Системы мониторинга состояния для ранней диагностики механических повреждений
Оборудование, которое НЕ вибрирует, не существует.
Но когда вибрации приводят к повреждениям?
И к какого рода повреждениям?
А потом оборудование может неожиданно совсем выйти из строя?
Возможности мониторинга состояния
Мониторинг состояния с помощью SIPLUS CMS
Больше, чем мониторинг состояния двигателя!
Механические повреждения
- Резонансные колебания
- Повреждения подшипников
- Ошибки выравнивания (несоосность)
- Разбалансировка
- Неисправность зубчатого зацепления
- Частота вращения лопастей
Электрические неисправности
- Ошибка поля статора
- Поломка стержня ротора
SIPLUS CMS – методы анализа
Характеристический анализ
Недостаток:
- Невозможность установить тип намечающегося повреждения
- Необходимость дополнительной диагностики неисправностей
Преимущество:
- Простая и быстрая реализация
- Особые знания в области мониторинга состояния не требуются
Частотно-селективный анализ: принцип действия
Преимущества частотно-селективной диагностики:
- Каждое механическое повреждение имеет собственный частотный спектр.
- Достаточно взглянуть на частотный спектр, чтобы существенно сузить круг причин повреждения.
- При поиске фактической причины ущерба число причин сводится к минимуму.
- Амплитуда позволяет определить степень повреждения и сделать выводы об оставшемся сроке службы. Решающую роль в этом случае играют опытные данные, полученные операторами.
Преимущество:
- Простая и быстрая реализация
- Распознавание вида повреждения -> упрощение выявления неисправностей
- Обнаружение электрических неисправностей
Экспертный анализ
Неисправности зубчатого зацепления: инжиниринг + проектирование
с помощью центрального процессора SIMATIC S7-1200 и веб-интерфейса SM 1281
Экспертный инженерный анализ с помощью аналитического программного обеспечения, например, CMS X-Tools
Событийно управляемая запись (триггер)
Сообщение «Обнаружена неисправность зубчатого зацепления»:
запись + сохранение исходных данных канала датчика
1. Вывод исходных данных:
- вручную через FTP
- через FTP, событийно управляемый
2. Потоковая передача исходных данных онлайн в CMS X-Tools
Преимущество:
Возможность использовать исходные данные для моделей анализа, точно соответствующих передаточному механизму.
Обобщим три метода анализа для мониторинга состояния
Немного теории вибродиагностики.
Примеры типичных спектров
Разбалансировка
Заметная амплитуда частоты вращения в горизонтальном
и вертикальном направлении измерения
Ошибка выравнивания
Первая и вторая/третья частота вращения ощутимо увеличиваются. Увеличение зависит от направления измерения, от направления ошибки выравнивания.
При жестком соединении (красная линия):
Увеличиваются первая и вторая частота вращения
При упругом соединении (желто-зеленая линия):
Увеличиваются первая и третья частота вращения
Неправильная затяжка при монтаже корпуса
Первая и вторая частота вращения ощутимо увеличиваются, как правило, во всех направлениях измерения (по горизонтали, по вертикали и по оси).
Механическое ослабление
Первая частота вращения практически отсутствует, отчетливо заметны кратные (прежде всего, двойная частота вращения).
Ошибка поля статора
Возможные причины:
- Расположение ротора вне центра
- Короткое замыкание в обмотке
- Несимметричное питание
- Ошибка переключения в обмотке
Повышенный уровень двойной частоты сети. Для прямого подключения частота сети составляет 50/60 Гц. При использовании частотного преобразователя частота варьируется.
Ошибка поля ротора
Возможные причины:
- Поломка стержня
- Ослабление стержня
- Нарушение соединения между стержнем и короткозамыкающим кольцом
На эти неисправности указывают:
- Частота следования стержня с боковыми полосами двойной частоты сети
- Двойная частота сети с боковыми полосами частоты скольжения
Частота вращения лопастей
Частота вращения лопастей представляет собой произведение количества лопастей рабочего колеса и частоты вращения.
Дефект находится на корпусе.
При увеличении амплитуды частоты вращения лопастей каждая лопасть рабочего колеса создает пик вибрации, например, когда каждая лопасть рабочего колеса проходит мимо дефекта на корпусе и испытывает ударное возбуждение вследствие короткого колебания давления.
ВНИМАНИЕ:
Не путать с разбалансировкой!
При разбалансировке точка на вращающейся части создает вибрацию на частоте вращения, например, если вследствие отложения материала на лопасти рабочего колеса возникает асимметричное распределение массы по направлению к центру.
Возможные причины:
- Вихревые потоки, турбуленция
- Неправильно рассчитанное давление всасывания
- Неточная настройка регулируемых лопастей
- Увеличенная амплитуда частоты вращения лопастей
Неисправность зубчатого зацепления
Спектры передаточного механизма включают в себя множественные частоты и их гармоники, в том числе с боковыми полосами. Эти частоты зависят от геометрии зубьев.
Повреждения в ременных передачах
Изношенные или поврежденные ремни приводят к увеличению амплитуды частоты повреждения ремня.
Повреждение наружного кольца шарикового подшипника
Повреждение наружного кольца
Часто повреждение сначала возникает в желобе наружного кольца. Анализ с помощью огибающей кривой, как правило, позволяет обнаруживать такие дефекты за несколько месяцев до наступления критического состояния.
В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена без модуляции.
Повреждение внутреннего кольца шарикового подшипника
Повреждение внутреннего кольца
Анализ с помощью огибающей кривой, как правило, позволяет обнаруживать такие дефекты за несколько недель до наступления критического состояния.
Повреждение внутреннего кольца периодически появляется в зоне нагрузки. Поэтому в спектре огибающей кривой частота повреждения представлена боковыми полосами на расстоянии частоты вращения fвращ.
Повреждение сепаратора шарикового подшипника
Повреждение сепаратора подшипника
В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена без модуляции. Повреждение сепаратора подшипника, как правило, в течение чрезвычайно короткого времени приводит к выходу подшипника из строя. Онлайн-мониторинг возможен, время реакции на повреждение ограничено.
Повреждение тела качения шарикового подшипника
Повреждение тела качения
Повреждение тела качения в течение чрезвычайно короткого времени приводит к выходу подшипника из строя.
В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена боковыми полосами на расстоянии частоты вращения сепаратора подшипника. На практике в спектре огибающей кривой наиболее заметны пики 2-го, 4-го, 6-го и т. д. порядка.
SIPLUS CMS 1200 - система мониторинга состояния
Обзор основного модуля системы вибродиагностики SM 1281
Функции
- Диагностика на основе показателей
- Частотно-селективная диагностика
- Вывод исходных данных
- Полная интеграция в SIMATIC S7-1200 и веб-интерфейс для работы со встроенным программным обеспечением
Подключения
- До 4 датчиков вибраций (IEPE/ISP) на модуль
- Опциональный вход для датчика скорости вращения (индуктивный или оптический датчик приближения)
- встроенный 2-х портовый коммутатор Ethernet (очень удобная вещь!)
- Электропитание 24 В постоянного тока, потребляемый ток 200мА
Принцип работы
- Одновременно считываются и обрабатываются данные 4 каналов
IEPE/ISP и датчика скорости
- Расчеты выполняются непрерывно.
Диагностика
- Получение данных для вибромониторинга с помощью SIMATIC S7-1200 и TIA Portal
- Частотно-селективная диагностика с помощью интегрированного веб-сервера
Преимущества
Не требуется дополнительное программное обеспечение
для диагностики и визуализации спектров и трендов вибраций
Требования к аппаратному обеспечению
Примечание: SM1281 поддерживается с версии микропрограммного обеспечения V4.1 для ЦПУ S7-1200
SIPLUS CMS1200: Методы анализа
Характеристический анализ
Мониторинг вибраций оборудования на основе показателей
- Простая визуализация, например, с помощью светофора
- Анализ кривых развития
Проектирование на TIA Portal + анализ с помощью интегрированного программного обеспечения
Частотно-селективный анализ
Частотно-селективная диагностика вибраций оборудования и подшипников
- Визуализация спектра с помощью браузера
- Интегрированная система сообщений
Проектирование на TIA Portal/веб-интерфейс SM 1281+ анализ
с помощью интегрированного программного обеспечения.
Экспертный анализ
Потоковая передача данных онлайн/вывод исходных данных из SIPLUS CMS1200 в X-Tools
X-Tools мощное ПО (по существу серверная SCADA система для вибродиагностики).
- Обширная библиотека модулей анализа с возможностью графической коммутации
- Индикация данных измерений и анализа
- Быстрая и гибкая архивация
- Многопользовательский режим (архитектура «клиент-сервер»)
- Открытый программный интерфейс для систем SCADA и других программ с помощью OPC UA
- Поддержка дистанционного сервисного обслуживания (например, cRSP)
- Исполнительная платформа на базе стандартного ПК с операционной системой Windows
Проектирование с помощью независимого аналитического программного обеспечения, например CMS X-Tools. Анализ исходных данных: онлайн или офлайн
Практический пример. Мониторинг вентиляторов
Для чего необходим мониторинг вентилятора?
Мониторинг вентиляторов используется, например:
- на линиях нанесения лакокрасочных покрытий для обеспечения качества покрытия
- в разнообразных вытяжных установках
Соблюдаются следующие ключевые характеристики
- Мощность электродвигателя: 20 кВт
- Скорость вращения двигателя: 2970 об/мин
- Высота оси 100 мм
- Количество лопастей вентилятора: 30
- Количество стержней ротора: 17
- Вентилятор находится в корпусе
- Вентилятор и двигатель соединены напрямую
- Вентилятор поддерживается двумя подшипниками
- Неподвижный фундамент
- Вентилятор впервые введен в эксплуатацию
Предварительные вопросы
Определить потребность в аппаратном обеспечении помогут следующие вопросы:
- Какие компоненты подлежат мониторингу?
- Какие механические повреждения могут возникнуть?
- Какие электрические повреждения могут возникнуть?
- Какие датчики необходимы?
- Какое количество датчиков потребуется?
- Где необходимо установить датчики?
Определить возможные настройки мониторинга помогут следующие вопросы:
- Какой мониторинг необходим: на основе показателей, частотно-селективный или оба вида мониторинга?
- Какие виды частоты повреждений будут определяться системой, а какие могут/должны определяться путем вычислений?
Вопросы по мониторингу
Какие компоненты подлежат мониторингу?
- Двигатель + вентилятор
Какие механические повреждения могут возникнуть?
- Разбалансировка
- Ошибка выравнивания муфты
- Механическое ослабление / неправильная установка
- Частота вращения лопастей •Повреждение всех подшипников
Какие электрические повреждения могут возникнуть?
- Поломка стержня ротора + ошибка поля в статоре
Рациональные настройки мониторинга вентилятора
Мониторинг на основе показателей, частотно-селективный или оба вида мониторинга?
- Чтобы упростить обнаружение места повреждения, следует совместить мониторинг на основе показателей и частотно-селективный мониторинг.
Какие виды частоты повреждений будут определяться системой, а какие могут/должны определяться путем вычислений?
- На основе зарегистрированного числа оборотов система определяет и автоматически фиксирует частоту вращения.
- Возможен и должен проводиться расчет частоты вращения лопастей и частоты стержня ротора.
Варианты расположения датчиков и определяемые показатели
Рекомендации по максимальной конфигурации
Благодаря контроллеру S7-1200 с различными модулями можно обеспечить контроль не только вибрации , но и других показателей механизма.
Например для определения рабочей точки вентилятора необходимы две характеристические кривые:
Характеристическая кривая устройства
Характеристическая кривая устройства демонстрирует взаимозависимость объемного расхода и увеличения давления. Потери
давления растут приблизительно квадратично объемному расходу.
Характеристическая кривая вентилятора
Каждый вентилятор имеет собственную характеристическую кривую, которая измеряется на испытательном стенде изготовителя и является частью технической документации вентилятора.
- При построении характеристической кривой вентилятора и характеристической кривой устройства на одной диаграмме точка их пересечения является рабочей точка вентилятора.
- Рабочая точка C получается в случае абсолютно свободного, беспрепятственного прохождения потока через вентилятор.
- Рабочая точка D получается в случае, если вентилятор полностью блокирован.
- Мониторинг объема подачи и давления позволяет определить, смещается ли рабочая точка.
- Смещение рабочей точки позволяет сделать вывод об износе лопастного колеса, о наличии засора в трубах или о том, открыты или закрыты клапаны.
Определение предельных показателей ГОСТ 10816-3
SIPLUS CMS1200: Реализация на практике
Собственная сеть Ethernet для SM 1281
Возможность построить собственную изолированную сеть передачи диагностических данных позволяет легко разделить сеть систем управления производствам и автоматизации и сеть данных диагностики.
-> Обеспечение подробной диагностики без нагрузки на производственную сеть. Отсутствие киберугроз на сеть управления производством.
Примечание: при необходимости сети можно соединить, например, для режимов наладки.
Встроенный сервер OPC UA
Благодаря встроенному серверу OPC UA данные с системы вибродиагностики CMS1200 можно самым простым способом интегрировать в любые информационные системы, например системы ТОиР.
Структура интерфейса OPC UA
Сервер OPC-UA может обслуживать до пяти клиентов OPC-UA. Все параметры интерфейса доступны только для чтения. Не требует настройки, работает "прямо из коробки".
Используемый TCP-порт — порт для обмена данными OPC-UA по умолчанию: 4840.
На SM1281 этот порт не имеет возможности настройки конфигурации.
Информация для заказа CMS1200: SM 1281
- SIPLUS CMS1200 SM1281 модуль мониторинга - 6AT8007-1AA10-0AA0
- Виброакселлерометр SIPLUS VIB-Sensor S02 -10мВ/g
(1,0Гц…15кГц макс. 500g) - 6AT8008-2AA00-0AA0 - Виброакселлерометр SIPLUS CMS VIB-SENSOR S01 - 100мВ/g
(0,5Гц…15кГц макс.50g) - 6AT8002-4AB00 - Виброакселлерометр SIPLUS CMS VIB-SENSOR S03 - 500мВ/g
(0,2Гц… 3кГц макс.10g) - 6AT8008-2AA02-0AA0 - Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-300 (3м) - 6AT8002-4AC03
- Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-1000 (10м) - 6AT8002-4AC10
- Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-3000 (30м) -
6AT8008-2BA12-0AA0 - SIPLUS CMS1200 SM1281 комплект из 4-х кабельных зажимов для экрана кабелей - 6AT8007-1AA20-0AA0
Контроллер, дополнительные цифровые и аналоговые входа/выхода выбираются в зависимости от задачи.
Полезные ссылки
Обзор практических примеров применения систем вибродиагностики SIPLUS CMS1200
https://zen.yandex.ru/media/id/5d0cd52d70a11800afed36e2/obzor-prakticheskih-primerov-primeneniia-sistem-vibrodiagnostiki-siplus-cms1200-5ecc065687eb5a1725e271f0
Как правильно установить датчики вибрации на промышленном оборудовании?
https://zen.yandex.ru/media/id/5d0cd52d70a11800afed36e2/kak-pravilno-ustanovit-datchiki-vibracii-na-promyshlennom-oborudovanii-5f2ba87fbdd9471d15c9359b
Ссылка на документацию версия 3.2:
https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/109757963/cms1200_sm1281_operating_manual_ru-RU_ru-RU.pdf?download=true
FW для SM1281 можно скачать здесь:
https://support.industry.siemens.com/cs/document/109755629/firmware-update-siplus-cms1200-sm-1281?dti=0&dl=en&lc=ru-RU
При подготовке публикации использовались материалы и изображения SIEMENS AG
<-
