Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej

ghost666 19 Paź 2020 09:34 1467 0
  • Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej
    Monitorowanie oparte na stanie (CbM) obejmuje monitorowanie maszyn lub zasobów za pomocą czujników do pomiaru aktualnego stanu urządzenia. Konserwacja predykcyjna (PdM) obejmuje połączenie technik, takich jak CbM, uczenia maszynowego i analityki, w celu przewidywania nadchodzących awarii maszyn lub innych urządzeń. Podczas monitorowania stanu maszyny niezwykle ważne jest, aby wybrać najbardziej odpowiednie czujniki, aby zapewnić wykrycie, zdiagnozowanie, a nawet przewidywanie nadchodzących usterek. Obecnie istnieje wiele czujników pozwalających na wykrywanie usterek maszyn mechanicznych i ich obciążeń. Ostatecznym celem tych zabiegów jest uniknięcie nieplanowanych przestojów. Stworzenie rankingu dla każdego pojedynczego czujnika jest trudne, ponieważ techniki PdM są stosowane w wielu maszynach wirujących (silniki, przekładnie, pompy i turbiny) i urządzenia nieobrotowe (zawory, wyłączniki i kable).

    Wiele silników przemysłowych jest zaprojektowanych do pracy przez do 20 lat w zastosowaniach ciągłego obciążenia, takich jak zakłady chemiczne czy spożywcze oraz zakłady energetyczne, ale niektóre silniki nie osiągają przewidywanego okresu eksploatacji. Może to być spowodowane samą pracą silnika, niewystarczającymi programami konserwacji, brakiem inwestycji w systemy PdM lub brakiem systemu PdM w ogóle. Zastosowanie PdM umożliwia zespołom konserwacyjnym planowanie napraw i unikanie nieplanowanych przestojów. Wczesne przewidywanie usterek maszyny za pomocą PdM może również pomóc inżynierom utrzymania ruchu w identyfikacji i naprawie silników pracujących nieefektywnie, umożliwiając zwiększenie wydajności, produktywności, dostępności i żywotności zasobów.

    Najlepsza strategia PdM to taka, która efektywnie wykorzystuje jak najwięcej technik i czujników do wczesnego wykrywania usterek z dużą dozą pewności. Nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania. Artykuł ten ma na celu wyjaśnienie, dlaczego czujniki do konserwacji predykcyjnej są niezbędne do wczesnego wykrywania usterek w zastosowaniach PdM, a także przybliżenie ich mocnych i słabych stron.

    Oś czasu błędów systemu

    Rysunek 1 przedstawia symulowaną oś czasu zdarzeń od instalacji nowego silnika do jego awarii, wraz z zalecanym typem czujnika konserwacji zapobiegawczej. Nowy silnik jest objęty gwarancją. Po kilku latach gwarancja wygaśnie i to właśnie w tym momencie wdrożony będzie system częstych kontroli ręcznych.

    Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej
    Rys.1. Stan maszyny w funkcji czasu.


    Jeśli usterka pojawi się między zaplanowanymi przeglądami konserwacyjnymi, istnieje prawdopodobieństwo nieplanowanego przestoju. W tym przypadku niezwykle ważne staje się posiadanie odpowiedniego czujnika do konserwacji predykcyjnej, który wykrywa potencjalne usterki tak wcześnie, jak to tylko możliwe. Z tego powodu w artykule tym skupimy się na czujnikach drgań i czujnikach akustycznych. Analiza drgań jest ogólnie postrzegana jako najlepszy punkt wyjścia do PdM.

    Czujniki do konserwacji predykcyjnej

    Niektóre czujniki mogą wykrywać pewne usterki, takie jak uszkodzenia łożysk, znacznie wcześniej niż inne, jak pokazano na rysunku 1. W sekcji tej omówiono czujniki najczęściej używane do wykrywania usterek w możliwie najwcześniejszym momencie - akcelerometry i mikrofony. Tabela poniżej przedstawia listę czujników i niektórych usterek, które mogą wykrywać. Większość systemów PdM wykorzystuje tylko niektóre z tych czujników, dlatego konieczne jest zapewnienie dokładnego zrozumienia potencjalnych usterek oraz czujników, które najlepiej nadają się do ich wykrywania.

    PomiarSensorKluczowe informaceMonitorowane awarie
    WibracjeAkcelerometry piezoelektryczneNiski szum, częstotliwości do 30 kHz, często stosowany w systemach monitorowaniaStan łożysk i przekładni, kawitacja pomp, niedpasowanie i niezbalansowanie elementów mechanicznych, przeciażenie
    WibracjeAkcelerometry MEMSNiski koszt, pobór prądu i rozmiar. Częstotliwości do 20 kHzStan łożysk i przekładni, kawitacja pomp, niedpasowanie i niezbalansowanie elementów mechanicznych, przeciażenie
    Ciśnienie dźwiękuMikrofonNiski koszt, pobór prądu i rozmiar. Częstotliwości do 20 kHzStan łożysk i przekładni, kawitacja pomp, niedpasowanie i niezbalansowanie elementów mechanicznych, przeciażenie
    Ciśnienie dżwiękuMikrofon ultradźwiękowyNiski koszt, pobór prądu i rozmiar. Częstotliwości do 100 kHzWycieki, stan łożysk i przekładni, kawitacja pomp, niedpasowanie i niezbalansowanie elementów mechanicznych
    Prąd silnikaPrzekładnik prądowy lub bocznikNiski koszt, nieinwazyjny pomiar na liniach zasilania silnikaEkscentryczność rotora, problemy z uzwojeniem, klatką, niezbalansowanie zasilania i problemy z łożyskami
    Pole magnetyczneCzujnik Halla, magnetometr, cewka pomiarowaNiski koszt, częstotliwość do 250 Hz, stabilność termicznaPierścienie zwierające i pręty klatki
    TemperaturaTermografia IRWysoka cena, ale możliwość mierzenia wielu temperatur narazZmiany temperatury spowodowane tarciem, zmianami obciążenia, zbyt częstym rozruchem czy problemami z zasilaniem
    TemperaturaTermistor, termopara, sensory cyfroweNiski koszt, wysoka dokładnośćZmiany temperatury spowodowane tarciem, zmianami obciążenia, zbyt częstym rozruchem czy problemami z zasilaniem
    Jakość olejuCzujnik cząsteczek zawieszonychLepkość, zawieszone cząsteczki, zanieczyszczeniaWykrywa zanieczyszczenia od zużycia mechanicznego


    Uwagi dotyczące czujnika i usterki systemu

    Ponad 90% maszyn z elementami obracającymi się w zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych wykorzystuje łożyska toczne. Rozmieszczenie uszkodzonych elementów silnika pokazano na rysunku 2, na którym widać, że przy wyborze czujnika PdM ważne jest, aby skupić się na monitorowaniu łożysk. Aby wykrywać, diagnozować i przewidywać ich potencjalne usterki, czujnik drgań musi charakteryzować się niskim poziomem szumów i szerokim pasmem przenoszenia.

    Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej
    Rys.2. Rozkład typów awarii elementów silnika.


    Tabela poniżej przedstawia niektóre z najczęstszych usterek związanych z maszynami wirującymi i niektóre odpowiadające im wymagania dotyczące czujników drgań do stosowania w aplikacjach PdM. Aby jak najwcześniej wykryć usterki, systemy PdM zazwyczaj wymagają czujników o wysokich parametrach. Parametry czujników do konserwacji predykcyjnej, są zazwyczaj skorelowane z tym, jak krytyczne jest zachowanie danego zasobu w dobrej kondycji i z wartością samego systemu.

    Wymagania sensoraNajczęstsze awarie
    NiezbalansowanieNiedopasowanieDefekty łożyskDefekt zębatek
    Szum niski do średniego (>100 µg/√Hz)TAKTAK
    Niski szum (<100 µg/√Hz)TAKTAK
    Pasmo od 5× do 10× częstotliwości podstawowejTAKTAK
    Pasmo > 5 kHzTAKTAK
    Pomiar wieloosiowyüTAK
    Dobra odpowiedź niskoczęstotliwościowa dla systemów o powolnych obrotachTAK
    Wysoki zakres pomiarowyTAK


    Ilość energii w wibracjach czy ruchu elementów (wartość szczytowa, wartość międzyszczytowa i średnia wartość skuteczna) silnika pozwala między innymi określić, czy maszyna jest niewyważona lub źle ustawiona. Niektóre usterki, takie jak wady łożysk lub przekładni, nie są tak oczywiste, zwłaszcza na wczesnym etapie, i nie można ich zidentyfikować ani przewidzieć na podstawie samego wzrostu poziomu wibracji. Usterki te zazwyczaj wymagają precyzyjnego czujnika drgań do konserwacji zapobiegawczej. Musi on charakteryzować się niskim poziomem szumów (<100 µg/√Hz) i szerokim pasmem (> 5 kHz) w połączeniu z wydajnym łańcuchem sygnałowym, transceiverami i przetwarzaniem.

    Czujniki wibracji, dźwiękowe i ultradźwiękowe do monitorowania warunkowego

    Mikrofony wykorzystujące systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) zawierają element MEMS na płytce drukowanej, zwykle umieszczonej w metalowej obudowie z dolnym lub górnym portem, aby umożliwić pomiar ciśnienia akustycznego. Mikrofony MEMS są niedrogie, bardzo małe i zapewniają skuteczne sposoby na wykrywania usterek maszyn, monitorowanie stanu łożysk, zazębianie się przekładni, kawitacji pompy, niewspółosiowości i niewyważenia osi. To sprawia, że mikrofony MEMS są idealnym wyborem do zastosowań zasilanych bateryjnie. Mogą znajdować się w znacznych odległościach od źródła hałasu i są zupełnie nieinwazyjne. Gdy pracuje wiele zasobów, czułość mikrofonu może być mniejsza z uwagi na ilość hałasu z innych maszyn lub czynników środowiskowych, takich jak brud czy wilgoć, które mogą się dostać do otworu portu mikrofonu.

    Większość kart katalogowych mikrofonów MEMS nadal wymienia stosunkowo typowe aplikacje, takie jak terminale mobilne, laptopy, urządzenia do gier i kamery itp. jako typowe. Niektóre jednak wymieniają wykrywanie wibracji lub PdM jako ich potencjalne zastosowania, ale wspominają również, że czujniki są wrażliwe na wstrząsy mechaniczne i ich niewłaściwa obsługa może spowodować trwałe uszkodzenie. Inne dokumenty na temat mikrofonów MEMS podają odporność na wstrząsy mechaniczne do 10000 g. Nadal brak jest jasności co do tego, czy i które z tych czujników nadają się do pracy w bardzo trudnych warunkach w obecności potencjalnych wstrząsów.

    Wykorzystanie mikrofonu ultradźwiękowego umożliwia monitorowanie stanu silnika nawet w skomplikowanych obiektach, w obecności zwiększonego słyszalnego hałasu, ponieważ nasłuchuje on dźwięków w pasmie niesłyszalnym dla człowieka (od 20 kHz do 100 kHz), gdzie jest znacznie mniej zakłóceń. Długości fali sygnałów dźwiękowych o niskiej częstotliwości zwykle mieści się w zakresie od około 1,7 cm do 17 m długości. Długość fali sygnałów o wysokiej częstotliwości waha się od około 0,3 cm do 1,6 cm. Wraz ze wzrostem częstotliwości fali wzrasta jego energia, przez co ultradźwięki są bardziej ukierunkowane. Jest to niezwykle przydatne, gdy próbuje się zlokalizować awarię łożyska lub innego elementu mechanicznego.

    Akcelerometry są najczęściej stosowanym czujnikiem drgań, a analiza drgań jest najczęściej stosowaną techniką PdM, głównie w dużych urządzeniach wirujących, takich jak turbiny, pompy, silniki czy skrzynie biegów. Tabele poniżej przedstawiają niektóre kluczowe specyfikacje do rozważenia, przy wyborze czujników wibracji i sensorów akustycznych MEMS, porównane ze „złotym standardem” – piezoelektrycznym czujnikiem drgań. Dane w każdej kolumnie są reprezentatywne dla odchylenia min/max w ramach danej kategorii i nie są skorelowane z sąsiednimi kolumnami.

    SensorKoszt (przy zakupie 1000 sztuk)Pasmo -3 dBOdpowiedź stałoprądowaSzum/SNRPotencjakny czas pracy na bateriiSelf-Test
    Akcelerometr piezoelektryczny$25 - $500+od 2,5 kHz do 30 kHzNieod <1 µg/√Hz do 50 µg/√HzKrótki do średniegoNie
    Akcelerometr MEMS$10 - $30od 3 kHz do ponad 20 kHzTakod <25 µg/√Hz do 100 µg/√HzSredni do długiegoTak
    Mikrofon MEMS<$1 - $220 kHzNie57 dB do 74 dBDługiNie
    Ultradźwiękowy czujnik MEMS<$1 - $2100 kHzNie65 dBDługiNie


    SensorRozmiarLiczba OsiObudowa odporna na wibracjeStadardowy interfejsZinetgrowane dodatkowe funkcjeMontaż mechanicznyOdporność środowiskowa
    Akcelerometr piezoelektrycznyŚredni1 do 3TakTakNieTakDoskonała
    Akcelerometr MEMSMały/Średni1 do 3TakTakTakTakDoskonała
    Mikrofon MEMSMały 1NieNieNiePomiar bezkontaktowyDobra
    Mikrofon ultradźwiękowyMały1NieNieNiePomiar bezkontaktowyDobra


    Sektor CbM może jeszcze znacznie się rozwinąć w ciągu najbliższych pięciu lat, a instalacje bezprzewodowe będą stanowić znaczną część tego rozwoju. Akcelerometry piezoelektryczne są mniej odpowiednie dla bezprzewodowych systemów CbM ze względu na duży rozmiar, brak zintegrowanych funkcji cyfrowych i relatywnie duży pobór prądu, jednakże istnieją rozwiązania o typowym zużyciu energii w zakresie od 0,2 mA do 0,5 mA. Akcelerometry i mikrofony MEMS doskonale nadają się do systemów PdM zasilanych bateryjnie ze względu na ich BARDZO mały rozmiar, niewielkie zużycie mocy i wysokie parametry.

    Wszystkie czujniki mają odpowiednią szerokość pasma i niski poziom szumów, ale akcelerometry MEMS są jedynymi czujnikami, które mogą oferować czułość aż sygnału stałego (0 Hz, DC), co przydatne jest do wykrywania niewyważenia przy bardzo niskich prędkościach obrotowych i detekcji pochylenia. Akcelerometry MEMS mają również wbudowana funkcję autotestu, dzięki której można zweryfikować, czy czujnik działa poprawnie. Może się to okazać przydatne w instalacjach krytycznych dla bezpieczeństwa - spełnienie norm jest łatwiejsze dzięki możliwości sprawdzenia, czy czujnik nadal działa.

    Możliwe jest całkowicie hermetyczne zamknięcie akcelerometrów MEMS w obudowach ceramicznych, podobnie jak zamknięcie akcelerometrów piezoelektrycznych w obudowach do użytku w trudnych, brudnych warunkach. Tabela powyżej skupia się na fizycznych, mechanicznych i środowiskowych właściwościach niektórych czujników. Można dostrzec tutaj kluczowe różnice między każdym czujnikiem, takie jak poziom integracji, odporność na trudne warunki pracy, parametry mechaniczne i możliwość mocowania do elementów obracającej się maszyny.

    Pomiar amplitudy drgań w trzech osiach zapewnia więcej informacji diagnostycznych i może prowadzić do lepszego wykrywania zbliżających się awarii. Chociaż nie jest to konieczne w każdej instalacji PdM, jest to wyraźna zaleta oferowana przez akcelerometry piezoelektryczne i MEMS jeśli chodzi o jakość dostarczanych danych, ilość wymaganego okablowania i oszczędności miejsca.

    Mikrofony MEMS wykazały zniekształcenia dochodzące do –8 dB, gdy były wystawione na podwyższoną wilgotność przez dłuższy czas. Chociaż nie jest to wyraźna słabość, warto rozważyć, czy aplikacja PdM pracować będzie w trudnym środowisku o wysokiej wilgotności. W takich przypadkach elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM) mają przewagę nad mikrofonami MEMS. Inne warunki środowiskowe, które mogą wpływać negatywnie na mikrofony, to wiatr, ciśnienie atmosferyczne, pole elektromagnetyczne i wstrząsy mechaniczne.

    W korzystnych warunkach mikrofony MEMS oferują doskonałe parametry w zastosowaniach PdM. Obecnie brakuje informacji na temat sprawowania się mikrofonów MEMS w trudnych warunkach pracy z nadmiernymi wibracjami, zabrudzeniami czy wilgocią. Wibracje mogą wpływać negatywnie na działanie mikrofonów MEMS i jest to obszar, który wymaga badań; jednak mają niższą wrażliwość na wibracje niż klasyczne mikrofony ECM. Jeśli bezprzewodowe rozwiązanie PdM ma wykorzystywać mikrofon MEMS, obudowa tego modułu musi mieć otwór lub port, aby sygnał akustyczny mógł dotrzeć do czujnika, co dodatkowo komplikuje projekt i potencjalnie czyni inną elektronikę w systemie podatną na brud lub wilgoć.

    Najnowsze postępy w technologii pojemnościowych akcelerometrów MEMS umożliwiły stworzenie małych, tanich i energooszczędnych bezprzewodowych rozwiązań CbM w systemach o niższym priorytecie, co pozwala na lepszy wgląd w diagnostykę, zarządzanie elementami i utrzymanie krytycznego czasu pracy systemu. Udoskonalenia te spowodowały również, że akcelerometry MEMS zbliżyły się do parametrów elementów piezoelektrycznych wykorzystywanych w bardziej tradycyjnych, przewodowych systemach CbM. Przy tak niskim poziomie szumów i szerokim pasmie, w połączeniu ze standardowymi połączeniami (ICP i IEPE), akcelerometry piezoelektryczne są od dziesięcioleci złotym standardem w pomiarach drgań. Akcelerometry MEMS zostały przystosowane do współpracy ze standardowymi modułami IEPE, jak pokazano na rysunku 3. Obwód konwersji jest oparty na obwodach z projektu referencyjnego, dostępnego tutaj. Obwód ten został zaprojektowany na specjalnej płytce drukowanej, która została scharakteryzowana do pracy w szerokim paśmie i jest gotowa do integracji mechanicznej w module na późniejszym etapie.

    Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej
    Rys.3. Akcelerometr MEMS w module IEPE z PCB umożliwiający modernizację poprzez wykorzystanie elementów z rodziny ADXL100x w systemach CbM w modułach mechanicznie kompatybilnych z IEPE.


    Urządzenie pokazane na rysunku 4 zawiera trzy jednoosiowe akcelerometry MEMS, trzy przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), procesor i pamięć oraz posiada zaimplementowane algorytmy. Wszystko to w module o częstotliwości rezonansu mechanicznego powyżej 50 kHz. Podkreśla to zdolność akcelerometrów MEMS do integracji pewnej inteligencji już w czujniku, zapewniając, że czujnik jest sparowany z najlepszym łańcuchem sygnałowym i zdolnościami do przetwarzania danych, zapewniających najwyższy poziom pracy systemu. Moduł taki może realizować obliczenia FFT, wyzwalać alarmy na podstawie zmian w dziedzinie czasu lub częstotliwości oraz generować statystyki w dziedzinie czasu, niezbędne dla algorytmów uczenia maszynowego do przewidywania awarii.

    Jak wybrać odpowiednie sensory do systemu konserwacji predykcyjnej
    Rys.4. Trójosiowy moduł MEMS do systemów CbM ze zintegrowanym ADC, procesorem, FFT i statystyką, a także moduł mechaniczny z częstotliwością rezonansową powyżej 50 kHz.


    Jeśli chodzi o wybór najbardziej odpowiedniego czujnika drgań do systemu PdM, prawdziwym wyzwaniem jest dobór czujników, aby sprostać najbardziej prawdopodobnym potencjalnym trybom awarii monitorowanych urządzeń.

    Nie wykazano jeszcze, że mikrofony MEMS są wystarczająco wytrzymałe, aby niezawodnie wykrywać wszystkie tryby awarii w najtrudniejszych warunkach, podczas gdy standardy branżowy w zakresie wykrywania drgań – akcelerometry – są z powodzeniem wdrażane i niezawodnie stosowane od dziesięcioleci. Mikrofony ultradźwiękowe MEMS wykazały obiecujące parametry w wykrywaniu uszkodzeń łożysk wcześniej niż akcelerometry, a ta potencjalna symbiotyczna zależność może zapewnić najlepsze rozwiązanie PdM dla potrzeb analizy drgań Twojego zasobu w przyszłości.

    Chociaż trudno jest polecić konkretny pojedynczy czujnik drgań do stosowania w systemie PdM, tp akcelerometry mają długą historię i wciąż ewoluują i doskonalą się. Analog Devices oferuje szeroką gamę akcelerometrów MEMS od elementów ogólnego przeznaczenia, z niskim poborem mocy, niskim poziomem szumów, wysoką stabilnością i szerokim zakresem pomiarowym do inteligentnych modułów dla węzłów brzegowych, jaki pokazany jest na rysunku 4. ADcmXL3021 to tylko jeden z przykładów dedykowanego rozwiązania modułu PdM. Firma Analog Devices jako pierwsza wprowadziła na rynek rodzinę akcelerometrów MEMS dla systemów PdM (szerokość pasma ponad 20 kHz, gęstość szumów 25 μg/√Hz) i pozostaje jedynym dostawcą akcelerometrów MEMS o tak dobrych parametrach.

    Analog Devices nadal jest liderem w dostarczaniu czujników, rozwiązań w zakresie łańcuchów sygnałowych, modułów mechanicznych, platform, algorytmów uczenia maszynowego, platform oprogramowania sztucznej inteligencji i całościowych rozwiązań systemowych umożliwiających przewidywanie stanu maszyny, nawet w najtrudniejszych warunkach.

    Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę analog.com/CbM lub napisz na adres CIC.EMEA(malpa)analog.com.

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 10075 postów o ocenie 8341, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • HelukabelHelukabel