Система вибродиагностики SIPLUS CMS1200

Системы мониторинга состояния для ранней диагностики механических повреждений

Оборудование, которое НЕ вибрирует, не существует. Но когда вибрации приводят к повреждениям? И к какого рода повреждениям? А потом оборудование может неожиданно совсем выйти из строя?

Возможности мониторинга состояния

Мониторинг состояния с помощью SIPLUS CMS

Больше, чем мониторинг состояния двигателя!

Механические повреждения

Резонансные колебания
Повреждения подшипников
Ошибки выравнивания (несоосность)
Разбалансировка
Неисправность зубчатого зацепления
Частота вращения лопастей

Электрические неисправности

Ошибка поля статора
Поломка стержня ротора

SIPLUS CMS – методы анализа

Характеристический анализ

Недостаток:

Невозможность установить тип намечающегося повреждения
Необходимость дополнительной диагностики неисправностей

Преимущество:

Простая и быстрая реализация
Особые знания в области мониторинга состояния не требуются

Частотно-селективный анализ: принцип действия

Преимущества частотно-селективной диагностики:

Каждое механическое повреждение имеет собственный частотный спектр
Достаточно взглянуть на частотный спектр, чтобы существенно сузить круг причин повреждения
При поиске фактической причины ущерба число причин сводится к минимуму
Амплитуда позволяет определить степень повреждения и сделать выводы об оставшемся сроке службы. Решающую роль в этом случае играют опытные данные, полученные операторами

Преимущество:

Простая и быстрая реализация
Распознавание вида повреждения -> упрощение выявления неисправностей
Обнаружение электрических неисправностей

Неисправности зубчатого зацепления: инжиниринг + проектирование с помощью центрального процессора SIMATIC S7-1200 и веб-интерфейса SM 1281

Экспертный инженерный анализ с помощью аналитического программного обеспечения, например, CMS X-Tools

Событийно управляемая запись (триггер)

ообщение «Обнаружена неисправность зубчатого зацепления»: запись + сохранение исходных данных канала датчика

1. Вывод исходных данных:

вручную через FTP
через FTP, событийно управляемый

2. Потоковая передача исходных данных онлайн в CMS X-Tools

Преимущество:

Возможность использовать исходные данные для моделей анализа, точно соответствующих передаточному механизму.

Обобщим три метода анализа для мониторинга состояния

Немного теории вибродиагностики. Примеры типичных спектров

Разбалансировка

Заметная амплитуда частоты вращения в горизонтальном и вертикальном направлении измерения

Ошибка выравнивания

Первая и вторая/третья частота вращения ощутимо увеличиваются. Увеличение зависит от направления измерения, от направления ошибки выравнивания.

При жестком соединении (красная линия): Увеличиваются первая и вторая частота вращения

При упругом соединении (желто-зеленая линия): Увеличиваются первая и третья частота вращения

Первая и вторая частота вращения ощутимо увеличиваются, как правило, во всех направлениях измерения (по горизонтали, по вертикали и по оси).

Механическое ослабление

Первая частота вращения практически отсутствует, отчетливо заметны кратные (прежде всего, двойная частота вращения).

Ошибка поля статора

Возможные причины:

Расположение ротора вне центра
Короткое замыкание в обмотке
Несимметричное питание
Ошибка переключения в обмотке

Повышенный уровень двойной частоты сети. Для прямого подключения частота сети составляет 50/60 Гц. При использовании частотного преобразователя частота варьируется.

Ошибка поля ротора

Возможные причины:

Поломка стержня
Ослабление стержня
Нарушение соединения между стержнем и короткозамыкающим кольцом

На эти неисправности указывают:

Частота следования стержня с боковыми полосами двойной частоты сети
Двойная частота сети с боковыми полосами частоты скольжения

Частота вращения лопастей

Частота вращения лопастей представляет собой произведение количества лопастей рабочего колеса и частоты вращения.

Дефект находится на корпусе.

При увеличении амплитуды частоты вращения лопастей каждая лопасть рабочего колеса создает пик вибрации, например, когда каждая лопасть рабочего колеса проходит мимо дефекта на корпусе и испытывает ударное возбуждение вследствие короткого колебания давления.

ВНИМАНИЕ:

Не путать с разбалансировкой! При разбалансировке точка на вращающейся части создает вибрацию на частоте вращения, например, если вследствие отложения материала на лопасти рабочего колеса возникает асимметричное распределение массы по направлению к центру.

Возможные причины:

Вихревые потоки, турбуленция
Неправильно рассчитанное давление всасывания
Неточная настройка регулируемых лопастей
Увеличенная амплитуда частоты вращения лопастей

Неисправность зубчатого зацепления

Спектры передаточного механизма включают в себя множественные частоты и их гармоники, в том числе с боковыми полосами. Эти частоты зависят от геометрии зубьев.

Повреждения в ременных передачах

Повреждение наружного кольца шарикового подшипника

Повреждение наружного кольца

Часто повреждение сначала возникает в желобе наружного кольца. Анализ с помощью огибающей кривой, как правило, позволяет обнаруживать такие дефекты за несколько месяцев до наступления критического состояния.

В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена без модуляции.

Повреждение внутреннего кольца шарикового подшипника

Повреждение внутреннего кольца

Анализ с помощью огибающей кривой, как правило, позволяет обнаруживать такие дефекты за несколько недель до наступления критического состояния.

Повреждение внутреннего кольца периодически появляется в зоне нагрузки. Поэтому в спектре огибающей кривой частота повреждения представлена боковыми полосами на расстоянии частоты вращения fвращ.

Повреждение сепаратора шарикового подшипника

Повреждение сепаратора подшипника

В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена без модуляции. Повреждение сепаратора подшипника, как правило, в течение чрезвычайно короткого времени приводит к выходу подшипника из строя. Онлайн-мониторинг возможен, время реакции на повреждение ограничено.

Повреждение тела качения шарикового подшипника

Повреждение тела качения

Повреждение тела качения в течение чрезвычайно короткого времени приводит к выходу подшипника из строя.

В спектре огибающей кривой частота повреждения представлена боковыми полосами на расстоянии частоты вращения сепаратора подшипника. На практике в спектре огибающей кривой наиболее заметны пики 2-го, 4-го, 6-го и т. д. порядка.

SIPLUS CMS 1200 - система мониторинга состояния. Обзор основного модуля системы вибродиагностики SM 1281

Модуль системы вибродиагностики - SM 1281

Функции

Диагностика на основе показателей
Частотно-селективная диагностика
Вывод исходных данных
Полная интеграция в SIMATIC S7-1200 и веб-интерфейс для работы со встроенным программным обеспечением

Подключения

До 4 датчиков вибраций (IEPE/ISP) на модуль
Опциональный вход для датчика скорости вращения (индуктивный или оптический датчик приближения)
встроенный 2-х портовый коммутатор Ethernet (очень удобная вещь!)
Электропитание 24 В постоянного тока, потребляемый ток 200мА

Принцип работы

Одновременно считываются и обрабатываются данные 4 каналов IEPE/ISP и датчика скорости
Расчеты выполняются непрерывно.

Диагностика

Получение данных для вибромониторинга с помощью SIMATIC S7-1200 и TIA Portal
Частотно-селективная диагностика с помощью интегрированного веб-сервера

Преимущества

Не требуется дополнительное программное обеспечение для диагностики и визуализации спектров и трендов вибраций

Требования к аппаратному обеспечению

Примечание: SM1281 поддерживается с версии микропрограммного обеспечения V4.1 для ЦПУ S7-1200

SIPLUS CMS1200: Методы анализа

Характеристический анализ

Мониторинг вибраций оборудования на основе показателей

Простая визуализация, например, с помощью светофора
Анализ кривых развития

Проектирование на TIA Portal + анализ с помощью интегрированного программного обеспечения

Частотно-селективный анализ

Частотно-селективная диагностика вибраций оборудования и подшипников

Визуализация спектра с помощью браузера
Интегрированная система сообщений

Проектирование на TIA Portal/веб-интерфейс SM 1281+ анализ с помощью интегрированного программного обеспечения.

Экспертный анализ

Пример интерфейса ПО X-Tools

Потоковая передача данных онлайн/вывод исходных данных из SIPLUS CMS1200 в X-Tools

X-Tools мощное ПО (по существу серверная SCADA система для вибродиагностики).

Обширная библиотека модулей анализа с возможностью графической коммутации
Индикация данных измерений и анализа
Быстрая и гибкая архивация
Многопользовательский режим (архитектура «клиент-сервер»)
Открытый программный интерфейс для систем SCADA и других программ с помощью OPC UA
Поддержка дистанционного сервисного обслуживания (например, cRSP)
Исполнительная платформа на базе стандартного ПК с операционной системой Windows

Проектирование с помощью независимого аналитического программного обеспечения, например CMS X-Tools. Анализ исходных данных: онлайн или офлайн

Практический пример. Мониторинг вентиляторов

Для чего необходим мониторинг вентилятора?

Мониторинг вентиляторов используется, например:

на линиях нанесения лакокрасочных покрытий для обеспечения качества покрытия
в разнообразных вытяжных установках

Соблюдаются следующие ключевые характеристики

Мощность электродвигателя: 20 кВт
Скорость вращения двигателя: 2970 об/мин
Высота оси 100 мм
Количество лопастей вентилятора: 30
Количество стержней ротора: 17
Вентилятор находится в корпусе
Вентилятор и двигатель соединены напрямую
Вентилятор поддерживается двумя подшипниками
Неподвижный фундамент
Вентилятор впервые введен в эксплуатацию

Предварительные вопросы

Определить потребность в аппаратном обеспечении помогут следующие вопросы:

Какие компоненты подлежат мониторингу?
Какие механические повреждения могут возникнуть?
Какие электрические повреждения могут возникнуть?
Какие датчики необходимы?
Какое количество датчиков потребуется?
Где необходимо установить датчики?

Определить возможные настройки мониторинга помогут следующие вопросы:

Какой мониторинг необходим: на основе показателей, частотно-селективный или оба вида мониторинга?
Какие виды частоты повреждений будут определяться системой, а какие могут/должны определяться путем вычислений?

Вопросы по мониторингу

Какие компоненты подлежат мониторингу?
Двигатель + вентилятор

Какие механические повреждения могут возникнуть?

Разбалансировка
Ошибка выравнивания муфты
Механическое ослабление / неправильная установка
Частота вращения лопастей •Повреждение всех подшипников

Какие электрические повреждения могут возникнуть?

Поломка стержня ротора + ошибка поля в статоре

Рациональные настройки мониторинга вентилятора

Мониторинг на основе показателей, частотно-селективный или оба вида мониторинга?

Чтобы упростить обнаружение места повреждения, следует совместить мониторинг на основе показателей и частотно-селективный мониторинг.

Какие виды частоты повреждений будут определяться системой, а какие могут/должны определяться путем вычислений?

На основе зарегистрированного числа оборотов система определяет и автоматически фиксирует частоту вращения.
Возможен и должен проводиться расчет частоты вращения лопастей и частоты стержня ротора

Варианты расположения датчиков и определяемые показатели

Датчик вибрации в подшипниковом щите неприводного конца вала

Датчик вибрации в подшипниковом щите приводного конца вала

Датчик вибрации в щите подшипника механизма со стороны электродвигателя

Датчик вибрации в щите подшипника механизма на конечном механическом звене.

Рекомендации по максимальной конфигурации

Максимальная конфигурация установленных датчиков вибрации

С учетом датчика скорости вращения

Благодаря контроллеру S7-1200 с различными модулями можно обеспечить контроль не только вибрации , но и других показателей механизма.

Например для определения рабочей точки вентилятора необходимы две характеристические кривые:

Характеристическая кривая устройства

Характеристическая кривая устройства демонстрирует взаимозависимость объемного расхода и увеличения давления. Потери давления растут приблизительно квадратично объемному расходу.

Характеристическая кривая вентилятора

Каждый вентилятор имеет собственную характеристическую кривую, которая измеряется на испытательном стенде изготовителя и является частью технической документации вентилятора.

При построении характеристической кривой вентилятора и характеристической кривой устройства на одной диаграмме точка их пересечения является рабочей точка вентилятора
Рабочая точка C получается в случае абсолютно свободного, беспрепятственного прохождения потока через вентилятор
Рабочая точка D получается в случае, если вентилятор полностью блокирован
Мониторинг объема подачи и давления позволяет определить, смещается ли рабочая точка
Смещение рабочей точки позволяет сделать вывод об износе лопастного колеса, о наличии засора в трубах или о том, открыты или закрыты клапаны

Определение предельных показателей ГОСТ 10816-3

SIPLUS CMS1200: Реализация на практике

Структура системы, проектирование, параметры для диагностики на основе показателей

Структура системы, проектирование, параметры для частотно-селективной диагностики

Собственная сеть Ethernet для SM 1281

Возможность построить собственную изолированную сеть передачи диагностических данных позволяет легко разделить сеть систем управления производствам и автоматизации и сеть данных диагностики.

-> Обеспечение подробной диагностики без нагрузки на производственную сеть. Отсутствие киберугроз на сеть управления производством.

Примечание: при необходимости сети можно соединить, например, для режимов наладки.

Встроенный сервер OPC UA

Благодаря встроенному серверу OPC UA данные с системы вибродиагностики CMS1200 можно самым простым способом интегрировать в любые информационные системы, например системы ТОиР.

Структура интерфейса OPC UA

Структура интерфейса OPC UA

Сервер OPC-UA может обслуживать до пяти клиентов OPC-UA. Все параметры интерфейса доступны только для чтения. Не требует настройки, работает "прямо из коробки".

Используемый TCP-порт — порт для обмена данными OPC-UA по умолчанию: 4840.

На SM1281 этот порт не имеет возможности настройки конфигурации.

Информация для заказа CMS1200: SM 1281

SIPLUS CMS1200 SM1281 модуль мониторинга - 6AT8007-1AA10-0AA0
Виброакселлерометр SIPLUS VIB-Sensor S02 -10мВ/g (1,0Гц…15кГц макс. 500g) - 6AT8008-2AA00-0AA0
Виброакселлерометр SIPLUS CMS VIB-SENSOR S01 - 100мВ/g (0,5Гц…15кГц макс.50g) - 6AT8002-4AB00
Виброакселлерометр SIPLUS CMS VIB-SENSOR S03 - 500мВ/g (0,2Гц… 3кГц макс.10g) - 6AT8008-2AA02-0AA0
Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-300 (3м) - 6AT8002-4AC03
Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-1000 (10м) - 6AT8002-4AC10
Кабель датчика SIPLUS CMS CABLE-MIL-3000 (30м) - 6AT8008-2BA12-0AA0
SIPLUS CMS1200 SM1281 комплект из 4-х кабельных зажимов для экрана кабелей - 6AT8007-1AA20-0AA0

Контроллер, дополнительные цифровые и аналоговые входа/выхода выбираются в зависимости от задачи.