Chương trình bảo trì dự đoán: Triển khai ESA – Phần II

Đây là phần tiếp theo của bài viết được đăng trên tạp chí Uptime số tháng 12/tháng 1 năm 2012.

trừu tượng

Đây là phần thứ hai trong loạt bài viết thảo luận về việc sử dụng phân tích tín hiệu điện (ESA) để cải thiện độ tin cậy về điện của nhà máy. Bài viết này được viết để cung cấp cho những người chưa quen với phân tích phổ những kiến ​​thức cơ bản để đọc và giải thích các biểu đồ và màn hình được sử dụng trong phân tích phổ. Nó cũng giới thiệu một số kỹ thuật phân tích cơ bản để bắt đầu sử dụng ESA nhằm xác định các vấn đề đang phát triển trong hệ thống động cơ có thể dẫn đến mất sản xuất hoặc tăng chi phí bảo trì.

Phân tích chữ ký điện

ESA là công nghệ bảo trì dự đoán (PdM) sử dụng điện áp cung cấp và dòng điện vận hành của động cơ để xác định các lỗi hiện có và đang phát triển trong toàn bộ hệ thống động cơ. Các phép đo này hoạt động như bộ chuyển đổi và bất kỳ sự gián đoạn nào trong hệ thống động cơ đều khiến dòng điện cung cấp cho động cơ thay đổi (hoặc điều chỉnh). Bằng cách phân tích các biến điệu này, có thể xác định được nguồn gốc của sự gián đoạn hệ thống động cơ này.

Phân tích máy móc Trong lịch sử, phân tích rung động là cơ sở để phân tích máy móc quay nhằm đánh giá tình trạng của thiết bị quay và đã được sử dụng rất hiệu quả trong hơn 70 năm qua. Các thiết bị điện tử và bộ vi xử lý hiện đại đã hoàn thiện quy trình này, từ các phép đo biên độ rung đơn giản bằng cách sử dụng cuộn dây, nam châm và đồng hồ đo để đo biên độ rung tổng thể cho đến đánh giá nhanh tình trạng cơ học của máy móc quay. Rõ ràng là các máy có mức độ rung cao thường ở tình trạng cơ học kém và dẫn đến việc phát triển các biểu đồ mức độ rung động khác nhau, tất cả đều chỉ dựa trên trải nghiệm của người dùng.

Phân tích phổ

Phân tích phổ trong xử lý tín hiệu là quá trình xác định nội dung tần số của tín hiệu miền thời gian. Khi đã biết nội dung tần số của các tín hiệu đo được, chúng sẽ tương quan với các đặc tính vận hành và thiết kế của máy hoặc các máy móc để giúp xác định lực tạo ra chuyển động dao động.

Phân tích phổ rung động của máy bắt đầu bằng cảm biến (đầu dò) được đặt trên hoặc gần bộ phận dao động; điều này thường ở ổ trục hoặc vỏ ổ trục để chuyển đổi chuyển động cơ học của bộ phận thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện đầu ra tuân theo chuyển động của thành phần một cách chính xác, thay đổi theo thời gian và được gọi là tín hiệu miền thời gian. Cường độ hoặc biên độ của tín hiệu thay đổi tùy theo mức độ chuyển động.

Phân tích phổ ban đầu sử dụng máy phân tích bộ lọc có thể điều chỉnh để quét bộ lọc thông dải tương tự trên dải tần số xác định trước. Những máy phân tích này hoạt động tương tự như điều chỉnh radio. Khi bộ lọc thông dải quét qua dải tần số, mọi tín hiệu có trong dải tần đó sẽ tạo ra đầu ra. Đầu ra của bộ lọc thông dải sẽ được theo dõi trên biểu đồ tần số để xác định các tần số có trong đầu ra của bộ chuyển đổi.

Máy phân tích kỹ thuật số đa kênh, độ phân giải cao, hiện đại tạo ra phổ tần số bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT). Ngoài ra, chúng cho phép các kỹ thuật xử lý tín hiệu khác nhau, chẳng hạn như phân tích dải biên, lấy trung bình thời gian đồng bộ, lấy trung bình âm, xử lý đường bao và nhiều kỹ thuật nâng cao khác giúp diễn giải chính xác quang phổ.

Bất chấp những tiến bộ trong xử lý tín hiệu, việc phân tích rung động vẫn bị giới hạn bởi các định luật vật lý và giới hạn của bộ chuyển đổi. Vì độ rung là thước đo các dao động cơ học của máy, ngẫu nhiên hoặc tuần hoàn, nên cần có đủ lực từ tình trạng máy hoặc lỗi bộ phận để khắc phục khối lượng và độ cứng của máy và kết cấu, cũng như bất kỳ sự giảm chấn nào do ổ trục hoặc ổ trục cung cấp. hệ thống hỗ trợ.

Các hạn chế bổ sung được tạo ra bởi chính bộ chuyển đổi đo lường. Đây là các loại phép đo, tương đối hoặc tuyệt đối, đáp ứng tần số của đầu dò và các giới hạn tần số cố hữu của chính phép đo, độ dịch chuyển, vận tốc hoặc gia tốc.

Phân tích tần số

Dạng sóng thời gian

Dạng sóng thời gian chỉ đơn giản là sự hiển thị của một hàm thay đổi theo thời gian. Nếu các biến thể xảy ra ở những khoảng thời gian giống nhau thì dạng sóng là tuần hoàn. Dạng sóng định kỳ là dạng lặp lại cùng một hình dạng hoặc mẫu trong toàn bộ thời gian của dạng sóng. Dạng sóng đơn giản nhất là sóng hình sin và bao gồm một tần số duy nhất. Dạng sóng được tạo thành từ nhiều tần số được gọi là dạng sóng phức tạp. Việc hiển thị đồ họa của dạng sóng được gọi là miền thời gian. Màn hình chỉ hiển thị giá trị tức thời của biến theo thời gian. Trong miền thời gian, trục hoành biểu thị thời gian, trong khi trục tung biểu thị độ lớn của biến.

Biến đổi Fourier

Jean Baptiste Joseph Fourier, nhà toán học và vật lý học người Pháp thế kỷ 18, là một trong những người đầu tiên nhận ra rằng dạng sóng phức tạp là sự kết hợp của nhiều dạng sóng hình sin và đã khởi xướng nghiên cứu trong lĩnh vực này. Giải pháp toán học dùng để xác định chuỗi tần số tạo nên bất kỳ dạng sóng phức tạp nào được đặt tên để vinh danh ông và được gọi là biến đổi Fourier. Biến đổi Fourier ban đầu giả định một mẫu không giới hạn hoặc vô hạn. Kể từ đó, người ta đã xác định rằng biến đổi Fourier có thể được áp dụng cho dạng sóng hữu hạn và được gọi là biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Các thuật toán đã được phát triển để tính toán DFT hiệu quả và tốc độ cao; những thuật toán này được gọi là biến đổi Fourier nhanh (FFT).

Nói một cách đơn giản, FFT lấy một mẫu hữu hạn của dạng sóng thời gian, sau đó tính toán biên độ và tần số của các sóng hình sin được kết hợp với nhau để tạo ra dạng sóng phức tạp.

Các màn hình đồ họa của FFT được trình bày trong miền tần số và được gọi là phổ tần số. Phổ tần số hiển thị các tần số có trong dạng sóng phức tạp trên trục hoành và biên độ của tín hiệu trên trục tung. Nếu có đủ chuyển động ở bất kỳ tần số nào, một đường thẳng đứng sẽ được hiển thị trên trục hoành để biểu thị sự hiện diện của tần số đó. Chiều cao của đường thẳng đứng hoặc vạch quang phổ này biểu thị cường độ hoặc biên độ của dạng sóng ở tần số đó. Nếu một trong các sóng hình sin có ở dạng sóng phức tạp có tần số 30 Hz với biên độ 3 ampe thì đỉnh phổ sẽ được đặt ở tần số 30 Hz và độ cao sẽ đại diện cho ba đơn vị.

Có nhiều chương trình có sẵn để thực hiện FFT và nhà phân tích không bắt buộc phải thực hiện những chương trình này, nhưng nhà phân tích cần có hiểu biết cơ bản về chính màn hình đồ họa này. Những hiểu biết tối thiểu về màn hình FFT là dải tần, độ phân giải và băng thông. Phân tích nâng cao hơn có thể được thực hiện với sự hiểu biết về dải biên, sóng hài, tỷ lệ logarit và giải điều chế. Thông tin sau đây cố gắng cung cấp sự hiểu biết đầy đủ về các nguyên tắc FFT cơ bản này để cho phép người đọc phân tích chính xác dữ liệu được thu thập bằng ESA.

Hiểu FFT

Hiểu được giới hạn của bất kỳ màn hình nào là vô giá trong việc phân tích chính xác màn hình đó. FFT là một phép tính toán học và các giới hạn này được thiết lập trước khi thực hiện phép tính toán học. Những ranh giới này là dải tần số và đường phân giải.

Dải tần số

Dải tần số xác định các tần số sẽ được đưa vào tính toán FFT. Nếu dải tần đã chọn quá thấp, các lỗi ở tần số cao hơn sẽ bị bỏ qua. Nếu dải tần đã chọn quá cao, chuỗi tần số gần nhau có thể được kết hợp. Ngoài ra, dải tần số xác định thời gian thu thập dữ liệu. Tần số của tín hiệu tuần hoàn là nghịch đảo của thời gian; Dải tần số đã chọn càng thấp thì thời gian thực hiện thu thập dữ liệu càng lâu. Trong PdM, hầu hết các FFT đều bắt đầu ở DC (0 Hz) và tiếp tục đạt đến một giá trị tối đa nào đó. Dải tần số tối đa được gọi là Fmax. Để phân tích sâu hơn, có thể đặt giới hạn dưới của dải tần ở giá trị lớn hơn 0 Hz và một số giới hạn cao hơn. Điều này được gọi là phổ phóng to.

Nghị quyết

Ranh giới được xác định trước thứ hai là các đường phân giải. Mỗi phổ tần số được chia thành một số hữu hạn các vạch quang phổ. Vạch quang phổ thực ra là một cách gọi sai vì trên thực tế nó không phải là một vạch mà là một thùng quang phổ. Mỗi thùng quang phổ sẽ có giới hạn tần số cao và thấp. Các giới hạn này được xác định bởi dải tần số của FFT và số lượng đường truyền. Độ rộng của thùng quang phổ được gọi là băng thông (BW). Để xác định độ rộng của mỗi thùng quang phổ, chỉ cần chia số vạch quang phổ cho dải tần số (FR). Nếu dải tần là 100 Hz và có 100 vạch phổ thì độ rộng của mỗi vạch là 1 Hz.

BW = # dòng/FR

Băng thông của mỗi ngăn phổ cũng có thể được tính bằng cách trừ giới hạn tần số thấp (fl ) khỏi giới hạn tần số trên (fu ) của mỗi ngăn phổ.

BW = fu -fl

Mỗi ngăn quang phổ được căn chỉnh cạnh ngăn trước đó và giới hạn tần số dưới của mỗi ngăn là giới hạn tần số trên của ngăn trước. Giới hạn tần số trên sẽ là giới hạn dưới của thùng cộng với băng thông.

Ví dụ: Trong thùng phổ thứ nhất trong phổ 100 vạch có FR từ DC đến 100 Hz, giới hạn tần số dưới là 0 và giới hạn tần số trên là 1 Hz. BW của thùng quang phổ là 1 Hz. Sau đó, thùng thứ hai sẽ Dải tần số xác định các tần số sẽ được đưa vào phép tính biến đổi Fourier nhanh (FFT). Nếu dải tần đã chọn quá thấp, các lỗi ở tần số cao hơn sẽ bị bỏ qua. Ngày 20 tháng 6/ngày 12 tháng 7 chuyển từ 1 Hz lên 2 Hz, ngăn thứ ba từ 2 Hz đến 3 Hz, v.v., với ngăn phổ cuối cùng là 99 Hz đến 100 Hz.

Nếu băng thông của thùng quang phổ quá rộng thì nhiều tần số có thể nằm trong cùng một thùng quang phổ. Ngoài ra, khi đánh giá phổ tần số, tần số hiển thị của ngăn phổ là tần số trung tâm (cf) của ngăn phổ đó. Để xác định cf của thùng quang phổ, chỉ cần tính giá trị trung bình của giới hạn tần số trên và giới hạn tần số dưới.

cf = (fu + fl)/2

Điều này có nghĩa là tần số được chỉ định có thể không phải là tần số của tín hiệu thực tế. Giá trị tần số được hiển thị là tần số trung tâm của thùng quang phổ, trong khi tần số thực tế của (các) dạng sóng có thể là bất kỳ tần số nào trong băng thông của thùng quang phổ. Mỗi thùng quang phổ có thể bao gồm nhiều hơn một tần số. Băng thông càng rộng thì tần số giá trị hiển thị của thùng quang phổ càng kém chính xác và điều này làm tăng khả năng xảy ra lỗi phân tích.

Để giảm lỗi phân tích này, chỉ cần tăng độ phân giải của phổ FFT. Việc giảm dải tần số của FFT sẽ tăng độ phân giải nhưng cũng tăng cả khoảng thời gian giữa thời gian lấy mẫu dữ liệu và thời gian thu thập dữ liệu. Một phương pháp khác là tăng số lượng thùng phổ mà FFT được chia vào. Việc tăng số lượng thùng quang phổ đòi hỏi phải lấy nhiều mẫu tín hiệu đo được hơn. Để tăng gấp đôi số dòng có độ phân giải, phải thu được lượng dữ liệu gấp đôi.

Xác định độ phân giải

Số dòng có độ phân giải (# dòng) của phổ FFT có thể được xác định bằng cách nhân chu kỳ (P) của dạng sóng thời gian với dải tần số (FR) theo chu kỳ trên giây (cps).

(# dòng=P x FR)

Do ESA số hóa dạng sóng thời gian nên FFT được thực hiện trong máy tính, nơi có thể thay đổi độ phân giải FFT sau khi thu thập dữ liệu. Điều này cho phép nhà phân tích kiểm tra các phần rất nhỏ của dạng sóng thu được. Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là bằng cách giảm khoảng thời gian ghi lại, số dòng có độ phân giải sẽ giảm theo tỷ lệ và xác suất xảy ra lỗi phân tích sẽ tăng lên.

Hiển thị biên độ

Chia tỷ lệ tuyến tính

Hiển thị đồ họa được sử dụng phổ biến nhất của FFT là thang đo tuyến tính. Trên thang đo tuyến tính, khoảng cách giữa các điểm đánh dấu luôn bằng nhau và cách đều nhau. Điều này cho phép tất cả dữ liệu được hiển thị thuận tiện trên một biểu đồ. Hiển thị biểu đồ tuyến tính hoạt động tốt với các tập dữ liệu khi những thay đổi có ý nghĩa là quan trọng và những thay đổi rất nhỏ là không đáng kể. Đơn vị hiển thị trên thang đo tuyến tính là đơn vị kỹ thuật của biến đo. Trong ESA, các đơn vị này là điện áp (vôn) hoặc dòng điện (ampe).

Chia tỷ lệ logarit

Thang logarit hiển thị biên độ theo thứ tự độ lớn hoặc logarit của biến thay vì chính biến đó. Một ưu điểm của thang đo log là khả năng hiển thị một phạm vi biên độ rất lớn trên một biểu đồ. Khi những thay đổi rất nhỏ trong biến đo được là đáng kể, việc hiển thị biến ở định dạng tuyến tính có thể không xác định được đầy đủ sự thay đổi. Trong những trường hợp này, màn hình logarit (log) được sử dụng.

Trong ESA, thang đo log thường được sử dụng vì các biến đo được là điện áp hoặc dòng điện. Những thay đổi rất nhỏ trong một trong hai phép đo này được sử dụng để xác định lỗi trong hệ thống động cơ. Tần số sóng mang của các biến này bằng tần số của điện áp đặt vào, thường là 50 Hz hoặc 60 Hz.

Vì cách hiển thị logarit về cơ bản là một tỷ lệ nên đây cũng là một phương pháp rất thuận tiện để so sánh các biến khác nhau. Điều này đã được chứng minh là cực kỳ hữu ích trong ESA vì một trong những khía cạnh quan trọng của nó là khả năng tạo ra sự khác biệt. Cuộc cách mạng bắt đầu! Chỉ có $2,450! Cấp độ ALiSENSOR™ đã có mặt! Cấp độ ALiSENSOR™ là Hệ thống đo lường hình học iOS đầu tiên trên thế giới. Giờ đây, các phép đo như Độ thẳng, Độ nghiêng và Độ vuông góc thậm chí còn dễ dàng hơn và giá cả phải chăng hơn bao giờ hết! Bạn thậm chí có thể sử dụng iPad, iPhone hoặc iPod Touch của riêng mình làm Thiết bị hiển thị, sử dụng các Ứng dụng có thể tải xuống MIỄN PHÍ từ App Store, bao gồm cả các bản cập nhật tự động! Bảo hành 2 năm! Hãy gọi điện hoặc ghé thăm Alignment Supplies, Inc. ngay hôm nay để tìm hiểu thêm về hệ thống mới mang tính cách mạng này! 419.887.5890 / 800.997.4467 www.alignmentsupplies.com nằm giữa các lỗi về nguồn điện vào và các lỗi do động cơ hoặc máy được truyền động thêm vào.

Đơn vị được sử dụng trong thang đo log là decibel (db), là logarit có cơ số 10. db là đơn vị dùng để mô tả tỷ lệ. Các phép đo điện áp và dòng điện là đại lượng trường và tỷ lệ db được sử dụng trong ESA cũng là đại lượng trường. Bảng 1 cung cấp hướng dẫn về mối quan hệ của biến đo được và giá trị đỉnh của dạng sóng dòng điện và điện áp so với đỉnh cao nhất trong phổ.

Bản tóm tắt

Việc sử dụng ESA hiệu quả như một công nghệ PdM đòi hỏi khả năng thao tác, giải thích và hiểu các đồ thị, biểu đồ và hiển thị do phần mềm ESA phát triển. Những biểu đồ, biểu đồ và màn hình này sau đó được sử dụng để xác định lỗi trong hệ thống động cơ. Các kỹ sư và kỹ thuật viên PdM quen thuộc với phân tích rung động sẽ thấy rằng ESA FFT tương tự như phổ rung động và nhiều kỹ thuật phân tích cũng giống nhau. Tuy nhiên, ngay cả trong MVA, điều quan trọng là nhà phân tích phải hiểu rõ không chỉ FFT đang chỉ ra điều gì mà quan trọng hơn là nó không chỉ ra điều gì.