Monitorowanie stanu - Condition monitoring

Monitorowanie stanu (potocznie CM ) to proces monitorowania parametru stanu w maszynie (drgania, temperatura itp.), w celu zidentyfikowania znaczącej zmiany, która wskazuje na rozwijającą się usterkę. Jest to główny składnik konserwacji predykcyjnej . Zastosowanie monitorowania stanu pozwala na zaplanowanie konserwacji lub podjęcie innych działań w celu zapobieżenia szkodom wynikowym i ich konsekwencji. Monitorowanie stanu ma wyjątkową zaletę, ponieważ warunki, które skróciłyby normalną żywotność, można rozwiązać, zanim przekształcą się w poważną awarię. Techniki monitorowania stanu są zwykle stosowane w sprzęcie wirującym, układach pomocniczych i innych maszynach (sprężarkach, pompach , silnikach elektrycznych , silnikach spalinowych, prasach), podczas gdy okresowa kontrola przy użyciu technik badań nieniszczących (NDT) i ocena przydatności do eksploatacji (FFS) są stosowane w urządzeniach statycznych, takich jak kotły parowe , rurociągi i wymienniki ciepła .

Technologia monitorowania stanu

Poniższa lista zawiera główne techniki monitorowania stanu stosowane w sektorze przemysłowym i transportowym:

• Przegląd monitorowania stanu
• Analiza i diagnostyka drgań
• Analiza smaru
• Emisji akustycznej
• Termografia w podczerwieni
• Ultradźwięk
• Czujniki stanu oleju
• Monitorowanie stanu silnika i analiza sygnatury prądu silnika (MCSA)
• Systemy napięciowe i prądowe oparte na modelach (systemy MBVI)

Większość technologii CM jest standaryzowana przez ISO i ASTM .

Sprzęt obrotowy

Sprzęt rotacyjny to termin branżowy obejmujący przekładnie, maszyny tłokowe i odśrodkowe.

Najczęściej stosowaną metodą dla maszyn wirujących jest analiza drgań .

Pomiary mogą być wykonywane na obudowach łożysk maszyn za pomocą akcelerometrów (przetworników sejsmicznych lub piezoelektrycznych) do pomiaru drgań obudowy oraz na ogromnej większości maszyn o krytycznym znaczeniu za pomocą przetworników wiroprądowych, które bezpośrednio obserwują obracające się wały w celu pomiaru promieniowych (i osiowe) przemieszczenie wału. Poziom wibracji można porównać z historycznymi wartościami bazowymi, takimi jak wcześniejsze rozruchy i wyłączenia, a w niektórych przypadkach z ustalonymi standardami, takimi jak zmiany obciążenia, w celu oceny dotkliwości. Maszyny i części OEM określają również limity drgań w oparciu o konstrukcję maszyny lub części wewnętrznych, np. częstotliwość uszkodzeń łożysk.

Interpretacja uzyskanego sygnału wibracyjnego jest skomplikowaną procedurą, wymagającą specjalistycznego przeszkolenia i doświadczenia. Jest to uproszczone dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii, które zapewniają automatyczną analizę większości danych i dostarczają informacji zamiast surowych danych. Jedną z powszechnie stosowanych technik jest badanie poszczególnych częstotliwości występujących w sygnale. Częstotliwości te odpowiadają pewnym elementom mechanicznym (na przykład różnym elementom, z których składa się łożysko toczne ) lub pewnym awariom (takim jak niewyważenie wału lub niewspółosiowość). Badając te częstotliwości i ich harmoniczne, specjalista CM może często zidentyfikować lokalizację i rodzaj problemu, a czasami także przyczynę. Na przykład wysokie drgania o częstotliwości odpowiadającej prędkości obrotowej są najczęściej spowodowane niewyważeniem resztkowym i są korygowane przez wyważenie maszyny. Z drugiej strony, degradujące się łożysko toczne będzie zwykle wykazywać sygnały wibracyjne o określonych częstotliwościach, których intensywność wzrasta w miarę zużywania się. Specjalne przyrządy analityczne mogą wykryć to zużycie na tygodnie, a nawet miesiące przed awarią, dając wystarczające ostrzeżenie o zaplanowaniu wymiany przed awarią, która może spowodować znacznie dłuższy czas przestoju. Oprócz wszystkich czujników i analizy danych należy pamiętać, że ponad 80% wszystkich złożonych urządzeń mechanicznych ulega awarii przypadkowo i bez związku z ich cyklem życia.

Większość dzisiejszych przyrządów do analizy drgań wykorzystuje szybką transformatę Fouriera (FFT), która jest szczególnym przypadkiem uogólnionej dyskretnej transformacji Fouriera i przekształca sygnał drgań z jego reprezentacji w domenie czasu na równoważną reprezentację w domenie częstotliwości . Jednak analiza częstotliwości (czasami nazywana analizą spektralną lub analizą sygnatur wibracyjnych) jest tylko jednym z aspektów interpretacji informacji zawartych w sygnale wibracyjnym. Analiza częstotliwości wydaje się być najbardziej użyteczna w maszynach, w których stosuje się łożyska toczne i których głównymi przyczynami uszkodzeń jest degradacja tych łożysk, które zwykle wykazują wzrost częstotliwości charakterystycznych związanych z geometrią i konstrukcją łożyska. W zależności od typu maszyny, jej typowych usterek, zastosowanych typów łożysk, prędkości obrotowych i innych czynników specjalista CM może skorzystać z dodatkowych narzędzi diagnostycznych, takich jak badanie sygnału w domenie czasu, zależności fazowej między składowymi drgania i taktowania znak na wale maszyny (często nazywany kluczem fazowym ), historyczne trendy poziomów drgań, kształt drgań i wiele innych aspektów sygnału wraz z innymi informacjami z procesu, takimi jak obciążenie, temperatury łożysk, natężenia przepływu, położenie zaworów i naciski, aby zapewnić dokładną diagnozę. Dotyczy to w szczególności maszyn, w których stosuje się łożyska płynne, a nie łożyska toczne . Aby je włączyć, aby spojrzeć na te dane w bardziej uproszczonej postaci drgań analityków lub maszyn inżynierowie diagnostyczne przyjęły szereg matematycznych działek, aby pokazać problemy maszynowe i działa cech, działki te obejmują działkę bode , na działkę wodospad , na działkę polarnego i tym wykres podstawy czasu orbity między innymi.

Ręczne kolektory danych i analizatory są obecnie powszechne w maszynach niekrytycznych lub wyważonych , na których stałe oprzyrządowanie wibracyjne on-line nie może być ekonomicznie uzasadnione. Technik może zebrać próbki danych z wielu maszyn, a następnie pobrać dane do komputera, gdzie analityk (a czasem sztuczna inteligencja) może zbadać dane pod kątem zmian wskazujących na awarie i zbliżające się awarie. W przypadku większych, bardziej krytycznych maszyn, w których implikacje bezpieczeństwa, przerwy w produkcji (tzw. „przestoje”), części zamienne i inne koszty awarii mogą być znaczące (określane przez wskaźnik krytyczności), zwykle stosuje się stały system monitorowania zamiast polegać na o okresowym zbieraniu danych z urządzeń przenośnych. Jednak metody diagnostyczne i narzędzia dostępne w obu podejściach są zasadniczo takie same.

Ostatnio również systemy monitorowania stanu on-line zostały zastosowane w ciężkich gałęziach przemysłu przetwórczego, takich jak przemysł celulozowy, papierniczy, wydobywczy, petrochemiczny i energetyczny.

Monitorowanie wydajności jest mniej znaną techniką monitorowania stanu. Może być stosowany do maszyn wirujących, takich jak pompy i turbiny, a także do elementów stacjonarnych, takich jak kotły i wymienniki ciepła. Wymagane są pomiary wielkości fizycznych: temperatury, ciśnienia, przepływu, prędkości, przemieszczenia, w zależności od elementu instalacji. Absolutna dokładność jest rzadko potrzebna, ale potrzebne są powtarzalne dane. Zwykle potrzebne są skalibrowane przyrządy testowe, ale w zakładach osiągnięto pewien sukces dzięki DCS (rozproszone systemy sterowania). Analiza wydajności jest często ściśle związana z efektywnością energetyczną i dlatego od dawna jest stosowana w elektrowniach parowych. W niektórych przypadkach możliwe jest obliczenie optymalnego czasu remontu w celu przywrócenia obniżonej wydajności.

Systemy napięciowe i prądowe oparte na modelu (systemy MBVI): Jest to technika, która wykorzystuje informacje dostępne z sygnałów prądowych i napięciowych we wszystkich trzech fazach jednocześnie. Systemy oparte na modelach są w stanie zidentyfikować wiele takich samych zjawisk obserwowanych również w bardziej konwencjonalnych technikach, obejmujących obszary elektryczne, mechaniczne i operacyjne. Systemy oparte na modelach pracują na liniach pokazanych na rysunku 6 poniżej i mierzą zarówno prąd, jak i napięcie podczas pracy silnika, a następnie automatycznie tworzą matematyczny model zależności między prądem a napięciem. Stosując ten model do mierzonego napięcia, modelowany prąd jest obliczany i porównywany z rzeczywistym zmierzonym prądem. Odchylenia między prądem zmierzonym a prądem modelowanym reprezentują niedoskonałości w układzie silnika i sprzętu napędzanego, które można analizować za pomocą kombinacji wektora Parka w celu uproszczenia prądów trójfazowych do dwóch faz ortogonalnych (D&Q), analizy Fouriera w celu uzyskania mocy wykres gęstości widmowej i algorytmiczna ocena otrzymanego widma w celu zidentyfikowania określonych usterek lub trybów awarii. Systemy te są przeznaczone do stałej instalacji jako rozwiązanie do monitorowania stanu, a nie jako krótkoterminowe diagnostyczne urządzenie pomiarowe, a ich wyjścia można zintegrować z normalnymi systemami zakładowymi. Będąc na stałe połączonym, historyczne trendy są automatycznie rejestrowane.

Rodzaj danych wyjściowych, które mogą tworzyć te typy urządzeń, obejmuje pojedynczy ekran, sygnalizację świetlną przedstawiającą ogólną pracę urządzenia, wraz z diagnozą szeregu problemów mechanicznych, elektrycznych i operacyjnych oraz wykresy trendów pokazujące, jak te parametry zmieniają się w czasie . Koncepcja tego typu urządzenia polega na tym, że może być używany przez zwykłych operatorów instalacji i konserwatorów bez potrzeby specjalistycznej interpretacji widm, chociaż w razie potrzeby dostępne są podstawowe wykresy widmowe. Rodzaje usterek, które można wykryć, obejmują szereg problemów mechanicznych, takich jak niewyważenie, niewspółosiowość i problemy z łożyskami w silniku i napędzanym sprzęcie, a także problemy elektryczne, w tym awaria izolacji, luźne uzwojenia stojana, problemy z rowkiem wirnika, prąd lub napięcie brak równowagi i zniekształcenia harmoniczne. Ponieważ systemy te mierzą zarówno prąd, jak i napięcie, monitorują również moc i są w stanie zidentyfikować problemy spowodowane nietypowymi warunkami pracy oraz zidentyfikować przyczyny utraty wydajności. Ponieważ systemy oparte na modelach badają tylko różnicę między prądami rzeczywistymi i przewidywanymi, skutecznie odfiltrowują wszystkie normalne sygnały elektryczne, które są tak widoczne w konwencjonalnej analizie spektralnej prądu silnika (MCSA), pozostawiając do analizy znacznie prostszy zestaw sygnałów. Ponieważ systemy te są oparte na relacji między napięciem a prądem, dobrze radzą sobie z systemami sterowanymi falownikiem, w których napięcie wejściowe może mieć zmienną częstotliwość i może występować zaszumiony przebieg fali o wysokiej zawartości harmonicznych. Systemy oparte na modelach skutecznie odfiltrowują cały ten szum w sygnale napięciowym z wynikowego sygnału prądowego, pozostawiając tylko podstawowe niedoskonałości. Ta łatwość użytkowania i niski koszt tego typu sprzętu sprawiają, że jest on odpowiedni dla tańszych urządzeń o mniejszej krytyczności.

Inne techniki

• Często uważa się, że inspekcje wizualne stanowią podstawowy element monitorowania stanu, jednak jest to prawdą tylko wtedy, gdy wyniki inspekcji można zmierzyć lub poddać krytyce zgodnie z udokumentowanym zestawem wytycznych. Aby te inspekcje można było uznać za monitorowanie stanu, wyniki i warunki w czasie obserwacji muszą zostać zestawione, aby umożliwić analizę porównawczą z poprzednimi i przyszłymi pomiarami. Czynności polegającej na prostej wizualnej inspekcji odcinka rurociągu pod kątem obecności pęknięć lub wycieków nie można uznać za monitorowanie stanu, chyba że istnieją wymierne parametry wspierające inspekcję i dokonywane jest względne porównanie z poprzednimi inspekcjami. Czynność wykonywana w oderwaniu od poprzednich inspekcji jest uważana za ocenę stanu, czynności monitorowania stanu wymagają przeprowadzenia analizy porównawczej z poprzednimi danymi i raportowania trendów tego porównania.
• Niewielkie wahania temperatury na całej powierzchni można wykryć za pomocą inspekcji wizualnej i badań nieniszczących za pomocą termografii . Ciepło wskazuje na awarię komponentów, w szczególności degradację styków elektrycznych i zakończeń. Termografia może być również z powodzeniem stosowana do łożysk szybkoobrotowych, sprzęgieł hydraulicznych, rolek przenośników i wewnętrznych zbiorników magazynowych.
• Skaningowego mikroskopu elektronowego mogą obraz starannie próbki pobranej od zanieczyszczeń w zawiesinie w oleju (pochodzący z filtrami lub magnetycznych czujników wiórowych) smarowego. Instrumenty ujawniają następnie zawarte w nich pierwiastki, ich proporcje, wielkość i morfologię. Za pomocą tej metody można określić miejsce, mechanizm mechanicznej awarii oraz czas do ewentualnej awarii. Nazywa się to WDA – Wear Debris Analysis.
• Analiza spektrograficzna oleju, która bada skład chemiczny oleju, może być wykorzystana do przewidywania trybów awarii. Na przykład wysoka zawartość krzemu i aluminium wskazuje na zanieczyszczenie brudem lub żwirem (krzemiany glinu) itp., a wysoki poziom żelaza wskazuje na zużycie elementów. Poszczególne elementy dają rzetelne wskazówki, ale zastosowane razem mogą bardzo dokładnie określić stany awaryjne, np. dla silników spalinowych obecność żelaza (tulejka), aluminium (tłok) i chromu (pierścienie) wskazywałaby na zużycie górnego cylindra.
• Ultradźwięki mogą być używane w zastosowaniach mechanicznych o dużej i niskiej prędkości oraz w sytuacjach płynów pod wysokim ciśnieniem. Cyfrowe mierniki ultradźwiękowe mierzą sygnały wysokiej częstotliwości z łożysk i wyświetlają wynik jako wartość dBuV (decybele na mikrowolt). Wartość ta zmienia się w czasie i jest wykorzystywana do przewidywania wzrostu tarcia, tarcia, uderzenia i innych wad łożysk. Wartość dBuV jest również wykorzystywana do przewidywania właściwych interwałów do ponownego smarowania. Monitorowanie ultradźwiękowe, jeśli zostanie wykonane prawidłowo, okazuje się być świetną technologią towarzyszącą do analizy drgań.

Słuchawki pozwalają również ludziom słuchać ultradźwięków. Wysoki „brzęczący dźwięk” w łożyskach wskazuje na wady powierzchni styku, a gdy wystąpią częściowe zablokowania w płynach pod wysokim ciśnieniem, kryza spowoduje duży hałas ultradźwiękowy. Ultradźwięki są używane w metodzie impulsów uderzeniowych monitorowania stanu.

• Analiza wydajności, gdzie sprawność fizyczna, wydajność lub stan są określane przez porównanie rzeczywistych parametrów z idealnym modelem. Pogorszenie jest zwykle przyczyną różnic w odczytach. Po silnikach, pompy odśrodkowe są prawdopodobnie najczęstszymi maszynami. Monitorowanie stanu za pomocą prostego testu przepływu przez głowicę w pobliżu punktu pracy przy użyciu powtarzalnych pomiarów jest stosowane od dawna, ale może być szerzej stosowane. Rozszerzenie tej metody można wykorzystać do obliczenia najlepszego czasu remontu pompy w oparciu o zbilansowanie kosztów remontu ze wzrostem zużycia energii, który występuje w miarę zużywania się pompy. Lotnicze turbiny gazowe są również powszechnie monitorowane przy użyciu technik analizy wydajności, a producenci oryginalnego sprzętu, tacy jak Rolls-Royce plc, rutynowo monitorują całe floty silników lotniczych w ramach długoterminowych umów serwisowych (LTSA) lub pakietów Total Care.
• Czujniki do wykrywania zużycia szczątków są w stanie wykryć żelazne i nieżelazne cząstki zużycia w oleju smarującym, dostarczając istotnych informacji o stanie mierzonych maszyn. Tworząc i monitorując trend generowanych zanieczyszczeń, możliwe jest wykrycie usterek przed katastrofalną awarią urządzeń wirujących, takich jak przekładnie, turbiny itp.

Indeks krytyczności

Wskaźnik krytyczności jest często używany do określenia stopnia monitorowania stanu danej maszyny, biorąc pod uwagę przeznaczenie maszyny, redundancję (tj. jeśli maszyna ulegnie awarii, czy jest maszyna rezerwowa, która może przejąć), koszt naprawy, wpływ przestojów, kwestie zdrowia, bezpieczeństwa i środowiska oraz szereg innych kluczowych czynników. Indeks krytyczności umieszcza wszystkie maszyny w jednej z trzech kategorii:

1. Maszyny krytyczne — maszyny, które są niezbędne dla zakładu lub procesu i bez których zakład lub proces nie może funkcjonować. Maszyny w tej kategorii obejmują turbiny parowe lub gazowe w elektrowni, pompy do eksportu ropy naftowej na platformie wiertniczej lub krakers w rafinerii ropy naftowej. Ponieważ kluczowe maszyny znajdują się w centrum procesu, wydaje się, że wymaga pełnego monitorowania stanu on-line w celu ciągłego rejestrowania jak największej ilości danych z maszyny, bez względu na koszty i często jest to określone przez ubezpieczenie zakładu. Tam, gdzie to możliwe, wykonywane są pomiary, takie jak obciążenia, ciśnienia, temperatury, drgania i przemieszczenie obudowy, osiowe i promieniowe przemieszczenie wału, prędkość i rozszerzalność różnicowa. Wartości te są często przesyłane z powrotem do pakietu oprogramowania do zarządzania maszynami, które jest w stanie wyznaczać trendy danych historycznych i dostarczać operatorom informacji, takich jak dane dotyczące wydajności, a nawet przewidywać usterki i zapewniać diagnozę usterek przed ich wystąpieniem.
2. Niezbędne maszyny — jednostki, które są kluczową częścią procesu, ale jeśli wystąpi awaria, proces nadal trwa. Zbędne jednostki (jeśli są dostępne) należą do tej sfery. Testowanie i kontrola tych jednostek jest również niezbędna do utrzymania alternatywnych planów na wypadek awarii maszyn o znaczeniu krytycznym.
3. Ogólne przeznaczenie lub równowaga maszyn w zakładzie — są to maszyny, które stanowią pozostałą część zakładu i zwykle są monitorowane za pomocą podręcznego kolektora danych, jak wspomniano wcześniej, w celu okresowego tworzenia obrazu stanu maszyny.

Zobacz też

• Wibracje przy obróbce
• Metoda impulsu uderzeniowego
• Systemy monitorowania zdrowia i użytkowania

Uwagi i referencje

Dalsza lektura