Мониторинг оборудования и то, как технология ESA может повысить надежность Вашего предприятия

By: Уильям Крюгер, ALL-TEST Pro Более 300 миллионов электродвигателей используются в инфраструктуре, крупных зданиях и промышленности по всему миру.
На эти двигатели приходится около 2/3 всего промышленного энергопотребления.
Электричество требуется почти во всех областях предприятия для обеспечения движущей силы, которая либо приводит в действие оборудование, производящее продукцию, либо предоставляет услуги, для выполнения которых было создано оборудование предприятия.
Электричество – уникальный продукт, поскольку оно требует непрерывного потока, не может удобно храниться и обычно не проверяется перед использованием.
Большинство людей считают, что надежность электрооборудования заканчивается на успешной подаче электроэнергии на станцию: если свет загорается или двигатель запускается, когда щелкает выключатель или нажимается кнопка, значит, электричество надежно.
Но во многих случаях причиной поломки или отказа может стать качество электроэнергии, подаваемой в систему электродвигателя.
Результат низкого “качества электроэнергии” обычно носит долгосрочный характер и часто не принимается во внимание как источник или причина проблемы.
Знание качества поступающей электроэнергии, а также механического и электрического состояния двигателя и механического состояния привода очень важно на всех предприятиях для поддержания работоспособности и экономии денег.
Для этого на предприятиях внедряются программы тестирования, мониторинга состояния или предиктивного обслуживания PdM.
Существует множество приборов для тестирования, которые предоставляют измерения, графики и отчеты, которые скорее предупреждают и предупреждают, чем дают ответы на вопросы о состоянии Ваших двигателей.
Технология ESA дает ответы на вопросы, связанные со здоровьем Ваших двигателей, приводов и электричества, предоставляя быстрые и надежные ответы во время работы оборудования.
Анализ цепей электродвигателя MCA обеспечивает надежное состояние обмоток электродвигателей и систем изоляции стенки заземления в обесточенном состоянии.
Некоторые машины работают непрерывно.
Для оценки такого оборудования промышленность внедрила на заводах программы предиктивного обслуживания, чтобы выявить неисправности оборудования до того, как они приведут к остановке дорогостоящего оборудования или катастрофическому отказу.
Таким образом, для этого необходимы технологии, позволяющие тестировать оборудование во время его работы.
Технологии PdM, такие как анализ вибрации оборудования (MVA), термография, ультразвук, предоставляют ценную информацию для выявления конкретных неисправностей в распределительном или вращающемся оборудовании во время его работы.
Однако не все программы PdM одинаковы, и наиболее эффективные программы признают необходимость использования нескольких технологий.
Наиболее эффективные программы прогнозируемого технического обслуживания состоят из трех этапов
1) обнаружение,
2) анализ и
3) коррекция.
Фаза обнаружения предиктивного обслуживания:
1) Сканирует как можно больше машин как можно быстрее
2) Выявляет как можно больше потенциальных проблем
3) Обеспечивает максимально возможную диагностику Фаза анализа следует за фазой обнаружения и выявляет оборудование, которое продемонстрировало ухудшение здоровья.
На этом этапе могут потребоваться дополнительные более детальные тесты с использованием той же или, в некоторых случаях, другой технологии, чтобы определить, какие условия в машине изменились или какая неисправность произошла. В некоторых технологиях процесс первоначального обнаружения может дать некоторое представление о причине аномалии.
Таким образом, между обнаружением и анализом всегда существует тонкая грань, оптимальная для технологии PdM.
На этапе исправления создается план действий для выявленной неисправности.
Например, если неисправность заключается в дисбалансе, можно ли устранить ее в полевых условиях или необходимо провести балансировку в мастерской.
Если обнаружен дефект подшипника, действия могут заключаться в простом сокращении интервалов мониторинга до экономичной остановки машины, поскольку это позволяет эксплуатация, или в немедленной остановке в зависимости от нескольких факторов, включая стоимость отказа по сравнению с потерянным производством. Общие инструменты прогнозируемого обслуживания. Анализ вибрации оборудования – Вибрация – одна из наиболее часто используемых технологий для вращающегося оборудования.
По определению, вибрация – это периодическое движение вперед-назад или вверх-вниз относительно точки покоя.
Вибрация может обнаружить и идентифицировать широкий спектр механических и технологических неисправностей.
Типичные неисправности, выявляемые с помощью MVA: Механический дисбаланс Несоосность – включая мягкую ногу Эксцентрик ротора Погнутый вал Треснувший вал Ослабление между невращающимися компонентами Между вращающимися и невращающимися компонентами Ослабление вращающихся компонентов Проблемы с прохождением лопастей и лопаток Проблемы с коробкой передач Дефекты подшипников качения Ротор трескается  

Проблемы с процессом: Кавитационный поток или аэродинамические проблемы  

Проблемы с асинхронным двигателем переменного тока: Проблемы с ротором: Сломанные стержни ротора, эксцентричный ротор (динамический эксцентриситет), термочувствительные роторы Проблемы со статором: Неравные воздушные зазоры (статический эксцентриситет), мягкая ножка, ослабленные обмотки или железо статора  Проблемы с контроллером двигателя: Некоторые ограниченные неисправности контроллера VFD Некоторые ограниченные неисправности контроллера двигателя постоянного тока   Преимущества: неинвазивные измерения, легко получить тестовые данные, широко используются и принимаются.
Недостатки: не дает никаких указаний на качество электроэнергии или другие электрические проблемы, полагается на закон Ньютона F=mA, чтобы указать на зарождающийся отказ.
Это означает, что способность обнаруживать неисправности зависит от массы машины, большие машины требуют большего усилия, во многих случаях неисправности полностью пропускаются, особенно на ранних стадиях.
Таким образом, серьезность неисправностей, основанная на измеренных значениях, не всегда сопоставима из-за массы.
Например, если приложить ту же силу, созданную дисбалансом на меньшем станке, к большему станку, то результирующая вибрация будет меньше, но силы, приложенные к подшипнику, будут одинаковыми.
Дополнительные соображения, связанные с MVA, заключаются в том, что вибрация является направленной, а датчики вибрации также являются однонаправленными, поэтому они измеряют движение только в направлении ориентации.
Кроме того, эти датчики измеряют движение только в месте установки или в точке крепления.
Чтобы оценить движение во всех направлениях, обычно требуется три измерения в каждой точке.
Кроме того, не все датчики измеряют одно и то же движение, некоторые датчики измеряют относительное движение, в то время как другие измеряют абсолютное движение, и разные датчики имеют разные диапазоны частот. Использование неправильного датчика или измерения часто приводит к неточной оценке состояния машины.
Инфракрасное излучение – тепло, как и вибрация, также является хорошим индикатором развития проблем в системе, и термография оказалась очень полезной в электротехнической сфере для выявления проблем с подключением.
С помощью этой технологии можно выявить и другие проблемы, такие как дисбаланс тока и горячие точки в различных частях оборудования, но обычно к моменту выделения достаточного количества тепла неисправность уже достаточно развита, а в некоторых случаях температура может снижаться по мере развития неисправности.
Преимущества термографии – это неинтрузивность, простота выполнения измерений.
Недостатки; возможно, самым большим недостатком является прямая видимость, чтобы определить неисправность, камера должна иметь возможность видеть область, часто неисправность может быть скрыта за панелью, под крышкой муфты, внутри шкафа или кабелепровода.
Кроме того, у термографии очень ограниченные диагностические возможности.
Когда повышение температуры действительно происходит, потенциально существует множество причин, и для определения или даже подтверждения причины требуются дополнительные испытания, технологии и, возможно, инспекции.
Ультразвук – признан очень полезной технологией PdM.
Ультразвуковые приборы обнаруживают неслышимые человеческим ухом ультразвуки, передающиеся по воздуху и через конструкции, и электронным способом изменяют их до слышимого диапазона.
Затем эти измененные сигналы можно отслеживать с помощью наушников или просматривать на дисплее в виде временной волновой формы или БПФ.
Это позволяет обученным техникам выявлять ранние стадии дефектов подшипников качения во вращающемся оборудовании, утечки воздуха в воздушных системах, коронный разряд на высоковольтных проводах или трекинг в электрических системах. Преимущества ультразвука в том, что он не требует вмешательства, выполняется во время работы оборудования, относительно прост в исполнении.
Недостатки: ограниченное обнаружение проблем. Ультразвуковые датчики выявляют только несколько неисправностей, а результаты обычно очень субъективны и зависят от опыта специалиста.
Ни одна из этих широко используемых технологий не обеспечивает индикацию всей системы двигателя, начиная от входящего питания и заканчивая самим процессом.
В некоторых случаях единственным признаком ухудшения состояния системы двигателя является его перегрев или возможное отключение.
Предприятия быстро осознают преимущества использования анализа электрических характеристик в качестве ключевого элемента своих программ PdM.
Они начинают понимать, что ESA – это не специализированный метод измерения, используемый для выявления непонятных, очень редких или трудно идентифицируемых электрических аномалий, а, возможно, самая полезная и всеобъемлющая технология PdM из всех существующих.
Внедрение ESA в качестве технологии PdM начинается с прибора.
Портативный прибор ATPOL II, Рисунок 1; выполняет 50-секундный захват данных на контроллере двигателя для измерения состояния всей системы двигателя.
Этот портативный, легкий прибор выполняет и сохраняет одновременный захват всех трех фаз напряжения и тока для анализа качества электроэнергии, а также захват временных осциллограмм всех трех фаз напряжения и тока длительностью 50 мсек для визуального контроля этой очень важной информации ФИГУРА1 ATPOL II ФИГУРА2 50 MSEC 3 PHASE LIVE CURRENT WAVEFORM Рисунок 2;.
ESA также выполняет аналого-цифровое преобразование временных осциллограмм напряжения и тока электрооборудования, сохраняя их для загрузки в главный компьютер.
Анализ электрических характеристик (ESA) – это проверенная на практике простая эффективная технология, которая позволяет проверить качество электроэнергии, поступающей к двигателю, а также состояние двигателя и привода.
Все полученные и сохраненные данные можно загрузить на главный компьютер с помощью беспроводного Bluetooth-соединения, SD-карты емкостью 2 Гбайт или последовательного кабеля.
Поставляемые в комплекте программы Power System Manager (PSM) и ESA обеспечивают графики, таблицы, анализ и отчеты, необходимые для создания очень мощного инструмента PdM, который обеспечивает очень тщательный анализ всей системы двигателя.
Ток двигателя действует как очень эффективный и действенный преобразователь, лишенный ограничений, связанных с датчиками вибрации.
Любая циклическая сила или сбой в системе двигателя заставляет ток двигателя модулироваться на частоте этой силы или сбоя.
Аномалии в токе двигателя возникают ниже по потоку от контроллера двигателя, в то время как аномалии в напряжении возникают из-за входящей энергии.
Определив различия в данных напряжения и тока, можно разделить причину неисправностей между входящей мощностью (выше по течению от контроллера) или связанной с двигателем, приводимой машиной или процессом (ниже по течению от контроллера).
ESA оценивает состояние всей системы двигателя во время работы машины при любой нагрузке за меньшее время, чем требуется для измерения вибрации одного подшипника с помощью машинной вибрации.
Мощное аналитическое программное обеспечение ESA выполняет БПФ на загруженных оцифрованных осциллограммах и преобразует эти данные в инструменты, графики и дисплеи, необходимые для глубокого анализа всей системы двигателя. Этот анализ выявляет неисправности, нарушения или аномалии, начиная с входящей мощности (данные о напряжении), заканчивая электрооборудованием, приводимой в движение машиной и самим процессом.
Собственные алгоритмы применяются к этим преобразованным данным и выявляют неисправности.
Многие неисправности, которые раньше было трудно обнаружить, теперь легко выявляются с помощью функций автоматического анализа.
Введя конкретные данные о механизме, которые легко найти на заводской табличке двигателя, ESA генерирует полную оценку всей системы двигателя.
Такая информация, как скорость вращения двигателя, напряжение, ток полной нагрузки и номинальная мощность, вводится в программное обеспечение, которое затем создает простой для понимания аналитический отчет.
Для более детального анализа дополнительная информация, включающая количество стержней ротора и пазов статора, обеспечивает дальнейшую диагностику внутреннего состояния двигателя. Такие неисправности, как статический и динамический эксцентриситет, быстро подтверждаются с помощью маркеров, связанных с неисправностями (Рис. 3).

РИСУНОК 3 МАРКЕРЫ НЕИСПРАВНОСТЕЙ  Механические неисправности могут быть автоматически обнаружены путем простого ввода дополнительной информации о машине, такой как номера подшипников, окружность ремня и размеры шкивов, количество лопастей или лопастей на крыльчатках или количество зубьев на шестернях, в аналитическое программное обеспечение ESA. Силы, возникающие при дефектах подшипников качения, зацеплении шестерен, прохождении лопастей вентилятора, лопастей насоса или проблем с ремнем, могут быть легко определены путем расчета сил, возникающих при любой из этих неисправностей.
Легко распознаваемые маркеры вставляются в дисплеи, чтобы выделить спектральные пики, идентифицирующие эти силы, для быстрого и точного анализа приводимой в движение машины.
Все неисправности, которые обнаруживаются с помощью MVA, также могут быть обнаружены с помощью ESA.
Для выявления неисправностей ESA использует процентное соотношение провалов тока или напряжения по отношению к подаваемому напряжению или току двигателя. Это позволяет обнаруживать неисправности раньше с помощью ESA, поскольку реакция на эти силы не зависит от массы машины и не ограничена частотными характеристиками, связанными с датчиками вибрации.
В дополнение к выявлению неисправностей и аномалий можно применять стандартные электрические формулы для быстрой оценки отрицательного энергетического воздействия, которое создают эти неисправности.
Пример из практики: Чтобы подчеркнуть возможности ESA, кратко рассмотрим анализ, проведенный для трехфазного двигателя переменного тока мощностью 700 л.с., приводящего в движение вертикальный насос на водопроводной станции.
Двигатель работал горячим на ощупь, а результаты недавно проведенного тестирования вибрации оборудования показали, что общий уровень вибрации был очень низким, и считалось, что двигатель работает плавно, поэтому анализ вибрации дал рекомендацию для системы двигателя “не требует обслуживания”.
В течение следующих двух месяцев было проведено несколько дополнительных тестов, но вопросы о причине проблемы оставались.
Тогда было решено провести ESA для данного двигателя, 2 – 50-секундных ESA-теста были проведены одновременно с тестами вибрации оборудования. РИСУНОК 4 ОТЧЕТ АВТОМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА  Полный анализ ESA См. рисунок 4 и отчет были созданы в то время, когда данные о вибрации еще собирались.
Спустя 2 недели отчет о вибрации по-прежнему указывал на то, что вертикальный насос не нуждается в обслуживании.
Автоматически созданный отчет ESA, завершенный на месте, выявил несколько поврежденных стержней ротора Рисунок 5.
Автоматическая система оценки отметила степень тяжести C:7 из 7 и рекомендовала немедленный ремонт.
Ток двигателя работал в режиме перегрузки. РИСУНОК 5 ОТЧЕТ О ЗДОРОВЬЕ РОТОРА  Временная трассировка тока двигателя показала, что ток двигателя модулировал 50 ампер от 775 до 825 ампер (Рисунок 6).
Скорость вращения двигателя также была на 15 оборотов в минуту ниже паспортной.
Применение закона Джоуля снизу к неисправности привело к тому, что двигатель модулировал мощность 55 л.с. (Рисунок 6).
БПФ показал, что частота модуляции находится на частоте прохождения полюсов, что является основным индикатором проблем с ротором.

РИСУНОК 6 ТРАССА СРЕДНЕГО КУРСА ДО РЕМОНТА  Закон Джоуля для мощности 3 фазы в ваттах.
Мощность = Напряжение (V), умноженное на ток (I) P=V x I x 1,73   После осмотра было обнаружено, что более 30% стержней ротора повреждены, двигатель был отправлен производителю для восстановления ротора и замены стержней ротора.
После ремонта ток двигателя был в пределах нормы, снизившись с 800 ампер до 757 без модуляции.
Скорость вращения двигателя соответствовала ожидаемой, и двигатель работал при нормальной рабочей температуре (Рис. 7).
Несмотря на то, что предыдущие данные о вибрации говорили о том, что двигатель был полностью здоров до ремонта, после ремонта общий уровень вибрации снизился более чем на 50%.

РИСУНОК 7 СЛЕД СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ТОКА ПОСЛЕ РЕМОНТА

РИСУНОК 8 ТАБЛИЦА КАЧЕСТВА ПИТАНИЯ Заключение: Поскольку ESA использует напряжение и ток двигателя в качестве преобразователя для определения электрических и механических характеристик электрооборудования, он быстро становится идеальным инструментом для обнаружения как электрических, так и механических неисправностей, необходимых для предиктивного обслуживания оборудования, имеющего любой тип электрооборудования.
Это означает, что можно тестировать двигатели, генераторы или трансформаторы.
ESA также обеспечивает возможность анализа сложных неисправностей или аномалий в системе распределения электроэнергии.
Этот мощный инструмент можно использовать не только для всех типов двигателей переменного тока, но и для любого электрооборудования в качестве индикатора общего состояния всей электрической системы.
Менее чем за минуту вся информация, необходимая для составления полной оценки системы электродвигателя, предоставляет полную таблицу качества электроэнергии (Рисунок 8), определяющую состояние входящей мощности, нагрузку на двигатель и КПД двигателя.
Захват формы сигнала позволяет аналитику выявить пробой изоляции или неплотные соединения в любой точке электрической системы.
Главный ключ к точному анализу электрических и механических неисправностей вращающегося оборудования: с помощью ESA фактическая скорость вращения двигателя обычно может быть рассчитана на основе захваченных данных с точностью до 1 оборота в минуту.
Как и в случае с другими технологиями PdM, по мере того, как все больше пользователей внедряют новые технологии, открываются дополнительные способы применения, методы и возможности.
Поскольку это относительно новая технология, новые возможности постоянно развиваются.