Кисельов Олександр Юрійович

Автореферат за темою магістерськой роботи

"Використання методу вейвлет аналізу для контроля технічного стану поршневих компресорів"

Зміст

1. Вступ
2. Огляд існуючих методів віброакустичного контролю
3. Проблеми застосування методу вейвлет аналізу для діагностики поршневих компресорів
4. Короткий опис результатів
5. Висновки
6. Список літератури

        Слово «wavelet» (вейвлет) дослівно переводиться як «сплеск» або «маленька хвиля». В останні десятиліття функції із графіком типу невеликої хвилі успішно використовуються для розкладання сигналів замість традиційних (довгих) синусоїдальних хвиль. Хоча поняття вейвлета й вейвлет-розкладення є порівняно новими, вони вже знайшли поширине застосування в обробці сигналів. Популярність даної тематики стрімко зростає.
        Теорія вейвлетів є потужною альтернативою аналізу Фур'є й дає більш гнучку техніку обробки сигналів. Одна з основних переваг вейвлет-аналізу полягає в тім, що він дозволяє помітити добре локалізовані зміни сигналу, тоді як аналіз Фур'є цього не дає – у коефіцієнтах Фур'є відбивається поведінка сигналу за увесь час його існування. Розроблено глибоку й гарну математичну теорію вейвлетів.
        Метою роботи є зниження витрат на технічне обслуговування й одержання найбільш повної інформації про технічний стан поршневих компресорів, що дозволяє вчасно здійснювати ремонтні роботи й заміну обладнання.
        Система віброакустичного контролю технічного стану поршневих компресорів повинна здійснювати діагностику, не порушуючи нормальної роботи обладнання, визначати дефекти й прогнозувати вихід обладнання з ладу.
        Застосування методу вейвлет аналізу сигналів вібрації поршневих компресорів дозволяє здійснювати більш глибоку діагностику й виявляти дефекти, які за допомогою альтернативних методів виявити неможливо.

        "Методи й засоби оцінки технічного стану машин й енергетичного встаткування розвивалися поетапно. Спочатку використовувалися засоби контролю різних параметрів, потім моніторингу, і, на останньому етапі, системи діагностики й прогнозу технічного стану. Впровадження кожного наступного виду систем дає користувачеві нові можливості для переходу на обслуговування машин й обладнання по фактичному стану.
        Так, контроль надає інформацію про величини параметрів і зони їхніх припустимих відхилень. При моніторингу з'являється додаткова інформація про тенденції зміни параметрів у часі, що можна використати й для прогнозу. Ще більший обсяг інформації дає діагностування, а саме, ідентифікацію місця, виду й величини дефекту. Найбільш складне завдання – прогноз розвитку дефекту, а не змін контрольованих параметрів, рішення якого дозволяє визначити залишковий ресурс або прогнозований інтервал безаварійної роботи.
        У наш час під терміном моніторинг часто розуміється рішення всього комплексу процедур оцінки стану, але існуючі системи, які називаються системами моніторингу, далеко не завжди вирішують питання ідентифікації дефектів і прогнозу їхнього розвитку. Тому надалі під терміном моніторинг варто розуміти контроль основних параметрів, виявлення тенденцій їхніх змін і прогноз розвитку контрольованих параметрів, а під терміном діагностика - ідентифікацію дефектів і прогноз їхнього розвитку.
        Сучасні системи моніторингу й діагностики машин й енергетичного обладнання будуються на базі неруйнуючих методів контролю й діагностування.
        Методи діагностування, що використовуються в них, можна розділити на дві основні групи. До першої належать методи тестової діагностики, що вимагають формування штучних збурювань, що впливають на об'єкт діагностики. По ступені перекручування збурювань судять про стан об'єкта. Збурювання мають відомі характеристики, і предметом вивчення є тільки ті перекручування, які виникають при їхній передачі через об'єкт. Подібні методи будуються на базі досить простих інформаційних технологій і широко використовуються для діагностування різних вузлів на етапі їхнього виготовлення, а також машин й обладнання в непрацюючому стані.
        Друга група містить у собі методи функціональної (робочої) діагностики, що використовуються, у першу чергу, для машин, що є джерелом природних збурювань у процесі їхньої роботи. Ці методи орієнтовані, насамперед, на аналіз процесів формування збурювань, а не їхніх перекручувань під час поширення. Крім того, перекручування звичайно ускладнюють аналіз вимірюваних сигналів і, як наслідок, інформаційну технологію що використовується. Лише для обмеженого кола завдань функціональної діагностики використовується інформація, одержувана в результаті аналізу перекручувань природних збурювань при проходженні їх через об'єкт, що діагностується.
        Нижче розглядаються інформаційні технології саме для функціональної діагностики. Кількість їх невелика, а різноманіття діагностичних систем визначається лише сполученням використовуваних технологій.
        Найпростішої з основних є енергетична технологія, заснована на вимірі потужності або амплітуди контрольованого сигналу. Як діагностичний сигнал може використовуватися температура (перепад температур), тиск, шум, вібрація й багато інших фізичних параметрів. Технологія будується на вимірі величин сигналів у контрольних точках і порівнянні їх із граничними значеннями.
        Розвитком енергетичної технології є інформаційна частотна технологія, що припускає виділення з вимірюваного сигналу складових у певних частотних діапазонах і подальший енергетичний аналіз виділених складових. Технологія частотного аналізу використовується не тільки для контролю й діагностики машин, але й для їхнього аварійного захисту. Прикладом може бути частотно-дуговий захист електричних машин по високочастотних складових струму, захист машин по вібрації із частотою її обертання і багато інших. Частотний аналіз далеко не завжди використовується для поділу складових електронні фільтри. Це можуть бути, наприклад, резонансні датчики струму, вібрації, шуму, світлового потоку або інших величин. Один з таких датчик-стетоскоп для перетворення низькочастотної вібрації контрольованих вузлів машин у шум, що сприймається органами слуху людини.
        Ще одна, інформаційна фазо-часова технологія, заснована на порівнянні форми сигналів, що вимірюються через фіксовані інтервали часу. Ця технологія успішно використовується для контролю стану машин зворотно-поступальної дії з декількома однаковими вузлами (циліндрами й поршнями), що навантажують послідовно через однакові інтервали часу. Наприклад, на рис.1 наведений сигнал вібрації двигуна автомобіля, за формою якого можна визначити якість роботи кожного із циліндрів.

Рисунок 1 – Сигнал вібрації двигуна автомобіля, що вимірюється у точці між 2 й 3 циліндрами

        Порівняння форми сигналів, але вже з еталонною, можна здійснювати за допомогою ще однієї, інформаційної спектральної технології, заснованої на вузькополосному спектральному аналізі сигналів. При використанні такого виду аналізу сигналів діагностична інформація полягає в співвідношенні амплітуд і початкових фаз головної складової і кожної із кратних їй по частоті складових. Така технологія застосовується для аналізу сигналів з датчиків тиску, вібрації, шуму, а також датчиків струму й напруги в електричних машинах й апаратах.
        Зазначені вище інформаційні технології застосовувалися ще в минулому сторіччі для контролю працездатності парових машин. Лише остання, спектральна технологія, почала широко використовуватися в середині цього століття після створення відносно простих аналізаторів спектра сигналів різної природи. І в цей час ці технології широко застосовуються в системах контролю й управління машин й обладнання.
        Усі вони, однак, мають загальний недолік при використанні в завдачах діагностики, коли потрібно виявити дефекти різних вузлів, що зароджуються. Він пов'язаний з тим, що різниця величин вимірюваних параметрів навіть у групі однакових бездефектних машин, перевищує зміни, характерні для появи дефектів, що зароджуються. Наприклад, можна навести результати статистичних досліджень вібрації багатьох видів бездефектних машин, виконаних у різних країнах. Ці дослідження показали, що типова різниця величин багатьох складових лежить у межах 20 дБ, тобто 10 разів, а для деяких складових виявляється ще вище. У той же час дефекти в початковій стадії розвитку можуть значно менше впливати, змінюючи характерні для цих дефектів величини параметрів вібрації всього в 2-3 рази.
        Розвиток засобів вимірів й обчислювальної техніки в останні роки дозволив частково вирішити проблеми контролю й діагностики шляхом створення систем моніторингу машин й обладнання на базі розглянутих інформаційних технологій. Такі системи, орієнтовані на безперервний контроль діагностичних параметрів конкретної машини або обладнання, мають спеціальні режими адаптації на початковому етапі експлуатації, коли дефекти найчастіше відсутні. На цьому ж етапі виявляються й ураховуються особливості впливу режимів роботи машини й зміни зовнішніх умов, таких як температура, якість електричного живлення або палива й т.п., на діагностичні параметри. Це знижує ймовірність помилкового спрацьовування системи моніторингу при зміні режимів або зовнішніх умов.
        Складовою частиною інформаційної технології на базі кожного з методів обробки сигналів є відповідні засоби виміру, аналізу й передачі інформації. У розвитку технічних засобів для діагностичних інформаційних технологій можна виділити три основних етапи.
        Перший належить до початкових кроків у діагностиці й, насамперед віброакустичної, коли засобами оцінки технічного стану машин по їхньому шуму або вібрації були органи почуттів людини. Органи слуху здатні сприймати й аналізувати акустичні сигнали у звуковій області частот. Вібрація механізмів у цій області частот завжди є джерелом звуку, а на низьких частотах людина сприймає її контактним шляхом. Вибірковість аналізу вібрації можна забезпечити існуючими сотні років стетоскопами (слухачами). Всі ці можливості людини завжди визначали переважний розвиток діагностики по сигналах вібрації й шуму до останніх декількох десятиліть.
        Наступний етап визначається моментом створення віброакустичних приладів для виміру вібрації й шуму вище звукового діапазону частот і спектрального аналізу віброакустичних сигналів. Саме з появою цих приладів у сорокові-п'ятидесяті роки минулого сторіччя почалися інтенсивні дослідження з пошуку методів аналізу сигналів, спеціалізованих для рішення діагностичних завдань. Якісний крок у діагностиці машин, зроблений у шістдесяті-сімдесяті роки, полягав не тільки в розробці методу ударних імпульсів і методу що обгинає, що дозволили вирішувати ряд діагностичних завдань по однократних вимірах вібрації або шуму, але й у розвитку методів діагностування на основі вузькополосного спектрального аналізу сигналів. У ці ж роки були проведені численні дослідження з вивчення впливу різних видів дефектів на функціонування машин і на діагностичні сигнали. Результати цих досліджень показали, що найбільшою діагностичною інформацією володіє сигнал вібрації, а багато інших видів сигналів практично дублюють ту або іншу інформацію, що знаходиться в сигналі вібрації. Крім того, стало очевидним, що дефекти починають розвиватися задовго до виникнення аварійних ситуацій, а в багатьох типах вузлів ще в першій половині їхнього життєвого циклу. І практично відразу ж дефекти починають впливати на порушувані цими вузлами вібрацію й шум. Основною проблемою при виявленні викликуваних ними змін у сигналі вібрації є поділ їх з тими змінами, які відбуваються через флуктуації навантаження, частоти обертання, температури вузлів й інших параметрів машини й зовнішніх умов. Ця проблема стає однією з першорядних при рішенні завдань діагностування машин й обладнання.
        Третій етап у створенні технічних засобів діагностики став наслідком бурхливого розвитку комп'ютерної техніки й технологій. Саме в цей час з'явилися цифрові аналізатори спектра, що дозволяють робити паралельно фільтрацію декількох сотень частотних складових сигналу. І саме тоді з'явилася можливість заміни фахівця з діагностування різних видів машин спочатку експертними програмами, а пізніше й програмами автоматичного діагностування й прогнозування технічного стану машин й їхніх окремих вузлів. Поява потужних персональних комп'ютерів дало також імпульс для розробки нових інформаційних технологій на базі статистичних методів розпізнавання образів, які частково вже використовуються в завданнях віброакустичної діагностики машин.
        В основі всіх засобів виміру й аналізу сигналів вібрації й шуму лежать три типи пристроїв, що виконують різні операції. Перший - датчик вібрації або мікрофон, що перетворює коливання в електричний сигнал. Другий - фільтр, що виділяє компоненти сигналу в необхідній області частот. Третій - детектор, що служить для оцінки амплітуди (потужності) виділених компонентів. Далеко не завжди фільтр підключається до виходу датчика й виконується у вигляді електронного пристрою. Він може бути акустичним, як, наприклад, резонатор або механічним, як, наприклад, пружна прокладка, і встановлюватися перед датчиком. Різні прилади містять різні комбінації цих трьох типів пристроїв, залежно від того, з якою інформаційною технологією вони використовуються. Так, нижче показані структури основних видів приладів для контролю й діагностики машин й обладнання по вібрації або шуму.

Рисунок 2 – Структура основних видів приладів для виміру й аналізу сигналів вібрації й шуму

        Найпростішими є вимірник загального рівня вібрації (шуму) і прилад для виміру пікфактора сигналу вібрації, тобто реєстратор ударних імпульсів. Структура цих приладів показана на рис. 1.2а й рис. 1.2б відповідно. У вимірнику загального рівня фільтр може бути відсутній, якщо немає спеціальних вимог до смуги частот вимірюваного сигналу. У вимірнику пікфактора для простоти реалізації звичайно використовується механічний резонатор у вигляді металевого стрижня з резонансом на частотах вище 25 кГц. Настільки висока частота резонансу, з одного боку, знижує габарити резонатора, а з іншого боку, дозволяє одержати більш високу величину пікфактора за рахунок того, що на високих частотах стабільна в часі вібрація, що є перешкодою й збуджувана силами тертя в контрольованих вузлах машини, мінімальна.
        Розглянуті найпростіші прилади були доступні за ціною на всіх етапах розвитку засобів виміру, тому довгий час саме на них орієнтувалася практична діагностика. У наш час швидкий розвиток обчислювальної техніки й зниження на цін неї дозволяє повною мірою використати на практиці всі, навіть найбільш складні, інформаційні технології. Цифрові аналізатори сигналів у цей час за вартістю рівняються з найпростішими аналоговими приладами, витісняючи їх при рішенні діагностичних завдань.
        З найбільше часто використовуваних засобів вимірів, реалізованих на базі обчислювальної техніки, можна виділити аналізатори форми, спектральні аналізатори й аналізатори спектра що обгинає, структура яких також наведена на рис. 2. Функції аналізатора форми (рис. 2в) полягають у вимірі амплітуд і фаз окремих складових сигналу й у порівняльному аналізі форми окремих ділянок сигналу, початок і кінець яких визначається кутом повороту вала. Подібні аналізатори широко використовуються для діагностики машин зворотно-поступального типу й роторів у процесі їхнього балансування. Аналізатор спектра (рис. 2г) звичайно застосовується при моніторизації всіх типів машин й обладнання. Аналізатор спектра що обгинає (рис. 2д) призначений для дослідження випадкових процесів, потужність яких періодично змінюється в часі.
        Найбільш доступним засобом виміру й аналізу сигналів у наш час можна вважати персональний комп'ютер із пристроями перетворення сигналів вібрації й шуму в цифрову форму й уведення їх в оперативну пам'ять комп’ютера.

Рисунок 3 – Структура вхідного пристрою

        Такий засіб виміру дозволяє використати кожну з розглянутих інформаційних технологій або їхню комбінацію. Як перераховані пристрої з невеликою доробкою можна застосовувати професійні звукові плати. Можуть бути використані також спеціальні вхідні пристрої різних фірм, структура яких наведена на рис. 3, і відповідне програмне забезпечення до них." [4]

        Застосування методу вейвлет аналізу для дослідження віброакустичних сигналів дозволяє уникнути громіздких математичних обчислень і значно скоротити час на обробку результатів. Однак, незважаючи на видиму простоту алгоритму, він все-таки не дозволяє здійснювати обробку сигналів у реальному часі. Така можливість надається тільки при використанні надшвидких засобів виміру й обробки сигналів.

        У результаті проведених досліджень було розроблено алгоритмічне й програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати обробку сигналів, записаних на ПК у вигляді wav файлів, по заданому алгоритму, а також виводити результати на екран у вигляді послідовності відліків. Надалі планується реалізувати алгоритм, що повністю автоматизує процес діагностики об'єкта.

        У результаті досліджень вивчені принципи побудови систем віброакустичного контролю, особливості контролю технічного стану МЗПД, а зокрема, поршневого компресора. Розглянуто ряд математичних методів, які використовуються для аналізу сигналів вібрації, відзначені їхні переваги й недоліки.
        За основу для аналізу сигналів був обраний метод вейвлет аналізу, як найбільш придатний для встановленого завдання. Даний метод завдяки «швидким» алгоритмам дозволяє здійснювати обробку дискретних сигналів з більшою швидкодією, що робить його незамінним при реалізації алгоритму на базі ЕОМ.
        Розроблено програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати вейвлет-аналіз сигналів. Вихідні дані для аналізу представляються у вигляді wav-файлів формату Windows PCM як найбільш популярного формату для подання звукових даних. Аналіз сигналів здійснюється за допомогою вейвлет розкладання сигналів за допомогою алгоритму Малла й подання результатів у вигляді набору коефіцієнтів і формі зручної для візуального сприйняття. Наведено докладний опис функціонування ПО, опис основних алгоритмів роботи й інтерфейсу користувача.

1. Смоленцев Н. К. Основы теории вейвлетов. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 304 с., ил.
2. Круглински Д., Уингоу С., Шеферд Дж. Программирование на Microsoft Visual C++ 6.0 для профессионалов / Пер. с англ. – СПб: Питер; М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001. – 864 с.: ил.
3. Воронцов А. Г., Дегтяренко И. В. Математическая модель малого поршневого компрессора// Наукові праці ДонДТУ. Випуск 3. – Донецьк: ДонДТУ. – 1999. – с. 32-39.
4. Баркова Н. А. – Современное состояние виброакустической диагностики машин. – 2002.