Мониторинг на състоянието на машини

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 4/2018 • 15.06.2018

Мониторинг на състоянието на машини
Мониторинг на състоянието на машини
Мониторинг на състоянието на машини
Мониторинг на състоянието на машини

 

Мониторингът на състоянието на промишлените машини и съоръжения е важен елемент от прогнозната поддръжка и спомага за предотвратяване на множество производствени прекъсвания и аварии в съвременните индустриални фабрики и заводи. Решенията за машинен мониторинг са все по-масово прилаган и рентабилен способ за намаляване на броя и продължителността на престоите и редуциране на разходите за ремонт и обслужване.

Машинният мониторинг предоставя важна информация за производителността и ефективността на машините, която може да бъде използвана за ранно откриване на потенциални повреди и неизправности.

Мониторинг на оборудването се извършва във всякакви типове промишлени, комунални и строителни съоръжения. Проследяването на състоянието на критичните машини, механични системи и електрическо оборудване е от ключово значение за поддържането на безпроблемната им работа и плановата им ефективност.
В много сценарии вибрациите, високите температури или неприсъщите шумове са първи предупредителни знаци, че при съответната машина е налице риск от възникване на повреда.

Такова предупреждение може да осигури достатъчно време за подмяна на рисковия машинен компонент преди настъпването на авария и да предотврати отказа на оборудването, производствените прекъсвания и всички разходи, свързани с тях. За целите на машинния мониторинг в модерните производства се използва комбинация от хардуер, софтуер и съответната контролно-измервателна апаратура, която позволява непрекъснато следене на статуса и работните параметри на машините и навременно регистриране на различни рискови отклонения.

Освен за контрол на състоянието и производителността на машините, мониторингът на състоянието се прилага и за други цели като: измерване на продължителността на непрекъснатите периоди на експлоатация; превантивна поддръжка; управление на качеството; управление на енергийната ефективност; регистриране и отстраняване на неизправности и т. н. Решенията за машинен мониторинг се превръщат в комплексна бизнес практика с нарастващ брой приложения, а пазарът на продукти в сегмента за 2017 г. възлиза на близо 11 млрд. щатски долара по данни от доклад на Research & Markets.

Същност и специфики
С навлизането на концепцията Internet of Things в практиката все повече производители в тежката индустрия залагат на сензорно-базирано събиране на данни, за да решат критични проблеми като производствени закъснения и неочаквани спирания. Машинният мониторинг може да включва наблюдение на механичното и електрическо оборудване чрез сензори за събиране на различни диагностични данни.

Той е основен компонент от превантивната поддръжка на индустриалното оборудване, тъй като позволява прогнозно планиране на ремонта и обслужването с оглед елиминиране на обстоятелствата, които биха намалили нормалната продължителност на живота на машините. С помощта на средства за мониторинг на състоянието на оборудването биха могли да се предвидят различни повреди, възникващи вследствие на механично износване и други характерни фактори. Ключови индикатори за статуса на промишлените машини и системи са нивата на шум, вибрациите, работната температура и др.

Непрекъснатото събиране на данни в рамките на продължителни периоди от работата на оборудването позволява проследяване на поведението им при различни условия и извеждането на тенденции, свързани с нормалните работни параметри и отклоненията – индикатори за потенциални неизправности. Обикновено непрекъснат мониторинг на състоянието се прилага при критични промишлени машини и съоръжения с подвижни (ротационни) компоненти и възли като компресори, помпи, електродвигатели, двигатели с вътрешно горене, преси и т. н. Периодични проверки, включващи техники за безразрушителен контрол и други способи и технологии, се правят на статичното оборудване в индустриалните предприятия, като парни котли, тръбопроводи, топлообменници и др.

Видове мониторинг
В практиката се прилагат няколко вида мониторинг на състоянието на машините с различни особености. Т. нар. базиран на маршрут мониторинг (Route-based monitoring) включва технически оператор, записващ периодично данни с ръчен уред. Тези данни се използват за първична диагностика и установяване на тенденции, за да се определи дали е необходим по-задълбочен анализ.

Диагностиката с преносими уреди е друг вид мониторинг, който включва използване на портативно оборудване за наблюдение на състоянието на машините. Сензорите обикновено са фабрично инсталирани в машината, а преносимото оборудване се използва за отчитане на данните.
Т. нар. тестове по фабрични критерии (Factory assurance test) се използват, за да се провери дали крайният продукт отговаря на своите проектни спецификации и за определяне възможните състояния на отказ на производствените устройства.

Онлайн машинен мониторинг (Online machine monitoring) e процесът на наблюдение на оборудването в течение на неговата работа. Данните се получават от вградено устройство и се предават на основен сървър за анализ на данни и планиране на поддръжката. Онлайн защита на машината (Online machine protection) също е метод за активно наблюдение на оборудването, докато то работи. Данните се получават и анализират чрез вградено устройство. Настройките за ограничение могат да се използват за управление, включване и изключване на машините.

Някои често прилагани техники за мониторинг на основните състояния на оборудването в промишлеността и транспорта са: вибрационен анализ и диагностика; анализ на лубрикантите; акустична емисия (въздушен ултразвук); инфрачервена термография; ултразвуково изпитване (дебелина на материала/тестване за недостатъци); мониторинг на състоянието на мотора и анализ на сигнала за моторни токове (MCSA); системи за напрежение и ток на базата на модели (MBVI системи) и др.

Други популярни методи и техники
Визуалната инспекция е основен компонент на машинния мониторинг в много промишлени производства. За да е надежден този метод, резултатите от инспекциите трябва да могат да бъдат измерени или сравнени с документиран набор от методически указания.
Леки температурни колебания на повърхността на дадена машина или съоръжение могат да бъдат открити по безразрушителна технология с визуална диагностика и термографско оборудване. Топлината често е показател за проблем с даден компонент или възел, особено при дефектирали електрически елементи или неизправна функция на уплътнения и смазочни флуиди, водещи до прекомерно триене и износване на подвижни машинни детайли. Термографията може да бъде успешно прилагана и при високоскоростни лагери, флуидни съединители, конвейерни ролки и т. н.

Сензорите за детекция на отломки са в състояние да откриват частици от износване от черни и цветни метали в смазочното масло, което дава значителна информация за състоянието на наблюдаваните машини. Чрез регистрирането и проследяването на тенденцията за генериране на отломки е възможно да се открият проблеми преди настъпване на фатални повреди в различни видове оборудване с ротационни елементи, като предавателни кутии, турбини и т. н. Отломките в смазочните масла (взети от филтрите или магнитни събирачи на стружки) при машинната обработка могат да бъдат изследвани и анализирани посредством сканиращ електронен микроскоп. Методът WDA (Wear Debris Analysis – анализ на износването на база генерираните отломки) позволява разпознаване на съдържащите се в смазочния флуид миниатюрни частици метал, техните размери, форма и морфология.

Така може да се определи дали има нежелано износване на даден материал, точното място на износването, механичната причина за това явление, както и да се прогнозира времето на настъпване на евентуалната повреда на машината.
Спектрографският анализ на смазочно-охлаждащите течности (СОТ), който тества химичния им състав, също може широко да се прилага за прогнозиране на откази на оборудването. Ултразвуковото изследване е подходящо за механични приложения с различна скорост и системи с флуиди под високо налягане. Цифрови ултразвукови измервателни уреди масово се срещат в практиката за отчитане на високочестотни сигнали от лагери.

Честота и индекс на критичност
Мониторингът на промишлените машини и съоръжения може да бъде периодичен или постоянен. Периодичният мониторинг е надежден, само ако се извършва съгласно зададен график, например от надзорник или от автоматизирана система за събиране на данни. Непрекъснатите измервания се извършват постоянно от системи за автоматизирано събиране на данни посредством сензори. Този тип наблюдение се счита за по-надежден и ясен индикатор за наличието на условия и фактори за настъпването на машинни повреди.

За определяне степента на важност на мониторинга на състоянието на дадена машина често се използва и т. нар. индекс на критичност (Criticality index). За целта се отчитат предназначението на оборудването, възможностите за заместване на дадена машина, ако внезапно спре да работи (има ли такива изобщо), разходите за ремонт, стойността на престоите, безопасността за околната среда в случай на повреда и редица други ключови фактори. Индексът на критичност поставя машините в една от следните три категории:

Критични машини: това са машини, които са жизненоважни за фабриката или производствения процес и без които те не могат да функционират. Непрекъснатият мониторинг при тях е ключов;
Основни машини: това са единиците, които са важна част от процеса, но ако се случи авария, производството може да продължи или да бъде възстановено;
Машини с общо предназначение или балансиращи производствения процес машини: това са машините, които съставляват останалата част от промишленото оборудване в цеха или завода и обикновено се наблюдават периодично с помощта на ръчни уреди за събиране и отчитане на данни.

Приложения и инструментариум
Машинният мониторинг се прилага в широк кръг от индустрии, включително за наблюдение на: тежка индустриална техника, машини и съоръжения в металообработката, машиностроенето, нефтената и газова промишленост, автомобилния сектор, транспорта, енергетиката (в т. ч. вятърната) и др.
Решенията за мониторинг на състоянието на промишлено оборудване включват: системи за събиране на данни със съответните сензори, измервателни прибори и софтуер за анализ, различни видове регистратори на данни (дата логери), преносими измервателни уреди, средства за мониторинг на шума, регистратори за ток/напрежение, системи за мониторинг на вибрациите, термокамери, оборудване за мониторинг на температура, налягане и др.

Ръчните колектори и анализатори на данни са обичайни за използване при некритични машини, при които е икономически необосновано монтирането на постоянно действащи уреди, устройства и системи за онлайн измерване, мониторинг и анализ. Техническият персонал може да събере данни от няколко машини, след което да ги зареди на компютър, където софтуерен анализатор (с помощта на съответните алгоритми или изкуственият интелект) да провери за отклонения от типичните стойности, които са индикатор за неизправности и предстоящи повреди.

За по-големи и критични машини, при които последиците за безопасността, прекъсванията на производството и разходите могат да бъдат значителни, обикновено се използва система за непрекъснат мониторинг вместо периодичното ръчно събиране на данни. Напоследък системи за постоянно онлайн наблюдение на състоянието на оборудването все по-масово се прилагат в тежки производствени отрасли като целулозно-хартиената промишленост, минното дело, нефтохимията, производство на електроенергия и т. н.

Типове сензори и вибрационен анализ
Т. нар. ротационно или "въртящо се" оборудване (rotating equipment) е често срещан в англоезичната техническа литература събирателен термин, който включва предавателни кутии, възвратно-постъпателни и центробежни машини. Най-често използваният метод за мониторинг на такива машини е вибрационният анализ.
Посредством акселерометри (сеизмични или пиезоелектрически преобразуватели), монтирани върху лагерите на машината, могат да се извършват измервания на вибрациите. Преобразувателите на вихрови токове, които директно следят въртящите се валове за радиално (и аксиално) изместване, също са често използвани за мониторинг на критични машини.

Нивото на вибрациите може да бъде сравнено със записана история от базови стойности, например при стартиране и изключване, а в някои случаи – и с установени стандарти. Производителите на оригинално оборудване (OEM) могат да определят допустимите граници на вибрациите и въз основа на конструкцията на машините и отделните им възли, например спрямо честотата на откази при даден модел лагери.

В мониторинга на състоянието на машините се използват предимно три вида сензори: акселерометри, тахометри и сензори за близост. Акселерометрите позволяват проследяване и измерване на вибрациите на машината. Тахометрите се използват за определяне на скоростта на въртене на валовете и ротационните елементи, за да се осигури фазова информация за вибрациите. Посредством сензори за близост се осъществява наблюдение на движението на валовете.
Акселерометрите са преобразуватели за измерване на динамичното ускорение на физическо устройство. С тяхна помощ и на база мониторинг на вибрациите може да се предскаже жизненият цикъл на детайлите и да се открият предварително потенциални неизправности в машините. Пиезоелектричните акселерометри са най-често срещаните.

Сензорите за близост представляват датчици за измерване на изместването на физическо устройство. Обикновено се използват по двойки с 90-градусово изместване, за да се извърши картиране на X-Y движението на вала. Благодарение на това могат да бъдат регистрирани проблеми като несъосност на вала, повредени лагери или други външни фактори, които пречат на идеалното въртене.

Тахометърът е датчик за измерване на скоростта на въртене на физическо устройство. Тахометрите осигуряват и фазова информация, за да могат честотните компоненти да бъдат свързани със скоростта и позицията на валовете.

Температурен мониторинг
Температурата е най-често измерваният параметър, като много приложения в сферата на машинния мониторинг изискват отчитането й в комбинация с друга променлива.
Индустриални термометри и измервателни устройства за температура се използват за мониторинг на: електрическо оборудване (мотори, турбини и т. н.); пещи и оборудване за термоформоване; оборудване за научноизследователска и развойна дейност (климатични камери, изпитателни стендове и т. н.).

Температурните рекордери (познати още като логери или регистратори) са подходящи за използване с всички популярни типове температурни сензори, включително термодвойки, RTD и термистори. На пазара се предлага широк спектър от регистратори за отчитане на температура с голямо разнообразие от възможности за комуникация, съхранение и известяване. Достъпни са устройства със или без дисплей, с безжична и LAN комуникация, както и многоканални системи със множество входове.

Софтуер за визуализация и анализ
Софтуерът за наблюдение на състоянието позволява на потребителите да визуализират на едно крайно устройство данни от много машини в различни локации и да ги анализират накуп, за да идентифицират прогнозно потенциални проблеми. Всяка внезапна промяна в стойностите на работните параметри на дадена машина може да бъде незабавно регистрирана, а операторът получава възможност навременно да предприеме съответните мерки. Анализът на данните се извършва чрез специализирани софтуерни инструменти.

Персонализираните платформи за конкретни приложения в промишлеността (например за мониторинг на металообработващи машини) позволяват анализ на данни на базата на избран набор от потребителски филтри. Резултатите от анализа са достъпни във формат на доклади, диаграми и таблици, показващи какви мероприятия във връзка с поддръжката и ремонта на машината или съоръжението са необходими.

Цялостните платформи за машинен мониторинг включват функции за събиране, анализ, съхранение и обработка на данни, визуализация и автоматизация. Крайният потребител получава възможност за лесен и удобен преглед на всички измервателни системи, без значение колко машини са под наблюдение.

За да се възползват от пълния потенциал на тези големи масиви данни, много съвременни предприятия предпочитат системите за отдалечен мониторинг и управление, които позволяват непрекъснато събиране и анализ на данни за съответните машини и съоръжения. Достъпни са различни комуникационни функции за трансфер на данни и изпращане на алармени известия до персонални компютри и мобилни устройства, включително Wi-Fi, Ethernet, FTP, клетъчни модеми и др. Съхранението и обработката на данни в облак е друга възможност, която набира все повече популярност сред потребителите на системи за отдалечен и онлайн мониторинг на промишлени машини и оборудване.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top