SYSTEM OF CONTINUOUS CONDITION MONITORING AND RAPID DIAGNOSTICS FOR MARINE ROTARY EQUIPMENT
Authors:
1.
Ltd. "Vibrotekhnika"
Type:
Article
Pages:
from 54
to 62
Status:
Published
Received:
20.11.2016
Accepted:
25.11.2016
Published:
25.11.2016
Subject area:
UDK 629.12.05:594.647
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
actual condition monitoring, vibration diagnostics, stationary system, thresholds adaptation method, rotary equipment
Abstract (English):
The paper considers the results of the development of stationary system of continuous condition monitoring and rapid diagnostics of marine equipment with rotating elements, its functions, structure and new technical solutions ensuring its effectiveness. While developing the system three main issues were resolved: the first is an extraction of a wide range of diagnostic significant components of different physical nature from the vibration signal; the second is a condition monitoring based on the assessment of the significance of changes in these components on the background of common transients; the third is the diagnostics based on the data from diagnostically significant changes in the monitored parameters. To solve the first issue, a signal analyzer, which allows to calculate many informative parameters by a large number of parallel channels and high periodicity at the same time, was developed. These parameters characterize the properties of different physical natural processes. To assess the technical condition of the equipment using the measured parameters, a new method of automatic adjustment of thresholds, which allows taking into account the natural fluctuations of parameters at intervals of varying duration and identifying on their background the trends, characterizing the condition changes, is developed. For rapid identification of severe defects a method of diagnosing the machine as a whole, based on the detection of significant changes in the monitored parameters, is provided. This method of machine condition monitoring is proven to be more efficient than the diagnostics of various parts of the machine separately. Application of the presented methods together provides high reliability and rapidity of the decision-making about the changes in the machine condition and identification of the reasons of such change. The implementation of the considered system allows to protect the equipment from non-desirable modes and sudden failures and as a result to use condition-based maintenance.
The paper considers the results of the development of stationary system of continuous condition monitoring and rapid diagnostics of marine equipment with rotating elements, its functions, structure and new technical solutions ensuring its effectiveness. While developing the system three main issues were resolved: the first is an extraction of a wide range of diagnostic significant components of different physical nature from the vibration signal; the second is a condition monitoring based on the assessment of the significance of changes in these components on the background of common transients; the third is the diagnostics based on the data from diagnostically significant changes in the monitored parameters. To solve the first issue, a signal analyzer, which allows to calculate many informative parameters by a large number of parallel channels and high periodicity at the same time, was developed. These parameters characterize the properties of different physical natural processes. To assess the technical condition of the equipment using the measured parameters, a new method of automatic adjustment of thresholds, which allows taking into account the natural fluctuations of parameters at intervals of varying duration and identifying on their background the trends, characterizing the condition changes, is developed. For rapid identification of severe defects a method of diagnosing the machine as a whole, based on the detection of significant changes in the monitored parameters, is provided. This method of machine condition monitoring is proven to be more efficient than the diagnostics of various parts of the machine separately. Application of the presented methods together provides high reliability and rapidity of the decision-making about the changes in the machine condition and identification of the reasons of such change. The implementation of the considered system allows to protect the equipment from non-desirable modes and sudden failures and as a result to use condition-based maintenance.
Keywords:
actual condition monitoring, vibration diagnostics, stationary system, thresholds adaptation method, rotary equipment
actual condition monitoring, vibration diagnostics, stationary system, thresholds adaptation method, rotary equipment
Введение Для обеспечения надежности функционирования судовых машин кораблей военно-морского флота традиционно используется стратегия планово-предупредительных ремонтов, при которой периодичность обслуживания жестко контролируется техническим управлением флота, а во время похода используется преимущественно контроль технологических параметров, таких как температура, давление, расход. Такой способ обеспечения надежности, получивший широкое распространение в СССР, хорошо вписывался в плановую форму экономического управления советской системы, т. к. обеспечивал планомерную работу ремонтных служб, позволял заранее подготовить необходимые для ремонта ресурсы и при этом обеспечивал некоторый уровень надежности. Но, как показывает мировая практика, такая стратегия является крайне неэффективной с экономической точки зрения, приводит к перерасходу материальных и временных ресурсов и при этом не обеспечивает должную защиту от аварийных ситуаций во время плавания, т. к. технологические параметры связаны с ограниченным перечнем неисправностей. При этом зачастую происходят ремонты без необходимости, при которых осуществляется замена большого числа элементов оборудования без выработки заложенного индивидуального ресурса, что приводит только к ухудшению состояния оборудования за счет вносимых при монтаже дефектов, которые иногда приводят к послеремонтным отказам. Более эффективным способом обеспечения безотказности во время плавания и организации обслуживания и ремонта роторного оборудования является контроль фактического состояния, который основывается на методах технической диагностики. Наиболее эффективным методом диагностирования роторного оборудования является вибродиагностика, которая позволяет получать максимальный объем информации об изменении физических процессов различной природы, вызванных появлением и развитием тех или иных дефектов. Стационарные системы вибродиагностики широко используются во многих отраслях промышленности и давно доказали свою эффективность [1, 2], однако на судах российского производства и кораблях военно-морского флота подобные средства внедряются не очень широко - это скорее единичные случаи. При этом на борту корабля или судна присутствует большое число ответственного управляемого оборудования, отказ которого может привести к серьезным последствиям, вплоть до потери мореходных качеств. В первую очередь это относится к главной энергетической установке и ее элементам и судовой электростанции; также важной задачей является сбор необходимой для организации обслуживания по фактическому состоянию диагностической информации для проведения обслуживания по фактическому состоянию береговыми службами. Накопленный ведущими сотрудниками ООО «Вибротехника», входящей в Ассоциацию ВАСТ[1], более чем 30-летний опыт создания программно-аппаратных средств и алгоритмов автоматического диагностирования, в совокупности с последними достижениями информационных технологий, измерительной и вычислительной техники, позволяют создать эффективную необслуживаемую систему защитного мониторинга роторного оборудования для решения поставленных задач. Описание структуры системы и примененных новых технических решений Разработанная система мониторинга и диагностики является диспетчерской информационной системой нового поколения, которая служит для оснащения ответственного роторного оборудования и выполняет следующие функции (как при установке на борту корабля или судна, так и при использовании в промышленных условиях): - непрерывный мониторинг технического состояния оборудования в установившихся и переходных режимах работы; - оперативная диагностика развитых дефектов и прогноз остаточного ресурса; - предоставление информации обслуживающему персоналу о техническом состоянии оборудования и рекомендаций по обслуживанию в удобном для восприятия виде; - сбор первичных сигналов и ретроспективы диагностических параметров для проведения глубокого диагностирования внешними средствами с целью планирования технического обслуживания по фактическому состоянию [3]. Первостепенная задача при создании системы заключалась в разработке измерительной базы системы - модуля анализа сигналов. Для того, чтобы эффективно контролировать состояние оборудования, необходимо извлечь из сигнала вибрации как можно больше информации, характеризующей различные физические процессы. Для этого ее разделяют на компоненты разной природы - периодические, случайные и импульсные. Каждая из таких выделенных компонент связана с изменением свойств различных физических процессов. К примеру, рост периодических компонент связан с увеличением центробежных сил и сил контакта механических элементов; рост случайных компонент - с изменением сил трения и характером взаимодействия жидких и газообразных сред с элементами оборудования, а появление импульсных компонент характеризует возникновение ударных взаимодействий. При создании системы были рассмотрены различные виды анализа сигналов, из которых выбраны наиболее подходящие для решения поставленных задач: - третьоктавный спектральный анализ, который является основным методом анализа для мониторинга состояния по интегральным значениям вибрации. Третьоктавные частотные полосы имеют оптимальную для анализа состояния ширину, которая позволяет несколькими десятками полос перекрыть широкий частотный диапазон, включающий низкие, средние и высокие частоты, и при этом сохранить достаточную локализацию в частотной области и чувствительность. Полосы являются достаточно узкими на низких и средних частотах для идентификации дефектов при высокой степени нестабильности, когда отсутствует возможность анализа периодических компонент, выделенных из узкополосного спектра, в этом случае данные характерные периодические компоненты привязываются к ближайшим третьоктавным полосам. Третьоктавный анализ рекомендуется также при контроле вибрационного состояния механизмов и оборудования на борту судна в соответствии с правилами классификации и постройки морских судов Морского Регистра судоходства [4]; - оценка среднего квадратического значения (СКЗ) и пикового значения в последовательном наборе двухоктавных полос для оценки ударных взаимодействий (импульсов). Данный метод является более эффективным, чем контроль ударных импульсов в некоторой одной выбранной частотной области, т. к. ударные взаимодействия могут проявляться в различных частотных областях (в том числе и на средних частотах). Метод контроля ударных импульсов рекомендован для контроля состояния подшипников Морским Регистром судоходства [4]; - общий уровень в стандартных полосах частот - определяет вибрационное состояние агрегата и характеризует непосредственное разрушительное влияние вибрации на агрегат и соседние агрегаты; данный вид анализа предписывают измерять различные стандарты и нормативные документы [5]. - узкополосный спектральный анализ с последующим обработкой с целью извлечения информации о периодических и стационарных случайных компонентах. Спектр сам по себе несет только информацию о распределении мощности сигнала в частотной области. Для выделения необходимой информации был разработан алгоритм поиска и выделения параметров гармонических компонент по заданным признакам, главным из которых является значимое превышение рассчитанной с помощью ряда последовательных итераций сглаживания линии фона (рис. 1). Рис. 1. Результаты обработки спектра вибрации С помощью удаления найденных составляющих из исходного спектра происходит формирование узкополосного спектра случайных компонент, из которого с помощью наложения весовых частотных окон вычисляются уровни случайной вибрации в октавных полосах. Параметры случайной вибрации, полученные таким образом, отвечают за различные физические процессы, к примеру, за интегральные свойства потока жидкости или газа, форму (неравномерный износ) граничных поверхностей трения. В качестве дополнительного вида анализа целесообразно использовать хорошо зарекомендовавший себя в превентивной глубокой диагностике метод анализа спектров огибающей, который был разработан советскими учеными под руководством А. В. Баркова (осуществлявшим руководство разработкой описываемой системы и под началом которого трудится автор) и используется практически всеми ведущими компаниями мира в области вибродиагностики. Данный метод позволяет выявить частоту и глубину модуляции случайной высокочастотной вибрации, которая характеризует появление и интенсивность периодических микроударов. Данный вид анализа может быть полезен персоналу с диагностической подготовкой в качестве инструмента уточнения диагноза, сформированного системой, и наблюдения за развивающимися неопасными дефектами [6]. Для выделения указанных компонент был разработан специальный программный модуль - виртуальный анализатор сигналов. Данный модуль позволяет вычислять все указанные выше параметры с высокой периодичностью от 0,125 с параллельно по каждому измерительному каналу (до 16 на одном компьютере), что позволяет быстро реагировать на изменение состояния даже в переходных режимах работы при резком ухудшении состояния. Данные характеристики являются уникальными по вычислительной эффективности на момент создания системы. Сигнал вибрации, измеренный на опорах вращения и корпусах роторного оборудования, является основным источником диагностической информации, однако анализ параметров других процессов может не только повысить достоверность, но и обеспечить контроль состояния агрегатов и узлов, недоступных для контактного измерения вибрации. Так, анализ спектров силового тока электрических машин позволяет получить большой объем диагностической информации о самой электрической машине и нагруженном на нее агрегате. Данный метод является единственным эффективным способом контроля состояния погружных насосов. Структура разработанной системы представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема разработанной системы В состав системы входят измерительные преобразователи вибрации, а также датчики оборотов, могут использоваться сигналы и с других первичных преобразователей, таких как датчики тока и температуры. Сигналы с первичных преобразователей с помощью модулей аналого-цифрового преобразования (МЦП) оцифровываются и передаются в виртуальный анализатор для вычисления всех необходимых параметров. Вычисленные параметры передаются в диагностическое программное обеспечение, СМД-сервер, где происходит их обработка. Сервер системы и виртуальный анализатор сигналов могут находиться как на одном компьютере (в случае организации сосредоточенной системы на ограниченное число измерительных каналов), так и на разных (в этом случае результаты измерений передаются в виде пакетов с данными через измерительную сеть). Сервер системы включает в себя 2 главных компонента - модуль мониторинга и модуль оперативной диагностики. В модуле мониторинга осуществляется идентификация фактического состояния по обнаруженным превышениям пороговых значений контролируемыми параметрами. Режим идентификации дефектов запускается с заданной периодичностью или по событию, при этом для диагностирования используются данные о превышениях пороговых значений, формируемых в блоке мониторинга, которые передаются в модуль оперативной диагностики для идентификации дефектов. Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора и диагноста позволяют получить доступ к выходной информации системы. АРМ оператора служит для отображения ограниченного объема информации для быстрого восприятия и принятия решений. К такой информации относится мнемосхема контролируемого оборудования с цветовыми индикаторами состояния, а также обобщенная информация о результатах мониторинга (зона состояния, прогноз) и диагностики (перечень обнаруженных дефектов) в текстовом виде. С помощью АРМ диагноста можно получить весь объем информации - как обобщенной, так и детальной. В частности, доступна информация о ретроспективе любого измеряемого параметра, параметрах обнаруженных трендов, результатах анализа спектров, а также другая информация в различной форме - табличной, графической, текстовой. Блок релейной сигнализации необходим для выдачи сигнала типа «сухой контакт» в целях формирования срочного останова либо звуковой или световой сигнализации: сигналы формируются при выполнении заданных логических правил в модуле формирования сигнализации. В разных режимах работы оборудования по частоте и нагрузке может быть своя вибрационная картина, соответствующая исправному состоянию, а значения параметров вибрации могут отличаться в разы. Поэтому для каждого агрегата выделяется ряд типовых режимов, для каждого из которых накопление и обработка параметров происходит отдельно, при этом формируются свои пороги, разделяющие зоны состояния. В переходных режимах работы состояние определяется по ограниченной совокупности параметров, используются только интегральные параметры с повышенными порогами и анализ ударных компонент. Каждый режим характеризуется диапазоном изменения частоты вращения и, если требуется, диапазоном любого другого входного параметра (к примеру, нагрузки). Фактическое состояние оборудования контролируется с помощью сравнения параметров с порогами, которые дифференцируют значимость отклонения данных параметров от некоторого базового значения, характеризующего бездефектное состояние. В стандартах по контролю фактического состояния даются рекомендации по расчету данного значения только в случае стабильного вибрационного состояния путем длительного усреднения данных [5], но многолетний опыт анализа изменения вибрационных картин различного оборудования в процессе эксплуатации говорит о том, что флуктуации контролируемых параметров вибрации машин и оборудования в одном режиме по частоте не являются полностью случайными и стабильными около некоторого значения, которое и рекомендуется принимать за базовое. Многие из параметров зачастую меняются монотонно при изменении условий функционирования (таких как нагрузка, параметры потребляемой энергии, свойства окружающей среды) и не связаны с изменением состояния. Для повышения чувствительности идентификации изменения состояния оборудования на фоне подобных переходных процессов был применен новый метод автоматической адаптации пороговых значений. Предложенный метод базируется на разделении накопления и анализа параметров на интервалах различной длительности. Каждый вычисленный параметр попадает в ряд последовательных накопителей разной длины по времени (рис. 3). Рис. 3. Организация анализа параметров в виде накопителей разной длительности Данные при передаче из накопителя в накопитель усредняются (сглаживаются) и прореживаются таким образом, чтобы длина накопителей по числу значений была одинакова, это позволяет применять один и тот же подход при анализе данных. Накопители выполнены в виде очереди фиксированной длины, т. е. когда новый элемент попадает в накопитель, последний элемент удаляется. Длина по времени каждого накопителя соответствует типовой длительности различных переходных режимов работы - мгновенного и плавного пуска, выхода на режим, установления теплового равновесия. Это позволяет анализировать процессы разной длительности и разделять изменения состояния, связанные с различной скоростью деградации, и естественные флуктуации параметров, связанные с переходными режимами работы контролируемого агрегата. В каждом из накопителей происходит специальная обработка, выявляющая различные участки по характеру и тенденциям изменения параметра, которые могут быть разделены точками перегиба либо отличаться различным уровнем разброса данных. Условием точки перегиба может являться сильное суммарное отклонение ряда значений от ранее обнаруженной тенденции (тренда) (рис. 4); также точку перегиба целесообразно устанавливать в месте сильного скачка значений параметра. Рис. 4. Определение точки перегиба в временном ряду контролируемого параметра: L - значение контролируемого параметра (анализ происходит для любого временного интервала, соответствующего конкретному накопителю) На основании трендов, определенных по каждой тенденции, формируется базовый уровень для адаптации порога в накопителе меньшей по времени длительности, при этом более длительные флуктуации не учитываются. При наборе статистики выполняется оценка мощности естественных переходных процессов, характерных для конкретной машины, и в зависимости от мощности их флуктуаций устанавливаются пороги, типовая величина которых составляет 3 и 6 стандартных отклонений от базового значеня. Такой подход позволяет абстрагироваться от медленных изменений внешних условий, сохраняя высокую чувствительность обнаружения быстрых изменений состояния (в том числе из-за ошибок управления агрегатами). В свою очередь, монотонные изменения состояния агрегата в результате естественного старения уверенно обнаруживаются по анализу усредненных данных в последнем накопителе (архив базы данных), в котором хранятся данные за все время работы системы. Стандартный подход к расчету порогов учитывает максимальный уровень флуктуаций за весь длительный период наблюдений и очевидно приводит к более грубой оценке. Данные, попадающие в каждый накопитель, сравниваются с рассчитанными для него порогами; на основании данного сравнения, а также характеристик тренда определяется степень опасности по конкретному параметру. Степень опасности для конкретной точки контроля - интегральная оценка опасности всех измеренных параметров этой точки. Контроль состояния происходит по всей совокупности измеряемых параметров, часть которых используется для оперативной диагностики. Перечень диагностических параметров определяется при конфигурации и, как правило, включает в себя параметры характерных гармонических рядов, октавный спектр случайных составляющих, СКЗ и пиковые значения в двухоктавных полосах. Также используются линии третьоктавного спектра, соответствующие интервалам возможного изменения характерных частот для каждого режима в целях получения информации о параметрах колебательных сил в случае сильной нестабильности частоты вращения, когда невозможен корректный анализ узкополосного спектра. Режим идентификации дефектов запускается периодически и по событию, при превышении одним из контролируемых параметров вибрации пороговых значений или появлении сильного скачка параметра. При запуске режима диагностирования формируется матрица превышений диагностических параметров размером M×N, где M - число диагностических параметров (число строк), а N - число точек контроля (число столбцов) (рис. 5). Рис. 5. Диагностика с помощью матриц с коэффициентами влияния В исходном состоянии матрица заполнена нулями; если определенный параметр в конкретной точке превысил один из 3-х пороговых значений («предупреждение», «опасность» и «особая опасность»), то в соответствующий элемент матрицы помещается коэффициент 1, 2 или 3. Для каждого дефекта конкретного узла составляется диагностическая матрица, имеющая такой же размер и структуру, как матрица превышений. При этом в матрицу вносятся коэффициенты влияния, модули которых могут быть от 0 до 1 в зависимости от достоверности определения наличия либо отсутствия дефекта по данному параметру. Знак данных коэффициентов определяет снижение или увеличение вероятности наличия дефекта при росте конкретного параметра. В результате перемножения каждой матрицы дефекта на матрицу превышений и последующего суммирования результатов произведений получается коэффициент, характеризующий вероятность наличия каждого дефекта. Такой способ выгодно отличается от поузлового принципа диагностики, при котором дефект узла определяется по его вибрации без учета вибрации соседних узлов. К примеру, некоторые дефекты влияют на определенные параметры преимущественно в одной точке (дефект конкретного подшипника), другие дефекты могут влиять на вибрацию сразу в нескольких точках (дефект проточной части насоса, дефект муфты, дисбаланс), и это необходимо учитывать. Выбор диагностических признаков и коэффициентов влияния - основа достоверной диагностики, конфигурацию диагностических матриц должен выполнять высококвалифицированный персонал в области вибрационной диагностики. Во время опытной эксплуатации системы на разных видах оборудования матрицы могут корректироваться. Заключение Важным условием эффективности контроля фактического состояния роторного оборудования является именно совместное использование предложенных решений на каждом этапе обработки данных - извлечение диагностической информации, чувствительная оценка изменения состояния по каждому параметру и постановка автоматического диагноза. Используемые в системе алгоритмы мониторинга фактического состояния и оперативной диагностики отрабатывались на многих типах машин, - как общего применения (в энергетике и на железнодорожном транспорте), так и судовых (в частности, на газовых и паровых турбинах, планетарных редукторах, турбогенераторах, центробежных и осевых насосах, в том числе погружных) - и показали свою эффективность. Первые образцы разработанной системы поставлены для оснащения турбогенератора одного из промышленных предприятий России, а также для оснащения корабля с атомной энергетической установкой.
1. Balickiy F. Ya., Barkov N. A., Barkova N. A. i dr. Vibrodiagnostika / Nerazrushayuschiy kontrol': spravochnik. Pod obsch. red. V. V. Klyueva. M.: Mashinostroenie, 2005. T. 7, kn. 2. 829 s.
2. Mitchell J. S. From vibration measurements to condition based maintenance seventy years of continuous progress // Journal of Sound and Vibration. 2007. No. 41 (1), January. P. 62-75.
3. Grischenko D. V. Informacionno-izmeritel'naya sistema operativnogo diagnostirovaniya sudovogo rotornogo oborudovaniya // Materialy XIV Sankt-Peterb. mezhdunar. konf. «Regional'naya informatika-2014» (29-31 oktyabrya 2014 g., Sankt-Peterburg). SPb.: SPOISU, 2014. S. 445-446.
4. ND 2-020101-072. Pravila klassifikacii i postroyki morskih sudov. 2013. T. 2 (ch. VII-X).
5. GOST R ISO 13373-1-2009. Kontrol' sostoyaniya i diagnostiki mashin. Vibracionnyy kontrol' sostoyaniya mashin. Obschie metody.
6. Barkov A. V. Diagnostika i prognozirovanie tehnicheskogo sostoyaniya podshipnikov kacheniya po ih vibroakusticheskim harakteristikam // Sudostroenie. 1985. № 3. C. 21-23.
