Ako pristupovať k vibrodiagnostike?

Čo merať?

V prvom rade je dôležité mať na pamäti, že systémy založené na meraní „vibrácií“ nám pomôžu udržať stroj v dobrom technickom stave len dovtedy, kým poškodenia primárne generujú dodatočné „vibrácie“ – a tento predpoklad nie je vždy pravda. Preto sa oplatí vydať sa na cestu klasickej vibračnej diagnostiky oboznámením sa s týmto širším kontextom, t. j. s inými druhmi merania (meranie teploty, modálna analýza, meranie napätia, elektrické meranie, meranie zloženia oleja, meranie hluku a pod.). Často sa ukazuje, že pre daný objekt existuje najjednoduchší a najefektívnejší spôsob posúdenia technického stavu, ktorý zodpovedá prevádzkovým podmienkam.

Úloha systémov merajúcich vibrácie 

Ak sme sa rozhodli pre meranie vibrácií, ďalším krokom je odpoveď na otázku: čo od systému očakávame? V prípade všeobecnej rodiny systémov monitorovania a diagnostiky strojov táto otázka zodpovedá špecifickejším úlohám systémov, ktoré sú uvedené v tab. 1.

Tab.1

Kráľovnou detekcie poškodenia je odhad strednej kvadratickej rýchlosti vibrácií (vRMS), pretože norma ISO 20816 poskytuje špecifické prípustné rozsahy hodnôt strednej kvadratickej rýchlosti vibrácií v závislosti od výkonu stroja a niekoľkých ďalších parametrov. Identifikácia môže mať viacero významov, ale vibračná diagnostika často odkazuje na fyzické detaily poškodenia. Na začiatku môže indikovať, ktorá časť stroja môže byť poškodená a následne o aký typ poškodenia ide (napr. prasknutie zuba ozubeného kolesa alebo poškodenie vonkajšieho krúžku v ložisku – BPFO).

Na tomto mieste je dôležité poznamenať, že praktická implementácia systémov rozlišuje:

• systémy spracúvajúce údaje bez merania fázových markerov (okamžitá rýchlosť otáčania),
• systémy spracúvajúce dáta so signálom fázového markera a vykonávajúce spracovanie a analýzu v určitom intervale.

Systémy bez fázových markerov sú lacnejšie a jednoduchšie, ale umožňujú identifikáciu komponentov iba pri nízkej frekvencii (kvôli spektrálnemu rozmazaniu). Na druhej strane systémy fázových markerov sú drahšie a náročnejšie na konfiguráciu a inštaláciu, ale podstatne efektívnejšie pri identifikácii.

Určenie úrovne závažnosti poškodenia (hodnotenie) zvyčajne vyžaduje zaznamenávanie historických diagnostických ukazovateľov známych ako trendy. Klasickým príkladom tohto typu je zvýšenie amplitúdy postranného pásma frekvencie záberu ozubených kolies. Ďalšie diagnostické úlohy, ako je prognóza, analýza základnej príčiny (RCA) a odporúčania (pôvodne predpisy), sú v praxi stále vo vývoji pre problémy súvisiace s parametrizáciou metódy, predspracovaním a výberom diagnostických znakov.

Typy „monitorovacích“ systémov

V technickom jazyku často používame termín „monitorovací systém“ na označenie „monitorovacieho a diagnostického systému“. Zároveň hovoríme o „diagnostickej analýze“ ako o procese analýzy údajov. Je zaujímavé, že v literatúre sa často používa anglická skratka CMS, čo znamená systémy monitorovania stavu, takže preklad pojmov nie je doslovný.

V praxi sa systémy jasne delia na ochranné, monitorovacie a diagnostické. Všetky tieto systémy môžu existovať samostatne, ale možno ich aj kombinovať v rôznych hardvérových a aplikačných konfiguráciách. Obr. 1 znázorňuje mapovanie typov systémov založených na vibráciách s ohľadom na ich úlohy opísané v predchádzajúcom bode.

Ako je znázornené na obr. 1, bezpečnostné systémy môžu na základe definovaných analýz automaticky vypnúť stroj. Takéto systémy sa líšia od monitorovacích systémov, pretože zvyčajne spracúvajú relatívne vibrácie (skôr meranie vzdialenosti ako zrýchlenie vibrácií) a bežne sa vyskytujú v elektrárňach na hodnotenie technického stavu turbogenerátorov. Existujú však aj ochranné systémy založené na vibráciách, kde sa bežne monitorujú širokopásmové hodnoty.

Monitorovacie systémy v skratke pozostávajú z modulu trendov a modulu udalostí. Trendový modul umožňuje zobrazenie historických hodnôt diagnostických indikátorov, pričom modul udalostí má na starosti proces porovnávania aktuálnych hodnôt indikátorov s prípustnými prahovými hodnotami a generovanie udalosti (e-mail/SMS, svetlo, zvuk, piktogram atď.), ak je prekročená hraničná hodnota.

Diagnostické systémy v praxi zahŕňajú to, čo manuálne pozorujeme, konkrétne diagnostické „čísla“ (alebo grafy). Klasické údaje (transformácie signálu) zahŕňajú časové krivky, spektrum, rádové spektrum, obalové spektrum, rádové doménové spektrum a časovo synchrónne priemerovanie (TSA). Okrem toho možno každé spektrum spriemerovať a škálovať (platí pre typy amplitúd, ako sú [g], [mm/s2], výkon, RMS a mierky, ako sú lineárne alebo logaritmické [dB]). Ako je znázornené na obr. 1, diagnostická analýza zahŕňa kombináciu širokopásmových a úzkopásmových indikátorov, trendovú analýzu týchto indikátorov, ako aj časovú a spektrálnu analýzu. Tá môže zahŕňať analýzu jedného spektra, porovnanie súčasného spektra s predchádzajúcimi referenčnými spektrami (predstavujúce „zdravotný“ stav) a vykreslenie kaskád po sebe nasledujúcich spektier v čase. Treba však poznamenať, že samotná analýza časových kriviek často poskytuje odpovede na mnohé otázky a je neoceniteľná pre overenie registrácie signálu.

Výber monitorovacieho/bezpečnostného systému

Je systém s väčšou funkčnosťou vždy vhodnejší pre priemyselné aplikácie? Rozhodne nie. Rozhodnutie o výbere vhodného systému je pomerne náročné, keďže vyžaduje zodpovedanie niekoľkých otázok. Medzi tie najdôležitejšie možno zaradiť: Má byť systém prenosný alebo stacionárny? Bude sa merať rýchlosť otáčania? Koľko meracích kanálov bude potrebných? Aký je požadovaný rozsah snímačov? Aké dlhé budú merané signály? Aký frekvenčný rozsah je potrebný? Budú údaje archivované? Aké typy diagnostických údajov sú potrebné? Nákup systému s nedostatočnou funkcionalitou a implementácia systému s nadmernou architektúrou môže mať za následok jeho celkovú nízku efektivitu. Preto je trh so systémami na monitorovanie stavu (CMS) pomerne rôznorodý a neustále sa vyvíja.
V nasledujúcej časti sa pozrieme na jeden z nových trendov – možnosti využitia bezdrôtových snímačov na vibrodiagnostiku.

Bezdrôtové snímače – úskalia alebo nový trend?

Mnoho spoločností v súčasnosti ponúka bezdrôtové snímače vibrácií. Nájdete ich v akejkoľvek cenovej kategórii, od veľmi drahých až po lacné snímače a samozrejme s rôznymi parametrami. Táto rozmanitosť vyvoláva otázky medzi používateľmi monitorovacích a diagnostických systémov, ktorí sa pýtajú na skutočnú hodnotu týchto produktov. Aké sú výhody a nevýhody v porovnaní s tradičnými systémami, ktoré sú na trhu už veľa rokov? Podobne ako tradičné snímače zrýchlenia, aj bezdrôtové snímače vibrácií zvyčajne merajú zrýchlenie pomocou vlastností piezoelektrických prvkov. Stručne povedané, používajú rovnakú konverziu fyzických signálov, t. j.:

sila -> prúd -> napätie -> signál zrýchlenia

Niektoré snímače využívajú akcelerometre v technológii MEMS, ale základné charakteristiky oboch variantov sú dosť podobné. Z pohľadu používateľa sa používanie bezdrôtových snímačov výrazne líši od používania tradičných zariadení. Aby sme mohli bezdrôtové snímače správne umiestniť do architektúry kontinuálneho monitorovacieho systému, musíme si uvedomiť ich obmedzenú funkčnosť a nenahraditeľné výhody. Príklad aplikácie bezdrôtových snímačov je znázornený na obr. 2.

Ako je znázornené na obr. 2, bezdrôtové snímače sú zvyčajne umiestnené na pomocných strojoch, ktoré nie sú za normálnych podmienok ľahko dostupné pomocou káblových snímačov. Keďže jednou z priorít bezdrôtových snímačov vibrácií je minimalizácia spotreby energie, údaje z týchto snímačov sa zvyčajne neprenášajú priamo do centrálneho počítača. Namiesto toho prechádzajú cez priľahlú jednotku umiestnenú v blízkosti, ktorá je na obr. 2 označená ako brána. Požadovaná vlastnosť bezdrôtových snímačov, ako je znázornené na obr. 2, je schopnosť integrovať ich s káblovými snímačmi v rámci jedného systému monitorovania stavu (CMS). Bezdrôtové snímače vykonávajú meranie oveľa menej často, preto sa často inštalujú na miestach, kde sa predtým meranie vykonávalo pomocou prenosných zariadení.

Rádiokomunikačný dosah

Bezdrôtové snímače využívajú na prenos informácií rádiové frekvencie. Preto je nevyhnutné posúdiť podmienky šírenia rádiových vĺn v danom prostredí. Pracovné frekvenčné pásmo snímača je veľmi dôležité. Všeobecne platí, že vyššie rádiové frekvencie poskytujú väčšiu šírku pásma, ale kratší komunikačný dosah. Pre populárne pásmo 868 MHz možno v otvorenom priestore zrealizovať dosah približne 1 kilometer alebo viac. Dosah však prudko klesá v prevádzke, kde sú steny a mnohé kovové prvky. Okrem toho, ak je stroj uzavretý v kovovom kryte, snímač nemôže fungovať vnútri, pretože kryt funguje ako Faradayova klietka a prerušuje komunikáciu.

Napájanie bezdrôtových senzorov

Bezdrôtové snímače vibrácií sú určené na meranie na ťažko dostupných miestach, a preto je kľúčovou požiadavkou, aby fungovali na jednu batériu niekoľko rokov. V dôsledku toho sú bezdrôtové snímače vibrácií navrhnuté tak, aby fungovali niekoľko mesiacov bez potreby výmeny batérie. Aj preto sú logika registrácie signálu, parametre zaznamenaných vibračných signálov a metódy spracovania signálov výrazne obmedzené v porovnaní s káblovými systémami napájanými zo siete. To je schematicky znázornené na obr. 3, kde sa porovnávajú možnosti umiestnenia snímačov medzi týmito dvoma typmi.

Nižšie sú podrobnosti o uvedených obmedzeniach:

Logika registrácie

Na rozdiel od systémov nepretržitého monitorovania sa bezdrôtové snímače periodicky prebúdzajú, zbierajú údaje, spracúvajú ich a potom sa vrátia do režimu spánku. Proces budenia prebieha zvyčajne synchrónne, napríklad raz za osem hodín. V pokročilých systémoch možno zvýšiť registračnú frekvenciu so zvyšujúcou sa úrovňou vibrácií.
Dynamická registrácia znižuje spotrebu batérie, keď sa „nič nedeje“, a zameriava sa na presnejšie merania, keď dochádza k poškodeniu.

Parametre vibračného signálu

Najdôležitejšími parametrami pri získavaní vibračných signálov sú dĺžka signálu a vzorkovacia frekvencia. V typických systémoch CMS majú zaznamenané signály dĺžku od 1 s do 10 s. Vo všeobecnosti platí, že čím pomalšie sa stroj otáča, tým dlhší by mal byť zaznamenaný signál. Ak je monitorovanie zamerané na zisťovanie nevyváženosti, nesúosovosti alebo celkovej úrovne vibrácií podľa ISO 20816, môže byť dostatočná vzorkovacia frekvencia 2 kHz. Na druhej strane, ak je systém určený na včasnú detekciu porúch valivých ložísk alebo iných javov, ktoré generujú štrukturálne vibrácie, je potrebná vzorkovacia frekvencia okolo 20 kHz alebo vyššia. Výsledkom je, že pre daný rozsah dĺžky signálu a vzorkovacej frekvencie sa počet vzoriek vo vyrovnávacej pamäti pohybuje od 2 000 (1 s × 2 000 vzoriek/s) do 200 000 (10 s × 20 000 vzoriek/s).

Pri bezdrôtových snímačoch dostupných v súčasnosti je horná hranica počtu vzoriek prakticky nedosiahnuteľná, a to najmä z dôvodu obmedzenia výkonu procesora a veľkosti pamäte. Vďaka dostupným výpočtovým knižniciam (napr. FFT) bezdrôtové snímače často využívajú vyrovnávaciu pamäť s dĺžkou 2n vzoriek na ďalšie výpočty. S touto hodnotou môže snímač zbierať napríklad jednosekundový signál so vzorkovacou frekvenciou fs = 2 048 Hz (2 048 vzoriek) alebo signál s dĺžkou L = 0,125 s a vzorkovacou frekvenciou fs = 16 384 Hz (tiež 2 048 vzoriek). V prvom prípade je spektrálne rozlíšenie 1 Hz, zatiaľ čo v druhom prípade je to až 8 Hz. Vo výpočtoch sa používajú nasledujúce rovnice:

Počet_vzoriek = L × fs

Rozlíšenie = 1/L = fs/počet_vzoriek

Grafické znázornenie týchto vzťahov je znázornené na obr. 4. Je dôležité poznamenať, že vibrácie merané snímačmi zrýchlenia (t. j. absolútne vibrácie) podliehajú významným náhodným zmenám komponentov (sú zašumené). Preto sa vo všeobecnosti odporúča vykonať viacnásobné spriemerovanie zaznamenaných cyklov. V praxi to znamená, že je výhodné, ak spracovávaný vibračný signál obsahuje niekoľko periód analyzovaných zložiek. Napríklad jednosekundové signály sú vhodné na analýzu hriadeľov rotujúcich pri minimálnej rýchlosti 600 ot./min. (t. j. aspoň 10 Hz).

Ako je znázornené na obr. 4, nastavenie parametrov registrácie signálu v bezdrôtových snímačoch zahŕňa výber medzi širším frekvenčným rozsahom (umožňujúcim detekciu väčšieho súboru porúch) a lepším spektrálnym rozlíšením (umožňujúcim presnejšiu identifikáciu porúch generujúcich nízkofrekvenčné zložky, hlavne v hnacích hriadeľoch).

Metódy spracovania signálu

Bezdrôtové snímače vďaka svojim vlastnostiam nemerajú fázu signálu (t. j. okamžitú rýchlosť otáčania stroja), a preto nevykonávajú radovú analýzu (analýza spektrálnych zložiek signálu, ktorých frekvencia je pevne spojená so základnou frekvenciou stroja). Z praktického hľadiska to znamená, že sú určené na nepretržité monitorovanie strojov pracujúcich v ustálených prevádzkových podmienkach. Spolu s obmedzeným účelom bezdrôtových snímačov a ich obmedzenými schopnosťami získavania signálu existujú obmedzenia v metódach spracovania signálu, ktoré môžu byť implementované v takýchto snímačoch. Typické bezdrôtové snímače merajú nasledujúce hodnoty:

• PP zrýchlenie: špičková hodnota signálu zrýchlenia vibrácií,
• RMS zrýchlenie: efektívna hodnota signálu zrýchlenia vibrácií,
• RMS rýchlosť: stredná kvadratická hodnota signálu rýchlosti vibrácií (vrátane ISO 20816),
• PP obálka (spojitá krivka ohraničujúca extrémy signálu): špičková hodnota signálu obálky zrýchlenia vibrácií,
• RMS obálka: stredná kvadratická hodnota signálu obálky zrýchlenia vibrácií.

Výpočtové metódy na analýzu rýchlostných signálov (VRMS) a obálkových signálov (EnvPP, EnvRMS) sú podobné tým, ktoré sa používajú v káblových systémoch. Avšak kvôli obmedzenej flexibilite v dĺžke spracovávaných signálov sú konfiguračné parametre pre tieto analýzy relatívne obmedzené a zahŕňajú najmä výber medzných frekvencií hornopriepustných a dolnopriepustných filtrov z obmedzeného zoznamu. RMS hodnota signálu rýchlosti (VRMS) sa zvyčajne meria v rozsahu 10 Hz až 1 000 Hz podľa normy ISO 20816 a vzhľadom na obmedzenú dĺžku analyzovaných signálov sa nevzťahuje na stroje s rýchlosťou otáčania pod 600 ot./min.

Zhrnutie

V prvom rade je dôležité si uvedomiť, že bezdrôtové snímače majú svoje špecifické miesto v diagnostike technických strojov. Nemali by sa používať ako náhrada káblových systémov – ich zmysel je tam, kde je inštalácia káblov prakticky nemožná alebo veľmi nákladná. Pri konfigurácii bezdrôtových snímačov je dobré odolať pokušeniu nastaviť prehnané parametre získavania a spracovania signálu, pretože to ovplyvní životnosť batérie. V porovnaní s káblovými snímačmi môžu bezdrôtové snímače ponúkať obmedzené možnosti, ale pri správnom umiestnení môžu poskytnúť významné výhody pre údržbu.

Literatúra

[1] How to approach vibrodiagnostic? AMC Vibro. Blog. [online]. Publikované 19. 7. 2023. 
[2] Wireless sensors – pitfall or a new trend? AMC Vibro. Blog. [online]. Publikované 25. 5. 2022.

-tog-