برنامج الصيانة التنبؤية: تنفيذ وكالة الفضاء الأوروبية – الجزء الثاني

هذه متابعة للمقالة التي تم نشرها في عدد ديسمبر/كانون الثاني 2012 من مجلة Uptime.

خلاصة

هذا هو الجزء الثاني من سلسلة المقالات التي تناقش استخدام تحليل التوقيع الكهربائي (ESA) لتحسين الموثوقية الكهربائية للمحطة. تمت كتابة هذه المقالة لإعطاء أولئك الذين ليسوا على دراية بتحليل الطيف الأساسيات لقراءة وتفسير الرسوم البيانية وشاشات العرض المستخدمة في تحليل الطيف. كما يقدم بعض تقنيات التحليل الأساسية للبدء في استخدام ESA لتحديد المشاكل النامية في النظام الحركي والتي يمكن أن تؤدي إما إلى فقدان الإنتاج أو زيادة في تكاليف الصيانة.

تحليل التوقيع الكهربائي

ESA هي تقنية صيانة تنبؤية (PdM) تستخدم جهد إمداد المحرك وتيار التشغيل لتحديد الأخطاء الموجودة والمتطورة في نظام المحرك بأكمله. تعمل هذه القياسات كمحولات للطاقة وأي اضطرابات في نظام المحرك تتسبب في تغيير (أو تعديل) تيار إمداد المحرك. ومن خلال تحليل هذه التعديلات، من الممكن تحديد مصدر هذه الاضطرابات في النظام الحركي.

تحليل الآلات تاريخيًا، كان تحليل الاهتزاز هو الأساس لتحليل الآلات الدوارة لتقييم حالة المعدات الدوارة وقد تم استخدامه بفعالية كبيرة لأكثر من 70 عامًا. لقد نضجت الإلكترونيات والمعالجات الدقيقة الحديثة هذه العملية، بدءًا من قياسات سعة الاهتزاز البسيطة باستخدام ملف ومغناطيس ومقياس لقياس سعة الاهتزاز الإجمالية إلى التقييم السريع للحالة الميكانيكية للآلات الدوارة. وسرعان ما أصبح واضحًا أن الآلات ذات مستويات الاهتزاز العالية كانت بشكل عام في حالة ميكانيكية سيئة، مما أدى إلى تطوير مخططات مختلفة لشدة الاهتزاز، وكلها تعتمد فقط على تجربة المستخدمين.

تحليل الطيف

تحليل الطيف في معالجة الإشارات هو العملية التي تحدد محتوى التردد لإشارة المجال الزمني. بمجرد معرفة محتوى تردد الإشارات المقاسة، يتم ربطها بالخصائص التشغيلية والتصميمية للآلة أو الآلات للمساعدة في تحديد القوة التي تخلق الحركة المتأرجحة.

يبدأ تحليل طيف اهتزاز الآلات بوضع المستشعر (محول الطاقة) على المكون المتذبذب أو بالقرب منه؛ يكون هذا عادةً عند المحمل أو مبيت المحمل لتحويل الحركة الميكانيكية للمكون إلى إشارة كهربائية. تتبع الإشارة الكهربائية الناتجة حركة المكون تمامًا، والتي تختلف مع الوقت ويشار إليها باسم إشارات المجال الزمني. تختلف قوة الإشارة أو اتساعها حسب مقدار الحركة.

استخدم التحليل المبكر للطيف محللات المرشحات القابلة للضبط لاكتساح مرشح تمرير النطاق التناظري عبر نطاق تردد محدد مسبقًا. عملت هذه المحللات بشكل مشابه لضبط الراديو. عندما يقوم مرشح تمرير النطاق بالمسح عبر نطاق التردد، فإن أي إشارات موجودة في هذا النطاق من شأنها أن تنشئ مخرجًا. سيتم تتبع إخراج مرشح تمرير النطاق على الرسم البياني للتردد لتحديد الترددات التي كانت موجودة في إخراج محول الطاقة.

تقوم المحللات الرقمية الحديثة متعددة القنوات وعالية الدقة بإنشاء أطياف التردد باستخدام تحويل فورييه السريع (FFT). بالإضافة إلى ذلك، فهي تسمح بتقنيات معالجة الإشارات المختلفة، مثل تحليل النطاق الجانبي، ومتوسط ​​الوقت المتزامن، والمتوسط ​​السلبي، ومعالجة الأغلفة والعديد من التقنيات المتقدمة الأخرى التي تفسر الأطياف بدقة.

وبغض النظر عن التقدم في معالجة الإشارات، فإن تحليل الاهتزازات لا يزال مقيدًا بقوانين الفيزياء وحدود محولات الطاقة. نظرًا لأن الاهتزاز هو مقياس للتذبذبات الميكانيكية للآلة، سواء كانت عشوائية أو دورية، فمن الضروري وجود قوة كافية من حالة الماكينة أو خطأ المكون للتغلب على كتلة وصلابة الماكينة والهيكل، بالإضافة إلى أي تخميد يوفره المحمل أو نظام الدعم.

يتم إنشاء قيود إضافية بواسطة محول القياس نفسه. هذه هي أنواع القياس، النسبية أو المطلقة، والاستجابة الترددية لمحول الطاقة وقيود التردد المتأصلة في القياسات نفسها، أو الإزاحة، أو السرعة، أو التسارع.

تحليل التردد

الأشكال الموجية للوقت

الشكل الموجي للوقت هو ببساطة عرض لدالة متغيرة بالنسبة للوقت. إذا حدثت الاختلافات في نفس الفترات الزمنية، يكون شكل الموجة دوريًا. شكل الموجة الدوري هو الذي يكرر نفس الشكل أو النمط تمامًا طوال مدة شكل الموجة. أبسط شكل من أشكال الموجة هو موجة جيبية ويتكون من تردد واحد. تسمى الأشكال الموجية التي تتكون من ترددات متعددة الأشكال الموجية المعقدة. يسمى العرض الرسومي لأشكال الموجات بالمجال الزمني. تعرض الشاشة ببساطة القيمة اللحظية للمتغير بالنسبة للوقت. في المجال الزمني، يشير المحور الأفقي إلى الوقت، بينما يشير المحور الرأسي إلى حجم المتغير.

تحويل فورييه

كان جان بابتيست جوزيف فورييه، عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي في القرن الثامن عشر، من أوائل الذين أدركوا أن أشكال الموجات المعقدة هي مزيج من أشكال موجية جيبية متعددة وبدأ البحث في هذا المجال. الحل الرياضي المستخدم لتحديد سلسلة الترددات التي تشكل أي شكل موجة معقد سمي تكريما له ويسمى تحويل فورييه. يفترض تحويل فورييه الأصلي وجود عينة غير محدودة أو لا نهائية. منذ ذلك الحين، تم تحديد أنه يمكن تطبيق تحويل فورييه على شكل موجة محدود، وقد أطلق عليه اسم تحويل فورييه المنفصل (DFT). لقد تم تطوير خوارزميات لحساب DFTs بكفاءة وسرعة عالية؛ ويشار إلى هذه الخوارزميات باسم تحويل فورييه السريع (FFT).

بعبارات بسيطة، يأخذ FFT عينة محدودة من شكل موجة زمنية، ثم يحسب سعة وترددات الموجات الجيبية التي يتم دمجها معًا لإنشاء شكل موجة معقد.

يتم عرض العروض الرسومية لتحويلات FFTs في مجال التردد ويشار إليها بالطيف الترددي. يعرض طيف التردد الترددات الموجودة في الشكل الموجي المعقد على المحور الأفقي وسعة الإشارة على المحور الرأسي. في حالة وجود حركة كافية عند أي تردد، سيتم عرض خط عمودي على المحور الأفقي للإشارة إلى وجود هذا التردد. يشير هذا الارتفاع للخط العمودي أو الخط الطيفي إلى قوة أو اتساع شكل الموجة عند هذا التردد. إذا كانت إحدى الموجات الجيبية الموجودة في الشكل الموجي المعقد عند 30 هرتز وسعة 3 أمبير، فسيتم وضع الذروة الطيفية عند 30 هرتز وسيمثل الارتفاع ثلاث وحدات.

هناك العديد من البرامج المتاحة لتنفيذ التحويل السريع (FFT) ولا يُطلب من المحلل تنفيذ هذه البرامج، لكن المحلل يحتاج إلى فهم أساسي لهذا العرض الرسومي نفسه. الحد الأدنى لفهم شاشة FFT هو نطاق التردد والدقة وعرض النطاق الترددي. يمكن إجراء تحليل أكثر تقدمًا من خلال فهم النطاقات الجانبية والتوافقيات والقياس اللوغاريتمي وإزالة التشكيل. تحاول المعلومات التالية توفير فهم كافٍ لمبادئ التحويل السريع FFT الأساسية للسماح للقارئ بتحليل البيانات التي تم جمعها باستخدام وكالة الفضاء الأوروبية بدقة.

فهم FFT

إن فهم حدود أي شاشة عرض لا يقدر بثمن في التحليل الدقيق لتلك الشاشة. التحويل السريع (FFT) هو حساب رياضي ويتم وضع هذه الحدود قبل إجراء الحساب الرياضي. هذه الحدود هي نطاق التردد وخطوط الدقة.

نطاق الترددات

يحدد نطاق التردد الترددات التي سيتم تضمينها في حساب التحويل السريع (FFT). إذا كان نطاق التردد المحدد منخفضًا جدًا، فسيتم تفويت الأخطاء عند الترددات الأعلى. إذا كان نطاق التردد المحدد مرتفعًا جدًا، فقد يتم دمج سلاسل الترددات القريبة من بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، يحدد نطاق التردد وقت الحصول على البيانات. تردد الإشارة الدورية هو معكوس الزمن؛ كلما انخفض نطاق التردد المحدد، كلما استغرق تنفيذ عملية جمع البيانات وقتًا أطول. في PdM، تبدأ معظم تحويلات FFT عند التيار المستمر (0 هرتز) وتستمر حتى تصل إلى قيمة قصوى معينة. يشار إلى الحد الأقصى لنطاق التردد باسم Fmax. لمزيد من التحليل المتعمق، من الممكن تعيين الحد الأدنى لنطاق التردد بقيمة أكبر من 0 هرتز وبعض الحدود الأعلى. ويشار إلى هذا باسم الطيف المكبر.

دقة

الحدود الثانية المحددة مسبقًا هي خطوط الدقة. وينقسم كل طيف ترددي إلى عدد محدود من الخطوط الطيفية. الخط الطيفي هو في الواقع تسمية خاطئة لأنه في الواقع ليس خطًا، بل سلة طيفية. سيكون لكل صندوق طيفي حد للتردد العالي والمنخفض. يتم تحديد هذه الحدود من خلال نطاق تردد FFT وعدد الخطوط. يُسمى عرض الصندوق الطيفي بعرض النطاق الترددي (BW). لتحديد عرض كل صندوق طيفي، ما عليك سوى تقسيم عدد الخطوط الطيفية إلى نطاق التردد (FR). إذا كان مدى التردد 100 هرتز ويوجد 100 خط طيفي، فإن عرض كل خط هو 1 هرتز.

BW = # خطوط/FR

يمكن أيضًا حساب عرض النطاق الترددي لكل حاوية طيفية عن طريق طرح حد التردد المنخفض (fl) من حد التردد العلوي (fu) لكل حاوية طيفية.

BW = فو -فلوريدا

تتم محاذاة كل حاوية طيفية بجوار السلة السابقة ويكون حد التردد الأدنى لكل حاوية هو حد التردد العلوي للسلة السابقة. سيكون حد التردد العلوي هو الحد الأدنى للسلة بالإضافة إلى عرض النطاق الترددي.

على سبيل المثال: في الصندوق الطيفي الأول في طيف مكون من 100 خط مع FR من DC إلى 100 هرتز، يكون حد التردد الأدنى هو 0 والحد الأعلى للتردد هو 1 هرتز. BW للصندوق الطيفي هو 1 هرتز. بعد ذلك، يحدد نطاق التردد الترددات التي سيتم تضمينها في حساب تحويل فورييه السريع (FFT). إذا كان نطاق التردد المحدد منخفضًا جدًا، فسيتم تفويت الأخطاء عند الترددات الأعلى. 20 يونيو/12 يوليو انتقل من 1 هرتز إلى 2 هرتز، والسلة الثالثة من 2 هرتز إلى 3 هرتز، وهكذا، مع السلة الطيفية الأخيرة 99 هرتز إلى 100 هرتز.

إذا كان عرض النطاق الترددي للصندوق الطيفي واسعًا جدًا، فقد توجد ترددات متعددة في نفس الصندوق الطيفي. بالإضافة إلى ذلك، عند تقييم طيف ترددي، فإن التردد المعروض للصندوق الطيفي هو التردد المركزي (cf) لذلك الصندوق الطيفي. لتحديد cf للصندوق الطيفي، ما عليك سوى حساب متوسط ​​حد التردد العلوي وحد التردد الأدنى.

cf = (فو + فلوريدا)/2

ما يعنيه هذا هو أن التردد المشار إليه قد لا يكون هو تردد الإشارة الفعلية. قيمة التردد المعروضة هي التردد المركزي للصندوق الطيفي، في حين أن الترددات الفعلية لشكل (أشكال) الموجة يمكن أن تكون أي تردد ضمن عرض النطاق الترددي للصندوق الطيفي. ويمكن أن تشتمل كل حاوية طيفية على أكثر من تردد واحد. كلما اتسع عرض النطاق الترددي، قل تردد القيمة المعروضة للصندوق الطيفي، وهذا يزيد من احتمالية خطأ التحليل.

لتقليل خطأ التحليل هذا، ما عليك سوى زيادة دقة طيف FFT. يؤدي تقليل نطاق تردد التحويل السريع (FFT) إلى زيادة الدقة، ولكنه يزيد أيضًا من الفواصل الزمنية بين وقت أخذ عينات البيانات ووقت الحصول على البيانات. هناك طريقة أخرى تتمثل في زيادة عدد الخانات الطيفية التي ينقسم إليها تحويل فورييه السريع (FFT). تتطلب زيادة عدد الصناديق الطيفية أخذ المزيد من عينات الإشارة المقاسة. لمضاعفة عدد خطوط الدقة، يجب الحصول على ضعف البيانات.

تحديد القرار

يمكن تحديد عدد خطوط الدقة (# خطوط) لطيف FFT ببساطة عن طريق ضرب الفترة (P) لشكل الموجة الزمنية في نطاق التردد (FR) في دورات في الثانية (cps).

(# الخطوط=P × FR)

وبما أن وكالة الفضاء الأوروبية تقوم برقمنة الشكل الموجي للوقت، يتم تنفيذ تحويل فورييه السريع في الكمبيوتر، حيث يمكن تغيير دقة تحويل فورييه السريع بعد جمع البيانات. وهذا يسمح للمحلل بفحص أجزاء صغيرة جدًا من شكل الموجة الملتقطة. ومع ذلك، من المهم أن نتذكر أنه من خلال تقليل فترة الالتقاط الزمني، سيتم تقليل عدد خطوط الدقة بشكل متناسب ويزيد احتمال خطأ التحليل.

يعرض السعة

التحجيم الخطي

العرض الرسومي الأكثر استخدامًا لـ FFT هو المقياس الخطي. على المقياس الخطي، تكون المسافات بين العلامات دائمًا هي نفسها ومتباعدة بشكل متساوٍ. يتيح ذلك عرض جميع البيانات بشكل ملائم على رسم بياني واحد. تعمل عروض الرسم البياني الخطي بشكل جيد مع مجموعات البيانات عندما تكون التغييرات ذات المعنى مهمة وتكون التغييرات الصغيرة جدًا غير مهمة. الوحدات المعروضة على المقياس الخطي هي الوحدات الهندسية للمتغير المقاس. في وكالة الفضاء الأوروبية، تكون هذه الوحدات إما جهدًا (فولت) أو تيارًا (أمبير).

القياس اللوغاريتمي

يعرض المقياس اللوغاريتمي السعة مرتبة حسب الحجم أو لوغاريتم المتغير بدلاً من المتغير نفسه. تتمثل إحدى ميزات المقياس اللوغاريتمي في القدرة على عرض نطاق كبير جدًا من السعات على رسم بياني واحد. عندما تكون التغييرات الصغيرة جدًا في المتغير المقاس مهمة، فإن عرض المتغير بالتنسيق الخطي قد لا يحدد التغيير بشكل كافٍ. في هذه الحالات يتم استخدام عرض لوغاريتمي (سجل).

في وكالة الفضاء الأوروبية، يُستخدم المقياس اللوغاريتمي بشكل شائع نظرًا لأن المتغيرات المقاسة هي جهد الخط أو التيار. يتم استخدام تغييرات صغيرة جدًا في أي من هذه القياسات لتحديد الأخطاء في النظام الحركي. تردد الموجة الحاملة لهذه المتغيرات يكون عند تردد الجهد المطبق، عادة 50 هرتز أو 60 هرتز.

نظرًا لأن العرض اللوغاريتمي هو في الأساس نسبة، فهو أيضًا طريقة مريحة جدًا لمقارنة المتغيرات المختلفة. لقد أثبت هذا أنه مفيد للغاية في وكالة الفضاء الأوروبية نظرًا لأن أحد جوانبه المهمة هو القدرة على التمييز بين الثورة تبدأ! فقط 2,450 دولار! لقد وصل مستوى ALiSENSOR™! يعد ALiSENSOR™ Level أول نظام قياس هندسي يعمل بنظام iOS في العالم. الآن، أصبحت القياسات مثل الاستقامة والميل والتربيع أسهل وأكثر تكلفة من أي وقت مضى! يمكنك أيضًا استخدام جهاز iPad أو iPhone أو iPod Touch الخاص بك كوحدة عرض، وذلك باستخدام تطبيقات مجانية قابلة للتنزيل من متجر التطبيقات، بما في ذلك التحديثات التلقائية! 2 سنة الضمان! اتصل أو قم بزيارة شركة Alignment Supplies, Inc. اليوم لمعرفة المزيد حول هذا النظام الثوري الجديد! 419.887.5890 / 800.997.4467 www.alignmentsupplies.com تناولت بين الأخطاء في الطاقة الواردة والأخطاء التي أضافها المحرك أو الآلة المدفوعة.

الوحدات المستخدمة في المقياس اللوغاريتمي هي الديسيبل (db)، وهي عبارة عن لوغاريتم ذو أساس عشرة. ديسيبل هي وحدة تستخدم لوصف النسبة. قياسات الجهد والتيار هي كميات المجال ونسب ديسيبل المستخدمة في وكالة الفضاء الأوروبية هي أيضا كميات المجال. يقدم الجدول 1 دليلاً للعلاقة بين المتغير المقاس وقيمة الذروة لأشكال موجة التيار والجهد مقارنة بأعلى قمة في الطيف.

ملخص

يتطلب الاستخدام الفعال لـ ESA كتقنية PdM القدرة على معالجة وتفسير وفهم الرسوم البيانية والمخططات وشاشات العرض التي طورها برنامج ESA. يتم بعد ذلك استخدام هذه الرسوم البيانية والمخططات وشاشات العرض لتحديد الأخطاء في النظام الحركي. سيجد المهندسون وفنيو PdM المطلعون على تحليل الاهتزازات أن ESA FFT يشبه طيف الاهتزاز والعديد من تقنيات التحليل متماثلة. ومع ذلك، حتى في MVA، من المهم أن يكون لدى المحلل فهم شامل ليس فقط لما يشير إليه FFT، ولكن الأهم من ذلك، ما ليس كذلك.