деталей, а также для выявления нестационарности частоты вращения ротора. Желательно, чтобы виброметр имел разъемы для подключения наушников (для прослушивания механических колебаний машинного оборудования) и регистрирующей аппаратуры (осциллографа, анализатора). Для каждой машины может быть проведено сравнение общих уровней вибрации с установленными в стандартах нормами или с базовыми значениями вибрационных характеристик, определяемых пользователем индивидуально для каждой модели машины в конкретных точках контроля. Основное достоинство этой системы заключается в том, что не требуется затрачивать много времени на подготовку персонала по виброконтролю машин. Недостаток — обнаружение отклонений от нормального функционирования машины только при наличии существенных дефектов, которые трудно идентифицировать по результатам виброконтроля. Для определения причин увеличения вибрации машины можно использовать анализ изменения нескольких параметров вибрации (вибросмещения, виброскорости и виброускорения), результаты измерения их в разных частотных диапазонах и в разных точках контроля, но этому необходимо научиться /1/.

Оперативная система мониторинга механических колебаний может быть реализована с помощью переносных портативных анализаторов. Она позволяет проведение анализа спектров вибрации и ее временных реализаций на месте эксплуатации объекта контроля, проводить сразу оценку технического состояния подшипников и определять их дефекты. Анализатор должен иметь возможность просматривать и анализировать спектры вибрации с помощью основных и боковых курсоров, сравнивать спектры вибрации между собой и выявлять их отличия. Неисправности машин определяются пользователем по диагностическим словарям. Для решения задач диагностики необходим контроль фазы колебаний, поэтому анализатор должен иметь датчик оборотов вала. Двух канальный анализатор позволяет для диагностики использовать корреляционный анализ колебаний, взаимные спектры и функцию когерентности. Диагностика осуществляется по диагностическим словарям. Система требует подготовки квалифицированного персонала и времени на определение причин повышенной вибрации.

Полустационарная система мониторинга и диагностики реализуется на базе персональной ЭВМ с разделением функций сбора данных на месте и обработки их в лаборатории. Современный мониторинг состояния машин основан на сборе огромных объемов данных, из которых путем скрупулезного анализа, можно сделать вывод о техническом состоянии машины. Только профессиональный эксперт способен «заочно» разобраться в наборах данных, корректно собранных другими лицами. Но экспертов мало, причем у них разная квалификация и объем знаний. Учитывая этот факт, многие фирмы для мониторинга используют измерительные магнитофоны или анализаторы-сборщики данных, причем последние в настоящее время преобладают. Измерительный магнитофон имеет преимущество перед сборщиком данных, так как он регистрирует временную реализацию, которую можно неоднократно обрабатывать с целью поиска новых существенных диагностических признаков. Он позволяет транспонировать временную реализацию (т.е. провести запись сигнала на одной скорости и воспроизвести на другой), что дает возможность провести анализ низкочастотных и высокочастотных колебаний обычным анализатором. Поэтому измерительный магнитофон необходим при проведении обследований новых типов машин и изучении причин нетрадиционных отказов, при исследовании нестационарности вибрационного процесса. На предприятиях достаточно иметь только сборщики данных — портативный анализатор. Он должен иметь память для запоминает спектров и данных для его идентификации (место эксплуатации машины, ее модель, технологический номер, номер и дата обследования, точка контроля вибрации, параметр вибрации, характеристики узкополосного спектра), проводить анализ нестационарности вибрационного процесса и модальный анализ составных частей объекта контроля, балансировку вращающихся частей в собственных подшипниках и др. Его целесообразно дополнить мультиплексором, для проведения синхронного (в реальном времени) или синхронизированного анализа сразу в нескольких точках контроля. Он необходим и для снижения трудоемкости при проведении балансировки вращающихся деталей объектов. Один недостаток системы — периодический контроль технического состояния. Как правило, отказы составных частей машин при стационарном их режиме работы редко имеют внезапный характер. От начала возникновения какой-либо неисправности и достижении ее развитой стадии (предельного состояния машины) проходит несколько недель и даже месяцев. Рекомендуется проводить анализ изменения спектров вибрации машин через 800-1200 часов ее работы. Периодичность виброобследования машин следует уточнять по наработке на отказ наиболее слабого узла машины. Таким образом, полустационарная система с ежесуточным виброконтролем машин и системой непрерывного контроля основных показателей работы машины (температуры, давления и др.) позволяет своевременно выявлять неисправности объектов контроля и выводить их в ремонт. При наличии мультиплексора полустационарную систему временно можно использовать как стационарную систему вибрормониторинга и диагностики.

Системы непрерывной мониторизации и диагностики (стационарные) применяют для наиболее ответственных машин, отказ которых может привести к значительному снижению выпуска продукции, к дорогостоящим ремонтам, повышению опасности для жизни и здоровья работающих и населения. Из-за высокой стоимости одного канала вибрации (800-1200 дол.США) количество точек на объекте контроля часто ограничивают и, следовательно, очень сложно реализовать полную его диагностику. Поэтому эту систему обычно дополняют полустационарной системой.

В соответствии с требованиями нормативных документов машины оснащаются системами управления и контроля основных показателей режима их работы. На базе этих систем реализуется параметрическая их система мониторинга и диагностики, которая дополняет виброакустическую систему.

Для анализа и обработки собранных данных на персональной ЭВМ многие фирмы разработали пакеты программ мониторинга и диагностики, при выборе которого необходимо следить за тем, чтобы оно соответствовало требованиям национальным стандартов Украины, позволяло использовать для мониторинга и диагностики машин программы других фирм, а также вводить новые правила диагностики с учетом изменений показателей режима работы объекта. Тогда у предприятий при получении разрешения в Госстандарте и Госнадзорохрантруда Украины на официальное внедрение систем мониторинга и диагностики оборудования у них не будут возникать проблем, как и при их совершенствовании. Это нужно учитывать и при приобретении сборщиков данных-анализаторов, которые, как правило, работают с программами их разработчиков.

В настоящее время на рынке предлагается различное отечественное и зарубежное программное обеспечение для систем мониторинга и диагностики /2,3/, которые можно подразделить на четыре уровня.

Первый уровень — это наиболее простые и дешевые программы. Они позволяют создавать базы данных результатов виброконтроля машин предприятия и автоматизировать оценку технического состояния их составных частей по нормативным значениям вибрационных характеристикам.

Второй уровень — это системы, которые используют принцип заданных «порогов опасности» в определенных частотных полосах спектра вибрационных характеристик. В каждом частотном диапазоне можно задать до 6 — 8 полос различной ширины и с различными порогами опасности. Например, одна из полос может быть названа «Дисбаланс», вторая — «Проточная часть», третья — «Зубчатое зацепление» и т.д. Система оценивает - насколько велико превышение уровня вибрации, и в зависимости от его величины, выдает краткие сообщения, например, «небольшой дисбаланс», «развивающийся дисбаланс», «недопустимый дисбаланс». Одним из недостатков системы есть то, что она не учитывает изменения частоты вращения ротора и не регистрирует экстремумы спектра, которые не попали в заданные пользователем полосы, а также использует очень простые правила диагнозов, которые не позволяют установить истинные причины изменения вибрационных характеристик. Например, превышение уровня на частоте вращения может быть вызвано не только дисбалансом.

Третий уровень систем мониторинга и диагностики машин позволяет обрабатывать не только их вибрационные характеристики, но и некоторые параметры режима работы (обычно разработчики предлагают учитывать частоту вращения ротора, а другие параметры должен выбрать пользователь). Параметры режима работы — одночисленные данные, поэтому легче поддаются обработке по сравнению с узкополосными спектрами вибрации. Нужно только учитывать то, что эти величины могут, как расти, так и убывать. Поэтому в системе предусматривают два уровня «порога опасности» при увеличении параметра и при его снижении.

Для обнаружения неисправностей по спектрам вибрации в системе используется набор пороговых уровней в виде «масок» для каждого объекта. При использовании набора «масок», которые охватывают весь частотный диапазон, существенные изменения составляющих спектра вибрации в контрольных точках будут обнаружены и система дает сообщение о возможной неисправности, но изменение частоты вращения также не учитывается. Для оценки неисправности система имеет файлы «частот неисправностей», которые необходимо учитывать для конкретного объекта. Протокол сообщения пользователю обычно включает в себя следующие данные: частота, порядок кратности, ширина пика, уровень, пороговый уровень и превышение. Система обрабатывает каждый спектр по отдельности.

Четвертый уровень систем мониторинга и диагностики машин — экспертные системы. Одной из первых таких систем является программное обеспечение Expert ALLERT (фирма DLI, США) /2/. Эта система включает в себя систему третьего уровня и на начальной стадии работает аналогично ей, а также включает расширенные средства диагностики и экспертную систему. Отличие экспертной системы фирмы DLI начинается с того, что она нормирует все ее данные относительно рабочей скорости, чтобы исключить ее вариации на спектр, которые могут привести к сдвигу пиков по сравнению с «маской». Затем система переходит к анализу «характерных особенностей». Особенности — это частоты, выделенные при настройке системы. Фирма DLI использует данные порядкового анализа, т.е. гармоники частоты вращения. Данные представляются для каждой машины двумя спектрами: диапазон низких частот, например от 0 до 10 гармоник и диапазон высоких частот - от 0 до 100 гармоник. Для многовальных машин частота вращения одного вала принимается как исходная частота первого порядка, а частоты относящиеся к другому валу или валам, определяются известными соотношениями. Для оценки технического состояния используется 14 порядков (10 из которых предварительно выбирает эксперт, два из самых высоких пиков в низкочастотным диапазоне и два — в высокочастотном) и уровень «пола», ниже которого находятся амплитуды 70% оставшихся составляющих высокочастотного диапазона. Далее системой проводится кепстральный анализ (для определения какие частоты имеют гармоники) и проверка диагностических правил для объекта контроля (например, не стоит искать признаки износа зубчатой пары, если ее нет). Если правило подходит, то критерий неисправности применяется по всем собранным данным для конкретных объектов. Пакет программ использует логическую схему, в которой учитывается наличие или отсутствие пиков на нескольких частотах (более совершенные диагностические правила) и в разных точках контроля. Когда все неисправности распознаны, программа приступает ко второй стадии диагноза: выдает рекомендации, что делать. Важнейшей особенностью экспертной системы, что она может использовать усложненную логику для определения диапазонов и обрабатывать данные по всей машине в целом, а не каждый спектр в отдельности.

Следует отметить экспертную систему мониторинга и диагностики фирмы BENTLI NEVADA (США), которая позволяет оценивать техническое состояние машин и надежно определять причины его изменения. Контролируются и анализируются относительные колебания ротора в подшипниках, орбита вала, среднее положения шеек ротора, фаза гармоник оборотной частоты и графики полного спектра. Фирма SPM (Швеция) разработала метод ударных импульсов для диагностики подшипников качения. Ее системы мониторинга и диагностики успешно используются при оценке технического состояния подшипников качения машин.

Из Российских экспертных программ отметим программы Баркова (ВАСТ, Санк-Петербург)/4/ и программы Русова (Виброцентр, Перьмь)/5/. Барков разработал метод огибающей спектра и внес существенный вклад в диагностику подшипников качения. Из работ Русова следует отметить диагностику электрических машин (электродвигателей и трансформаторов) и винтовых компрессоров.

С другими системами мониторинга и диагностики машин и оборудования (программным обеспечением и техническими средствами) можно ознакомиться в интернете /3/.

При создании систем мониторинга и диагностики машин и оборудования предприятия необходимо решить вопросы по повышению надежности и оптимизации режима их работы. Объекты контроля, которые имеют слабые узлы необходимо модернизировать или заменить, как и объекты, которые работают в неустойчивом диапазоне. Необходимо оценивать технический уровень новых объектов до введения их в эксплуатацию и при их производстве или ремонте контролировать стабильность качества.

Одним из важных этапов разработки технической диагностики являются работы по определению диагностических признаков, объем и информативность которых, должны в принципе учитывать особенности принятых на стадии проектирования конструкторских и технологических решений, качество изготовления и монтажа, опыт эксплуатации объектов — прототипов и особенности условий эксплуатации объектов диагностики. По мере сбора статистических данных перечень диагностических признаков должен уточняться и совершенствоваться решающие правила распознавания дефектов.

Техническое обслуживание на основе состояния машинного оборудования, базирующееся на мониторизации механических колебаний, успешно используется на промышленных предлриятиях с непрерывными технологическими процессами с начала 70-х годов. Данный метод был очень быстро внедрен не нефтехимических предприятиях с достижением большой экономии благодаря повышению степени использования производственного оборудования и соответствующего повышения производительности. С тех пор мониторизация состояния машинного оборудования широко распространилась на промышленных предприятиях, использующих машины с вращающимися элементами.

Специалисты по техническому обслуживанию сталкиваются с задачами оценки соотношения расходов и прибыли от внедрения мониторизации механических колебаний для проведения технического обслуживания на основе состояния машинного оборудования. В таблице приведены сведения о затратах и экономии для оценки экономической эффективности систем технического обслуживания объектов по состоянию.

Таблица — Данные для экономического баланса системы технического обслуживания по состоянию

Исследования НИИэлектроэнергетики США показали, что переход от метода аварийного обслуживания (от поломки до поломки) к методу по фактическому техническому состоянию позволяет снизить затраты на обслуживание от 17 дол. США на одну л.с. в год до 9дол., т.е. обеспечить экономию 47%. Аналогично, переход от метода планово-предупредительного обслуживания к обслуживанию по состоянию означает экономию затрат на обслуживание 32%. Следовательно, затраты на создание систем мониторинга и диагностики машин быстро окупятся, а если учесть и штрафы за загрязнение окружающей среды и выплаты работающим за ущерб здоровью, то социально-экономический эффект будет значительно выше.

Значительное уменьшение объема работ по техническому обслуживанию не обязательно означает увольнение персонала по техническому обслуживанию. Его можно обязать заниматься подготовкой и проведением измерений, а также более тщательно проводить работы по осмотру и проверке каждой машины, снятой с эксплуатации для проведения ремонта. Благодаря этому повысится надежность и безопасность машин. Проведение срочных работ, которые раньше могли быть выполнены только наспех, должны стать достоянием прошлого.

1. Вертячих А.В., Стеценко А.А., Шкарбуль С.Н. Влияние неравномерности потока, формируемого боковым подводом на энергетические и виброшумовые характеристики насосов повышенной быстроходности. // Гидравлические машины и гидропневмагрегаты: Теория, расчет, конструирование/ Под ред. И. А. Ковалева. — К. : ИСИО, 1994. С. 128 — 41.

2. Bill Watts and Joe Van Dyke. An automated vibration — based expert diagnostic system. // Sound and vibration, september, 1993.

3. Сайт: www. Vibration. Narod. RU «Вибрация все, все, все».

4. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: СПб.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000. 160 с.

5. Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь.1 вып. 1996. 176 с.