Ю.М. Вешкурцев,В.Н. Костюков, С.Н.Бойченко, А.В.Костюков Принципы построения измерительно-диагностических систем машин и оборудования

В работе излагаются результаты многолетних исследований авторов в области разработки и внедрения систем диагностики машин и процессов в промышленности на основе измерения параметров вторичных статических и динамических, в основном виброакустических, процессов, сопровождающих работу технологической системы. Сформулирован ряд принципов построения измерительно-диагностических систем (ИДС) машин и оборудования, проверенных на практике и открывших широкую дорогу внедрения подобных систем. Показано, что применение в качестве ядра ИДС IBM-совместимых компьютеров, позволяет значительно упростить датчики и вторичную аппаратуру, повысить метрологические характеристики систем, обеспечить структурную гибкость в координатах «Стоимость — производительность», создать уникальный человеко-машинный интерфейс (ММI), освобождающий оператора от рутинного чтения показаний сотен приборов и цифр на дисплее и оповещающий его о необходимых действиях доходчиво и целеуказующим образом, предъявляя минимальные требования к его квалификации. Рассматривается структура программного обеспечения (ПО) ИДС на примере ПО системы компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и контроля состояния КОМПАКС®, производится его сравнение с известными SCADA-системами. Обсуждаются результаты широкомасштабного внедрения ИДС КОМПАКС® на нефтехимических предприятиях России.

Постановка задачи.

Измерения в промышленности решают в основном две задачи: учета сырья, энергоносителей и т.п. и оценки состояния технологического объекта и окружающей его техногенной среды. Целью измерений во втором случае является получение информации о состоянии объекта в необходимом количестве и качестве для обеспечения наблюдаемости его технического состояния. По результатам наблюдения вырабатываются управляющие воздействия, которые обеспечивают необходимый запас устойчивости технологической системы, качество ее функционирования и, соответственно, качество выпускаемого продукта. Поэтому задача получения и представления персоналу адекватной информации о состоянии технологического объекта, необходимой и достаточной для обеспечения его устойчивости на основе ИДС минимальной стоимости является актуальной.

1. Принцип достаточности регламентирует выбор минимального числа датчиков вторичных процессов, сопровождающих работу машин, оборудования и технологической системы в целом, обеспечивающих наблюдаемость технического состояния. При этом выходной сигнал датчиков может быть представлен в широком диапазоне амплитуд и частот с последующей обработкой его в компьютере (обнаружением, фильтрацией, линеаризацией, коррекцией амплитудно-фазовых характеристик и т.д.). Диагностика машинного оборудования основана на измерении некоторого множества первичных диагностических признаков, характеризующих его работу (температура, вибрация, частота вращения, давление, расход и т.д.), и дальнейшей связи их с множеством технических состояний (неисправности подшипников, расцентровка, дисбаланс, дефекты крепления и т.д.). Для увеличения достоверности и глубины диагноза требуется увеличивать пространство диагностических признаков, для чего существуют два пути:

Большинство датчиков, используемых в настоящее время для измерения в промышленности имеет статический выходной сигнал. Если в случае измерения статических параметров, таких, например, как температура, потери информации не происходит, то при измерении динамических параметров (вибрация, ток, давление) происходит потеря информации, заключенной в высокочастотной части спектра параметра. Использование динамических преобразователей, спектр выходного сигнала которых максимально приближен к спектру параметра [1], позволяет расширить пространство диагностических признаков, что позволяет уменьшить ошибку диагноза и расширить пространство диагностируемых технических состояний без увеличения числа датчиков, кабельных сетей и др. путем введения адекватной обработки сигналов на ЭВМ. Реализация этого принципа на практике в составе ИДС КОМПАКС® позволила вместо 12 датчиков виброскорости, устанавливаемых в разных местах насосного агрегата, использовать только 2 вибродатчика и практически отказаться от использования датчиков температур, как необеспечивающих наблюдаемость состояния насосного агрегата.

2. Принцип информационной полноты отражает ограниченность наших знаний об окружающем мире и в общем виде может быть сформулирован так [2], что помимо известных нам диагностических признаков, описывающих техническое состояние объекта известным образом, из спектра сигнала после удаления из него известных признаков выделяется остаточный «шум», который также используется для диагностики. Результаты широкомасштабных экспериментальных исследований показывают, что в большинстве случаев система признаков, включающая характеристики «шума» почти ортогональна, т.е. «шум» действительно отражает ряд неучтенных в известных диагностических признаках факторов технического состояния, таких, например, как заедания и затирания в уплотнениях и подшипниках.

4. Принцип самодиагностики всех измерительных и управляющих каналов ИДС обеспечивает легкий пуск систем в эксплуатацию, простоту обслуживания и ремонта отдельных каналов, высокую метрологическую и функциональную надежность системы, ее выживаемость и приспособляемость к постоянно меняющимся условиям реального производства. Принцип реализуется подачей специальных стимулирующих сигналов в цепь датчика и компьютерного анализа этого сигнала на выходе системы после АЦП. Таким образом проверяется функционирование всего тракта от датчика, через выносные модули и разветвители до компьютерной программы и монитора.

5. Принцип структурной гибкости и программируемости обеспечивает реализацию оптимальной параллельно-последовательной структуры ИДС, исходя из критериев необходимого быстродействия при минимальной стоимости [4]. Системы с параллельной сосредоточенной структурой (VME-VXI) имеют максимальное быстродействие при максимальной стоимости. Системы с последовательной распределенной структурой имеют минимальное быстродействие при минимальной стоимости. Системы с последовательно-параллельной структурой занимают промежуточное положение. Главным недостатком применения параллельных систем во взрывопожароопасных производствах нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности является большой расход кабеля, необходимого для подключения датчиков к системе. Так, при средней длине кабеля от датчика до операторной 300 м и 100 датчиках, установленных на 50 диагностируемых машинах (небольшая система), требуется 30 км кабеля, что по стоимости становится близким к стоимости самой системы. Выбор структуры системы (степени параллельности) требует оценки ее необходимого быстродействия. Последнее определяется динамикой технического состояния диагностируемого объекта и, как показывает опыт, для насосно-компрессорного оборудования нефтехимических производств период опроса датчиков не должен превышать 5-7 минут. Наличие в ИДС ядра-ЭВМ обеспечивает адаптивное управление измерительными каналами и вычислением диагностических признаков в зависимости от разных факторов, прежде всего скорости деградации состояния технологического объекта. В качестве платформы ПО реального времени при создании первых систем (конец 80-х годов) была выбрана DOS, как наиболее дешевая, надежная и доступная для IBM-PC, на которой была реализована концепция неизменного ядра системы и изменяемых в зависимости от конкретной реализации системы файлов конфигурации. Ядро системы состоит из микро-ядра, обеспечивающего функции многозадачности и подключаемых к нему прикладных модулей. Основной задачей микро-ядра является распределение управления между прикладными модулями для обеспечения одновременности их работы. В системе КОМПАКС® реализована невытесняющая многозадачность (Windows 3.1 — аналог). Поверх микро-ядра работают следующие модули: модуль управления каналами; модуль вычисления признаков; модуль архивирования данных; модуль экспертной системы; модуль МОНИТОР; модуль СИСТЕМА; модуль ТРЕНД; модуль АНАЛИЗ; модуль ОСЦИЛЛОГРАФ; модуль пользовательского интерфейса; модуль речевого вывода; сетевой модуль и др. Таким образом, КОМПАКС® представляет собой современную SCADA-систему в области измерения и диагностики машин, обладающую рядом преимуществ перед существующими аналогами, обеспечивающую подключение до 4096 аналоговых и дискретных датчиков, получение, архивирование и отображение до 16384 диагностических признаков при числе параллельных каналов от 1 до 16, числе датчиков на канал от 1 до 256, со встроенными средствами самодиагностики от датчика до дисплея на один IBM-компьютер.

6. Принцип коррекции неидеальностей измерительных трактов вычислительными методами на ЭВМ - нелинейности датчиков, амплитудно-фазовых характеристик согласующе-преобразовательных трактов и т.д.. Так, при коррекции амплитудной характеристики ХК-термопары полиномом 13 степени в процессе государственной аттестации системы [4] по трем случайно выбранным термопарам была получена максимальная погрешность в диапазоне измеряемых температур от -40 до +100 градусов не более 0,5 градуса, а коррекция АЧХ виброизмерительных трактов в диапазоне частот 10 — 3000 Гц позволяет обеспечить неравномерность АЧХ не хуже 5%.

7. Принцип дружественности интерфейса при максимальной информационной емкости обеспечивает восприятие оператором состояния технологической системы в целом при одном взгляде на монитор и получение целеуказающего предписания на ближайшие неотложные действия. Осуществление этого принципа возможно только при наличии ЭВМ, дисплея с графическими экранами, комплексно отражающими состояние объекта и его свойств в автоматическом режиме и под управлением оператора, средств мультимедиа и встроенной экспертной системы, диагностирующей состояние машин и технологической системы в целом. Известные SCADA-системы обременяют оператора обилием цифровой и прочей сигнальной информацией, являясь, как правило, «механической» заменой обычных щитовых приборов, требуют высокой квалификации и быстрой реакции персонала.

8. Принцип многоуровневой организации обеспечивает работу с системой специалистам разных уровней квалификации и ответственности, а также позволяет удовлетворять любознательность персонала по мере повышения его квалификации. На первом уровне, при работе с машинистами и слесарями, система не требует от них почти никаких знаний, кроме клавиши «Bаckspace«, нажатием на которую квитируют прием сообщения системы о состоянии оборудования и указаний по его эксплуатации. На втором уровне, при работе с механиками и ИТР, требуется выполнение операций по управлению опциями меню для рассмотрения трендов процессов и результатов анализа сигналов, в том числе спектрального. На этом уровне работают также вибродиагносты отделов и цехов технического надзора за состоянием оборудования. Благодаря наличию сетевой поддержки, системы разных цехов объединяются в диагностическую сеть предприятия, к которой подключены компьютеры вибродиагностов технадзора и пользователей-руководителей - от заместителей и начальников цехов до главных механиков и инженеров производств и предприятия в целом. Такой многоуровневый контроль обеспечивает эффективное управление состоянием оборудования и его безопасной эксплуатацией. Другая важная сторона при организации диагностической сети - это организация автоматизированной системы диагностических исследований в рамках всего предприятия, когда в исследовательской службе автоматически накапливаются данные о состоянии оборудования и диагностических признаках, что обеспечивает постоянное развитие и совершенствование подобных систем. И, наконец, создание глобальной диагностической исследовательско-консультационной сети Центра Compacs-World, собирающей и анализирующей информацию о состоянии оборудования на предприятиях страны, оснащенных системой компьютерного мониторинга КОМПАКС®. Сегодня Compacs-World разворачивается на нефтехимических предприятиях г.г. Омска, Ангарска, Тобольска с подключением в дальнейшем других предприятий, где внедряются системы КОМПАКС®.

Результаты.

Преимуществом системы КОМПАКС®, реализующей изложенные принципы, является не только гибкость архитектуры и номенклатуры датчиков, высокая скорость и точность обработки информации, широкие возможности ее архивирования, представления и регистрации, дружественный интерфейс с речевым предупреждением и целеуказаующим предписанием ближайших действий персонала, не требующий навыков работы с компьютером, но и низкая по сравнению с аналогами стоимость проектирования, строительства, внедрения и эксплуатации, что обеспечило широкое внедрение систем и новой ресурсосберегающей технологии эксплуатации и управления состоянием оборудования взрывопожароопасных производств на предприятиях России.