Комплексы вибродиагностики электроэнергетического оборудования и приводных машин

Одним из наиболее критических аспектов функционирования промышленных предприятий любого рода, в том числе электростанций, является поддержание работоспособного состояния используемых машин и механизмов.

Как показано в ряде статей, например, [1], [2], постоянный вибрационный контроль в форме непрерывного мониторинга или же периодических исследований является широко распространенным и хорошо себя зарекомендовавшим средством определения степени износа машин и наличие повреждений механизмов: генераторов, вентиляторов, дымососов, а именно подшипников в деталях опор валов, муфт, приводных ремней, зубчатых передач редукторов и мультипликаторов, лопаток турбин и т.д.

Для проведения вибрационного контроля используются специальные программно-аппаратные комплексы, такие как приборы ВС-357 и ВС-311, показанные на рисунке ниже.

Оборудование для проведения вибродиагностического исследования: ВС-357(слева) и ВС-311(справа)

В данной статье рассматриваются состав и структура аппаратной части комплексов обработки данных вибрации. В связи с ограничением объема статьи рассмотрение программной части сделано отдельно.

В зависимости от способа применения система вибрационной диагностики и мониторинга может быть как стационарной – установленной на постоянной основе около единицы оборудования и постоянно измеряющей состояние этой единицы, так и портативной – переносимой между несколькими единицами оборудования и используемой для проведения измерений через определенные промежутки времени, например, раз в неделю или раз в месяц.

Вне зависимости от типа, в состав системы входят:

• один или несколько датчиков вибрации;
• датчики оборотов, датчики абсолютного положения вала (при необходимости)
• аппаратная платформа, отвечающая за получение сигналов с акселерометров, их оцифровку, обработку и расчет диагностических параметров;
• программное обеспечение, отвечающее за расчет диагностических параметров и настройку упомянутой выше платформы.

В качестве первичных преобразователей вибрации в системах вибродиагностики используются в основном датчики ускорения (акселерометры).

Наиболее распространенным типом акселерометра, используемым в системах вибрационной диагностики, является пьезоэлектрический акселерометр. Активным элементом такого датчика является пьезоэлектрический материал. Одна сторона пьезоэлектрического материала соединена с основанием датчика, к другой стороне прикреплена так называемая сейсмическая масса. Когда акселерометр подвергается вибрации, создается сила, которая действует на пьезоэлемент. Данная сила равна произведению ускорения на сейсмическую массу. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту генерируется заряд, пропорциональный приложенной силе. Поскольку сейсмическая масса постоянна, заряд пропорционален ускорению массы. В широком диапазоне частот (вплоть до сотен килогерц), можно считать, что основание датчика и сейсмическая масса испытывают одинаковое ускорение. Таким образом, датчик измеряет ускорение объекта мониторинга.

Структура пьезоэлектрического акселерометра

На рисунке выше показана структура пьезоэлектрического акселерометра, где: a – корпус датчика; b – пружина; c – сейсмическая масса; d- пьезоэлемент; e – крепежная ось; f – разъем кабеля; g – основание датчика.

Вторым по распространенности типом акселерометра являются MEMS-акселерометры (microelectromechanical systems, микроэлектромеханические). Акселерометры данного типа состоят из чувствительного MEMS элемента, печатной платы, на которой располагаются компоненты, ответственные за питание чувствительного элемента, преобразование уровней напряжения, компенсацию воздействия температуры.

Структура MEMS-акселерометра

На рисунке выше показана структура MEMS-акселерометра, где: a – чувствительный элемент; b – печатная плата; c – корпус датчика; d – разъем кабеля. Датчики, использующие MEMS-технологию, обычно имеют более низкие стоимость и энергопотребление, чем пьезоэлектрические датчики.

Акселерометры подключаются к входным каналам аппаратной части системы вибродиагностики, обобщенная структурная схема которой показана на рисунке ниже.

Обобщенная структурная схема системы вибрационной диагностики

В общем случае прибор состоит из следующих частей:

• драйвера АЦП – обеспечивает приведение диапазонов входных сигналов от первичных преобразователей (датчиков) к диапазону входных сигналов АЦП, фильтрацию от помех, алиасинговых частот, как правило, обеспечивает переключение режимов работы канала измерения, осуществляет питание датчиков со встроенной электроникой.
• аналого-цифрового преобразователя (АЦП, ADC), применяемого для оцифровки сигналов первичных преобразователей. В рассматриваемых в настоящей статье системах используются многоканальные сигма-дельта-АЦП, имеющие разрядность от 16 до 24 бит, параллельной архитектуры. АЦП, построенные на сигма-дельта-архитектуре хорошо зарекомендовали себя для диапазона частот, в которых измеряется вибрация благодаря низкому уровню шумов и большому динамическому диапазону. Параллельная архитектура входных каналов (в отличие от мультиплексированной) позволяет измерять фазовые соотношения между сигналами, что предоставляет дополнительные данные для вибродиагностики [4].
• процессоров. В качестве вычислителя в основном используются либо специализированные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor, DSP), например, TMS320C674x или SM320C6713, или же процессоры общего назначения, предназначенные для встраиваемых (embedded) систем, такие как AM335x.
• блок энергонезависимой памяти (EEPROM) – для долговременного хранения настроек (коэффициентов чувствительности акселерометров, конфигурации диагностических параметров) и результатов измерений. Чаще всего – это флеш-накопитель NAND или NOR типа;
• подсистему взаимодействия с пользователем, которая отвечает за получение настроек и выдачу результатов измерений. Данная подсистема может включать в себя ряд блоков, обозначенных на схеме пунктирными линиями:
  • интерфейсы передачи данных: Ethernet, USB, RS-485, CAN и т.д., которые могут использоваться для задания настроек измерения с помощью компьютера и для передачи результатов измерения;
  • экран (в т.ч. тачскрин) и клавиатуру;
  • логические входы и выходы, которые могут использоваться для сигнализации о превышении определенных пределов вибрации и/или переключения режимов работы прибора, на их основе реализуется функция виброзащиты, предназначенная для аварийного отключения подконтрольной машины

Каждый из перечисленных выше блоков может отсутствовать в каком-либо конкретном приборе.

На рассмотренной выше аппаратной платформе работает программное обеспечение, рассчитывающее параметры диагностических критериев, однако, как уже говорилось, его рассмотрение является темой отдельной статьи.

В итоге, в данной статье рассмотрены структура и основные компоненты типовой системы вибродиагностики, а именно:

• первичные преобразователи сигнала вибрации (акселерометры);
• аппаратная часть системы вибрационной диагностики, в которой выделены основные структурные блоки, а именно:
  • АЦП;
  • процессоры;
  • подсистема интерфейсов;
  • подсистема памяти (энергозависимой и энергонезависимой);

Дана краткая характеристика каждого из выделенных структурных блоков.

Литература

1. Корпий В.Г., Солопов Р.В., Соколов И.Н. Методы и оборудование для определения состояния энергетического оборудования по данным вибродиагностического исследования // ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОНОМИКА (электроэнергетика, электротехника и теплоэнергетика). Сб трудов XX-ой Межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Смоленск. 2023. В 3 т. Т 1. сс. 82-86.
2. Солопов Р.В., Кавченков В.П., Соколов И.Н. Аналитический обзор отечественных и зарубежных стандартов вибрационного мониторинга состояния электроэнергетического оборудования // ЭНЕРГЕТИКА, ИНФОРМАТИКА, ИННОВАЦИИ – 2023 (электроэнергетика, электротехника и теплоэнергетика, математическое моделирование и информационные технологии в производстве). Сб. трудов XIII Межд. науч.-техн. конф. Смоленск. 2023. В 3 т. Т 1. cc. 45-49.
3. ГОСТ ИСО 10816-1-97 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ Вибрация КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ МАШИН ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ Часть 1. Общие требования. М: ИПК Издательство стандартов, 1998.
4. Костюков В. Н. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин: учеб. пособие / В. Н. Костюков, А. П. Науменко. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. – 360 с