Программа предиктивного обслуживания: Внедрение ESA – часть II

Это продолжение статьи, которая была опубликована в номере Uptime за декабрь/январь 2012 года.

 

Аннотация

Это вторая часть серии статей, посвященных использованию анализа электрических сигнатур (ESA) для повышения надежности электрооборудования.
Эта статья была написана для того, чтобы дать тем, кто не знаком со спектральным анализом, основы чтения и интерпретации графиков и дисплеев, используемых в спектральном анализе.
В ней также представлены некоторые базовые методы анализа, позволяющие начать использовать ESA для выявления развивающихся проблем в системе электродвигателей, которые могут привести либо к потере производства, либо к увеличению затрат на обслуживание.  

Анализ электрических сигнатур

ESA – это технология предиктивного обслуживания (PdM), которая использует напряжение питания и рабочий ток двигателя для выявления существующих и развивающихся неисправностей во всей системе двигателя.
Эти измерения действуют как датчики, и любые сбои в системе двигателя вызывают изменение (или модуляцию) тока питания двигателя.
Анализируя эти модуляции, можно определить источник этих сбоев в системе двигателя.
Анализ оборудования Исторически анализ вибрации был основой анализа вращающегося оборудования для оценки его состояния и очень эффективно использовался на протяжении более 70 лет.
Современная электроника и микропроцессоры усовершенствовали этот процесс: от простых измерений амплитуды вибрации с помощью катушки, магнита и измерительного прибора для измерения общей амплитуды вибрации до быстрой оценки механического состояния вращающегося оборудования.
Вскоре стало очевидно, что машины с высоким уровнем вибрации, как правило, находятся в плохом механическом состоянии, что привело к разработке различных таблиц тяжести вибрации, все из которых основаны исключительно на опыте пользователей.

Спектральный анализ

Спектральный анализ в обработке сигналов – это процесс, определяющий частотное содержание сигнала во временной области.
Когда частотное содержание измеренных сигналов известно, их соотносят с эксплуатационными и конструктивными характеристиками машины или машин, чтобы помочь определить силу, создающую колебательное движение.
Анализ спектра вибрации машины начинается с установки датчика (преобразователя) на колеблющийся компонент или рядом с ним; обычно это подшипник или корпус подшипника, чтобы преобразовать механическое движение компонента в электрический сигнал.
Выходной электрический сигнал в точности повторяет движение компонента, которое изменяется со временем и называется сигналом во временной области.
Сила или амплитуда сигнала меняется в зависимости от интенсивности движения.
В ранних моделях спектрального анализа использовались анализаторы с перестраиваемыми фильтрами для развертки аналогового полосового фильтра в заданном диапазоне частот.
Эти анализаторы работали подобно настройке радиоприемника.
По мере того, как полосовой фильтр сканировал диапазон частот, любые сигналы, присутствующие в этом диапазоне, создавали выходной сигнал.
Выходной сигнал полосового фильтра отслеживался на частотном графике, чтобы определить частоты, которые присутствовали на выходе датчика.
Современные многоканальные цифровые анализаторы высокого разрешения создают частотные спектры с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Кроме того, они позволяют использовать различные методы обработки сигнала, такие как анализ боковых полос, синхронное усреднение по времени, отрицательное усреднение, обработка огибающей и многие другие передовые методы, которые точно интерпретируют спектры.
Независимо от достижений в области обработки сигналов, анализ вибрации все еще ограничен законами физики и пределами возможностей преобразователей.
Поскольку вибрация – это мера механических колебаний машины, случайных или периодических, для преодоления массы и жесткости машины и конструкции, а также любого демпфирования, обеспечиваемого подшипниками или опорной системой, необходима достаточная сила, возникающая при неисправности механизма или компонента.
Дополнительные ограничения создаются самим измерительным преобразователем.
Это типы измерений, относительные или абсолютные, частотные характеристики преобразователя и присущие самим измерениям ограничения по частоте, смещению, скорости или ускорению.  

Частотный анализ

Волновые формы времени

Временная форма волны – это просто отображение функции переменной в зависимости от времени.
Если изменения происходят через одинаковые промежутки времени, форма волны является периодической.
Периодическая форма волны – это такая форма волны, которая повторяет точно такую же форму или рисунок на протяжении всего времени существования формы волны.
Простейшая форма волны – это синусоидальная волна, состоящая из одной частоты.
Волновые формы, состоящие из нескольких частот, называются сложными волновыми формами.
Графическое отображение волновых форм называется временной областью.
Он просто показывает мгновенное значение переменной в зависимости от времени.
Во временной области горизонтальная ось показывает время, а вертикальная – величину переменной.

Преобразование Фурье

Жан Батист Жозеф Фурье, французский математик и физик 18-го века, одним из первых понял, что сложные формы волн представляют собой комбинацию нескольких синусоидальных волн, и положил начало исследованиям в этой области.
Математическое решение, используемое для определения ряда частот, составляющих любую сложную форму волны, названо в честь него и называется преобразованием Фурье.
Первоначальное преобразование Фурье предполагает наличие неограниченного или бесконечного образца.
С тех пор было установлено, что преобразование Фурье может быть применено к конечной форме волны, и его назвали дискретным преобразованием Фурье (DFT).
Были разработаны алгоритмы для эффективного и высокоскоростного вычисления ДПФ; эти алгоритмы называются быстрым преобразованием Фурье (БПФ).
Проще говоря, БПФ берет конечный образец временной формы волны, затем вычисляет амплитуду и частоты синусоидальных волн, которые объединяются вместе, чтобы создать сложную форму волны.
Графическое отображение БПФ представлено в частотной области и называется частотным спектром.
Частотный спектр отображает частоты, присутствующие в комплексной форме волны, на горизонтальной оси и амплитуду сигнала на вертикальной оси.
Если на какой-либо частоте присутствует достаточное движение, на горизонтальной оси появится вертикальная линия, указывающая на присутствие этой частоты.
Высота вертикальной линии или спектральной линии указывает на силу или амплитуду волновой формы на этой частоте.
Если одна из синусоид, присутствующих в комплексной форме волны, имеет частоту 30 Гц и амплитуду 3 ампера, спектральный пик будет расположен на частоте 30 Гц, а высота будет равна трем единицам.
Существует множество программ для выполнения БПФ, и аналитик не обязан их выполнять, но ему необходимо иметь базовое представление о самом графическом отображении.
Минимальное понимание отображения БПФ – это диапазон частот, разрешение и полоса пропускания.
Более продвинутый анализ может быть выполнен при понимании боковых полос, гармоник, логарифмического масштабирования и демодуляции.
В следующей информации сделана попытка обеспечить достаточное понимание этих основных принципов БПФ, чтобы читатель мог точно анализировать данные, собранные с помощью ESA.  

Понимание БПФ

Понимание пределов любого дисплея имеет неоценимое значение для точного анализа этого дисплея.
БПФ – это математическое вычисление, и эти границы устанавливаются до выполнения математических вычислений.
Этими границами являются частотный диапазон и линии разрешения.

Диапазон частот

Частотный диапазон определяет частоты, которые будут включены в расчет БПФ.
Если выбранный диапазон частот слишком мал, то дефекты на более высоких частотах будут пропущены.
Если выбранный диапазон частот слишком высок, то серии частот, расположенные близко друг к другу, могут быть объединены.
Кроме того, диапазон частот определяет время сбора данных.
Частота периодического сигнала обратна времени; чем ниже выбранный диапазон частот, тем больше времени требуется для сбора данных.
В PdM большинство БПФ начинается с постоянного тока (0 Гц) и продолжается до некоторого максимального значения.
Максимальный диапазон частот обозначается как Fmax.
Для более глубокого анализа можно установить нижнюю границу частотного диапазона на значении, превышающем 0 Гц и некоторое более высокое значение.
Это называется увеличенным спектром.

Разрешение

Вторая заранее определенная граница – это линии разрешения.
Каждый частотный спектр делится на конечное число спектральных линий.
Спектральная линия – это неправильное название, поскольку в действительности это не линия, а спектральный бином.
У каждого спектрального бина есть предел высокой и низкой частоты.
Эти пределы определяются частотным диапазоном БПФ и количеством линий.
Ширина спектрального бина называется полосой пропускания (BW).
Чтобы определить ширину каждого спектрального бина, просто разделите количество спектральных линий на диапазон частот (FR).
Если частотный диапазон составляет 100 Гц и имеется 100 спектральных линий, то ширина каждой линии равна 1 Гц. BW = # линий/FR Полоса пропускания каждого спектрального бина также может быть рассчитана путем вычитания нижнего предела частоты (fl ) из верхнего предела частоты (fu ) каждого спектрального бина. BW = fu -fl Каждый спектральный бином выравнивается рядом с предыдущим бином, и нижняя частотная граница каждого бина равна верхней частотной границе предыдущего бина.
Верхняя частотная граница будет равна нижней границе бина плюс полоса пропускания.
Например: В первом спектральном бине в спектре из 100 линий с FR от DC до 100 Гц нижняя частотная граница равна 0, а верхняя частотная граница равна 1 Гц.
Ширина полосы пропускания спектрального бина равна 1 Гц.
Тогда второй бин будет Частотный диапазон определяет частоты, которые будут включены в расчет быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Если выбранный диапазон частот слишком мал, дефекты на более высоких частотах будут пропущены.
20 june/july12 – от 1 Гц до 2 Гц, третий бин – от 2 Гц до 3 Гц и так далее, а последний спектральный бин – от 99 Гц до 100 Гц.
Если полоса пропускания спектрального бина слишком широка, несколько частот могут оказаться в одном спектральном бине.
Кроме того, при оценке частотного спектра отображаемая частота спектрального бина является центральной частотой (cf) этого спектрального бина.
Чтобы определить cf спектрального бина, просто вычислите среднее значение верхней границы частоты и нижней границы частоты. cf = (fu + fl)/2 Это означает, что отображаемая частота может не совпадать с частотой реального сигнала.
Отображаемое значение частоты является центральной частотой спектрального бина, в то время как фактическая частота волновой формы (форм) может быть любой частотой в пределах полосы пропускания спектрального бина.
Каждый спектральный бином может включать в себя более одной частоты.
Чем шире полоса пропускания, тем менее точной будет частота отображаемого значения спектрального бина, и это увеличивает вероятность ошибки анализа.
Чтобы уменьшить эту ошибку анализа, просто увеличьте разрешение спектра БПФ.
Уменьшение частотного диапазона БПФ увеличивает разрешение, но также увеличивает и временные интервалы между выборками данных, и время сбора данных.
Другой метод заключается в увеличении количества спектральных бинов, на которые делится БПФ.
Увеличение количества спектральных бинов требует взятия большего количества образцов измеряемого сигнала.
Чтобы удвоить количество линий разрешения, необходимо получить в два раза больше данных.

Определение разрешения

Количество линий разрешения (# lines) спектра БПФ можно определить, просто умножив период (P) временной формы волны на диапазон частот (FR) в циклах в секунду (cps). (# линий=P x FR) Поскольку ESA оцифровывает временную форму волны, БПФ выполняется в компьютере, где можно изменить разрешение БПФ после сбора данных.
Это позволяет аналитику исследовать очень маленькие участки захваченной формы волны.
Однако важно помнить, что при уменьшении периода захвата времени пропорционально уменьшается количество линий разрешения и увеличивается вероятность ошибки анализа.

Дисплеи амплитуды

Линейное масштабирование

Наиболее часто используемым графическим отображением БПФ является линейная шкала.
В линейной шкале расстояние между маркерами всегда одинаковое и равноудаленное.
Это позволяет удобно отобразить все данные на одном графике.
Линейные графики хорошо работают с наборами данных, когда важны значимые изменения, а очень маленькие изменения незначительны.
Единицы, отображаемые на линейной шкале, – это инженерные единицы измеряемой величины.
В ESA такими единицами являются напряжение (вольты) или ток (амперы).

Логарифмическое масштабирование

Логарифмическая шкала отображает амплитуду в порядке возрастания или логарифм переменной, а не саму переменную.
Одним из преимуществ логарифмической шкалы является возможность отображения очень большого диапазона амплитуд на одном графике.
Когда очень маленькие изменения в измеряемой переменной являются значительными, отображение переменной в линейном формате может неадекватно идентифицировать изменение.
В таких случаях используется логарифмическая (log) шкала.
В ESA обычно используется логарифмическая шкала, поскольку измеряемыми переменными являются напряжение или ток в сети.
Очень маленькие изменения в любом из этих измерений используются для выявления неисправностей в системе двигателя.
Несущая частота этих переменных соответствует частоте подаваемого напряжения, обычно 50 Гц или 60 Гц.
Поскольку логарифмический дисплей – это, по сути, соотношение, он также является очень удобным методом для сравнения несхожих переменных.
Это оказалось чрезвычайно полезным в ESA, поскольку одним из важных аспектов этой системы является возможность дифференцироватьРеволюция начинается!
Всего $2 450!
Уровень ALiSENSOR™ уже здесь!
ALiSENSOR™ Level – это первая в мире система геометрических измерений на базе iOS.
Теперь такие измерения, как прямота, наклон и площадь, стали еще проще и доступнее, чем когда-либо!
Вы даже можете использовать свой собственный iPad, iPhone или iPod Touch в качестве устройства отображения, используя БЕСПЛАТНО загружаемые приложения из App Store, включая автоматические обновления!
Гарантия 2 года!
Позвоните или посетите Alignment Supplies, Inc. сегодня, чтобы узнать больше об этой революционной новой системе!
419.887.5890 / 800.997.4467 www.alignmentsupplies.com ели между неисправностями в поступающей мощности и неисправностями, вносимыми двигателем или приводимой машиной.
Единицами измерения в логарифмической шкале являются децибелы (дб), которые представляют собой логарифм с основанием десять.
Дб – это единица, используемая для описания соотношения.
Измерения напряжения и тока являются величинами поля, и коэффициенты дБ, используемые в ESA, также являются величинами поля.
В Таблице 1 приведены соотношения измеряемой величины и пикового значения осциллограмм тока и напряжения по сравнению с самым высоким пиком в спектре.

Резюме

Эффективное использование ESA в качестве технологии PdM требует умения манипулировать, интерпретировать и понимать графики, диаграммы и дисплеи, создаваемые программным обеспечением ESA.
Эти графики, диаграммы и дисплеи затем используются для выявления неисправностей в системе двигателя.
Инженеры и специалисты по PdM, знакомые с анализом вибрации, обнаружат, что БПФ ESA похож на спектр вибрации, и многие методы анализа аналогичны.
Однако даже в MVA важно, чтобы аналитик хорошо понимал не только то, что показывает БПФ, но и, что более важно, то, что он не показывает.