Общие принципы и технология вибромониторинга

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1. Общие принципы и  технология вибромониторинга………………..…5

2. Технология мониторинга  с использованием сборщика данных  и ЭВМ………………………………………………………………………………..8

3. Комплексный мониторинг  технологического оборудования…….…11

Заключение………………………………………………………………..20

Список использованных источников……………………………………21

Введение

Проблемы, связанные с  обеспечением безопасности эксплуатации технологического оборудования, всегда существовали, и решение их в настоящее  время может быть осуществлено за счет значительного прогресса в  инновационных технологиях, программном  обеспечении и аппаратных средствах, в разработке эффективных алгоритмов сбора и обработки информации.

Низкая наблюдаемость  скрытых процессов деградации технического состояния технологического оборудования и производственных комплексов, протекающих вследствие износа и неадекватных действий технологического, обслуживающего и ремонтного персонала, является фундаментальной причиной проблем эксплуатации оборудования производств.

Для исправления этого  положения необходимо обеспечить наблюдаемость  и оценку технического состояния и эксплуатации оборудования при изготовлении в производстве и приемке на заводах-потребителях, в процессе ремонта в ремонтных подразделениях предприятий, при монтаже оборудования и в процессе его эксплуатации на технологических установках. Чтобы развитие неисправностей стало наблюдаемым, необходима непрерывная диагностика с автоматической доставкой объективных результатов независимо от воли исполнителей лицам, ответственным за эксплуатацию оборудования. Система диагностики и мониторинга должна обнаружить эти неисправности, обеспечить наблюдение за их развитием и своевременно предупредить персонал о необходимости вывода оборудования в ремонт или экстренной его остановки [1, с. 12].

Существенное повышение  надежности оборудования без его замены и реконструкции, как показывает опыт, можно обеспечить внедрением средств мониторинга на всех этапах жизненного цикла оборудования. Мониторинг технического состояния технологического оборудования позволяет перевести большинство отказов из категории внезапных для персонала установок в категорию постепенных за счет раннего их обнаружения и оповещения персонала о развивающейся неисправности, которая уже существует, хотя, может быть, пока не является опасной и не нарушает работоспособности оборудования.

Эксплуатационные потери можно сократить до минимума, проводя своевременное и целенаправленное техническое обслуживание на основе результатов мониторинга технического состояния и эксплуатации оборудования, прежде всего динамического, в реальном времени. Это позволяет использовать в полной мере заложенный в оборудовании ресурс, исключив его внеплановую (аварийную) остановку и необоснованный ремонт, обеспечив высокий уровень безопасности и коэффициент технической готовности.

1. Общие принципы  и технология вибромониторинга

Вибрационный мониторинг машин и оборудования относится  к наиболее эффективным способам обнаружения предаварийного состояния  работающего оборудования.

Периодический вибромониторинг  является основой технического обслуживания по фактическому техническому состоянию (ОФС). Он нацелен на то, чтобы при  минимальных затратах дать возможность  персоналу предприятий распознавать техническое состояние производственного  оборудования и точно идентифицировать возможные проблемы во избежание  внепланового останова или отказа, приводящих к простоям и дорогостоящему ремонту [3, с. 21]. Вибродиагностика представляет собой эффективный метод снижения вероятности внепланового останова или отказа.

На границе семидесятых  – восьмидесятых годов мобильная и переносная виброизмерительная аппаратура, хотя и дорогостоящая, громоздкая и неудобная с современной точки зрения, но позволяющая осуществлять вибромониторинг не только основного, но и вспомогательного оборудования на основе частотного анализа, нашла применение в промышленности. В общем случае для проведения периодического вибромониторинга использовались магнитофоны для сбора и хранения виброизмерительной информации, спектроанализаторы для анализа и плоттеры для распечатки информации.

В силу малой автоматизации, высокой стоимости и трудоемкости работ, круг промышленного применения такой виброаппаратуры для периодического мониторинга был достаточно ограничен. Ситуация стала меняться с середины восьмидесятых годов с появлением сравнительно недорогих переносных микропроцессорных сборщиков данных и виброанализаторов, а также  с возможностью использования достаточно дешевых ЭВМ при хранении и  анализе данных измерения вибрации [5, с. 22].

Добиться высокой повторяемости  результатов измерений, а, следовательно, и достоверности получаемых результатов  мониторинга, используя переносные средства измерения вибрации, крайне сложно, поэтому чаще всего эта  задача решается путем стационарной установки измерительных преобразователей в контрольные точки оборудования. Стационарные системы вибрационного  мониторинга с большим количеством  измерительных преобразователей, по несколько преобразователей на каждую единицу оборудования, достаточно дороги, и не только в производстве, но и  в обслуживании, поэтому их используют для непрерывного контроля состояния  наиболее ответственного или не имеющего дублирования оборудования. Для решения  задач мониторинга менее ответственного или вспомогательного оборудования вполне подходят переносные виброметры и виброанализаторы.

При реализации задач вибромониторинга посредством применения простейших виброметров, оператор поочередно совершает  обход всех контрольных точек  оборудования и проводит на них необходимые  измерения выбранного вибросигнала. Поскольку, как правило, у виброметров  отсутствует возможность хранения и идентификации проведенных  измерений конкретной контрольной точке, эти измерения либо фиксируются оператором визуально, либо заносятся принятым на предприятии образом в журнал периодического контроля состояния оборудования. При такой технологии вибромониторинга возможно констатировать негативное состояние  оборудования лишь во время проведения измерений. Выявить причину появления дефекта и его природу такими средствами невозможно. К тому же, при проведении различных серий измерений необходимо следить за повторяемостью установки датчика вибросигнала в одно и то же место для обеспечения достоверности результатов, а это не всегда возможно [5, с. 23].

В случае использования переносных виброанализаторов для целей  вибромониторинга текущего состояния  оборудования реализуются все возможности  виброметра, то есть производится оценка численного значения контролируемого вибросигнала. Кроме этого, виброанализаторы позволяют  оперативно провести спектральный анализ вибросигнала в контрольной точке с повышенным уровнем вибросигнала, тем самым выявить природу появившегося дефекта и степень его вклада в негативное состояние оборудования. Однако, достоверный анализ степени опасности выявленного дефекта может сделать лишь квалифицированный специалист по вибродиагностике. Но, к сожалению, далеко не все предприятия могут похвастаться такими специалистами. Тем не менее, переносные виброанализаторы успешно могут решать задачу периодического технического вибромониторинга и раннего выявления ярко выраженных дефектов оборудования, таких как дисбаланс, расцентровка, резонанс, ослабление опор [1, с. 43].

Современные виброанализаторы, как правило, оснащены прикладным программным  обеспечением, которое существенно  совершенствует систему вибромониторинга и позволяет заранее сформировать последовательность проведения измерений  на каждой единице оборудования, идентифицировать каждый проведенный замер конкретной контрольной точке и дате, хранить  все проведенные измерения, просматривать  историю проведенных измерений.  Однако, как и в случае с виброметрами, при использовании виброанализаторов  во время проведения измерений необходимо контролировать повторяемостью установки  датчика вибросигнала в одну и  ту же точку на корпусе оборудования.

2. Технология мониторинга с использованием сборщика данных и ЭВМ

С помощью современного сборщика данных можно выполнять исследования вибрации оборудования, используя его  в качестве инструмента контрольного измерения, либо в качестве общецелевого виброанализатора. Обычно он сконструирован настолько легким в обращении, что  не требует техника – оператора высокой квалификации при сборе виброданных. Техник, следуя по хранящимся в памяти сборщика данных маршрутам измерений к соответствующим контрольным (штатным) точкам на агрегате, закрепляет датчик и производит измерение параметров (вибрации, тока, температуры и др.) нажатием одной кнопки на сборщике данных. Большинство сборщиков данных можно использовать в качестве автономных анализаторов, способных функционировать как осциллоскопы и/или одноканальные анализаторы спектра [3, с. 28].

Это позволяет пользователю анализировать текущие изменения  общего уровня вибрации, формы сигналов, спектры, кепстры, вектора гармонической  вибрации, частоты вращения ротора, давления, напряжения, тока и других параметров, а также их хранить. Типичный сборщик данных при весе 1...2,5 кг имеет  запоминающее устройство, способное  хранить данные, измеренные на сотнях измерительных точек. Кроме того, сборщики данных могут выполнять  синхронное временное и другие виды усреднения сигнала, сбор данных с запуском от внешнего источника, сбор данных на выбеге и разгоне (диаграммы Боде, Найквиста и каскадные спектры).

Сборщики данных также  используются для многоплоскостной многоскоростной балансировки при  помощи загружаемых балансировочных  программ, а иногда и для центровки.

Современные технологии мониторинга  нацелены на совместное использование  сборщика данных и анализирующей  программы в базовом компьютере. Для передачи данных между сборщиком данных и базовым компьютером обычно используется стандартный канал связи, например, последовательный порт К8232. Информация, отображаемая на дисплее сборщика данных, также может быть распечатана на принтере с применением последовательного порта К8232. Связь между сборщиком данных и базовым компьютером осуществляется либо напрямую через указанный порт, либо с помощью модема по телефонной линии. Например, при скорости передачи в 9600 Бод (пропускная способность обычной телефонной линии), спектр вибрации с 400 частотными составляющими может быть передан в базовый компьютер меньше, чем за одну секунду [3, с. 30].

Основой компьютеризированного  мониторинга является программное  обеспечение, устанавливаемое на базовом компьютере [1, с. 56].

Использование программного обеспечения предусматривает:

1. создание и заполнение базы данных оборудования, содержащей информацию о каждом агрегате (его компонентах и точках измерения), подвергаемом периодическому мониторингу, служебную информацию, маршруты обхода оборудования и др.;

2. определение параметров анализа данных для обеспечения гибкости выбора метода анализа, который будет использоваться на конкретных измерительных точках оборудования, а также определение предельно допустимых значений параметров анализа данных;

3. обмен информацией между ЭВМ и сборщиком данных (загрузка маршрутов обхода оборудования и разгрузка собранных виброданных в базу);

4. сканирование измеренных данных для поиска превышающих предельно допустимые значения (которые могут указывать на повреждения или проблемы оборудования) и оценка состояния каждого оборудования;

5. генерация графических отображений для проведения виброанализа и отчетной документации;

6. статистическое накопление данных для построения трендов, хранение отчетной документации, экономический анализ проводимых работ и многие другие функции.

3. Комплексный мониторинг технологического оборудования

Технологическое оборудование современных производств, как правило, включает в себя динамическое оборудование (насосы, компрессоры, воздуходувки и  т п.) и статическое оборудование (колонны, резервуары, трубопроводы и  т п.). Важнейшим фактором, определяющим надежность мониторинга, является представление  и хранение результатов мониторинга  в едином информационном пространстве, что обеспечивается путем стандартизации номенклатуры, формата и представления  результатов мониторинга. Обеспечить мониторинг состояния производственного  комплекса с учетом указанных  выше требований можно только путем  создания систем комплексного мониторинга, отвечающих определенным требованиям.

Рассмотрим особенности  систем комплексного мониторинга на примере системы «КОМПАКС®».

В данной системе комплексного мониторинга используют различные методы неразрушающего контроля и измеряют параметры акустико-эмиссионного (амплитуда, длительность, активность, энергетический параметр и др.) и виброакустического сигналов (виброускорение, виброскорость, виброперемещение), температуры (в т.ч. скорость изменения и градиент температуры), изменения линейных размеров объекта (в т.ч. скорость изменения), давления и других параметров процессов, характеризующих и сопровождающих работу оборудования производственного комплекса [6].

Программное обеспечение  системы включает в себя модуль измерения  и вычисления первичных параметров, вычислительно-диагностический модуль анализа полученных данных (экспертная система), модули отображения информации на экране диагностической станции, речевого вывода, анализатора сигналов с автоматическим формированием спектральной матрицы, журнала механика-электрика, печати протоколов, связи по коммутируемым каналам Ethernet по протоколу TCP/IP.

Автоматическая экспертная система поддержки принятия решений  в качестве входных данных использует информацию о текущих значениях  диагностических признаков, их временных  трендах и спектральных характеристиках  сигналов. Имеется встроенный язык для описания правил экспертной системы. Экспертная система имеет свойство инвариантности к параметрам диагностируемого оборудования, что обеспечивает диагностику  даже при недостаточной информации о конструктивных особенностях оборудования. В автоматическом режиме без участия  специально обученного персонала (диагностов) экспертная система автоматически  определяет дефекты и неисправности  оборудования и указывает перечень работ, выполнение которых переведет  оборудование в допустимое для дальнейшей эксплуатации состояние [6].

Сетевые возможности системы  обеспечиваются встроенной поддержкой коммутируемых (телефонных) сетей, использующих модемы для передачи данных и поддержкой сетевых протоколов НТТР и TCP/IP. Имеется  возможность публикации данных на встроенном Web-сервере, что обеспечивает доступ к данным системы любых пользователей, оснащенных стандартным программным  обеспечением для работы в Интернет.

Преимуществами данной системы являются:

- получение более полной (по сравнению с другими системами) информации о комплексном объекте;

- обнаружение даже эпизодически проявляющихся дефектов, а также процесса их развития во времени благодаря непрерывности процесса диагностирования;

- высокая помехоустойчивость измерительных каналов благодаря использованию специальных схемных решений;

- усиленная защита элементов системы от повреждения в реальных производственных условиях;

- возможность диагностики объектов с высокими рабочими температурами (до +500 ⁰С и выше);

- возможность определения величины изменения линейных размеров объектов (например, при изменении температуры) и скорости этих изменений;

- возможность сравнения качества проведения технологических процессов в различных технологических циклах с отслеживанием их нарушений;

- определение и вывод на монитор/принтер параметров процессов (средних, эффективных, минимальных и максимальных значений) и их статистических оценок;

- архивирование результатов в специальной базе данных, вывод на монитор или принтер трендов по любым параметрам в интервале времени от 12 часов до 9 лет;

- предупреждение персонала о недопустимом состоянии диагностируемого оборудования речевыми сообщениями;

- высокая экономическая эффективность и быстрая окупаемость;

- встроенная экспертная система для автоматической диагностики технического состояния объекта, позволяющая по данным измерений автоматически установить точную причину возникшей неисправности;

- контроль исполнения предписаний системы посредством сетевых технологий (Ethernet, Web-публикации);

- разрешение Ростехнадзора к применению во взрывоопасных и вредных производствах нефтехимической и других отраслях промышленности по классу 0ExiaIICT6 [6].

Областями применения комплексного мониторинга данной системы могут быть:

- нефте-газоперерабатывающая промышленность (диагностирование насосно-компрессорного оборудования, химических реакторов, сосудов давления, трубопроводов и др.);

- газо- и нефтедобывающая промышленность;

- тепловая энергетика (диагностирование реакторов, котлов, трубопроводов, элементов генераторов и др.);

- нефтехимическая, химическая промышленность и т.д.;

- нефтеналивные и продуктовые терминалы;

- металлургическая промышленность;

- горнорудная отрасль;

- коммунальное хозяйство;

- железнодорожный транспорт;

- машиностроение.

Рассмотрим подробнее  принципы работы данной системы.

Информация о состоянии  оборудования представляется на экране «МОНИТОР» системы «КОМПАКС®». При этом хорошо видны субъекты оборудования, выделенные желтым и красным цветами, которые имеют состояние «ТРЕБУЕТ ПРИНЯТИЯ МЕР» и «НЕДОПУСТИМО». Кроме этого, на экране присутствуют и другие обозначения о состоянии оборудования: серый цвет оборудования – находится в резерве; коричневый – находится в ремонте; коричневый уголок на сером фоне – агрегат отремонтирован, но запись в «Журнале механика» о виде ремонта не сделана; синий треугольник – неисправен измерительный канал; зеленый, желтый, красный треугольники на сером агрегате – агрегат остановлен соответственно в состояниях «ДОПУСТИМО», «ТРЕБУЕТ ПРИНЯТИЯ МЕР», «НЕДОПУСТИМО» (рисунок 1). Надписи в правом верхнем углу экрана – сообщения экспертной системы поддержки принятия решений, которая для определения состояния узлов насоса и привода использует параметры тока потребления, температуры и около 30 параметров виброакустического сигнала с одного вибропреобразователя.

Рисунок 1 – Экран «МОНИТОР» системы мониторинга динамического оборудования [6]

Одним из сложнейших объектов диагностики и мониторинга является поршневой компрессор. Система «КОМПАКС®» по почти 30 параметрам виброакустического сигнала с одного вибропреобразователя, температуры, давления определяет техническое состояние основных узлов компрессора – деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-ползунного механизма, клапанов, коренных подшипников и присоединенных конструкций (трубопроводов, ресиверов и т.п.), а также контролирует правильность процесса компримирования. Экран «МОНИТОР» представляет информацию о состоянии узлов поршневого компрессора также в виде выделения зеленым, желтым и красным цветами соответствующих узлов компрессора (рисунок 2). Информация об измеренных параметрах и результатах работы экспертной системы сохраняется в виде трендов (рисунок 3) и сигналов.

Рисунок 2 – Экран «МОНИТОР» поршневого компрессора [6]

Системы обеспечивают мониторинг состояния статического оборудования и надежную регистрацию в условиях высокого уровня индустриальных помех, позволяют интегрально оценивать  состояние объектов, обеспечивают локализацию  областей возникновения и/или роста  дефектов. Встроенная система автокалибровки обеспечивает проверку работоспособности  каналов системы, проверку правильности установки датчиков и настройки  системы локации.

Рисунок 3 – Экран «ТРЕНД» диагностических признаков с выводом сообщений экспертной системы поддержки принятия решений [6]

Статическое оборудование представляется на экране «МОНИТОР» также в виде схематичного изображения объекта  мониторинга и в виде карты  локации источников АЭ сигналов (рисунок 4).

Рисунок 4 – Экран «МОНИТОР» системы мониторинга статического оборудования с разверткой корпуса реактора [6]

В качестве примера представления  получаемых системой данных приведены 4-суточные тренды скорости изменения  температуры VT корпуса одной из камер (рисунок 5). На трендах видны превышения порогов, допустимых по технологическому регламенту. Очевидно, что без применения системы комплексного мониторинга невозможно было бы отследить данные превышения. По результатам эксплуатации системы для исключения тепловых ударов и резких перепадов температур разработаны мероприятия, которые значительно увеличивают ресурс работы коксовых камер, не увеличивая время цикла работы.

1 – начало опрессовки; 2 – начало коксования; 3 – охлаждение  кокса

Рисунок 5 – Тренд скорости изменения температуры VT [6]

Акустико-эмиссионным методом  неоднократно обнаруживались развивающиеся  дефекты корпуса камеры, которые  затем подтверждались при проведении капитального ремонта. Тренд накопленной  энергии, по которому был обнаружен  один из дефектов – отслоение плакирующего слоя корпуса камеры – приведен на рисунке 6. На тренде отчетливо видно экспоненциальное увеличение накопленной энергии, что отражает процесс повышенного трещинообразования. Затем процесс резко прекратился вследствие отрыва относительно небольшого участка плакирующего слоя.

Рисунок 6 – Тренд накопленной энергии АЭ импульсов [6]

Ввиду высокой чувствительности акустико-эмиссионного метода к дефектообразованию впервые появилась возможность  отслеживать правильность ведения  технологического цикла персоналом, обслуживающим опасные производственные объекты.

Заключение

Важнейшей проблемой безопасной эксплуатации производств является обеспечение наблюдаемости технического состояния оборудования (объектов) этих производств, существенным образом  влияющих на технико-экономические  показатели производства и возникновение  техногенных инцидентов.

Обеспечить наблюдаемость  технического состояния оборудования  и производственных комплексов можно путем мониторинга, т.е. наблюдения за техническим состоянием входящих в него объектов мониторинга с целью определения текущего технического состояния и предсказания момента их перехода в предельное состояние.

Результат мониторинга объекта  представляет собой совокупность диагнозов составляющих его субъектов (конструкция, машина, узел, механизм), получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых состояние оборудования существенно не изменяется.

Принципиальным отличием мониторинга состояния от мониторинга параметров является наличие в первом интерпретатора измеренных параметров в термины технического состояния (конкретные неисправности) – экспертной системы поддержки принятия решения о состоянии объекта и дальнейшем управлении.

Список использованных источников

1. Костюков, В.Н. Мониторинг безопасности производства / В.Н. Костюков. – М.: Машиностроение, 2002. – 224 с.
2. Костюков, В.Н., Бойченко, С.Н., Костюков, А.В. Автоматизированные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств (АСУ БЭР – КОМПАКС®)/ Под ред. В.Н. Костюкова. – М.: Машиностроение, 1999. – 163 с.
3. Костюков, В.Н., Науменко, А.П. Практические основы вибродиагностики машинного оборудования: Учеб. пособие / Под ред. В.Н. Костюкова. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. – 108 с.
4. Муромцев, Ю.Л. Безаварийность и диагностика нарушений в химических производствах / Ю.Л. Муромцев. – М.: Химия, 1990. – 144 с.
5. Яковлев, О.В. Информационный мониторинг риска чрезвычайных ситуаций: от истоков возникновения до наших дней / О.В. Яковлев // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. – 2008. – № 1. – С. 21-27.
6. Комплексный мониторинг оборудования [Электронный ресурс]. Дата доступа: 19.12.2012. Режим доступа: http://www.ndt.by/catalog?sobi2Task=sobi2Details&catid=175&sobi2Id=207.