Программное обеспечение для вибродиагностики в энерегетике

Промышленные предприятия и различные электростанции обладают внушительным парком различного механического оборудования: вентиляторами, насосами, турбинами, металлорежущими станками и т.д. В ходе эксплуатации оборудование изнашивается, и каждая единица оборудования рано или поздно потребует технического обслуживания или ремонта. Для поддержания производственных мощностей в рабочем состоянии на предприятиях организованы службы технического обслуживания и ремонта (ТОиР).

Основной задачей служб ТОиР является производство этих работ с необходимой эффективностью. Она для ТОиР в значительной степени зависит от возможности своевременного обнаружения и прослеживания развития дефектов, что позволяет не только предотвратить аварийные ситуации, но и спрогнозировать остаточный ресурс оборудования в целом и его отдельных узлов в частности.

Одним из наиболее эффективных методов обнаружения дефектов являются вибрационное обследование оборудования, использующее широкий набор отработанных методик и инструментов, которые позволяют выявить большое число различных дефектов механического и электрического оборудования на разных стадиях развития, в том числе и на самых ранних.

Программное обеспечение системы вибромониторинга

Для проведения вибрационного обследования используются специализированные программно-аппаратные комплексы. В настоящей статье рассмотрено программное обеспечение (ПО) системы стационарного вибромониторинга ВС-357.

Система стационарного вибромониторинга ВС-357

ПО систем вибродиагностики, обычно работает под управлением операционных систем (ОС) реального времени, таких как:

• FreeRTOS [1];
• TI-RTOS [2];
• Linux (с наложением RT-patch)
• QNX.

Применение ОС реального времени обуславливается необходимостью обеспечивать гарантированное время реакции при обработке входных отсчётов от АЦП, поскольку для систем стационарного вибромониторинга характерно наличие функции виброзащиты.

ПО, непосредственно обрабатывающее вибрационные сигналы, делится на потоки, в терминах FreeRTOS называемые задачами (tasks). Каждый из потоков отвечает за определенную часть функционала прибора. Между собой потоки взаимодействуют с помощью объектов синхронизации, таких как мьютексы (mutex) и семафоры (semaphore).

В начале работы ПО инициализирует ОЗУ и ПЗУ, затем инициализирует периферию и считывает из ПЗУ настройки измерений. Затем производится инициализация измерительного тракта, сопроцессора, отвечающего за буферизацию отсчётов АЦИ и запускаются рабочие потоки.

Виды рабочих потоков

Среди потоков можно выделить:

• поток получения отсчетов от сопроцессора, который накапливает полученные отсчеты в промежуточные буферы для использования всеми остальными потоками системы;
• поток обсчета параметров диагностики, который получает данные из буфера и рассчитывает значения диагностических параметров;
• поток взаимодействия с пользователем, который принимает настройки от пользователя;
• поток сигнализации о превышении заданных значений параметров.

Потоки получения отсчетов и обсчета параметров диагностики

Эти два вида являются наиболее важными из перечисленных. Принцип работы потока получения отсчета основан на взаимодействии с сопроцессором, который осуществляет прием данных от АЦП.

В бесконечном цикле происходит:

• ожидание получения прерывания готовности новых данных от АЦП (срабатывает каждый отсчёт);
• прием отсчётов АЦП, считывание флагов состояний, осуществление первичной нормировки сигнала;
• проверка не превышения сигнала от АЦП заданного порога. В случае превышения выставляет высокий уровень на выход сигнализации;
• накопление отчетов в циклическом буфере;
• выставление прерывания готовности блока отчётов для основного процессора.

На рисунке ниже показана блок-схема потока получения отсчетов прибора ВС-357. В бесконечном цикле этот поток:

• ожидает получения прерывания по приему блока отсчетов АЦП от сопроцессора;
• проверяет необходимость переинициализации устройства (например, в случае изменения частоты дискретизации);
• переинициализирует устройство, если необходимо;
• получает блок отсчетов и копирует его в циклический буфер;
• увеличивает позицию в циклическом буфере.

Блок-схема потока получения отсчетов АЦП прибора ВС-357

Блок-схема потока расчета значений параметров диагностики прибора ВС-357

Данный поток в бесконечном цикле:

• ожидает изменения конечной позиции в циклическом буфере, в котором хранятся отсчеты;
• принимает блок отсчетов и копирует его во внутренние буфера;
• если внутренние буфера заполнены, то рассчитываются значения диагностических параметров.

Используемые алгоритмы расчета диагностических параметров являются наиболее важной частью системы, так как именно они определяют типы детектируемых неисправностей оборудования, и в достаточной степени точность детектирования. Алгоритмы расчета диагностических параметров, использующиеся в приборе ВС-357, подробно описаны в [3] и включают в себя:

• среднеквадратическое значение(СКЗ) виброускорения, виброскорости, виброперемещения в заданном диапазоне частот;
• пиковые значения виброускорения;
• значения СКЗ или амплитуды виброускорения, виброскорости, виброперемещения на оборотной частоте и ее гармониках;
• пик-фактор сигнала.

При расчете значений диагностических признаков во временной области (общее СКЗ сигнала, пик-фактор и т.д.) программное обеспечение прибора позволяет накладывать цифровые фильтры с различными частотами среза. При расчете значений диагностических параметров в частотной области используется быстрое преобразование Фурье с наложением окна. Оконная функция настраивается пользователем, в качестве настройки по умолчанию задано окно Ханна.

Выводы

Как видно из описанного выше, ВС-357 может использоваться как для расчетов характеристик, присущих сигналу целиком, так и характеристик выбранных гармоник, что позволяет использовать прибор как для грубой оценки состояния оборудования, например, по критериям, описанным в стандартах [4], так и для определения и отслеживания развития дефектов конкретных узлов.

Таким образом, можно сделать вывод, что программное обеспечение систем вибродиагностики обычно основано на применении ОС реального времени; само ПО разделено на потоки, каждый из которых отвечает за выполнение определенной задачи, наиболее важными из потоков являются потоки получения отсчетов с АЦП и расчета диагностических параметров.

Литература

1. FreeRTOS [Электронный ресурс] // Real-time operating system for microcontrollers: [сайт]. [2023]. URL: https://www.freertos.org/ (дата обращения: 05.03.2023).
2. TI-RTOS for Processors, MCU and Wireless Connectivity [Электронный ресурс] // ti.com: [сайт]. [2023]. URL: https://www.ti.com/tool/SYSBIOS (дата обращения: 05.03.2023).
3. Солопов Р.В., Соколов И.Н., Корпий В.Г. 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. 2003. В 3 т. Т 1. стр. 82-86.
4. 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. стр. 45-49.