مراقبة الماكينة وكيف يمكن لتقنية ESA تحسين موثوقية مصنعك

بقلم: ويليام كروجر، ALL-TEST Pro

يُستخدم أكثر من 300 مليون محرك كهربائي في البنية التحتية والمباني الكبيرة والصناعة على مستوى العالم. تمثل هذه المحركات حوالي ثلثي استهلاك الطاقة الصناعية. الكهرباء مطلوبة في جميع مناطق المصنع تقريبًا لتوفير القوة الدافعة التي تعمل إما على تشغيل المعدات التي تنتج المنتجات أو توفير الخدمات التي تم تصميم معدات المصنع من أجل أدائها. تعتبر الكهرباء منتجًا فريدًا من نوعه من حيث أنها تتطلب تدفقًا مستمرًا، ولا يمكن تخزينها بشكل ملائم، وعادةً لا يتم فحصها قبل الاستخدام. يعتقد معظم الناس أن الموثوقية الكهربائية تنتهي بتوصيل الطاقة بنجاح إلى المحطة، فإذا أضاء الضوء أو بدأ المحرك عند تشغيل المفتاح، أو الضغط على الزر، فإن الكهرباء موثوقة. لكن في كثير من الحالات قد تكون نوعية الطاقة الموردة للنظام الحركي هي السبب في حدوث خلل أو فشل. عادة ما تكون نتيجة ضعف “جودة الطاقة” طويلة المدى وغالبًا ما يتم تجاهلها باعتبارها المصدر أو المساهم في المشكلة. تعد معرفة جودة الطاقة الواردة، إلى جانب الحالة الميكانيكية والكهربائية للمحرك والحالة الميكانيكية لمحرك الأقراص، أمرًا مهمًا في جميع المرافق للحفاظ على وقت التشغيل وتوفير المال. وهذا يعني أن المصانع نفذت برامج الاختبار أو مراقبة الحالة أو الصيانة التنبؤية (PdM). تتوفر العديد من أدوات الاختبار التي توفر القياسات والرسوم البيانية والتقارير التي توفر التحذيرات والتنبيهات بدلاً من الإجابات على حالة محركاتك. توفر تقنية ESA إجابات تتعلق بسلامة المحركات ومحركات الأقراص والكهرباء من خلال تقديم إجابات سريعة وموثوقة أثناء تشغيل المعدات.

يوفر تحليل دوائر المحرك MCA حالة صحية موثوقة لأنظمة لف المحركات وعزل الجدار الأرضي في حالة إلغاء الطاقة. بعض الآلات تعمل بشكل مستمر. ولتقييم صناعة المعدات هذه، نفذت برامج صيانة تنبؤية في المصانع لتحديد أعطال المعدات قبل أن تؤدي إلى إيقاف تشغيل المعدات باهظ الثمن أو فشل كارثي. لذلك، يتطلب هذا تقنيات يمكنها اختبار المعدات أثناء تشغيلها. لقد قدمت تقنيات PdM مثل تحليل اهتزاز الآلات (MVA)، والتصوير الحراري، والموجات فوق الصوتية، بعض المعلومات القيمة التي تحدد أخطاء محددة إما في توزيع المصانع أو المعدات الدوارة أثناء تشغيل المعدات.

ومع ذلك، ليست كل برامج إدارة التوزيع (PdM) متماثلة، وتدرك البرامج الأكثر فعالية الحاجة إلى تقنيات متعددة. تشتمل برامج الصيانة التنبؤية الأكثر فعالية على ثلاث مراحل 1) الكشف، 2) التحليل، و 3) التصحيح.

مرحلة الكشف عن الصيانة التنبؤية:

1) يقوم بمسح أكبر عدد ممكن من الأجهزة في أسرع وقت ممكن

2) يحدد أكبر عدد ممكن من القضايا المحتملة

3) يوفر أكبر قدر ممكن من التشخيص

وتتبع مرحلة التحليل مرحلة الكشف وقد تم تحديد المعدات التي أظهرت أي تدهور في الصحة. قد تتطلب هذه المرحلة اختبارات إضافية أكثر تفصيلاً باستخدام نفس التقنية أو في بعض الحالات تقنيات أخرى لتحديد الحالة التي تغيرت داخل الجهاز أو الخطأ الذي حدث. في بعض التقنيات، قد توفر عملية الكشف الأولي بعض المؤشرات حول سبب الشذوذ. لذلك، هناك دائمًا خط رفيع بين الكشف والتحليل، وهي تقنية PdM المثالية.

تقوم مرحلة التصحيح بإنشاء خطة عمل للخطأ المحدد. على سبيل المثال، إذا كان الخلل هو عدم الاتزان، فهل يمكن تصحيحه في الميدان أم أنه من الضروري الموازنة في المحل؟ إذا تم اكتشاف عيب في المحمل، فقد يكون الإجراء هو ببساطة تقليل فترات المراقبة حتى يمكن إيقاف تشغيل الماكينة اقتصاديًا كما تسمح العمليات أو إيقاف تشغيلها على الفور اعتمادًا على عدة عوامل، بما في ذلك تكلفة الفشل مقابل الإنتاج المفقود.

أدوات الصيانة التنبؤية الشائعة.

تحليل اهتزاز الآلات – يعد الاهتزاز أحد أكثر التقنيات استخدامًا في المعدات الدوارة. بحكم التعريف، الاهتزاز هو الحركة الدورية ذهابًا وإيابًا أو الحركة لأعلى ولأسفل حول نقطة السكون. يمكن للاهتزاز اكتشاف وتحديد مجموعة واسعة من الأخطاء الميكانيكية والعملية.

الأخطاء النموذجية التي حددتها MVA:

عدم التوازن الميكانيكي

اختلال المحاذاة – بما في ذلك القدم الناعمة

الدوار غريب الأطوار

عازمة رمح

رخاوة رمح متصدع

بين المكونات غير الدوارة

بين المكونات الدوارة وغير الدوارة

مكونات دوارة فضفاضة

مشاكل تمرير الشفرة والريشة

مشكلة علبة التروس

عيوب تحمل العنصر المتداول

التدليك الدوار

قضايا العملية:

التجويف

مشاكل التدفق أو الديناميكية الهوائية

مشاكل المحرك التعريفي AC:

مشكلات الدوار: قضبان الدوار المكسورة، الدوار اللامركزي (اللامركزية الديناميكية)، الدوارات الحساسة للحرارة

مشكلات الجزء الثابت: فجوات هوائية غير متساوية (انحراف مركزي ثابت)، أو قدم ناعمة، أو ملفات فضفاضة، أو حديد الجزء الثابت

قضايا تحكم المحرك:

بعض الأخطاء المحدودة في وحدة تحكم VFD

بعض الأخطاء المحدودة في جهاز التحكم في محرك التيار المستمر

المزايا، قياسات غير جراحية، سهولة الحصول على بيانات الاختبار، مستخدمة ومقبولة على نطاق واسع. العيوب، لا تقدم أي إشارة إلى حالة جودة الطاقة، أو أي مشاكل كهربائية أخرى، وتعتمد على قانون نيوتن F=mA للإشارة إلى الفشل الأولي. وهذا يعني أن القدرة على اكتشاف الأخطاء تعتمد على كتلة الآلة، والآلات الأكبر حجمًا تتطلب المزيد من القوة، وفي كثير من الحالات يتم تجاهل الأخطاء تمامًا، خاصة في المراحل المبكرة. لذلك، فإن شدة العيوب بناءً على القيم المقاسة ليست بالضرورة قابلة للمقارنة بسبب الكتلة. على سبيل المثال، إذا تم تطبيق نفس القوة الناتجة عن عدم الاتزان على آلة أصغر على آلة أكبر، فسيكون الاهتزاز الناتج أقل، ومع ذلك فإن القوى المطبقة على المحمل ستكون هي نفسها.

الاعتبارات الإضافية مع MVA هي أن الاهتزاز اتجاهي وأن أجهزة استشعار الاهتزاز أحادية الاتجاه أيضًا، لذا فهي تقيس الحركة في اتجاه الاتجاه فقط. بالإضافة إلى ذلك، تقوم هذه المستشعرات بقياس الحركة في الموقع أو نقطة التثبيت فقط. لتقييم الحركة في جميع اتجاهات الحركة عادة ما يتطلب الأمر ثلاثة قياسات في كل نقطة. بالإضافة إلى ذلك، لا تقيس جميع المستشعرات نفس الحركة، فبعض المستشعرات تقيس الحركة النسبية بينما يقيس البعض الآخر الحركة المطلقة، وأجهزة الاستشعار المختلفة لها نطاقات تردد مختلفة، وغالبًا ما يؤدي استخدام المستشعر أو القياس غير الصحيح إلى تقييم غير دقيق لسلامة الآلات.

الأشعة تحت الحمراء – تعد الحرارة كما هو الحال مع الاهتزاز أيضًا مؤشرًا جيدًا لتطور المشكلات داخل النظام وقد أثبت التصوير الحراري أنه مفيد جدًا في المجالات الكهربائية لمشكلة الاتصال. من الممكن أيضًا تحديد مشكلات أخرى أيضًا مثل عدم توازن التيار، والنقاط الساخنة في مناطق مختلفة من المعدات باستخدام هذه التقنية، ولكن عادةً بحلول الوقت الذي يتم فيه توليد حرارة كافية، يكون العطل متطورًا بشكل جيد بشكل عام وفي بعض الحالات قد ترتفع درجة الحرارة في الواقع تنخفض مع تقدم الخطأ. تتمثل مزايا التصوير الحراري في أنه غير تدخلي وسهل إجراء القياسات. سلبيات؛ ربما يكون العيب الأكبر هو خط الرؤية، لكي تتمكن الكاميرا من تحديد الخلل، يجب أن تكون قادرة على رؤية المنطقة، وفي كثير من الأحيان قد يكون الخلل مخفيًا خلف لوحة، أو تحت غطاء التوصيل، أو داخل خزانة أو قناة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التصوير الحراري لديه قدرات تشخيصية محدودة للغاية. عندما تحدث زيادات في درجات الحرارة، فمن المحتمل أن يكون هناك العديد من الأسباب، ويلزم إجراء اختبارات إضافية وتقنيات وربما عمليات تفتيش لتحديد السبب أو حتى التحقق منه.

الموجات فوق الصوتية – تعتبر تقنية PdM مفيدة جدًا. تكتشف أدوات الموجات فوق الصوتية الموجات فوق الصوتية المحمولة جواً والمحمولة على الهيكل والتي تكون غير مسموعة للأذن البشرية وتغيرها إلكترونيًا إلى النطاق المسموع. يمكن بعد ذلك مراقبة هذه الإشارات المتغيرة باستخدام سماعات الرأس أو عرضها على شاشة العرض إما كعرض لموجة زمنية أو تحويل سريع فوري (FFT). يتيح ذلك للفنيين المدربين تحديد المراحل المبكرة من عيوب تحمل العناصر المتداول في المعدات الدوارة، أو تسرب الهواء في أنظمة الهواء، أو تفريغ الهالة على موصلات الجهد العالي، أو التتبع في النظام الكهربائي. تتمثل مزايا الموجات فوق الصوتية في أنها غير تدخلية، ويتم إجراؤها أثناء تشغيل المعدات، كما أنها سهلة التنفيذ نسبيًا. العيوب، الكشف المحدود عن المشاكل، الموجات فوق الصوتية تحدد فقط بعض الأخطاء وعادة ما تكون النتائج ذاتية للغاية وتعتمد على خبرة الفني.

لا توفر أي من هذه التقنيات الشائعة الاستخدام مؤشرًا لنظام المحرك بأكمله بدءًا من الطاقة الواردة وحتى العملية نفسها. في بعض الحالات، يكون المؤشر الوحيد على تدهور صحة الأنظمة الحركية هو أن المحرك يعمل بشكل ساخن أو ربما يتعثر.

تتعرف النباتات بسرعة على مزايا استخدام تحليل التوقيع الكهربائي كعنصر أساسي في برامج PdM الخاصة بها. لقد بدأوا يدركون أن وكالة الفضاء الأوروبية ليست تقنية قياس متخصصة تستخدم لتحديد الحالات الشاذة الكهربائية الغامضة أو النادرة جدًا أو التي يصعب تحديدها، ولكنها ربما تكون تقنية PdM المتاحة الأكثر فائدة وشمولاً.

يبدأ تنفيذ ESA كتقنية PdM بالأداة. ATPOL II المحمول، الشكل 1؛ يقوم بالتقاط البيانات لمدة 50 ثانية على وحدة التحكم في المحرك لقياس حالة النظام الحركي بأكمله. تقوم هذه الأداة المحمولة خفيفة الوزن بتنفيذ وتخزين التقاط متزامن لجميع المراحل الثلاث للجهد والتيار لتحليل جودة الطاقة، والتقاط مباشر لمدة 50 مللي ثانية لجميع المراحل الثلاث للجهد والتيارات وأشكال الموجات الزمنية للفحص البصري لهذه المعلومات المهمة للغاية

الشكل 1 أتبول الثاني

الشكل 2 50 MSEC 3 المرحلة الحالية الموجي الحالي

الشكل 2؛. تقوم وكالة الفضاء الأوروبية أيضًا بإجراء تحويل داخلي تناظري إلى رقمي لجهد المعدات الكهربائية وأشكال الموجات الزمنية الحالية، وتخزينها للتحميل إلى كمبيوتر مضيف. يعد تحليل التوقيع الكهربائي (ESA) تقنية فعالة وبسيطة أثبتت فعاليتها ميدانيًا والتي تتحقق من جودة الطاقة القادمة إلى المحرك بالإضافة إلى صحة المحرك ومحرك الأقراص.

يمكن تحميل جميع البيانات الملتقطة والمخزنة إلى الكمبيوتر المضيف باستخدام اتصال Bluetooth اللاسلكي أو بطاقة SD سعة 2 جيجا بايت أو كابل تسلسلي. توفر برامج Power System Manager (PSM) وESA المتوفرة الرسوم البيانية والجداول والتحليلات والتقارير اللازمة لتوفير أداة PdM قوية جدًا توفر تحليلًا شاملاً للغاية للنظام الحركي بأكمله.

يعمل تيار المحرك كمحول طاقة فعال للغاية وخالي من القيود المرتبطة بأجهزة استشعار الاهتزاز. تؤدي أي قوة دورية أو اضطراب داخل النظام الحركي إلى تعديل تيار المحركات عند تردد القوة أو الاضطراب. تحدث الحالات الشاذة في تيار المحرك في اتجاه مجرى وحدة التحكم في المحرك، في حين أن الحالات الشاذة في الجهد تأتي من الطاقة الواردة. من خلال تحديد أي اختلافات في بيانات الجهد والتيار، يمكن فصل سبب الأخطاء بين الطاقة الواردة (المنبع من وحدة التحكم) أو المتعلقة بالمحرك، أو الآلة المدفوعة، أو العملية (المنبع من وحدة التحكم). تقوم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بتقييم صحة النظام الحركي بأكمله أثناء تشغيل الماكينة تحت أي حمل، في وقت أقل مما هو مطلوب لقياس الاهتزاز على محمل واحد باستخدام اهتزاز الماكينة.

يقوم برنامج تحليل ESA القوي بإجراء تحويل فوري سريع (FFT) على الأشكال الموجية الرقمية التي تم تحميلها ويترجم هذه البيانات إلى الأدوات والرسوم البيانية وشاشات العرض المطلوبة للتحليل المتعمق للنظام الحركي بأكمله. يحدد هذا التحليل الأخطاء أو الاضطرابات أو الحالات الشاذة بدءًا من الطاقة الواردة (بيانات الجهد الكهربي) من خلال المعدات الكهربائية والآلة المدفوعة والعملية نفسها. يتم تطبيق خوارزميات خاصة على هذه البيانات المترجمة وتحدد الأخطاء. يتم التعرف بسهولة على العديد من الأخطاء التي كان من الصعب اكتشافها في السابق باستخدام ميزات التحليل التلقائي. ومن خلال إدخال تفاصيل الآلات المحددة التي يمكن الوصول إليها بسهولة من لوحة اسم المحرك، تقوم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بإنشاء تقييم كامل لنظام المحرك بأكمله. يتم إدخال معلومات مثل سرعة المحرك والجهد وتيار الحمل الكامل والطاقة المقدرة في البرنامج الذي يقوم بعد ذلك بإنشاء تقرير تحليل سهل الفهم. لمزيد من التحليل التفصيلي، توفر المعلومات الإضافية التي تتضمن عدد قضبان الدوار وفتحات الجزء الثابت المزيد من التشخيصات المتعلقة بالحالة الداخلية للمحرك، ويتم تأكيد الأخطاء مثل الانحراف الثابت والديناميكي بسرعة باستخدام العلامات المتعلقة بالخطأ (الشكل 3).

الشكل 3: علامات الخطأ

يمكن اكتشاف الأخطاء الميكانيكية تلقائيًا بمجرد إدخال معلومات إضافية عن الماكينة مثل أرقام المحامل؛ محيط الحزام، وأحجام البكرة؛ عدد الريش أو الشفرات الموجودة على الدفاعات؛ أو عدد أسنان التروس، في برنامج تحليل وكالة الفضاء الأوروبية، يمكن تحديد القوى الناتجة عن عيوب محامل العناصر المتداولة، أو شبكات التروس، أو شفرة المروحة، أو مرور ريشة المضخة، أو مشكلات الحزام بسهولة عن طريق حساب القوى الناتجة عند حدوث أي من هذه الأخطاء . يتم إدراج علامات يسهل التعرف عليها في شاشات العرض لتسليط الضوء على القمم الطيفية التي تحدد هذه القوى لتحليل الماكينة المدفوعة بسرعة ودقة. يمكن أيضًا اكتشاف جميع الأخطاء التي تم اكتشافها بواسطة MVA باستخدام ESA.

تستخدم وكالة الفضاء الأوروبية النسبة المئوية لانقطاعات التيار أو الجهد مقارنة بالجهد الموفر أو تيار المحرك لتحديد الأخطاء، وهذا يسمح باكتشاف الأخطاء مبكرًا مع وكالة الفضاء الأوروبية نظرًا لأن الاستجابة لهذه القوى لا تتأثر بكتلة الماكينة أو تكون محدودة بـ مشاكل استجابة التردد المرتبطة بأجهزة استشعار الاهتزاز.

بالإضافة إلى تحديد الأخطاء والشذوذات، يمكن تطبيق الصيغ الكهربائية القياسية لتقييم تأثيرات الطاقة الضارة التي تنتجها هذه الأعطال بسرعة.

دراسة حالة: للتأكيد على قوة وكالة الفضاء الأوروبية، قم بمراجعة سريعة لتحليل تم إجراؤه على محرك تيار متردد ثلاثي الطور بقدرة 700 حصان يقود مضخة عمودية في محطة مياه. كان المحرك ساخنًا عند اللمس وأظهرت نتائج اختبار اهتزاز الماكينة الذي تم إجراؤه مؤخرًا أن مستويات الاهتزاز الإجمالية كانت منخفضة جدًا وتعتبر تعمل بسلاسة، وقدم تحليل الاهتزاز توصية نظام المحرك بأنها “لا حاجة للصيانة”. تم إجراء العديد من الاختبارات الإضافية خلال الشهرين التاليين، ولكن ظلت الأسئلة قائمة حول سبب المشكلة. تقرر بعد ذلك إجراء ESA للمحرك المعني، وتم إجراء اختبارات ESA لمدة 2 – 50 ثانية بالتزامن مع اختبارات اهتزاز الآلات.

الشكل 4 تقرير التحليل التلقائي

تم إنشاء تحليل وكالة الفضاء الأوروبية الكامل (انظر الشكل 4) والتقرير بينما كان لا يزال يجري جمع بيانات الاهتزاز. وبعد مرور أسبوعين، ظل تقرير الاهتزاز يعطي المضخة العمودية عدم الحاجة إلى إجراء صيانة. حدد تقرير وكالة الفضاء الأوروبية الذي تم إنشاؤه تلقائيًا والمكتمل عند الرؤية العديد من قضبان الدوار التالفة (الشكل 5). لاحظ نظام التصنيف التلقائي درجة الخطورة C:7 من 7 وأوصى بالإصلاح الفوري. تيار المحرك يعمل في حالة التحميل الزائد.

الشكل 5: التقرير الصحي للقضيب الدوار

أشار التتبع الزمني لتيار المحرك إلى أن تيار المحركات كان يعدل 50 أمبير من 775 إلى 825 أمبير (الشكل 6). كانت سرعة المحرك تعمل أيضًا بمعدل 15 دورة في الدقيقة أسفل لوحة الاسم. كان تطبيق قانون الجول من أسفل الخطأ يتسبب في تعديل المحرك بقوة 55 حصانًا (الشكل 6). أظهر FFT أن تردد التعديل كان عند تردد تمرير القطب، وهو ما يمثل مشكلة قضبان الدوار الرئيسية.

الشكل 6: تتبع RMS الحالي قبل الإصلاح

قانون جول للطاقة 3 مراحل بالواط. الطاقة = الجهد (V) مرات التيار (I) P=V x I x 1.73

عند الفحص، تم العثور على أكثر من 30% من قضبان الدوار تالفة، وتم إرسال المحرك إلى الشركة المصنعة لإعادة بناء الدوار واستبدال قضبان الدوار. بعد الإصلاحات، انخفض تيار المحرك ضمن النطاق الطبيعي من 800 أمبير إلى 757 بدون تعديل. كانت سرعة المحرك تصل إلى النطاق المتوقع وكان المحرك يعمل في درجة حرارة التشغيل العادية (الشكل 7).

على الرغم من أن بيانات الاهتزاز السابقة قدمت للمحرك شهادة صحية نظيفة قبل الإصلاح، إلا أن مستويات الاهتزاز الإجمالية انخفضت بنسبة تزيد عن 50% بعد الإصلاح.

الشكل 7: أثر RMS الحالي بعد الإصلاح

الشكل 8 جدول جودة الطاقة

الاستنتاج: بما أن وكالة الفضاء الأوروبية تستخدم جهد وتيار المحركات كمحول للطاقة لتحديد الخصائص الكهربائية والميكانيكية للمعدات الكهربائية، فقد تم الاعتراف بها سريعًا كأداة مثالية للكشف عن الأخطاء الكهربائية والميكانيكية المطلوبة للصيانة التنبؤية للمعدات التي تحتوي على أي نوع من المعدات الكهربائية. . وهذا يعني أنه يمكن اختبار المحركات أو المولدات أو المحولات. كما توفر وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) القدرة على تحليل الأخطاء المعقدة أو الحالات الشاذة داخل نظام التوزيع الكهربائي. يمكن استخدام هذه الأداة القوية على جميع أنواع محركات التيار المتردد ولكن على أي معدات كهربائية كمؤشر على الصحة العامة للنظام الكهربائي بأكمله. في أقل من دقيقة، توفر جميع المعلومات المطلوبة لتجميع تقييم كامل لنظام المحرك، جدولًا كاملاً لجودة الطاقة (الشكل 8) يحدد حالة الطاقة الواردة وحمل المحرك وكفاءة المحرك. يسمح التقاط الشكل الموجي للمحلل بتحديد انهيار العزل أو التوصيلات الفضفاضة في أي مكان في الأنظمة الكهربائية. المفتاح الرئيسي لتحليل الأعطال الكهربائية والميكانيكية بدقة على المعدات الدوارة، باستخدام ESA، يمكن عادةً حساب سرعة المحرك الفعلية من البيانات الملتقطة بمعدل 1 دورة في الدقيقة. كما هو الحال مع جميع تقنيات PdM الأخرى، كلما زاد عدد المستخدمين الذين يقومون بتطبيق تقنيات جديدة، يتم اكتشاف استخدامات وتقنيات وقدرات إضافية. نظرًا لأن هذه تقنية جديدة نسبيًا، يتم تطوير قدرات جديدة.