Для любого оборудования неизбежно наступает момент, когда оно выходит из строя. Проводя мониторинг состояния, инженеры способны точно спрогнозировать, когда это может произойти. Эта статья ответит на следующие вопросы:

  • Почему оборудование выходит из строя?
  • Какие существуют виды технического обслуживания?
  • Почему важно предотвращать сбои в работе оборудования?
  • Что на самом деле представляет собой мониторинг состояния оборудования?

Содержание статьи

Почему оборудование выходит из строя?

Почему важно предотвращать сбои в работе оборудования?

Какие существуют виды технического обслуживания оборудования?

Что такое ремонтно-техническое обслуживание?

Что такое профилактическое обслуживание?

Что такое мониторинг состояния оборудования?

Общие сведения о мониторинге состояния оборудования

Сферы применения мониторинга состояния

Порядок проведения мониторинга состояния

Заключение

 

Почему оборудование выходит из строя?

Оборудование выходит из строя по различным причинам, и каждая ситуация индивидуальна. Выход из строя — это ситуация, в которой оборудование перестает функционировать надлежащим образом, так, как было предусмотрено при разработке.

Machine catastrophic failure - condition monitoringРис. 1. Аварийная неисправность оборудования

Снижение уровня полезности оборудования разделяют на три основные категории:

  • разрушение поверхности;
  • устаревание;
  • аварии.

Разрушение поверхности деталей оборудования в подавляющем большинстве случаев приводит к снижению полезности и включает в себя в основном механический износ и коррозию.

Почему важно предотвращать сбои в работе оборудования?

Каждая непредвиденная остановка производства по причине отказа оборудования значительно влияет на производственные, ремонтные и другие расходы, а также доходы, прибыль и, в конечном итоге, на конкурентоспособность. По некоторым оценкам, производителям автомобилей простои обходятся в 22 тысячи долларов США в минуту, или 1,4 миллиона долларов США в час. Именно по этой причине владельцы производственных объектов постоянно ищут способы устранения и предотвращения неисправностей, при которых расходы на техническое обслуживание будут оставаться на минимальном возможном уровне.

Здесь и наступает момент, когда мониторинг состояния становится основой для диагностического обслуживания.

Надлежащий мониторинг состояния помогает компаниям:

  • Снизить расходы на ремонт
  • Сократить эксплуатационные расходы
  • Продлить срок эксплуатации оборудования
  • Повысить уровень безопасности персонала
  • Увеличить доходы
  • Повысить рентабельность

Machine Condition Monitoring BenefitsРис. 2. Преимущества мониторинга состояния

Виды технического обслуживания

Существует несколько различных видов технического обслуживания оборудования, однако в целом их можно разделить на две категории:

  • Профилактическое обслуживание
  • Ремонтно-техническое обслуживание

Что такое ремонтно-техническое обслуживание?

Ремонтно-техническое обслуживание  — это комплекс мероприятий, направленных на устранение поломок. Он используется для недорогого, легко заменяемого оборудования, неисправность которого не оказывает значительного влияния на производительность. 

Что такое профилактическое обслуживание?

Профилактическое обслуживание — это комплекс мероприятий, направленных на предотвращение выхода оборудования из строя. Наиболее известными видами профилактического обслуживания являются: 

  • Плановое техническое обслуживание (ПТО)
  • Диагностическое техническое обслуживание
  • Техническое обслуживание по состоянию (CBM)

В 1736 году Бенджамин Франклин выступал за улучшение противопожарной безопасности в Филадельфии и считал, что «унция профилактики стоит фунта лечения». Конечно, эффективнее предотвратить пожар, чем пытаться потушить его. Этот рациональный подход и лежит в основе превентивного технического обслуживания.

Плановое техническое обслуживание (ПТО)

Плановое техническое обслуживание осуществляется на регулярной основе и подразумевает замену детали независимо от ее фактического состояния. Обычно оно проводится с интервалами, предписанными изготовителем, а также на основе данных о средней наработке на отказ (MTBF). 

Диагностическое техническое обслуживание

Цель диагностического обслуживания заключается в прогнозировании поломок на основе данных, полученных с помощью системы мониторинга состояния. Когда инженеры знают о потенциальной проблеме, они способны предотвратить поломки в соответствующей системе во время проведения технического обслуживания. После устранения потенциальной проблемы система продолжает работу в нормальном режиме. Таким образом, диагностическое обслуживание всегда проводится на базе мониторинга состояния. 

Техническое обслуживание по состоянию (CBM)

Техническое обслуживание по состоянию (CBM) представляет собой контроль за фактическим состоянием того или иного объекта с целью определения необходимого вида технического обслуживания. CBM подразумевает осуществление технического обслуживания только в том случае, если определенные показатели свидетельствуют о снижении эффективности или о риске сбоя в работе.

Condition based maintainance

Что такое мониторинг состояния оборудования?

Мониторинг состояния — это проверка состояния оборудования в нормальных условиях эксплуатации. В него входят сбор и обработка данных, а также сопоставление данных с тенденциями, исходными данными и репрезентативными данными, полученными с аналогичного оборудования.

Мониторинг состояния оборудования с Dewesoft

Общие сведения о мониторинге состояния оборудования

Мониторинг состояния — это то, что происходит с вами каждый раз при посещении врача для профилактического медицинского осмотра.  Чтобы узнать общее состояние здоровья пациента и проследить за развитием болезни, необходимо, в зависимости от возраста и состояния пациента, провести несколько обследований. 

Doctor hearth checkРис. 3. Профилактический осмотр

Как правило, обследование включает:

  • Опрос: врач просит пациента описать имеющиеся симптомы.
  • Аускультация: используя стетоскоп, доктор слушает, к примеру, сердцебиение или звуки сонной и бедренной артерии.
  • Электрокардиограмма: исследование электрической активности сердца с помощью электродов, расположенных на лодыжках, запястьях и на груди.
  • Рентген грудной клетки: проводится для обнаружения возможных проблем в груди, легких и сердце.

В производстве мониторинг состояния оборудования осуществляется своеобразными «врачами» — инженерами по диагностике оборудования. Их задача состоит в предотвращении непредвиденного простоя в производстве и катастрофических сбоев, максимально исключая необходимость остановки производства и удерживая эксплуатационные расходы на минимальном уровне. Какие параметры они проверяют? Подлежащих проверке параметров множество, включая визуальный осмотр, проверку уровня масла, наличия загрязнений, уровня температуры, коррозии, вибрации, давления и т.д.

Мониторинг состояния начали проводить давно и с весьма упрощенных измерений. В конце 1850 года рабочие железных дорог использовали специальные молотки, чтобы проверять состояние колес на локомотивах. Ударив по колесу и изучив звук, они могли оценить состояние колес (колесо с трещиной издавало глухой звук).

Wheel tapperРис. 4. Осмотрщик колес

Прогресс в разработке техники и программного обеспечения послужил резкому развитию мониторинга состояния оборудования, сделав его более простым и надежным. 

Сферы применения мониторинга состояния

Существует множество областей применения мониторинга состояния, но к наиболее известным относятся:

  • Промышленные предприятия и оборудование всех типов: редакторы ИБП, кондиционеры, электродвигатели, вентиляторы, насосы.
  • Целлюлозно-бумажная промышленность: воздуходувки, конвейерные ленты, дробильные машины, классификаторы щепы, рефайнеры, оборудование напорной сортировки, шнеки, перемещиватели, валы, войлочные ролики и т.д.
  • Металлообработка: погрузочно-разгрузочное оборудование, конвейерные ленты, судоразгрузочные машины, аппараты для гальванизации, перегружатели, МНЛЗ, краны, прокатные станы, отжиговое оборудование, а также насосы, вентиляторы, коробки передач и т.д.
  • Автомобильная промышленность: аэродинамические трубы, приточно-вытяжные установки и насосы в лакокрасочных цехах, а также прессы, штамповочные прессы и т.д.
  • Цементная промышленность: дробилки, коробки передач, конвейерные ленты, сепараторы, вентиляторы, сырьевые мельницы, барабанно-шаровые мельницы, лифты и воздуходувки.
  • Электростанции: газовые турбины, паровые турбины, водяные насосы и т.д. 

Порядок проведения мониторинга состояния

Для успешной реализации программы мониторинга состояния оборудования необходимо придерживаться четко структурированного подхода, включающего следующие шаги:

Давайте рассмотрим каждый шаг подробнее.

ШАГ 1. Создание реестра оборудования

Этот шаг направлен на создание реестра всех активов предприятия. Реестр обычно включает:

  • Технологические чертежи
  • Электрические схемы
  • Точные данные по каждой единице оборудования (тип, скорость, развязка, мощность и т.д.)
  • Расположение активов для облегчения их поиска 
  • Уникальный идентификационный номер

ШАГ 2. Оценка состояния оборудования и его значимости для эксплуатации объекта

Следует проанализировать прошлые неисправности, провести анализ времени средней наработки на отказ (MTBF) и средней наработки на ремонт (MTTR), а также средних расходов на ремонт и замену, стоимость простоя, риск вторичного ущерба. Это поможет определить правильный метод и технологию для проведения мониторинга состояния.

MTBF and MTTR formula

ШАГ 3. Определение подходящего метода мониторинга состояния для каждой единицы оборудования

Существует множество методов мониторинга состояния. Давайте рассмотрим те, которые используются чаще всего.

Контроль температуры

Этот метод применялся для оценки исправности оборудования на протяжении последних десятилетий. Существуют различные методы контроля температуры — от пассивныех бесконтактных (с использованием ИК-камер) до активных, основывающихся на работе датчиков (с использованием термопар и резистивных датчиков температуры). 

Инфракрасное сканирование позволяет получить четкое представление об оборудовании или управляющей электронике, а также обнаружить места перегрева. Контактное измерение весьма эффективно для раннего обнаружения, к примеру, нехватки смазочного материала, но для обнаружения физических повреждений, подобных трещинам и сколам на подшипниках, его будет недостаточно.

Temperature measurement using a thermal imaging cameraРис. 5. Измерение температуры при помощи тепловизора

Взгляните на регистраторы температурных данных Dewesoft

Dewesoft temperature data loggers for thermocouples and RTD

Мониторинг вибраций

Это очень старый и наиболее распространенный метод оценки состояния оборудования, который помогает обнаружить сбой и определить его первопричину. Для мониторинга изменений амплитуды в широком диапазоне частот используются акселерометры. Вибрационная диагностика позволяет еще до поломки определить такие явления, как разбалансировка, ослабление, проблемы с зубчатой передачей или износ подшипников.

Vibration monitoring with a data acquisition systemРис. 6. Вибрационная диагностика с использованием системы сбора данных

Акустическая эмиссия

В последнее время при проведении технического обслуживания по состоянию все чаще используются датчики акустической эмиссии, что объясняется их преимуществами в отношении раннего обнаружения неисправностей. Однако этот метод не подходит для систем постоянного мониторинга, поскольку они работают на высоких частотах (от нескольких кГц до Мгц), что требует хранения больших массивов данных, а также из-за высоких цен по сравнению с другими представленными на рынке решениями. Также трудно точно определить источник звука, измеряемого датчиками.

Ультразвуковое исследование

Это экономически эффективная технология, используемая для начального определения исправности оборудования. Ультразвуковые детекторы обычно измеряют звуковое давление в диапазоне частот от 30 до 40 кГц. 

Волны давления измеряются с помощью резонансного датчика, преобразующего волны в небольшой электрический заряд. Обычно этот метод используется совместно с вибрационной диагностикой. Как правило, технические специалисты используют ультразвук для выявления неисправного оборудования, а затем проводят его глубокий вибрационный анализ, чтобы найти первопричину проблемы.

Анализ масла

Чаще всего он проводится в лабораториях, где для определения состояния масла проводятся химические испытания. В настоящее время существуют датчики для трибологических исследований, позволяющие проводить постоянный контроль качества масла. Информация, получаемая датчиками, позволяет определить, пора ли менять масло. 

Эта технология очень редко используется для оценки состояния самого оборудования, она больше ориентирована на определение состояния смазочного средства (вязкость, основность и т.д.). Тем не менее, отслеживание уровня и качества масла имеет очень важное значение в предотвращении дорогостоящего ремонта.

Motor oil analysisРис. 7. Анализ моторного масла

ШАГ 4. Выбор доступных на рынке технологий

Как мы уже выяснили, существует множество доступных методов для мониторинга исправности оборудования. Для получения наилучших результатов было бы наиболее эффективно использовать сочетания всех этих методов. Однако из-за ограниченного бюджета и времени наиболее эффективными до сих пор считаются методы вибрационной диагностики в сочетании с измерениями температуры.

ШАГ 5. Установка датчиков мониторинга состояния

Чрезвычайно важно установить датчики мониторинга состояния надлежащим образом. Неправильное крепление, скорее всего, повлияет на качестве данных, которые в таком случае могут отражать не только изменения условий, но и нестабильность самого датчика, что сделает данные, получаемые датчиком, ненадежными.

schematic of frequency range and sensor mounting methodРис. 8. Схема диапазона частот и метод установки датчика

Существует несколько различных методов крепления:

  • Крепление на воск: весьма удобный способ, но не рекомендуется его использовать при установке акселерометров. Неравномерная толщина поверхности и демпфирующий эффект (низкая жесткость) воска делают результаты ненадежными при высоких частотах.
  • Крепление на клей: эффективно в случаях, когда нельзя высверлить отверстие для установки на крепежный штифт.
  • Магнитное крепление: подходит для поиска неисправностей или периодических измерений. Магнитные адаптеры используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам.
  • Монтаж на штифт: подходит для постоянной и высокочастотной вибрационной диагностики. 

Датчики вибрации должны устанавливаться в местах, обеспечивающих измерение вертикального, горизонтального и осевого перемещения:
для выявления несбалансированности и проблем с подшипниками необходимо проводить горизонтальные измерения. В этом случае датчики следует устанавливать как можно ближе к подшипникам двигателей и насосов.

Для определения ослабления креплений и поиска проблем, связанных с жесткостью конструкции или фундамента , необходимо проводить вертикальные измерения с помощью датчиков, расположенных вблизи торцевых подшипников двигателя или привода насоса.

Для выявления дисбаланса между двигателем и нагрузкой необходимо произвести осевые измерения. В этом случае датчики должны устанавливаться вблизи торцевых подшипников двигателя или привода насоса.

Акселерометры должны устанавливаться как можно ближе к источнику вибрации. Для обеспечения стабильного положения датчика, особенно при измерении высокочастотных колебаний, настоятельно рекомендуется устанавливать его в просверленное отверстие на чистой, гладкой, плоской, неподвижной поверхности. Убедитесь, что винт не длиннее просверленного отверстия. Датчик должен плотно прилегать к измеряемому объекту.

В случае, если на оборудовании нельзя просверливать отверстия, то можно использовать клей с металлическими свойствами, который обеспечит хорошую передачу вибраций.

ШАГ 6. Сбор и интерпретация данных

Машины общаются с нами, но, к сожалению, они не говорят ни на английском, ни на любом другом понятном для людей языке. Они общаются через вибрационные сигналы, генерируемые во время их работы. Поэтому важно разбираться в вибрационных сигналах, чтобы иметь возможность оценить состояние оборудования. Но как это сделать?

Для перевода вибрационных сигналов на язык, понятный человеку, используются так называемые инструменты вибрационной диагностики, состоящие из трех основных частей:

  • датчики;
  • оборудование для сбора данных;
  • ПО для мониторинга состояния.

Датчики

Датчики представляют собой устройства, подключаемые к точке измерения, цель которых заключается в обнаружении физических отклонений и их переводе в соразмерные электрические значения. При мониторинге состояния используются различные датчики: датчики перемещения, акселерометры, преобразователи ударных импульсов и датчики скорости. 

Каждый из них предназначен для конкретной цели. Основное различие заключается в их точности в конкретном диапазоне частот:

  • датчики перемещения наиболее эффективны в диапазоне частот от 0 до 200 Гц; 
  • датчики скорости идеально подходят для частот среднего диапазона от 2 Гц до 1кГц; 
  • акселерометры наиболее эффективны в диапазоне от 5 Гц до 20кГц. 

Помимо точности и частотного диапазона при выборе датчиков необходимо учитывать и ряд других факторов, таких как:

  • температура эксплуатации;
  • масса;
  • размер;
  • динамический диапазон;
  • чувствительность;
  • стоимость;
  • изоляция;
  • варианты крепления;
  • IP – степень защиты от воды и пыли;
  • форма передачи данных — проводная или беспроводная.

Чтобы сделать правильный выбор, нужно понять, какие измерения будут проводиться.

Для измерения смещения стационарных сигналов (постоянной составляющей) или низкочастотных сигналов используются датчики смещения – вихретоковые датчики приближения. Эти датчики обнаруживают цель, различая изменения в магнитном поле, генерируемом эталонной катушкой. Датчики приближения используются для бесконтактного измерения смещения и, как правило, должны быть постоянно установлены на оборудовании.

Eddy Current transducer principle of operationРис. 9. Принцип работы вихретоковых датчиков приближения

Акселерометры являются наиболее распространенными датчиками измерения вибрации. Существует несколько типов акселерометров. К числу наиболее используемых относятся:

  • емкостные MEMS;
  • акселерометры со сбалансированным усилием (FBA);
  • пьезоэлектрические акселерометры (IEPE).

Акселерометры могут быть как беспроводными, так и проводными. Беспроводные акселерометры очень просты в установке, поскольку им не нужны кабели, однако из-за короткого периода автономной работы их нельзя использовать при динамических (высокоскоростных) измерениях в реальном времени.

Permanent single-channel Data Acquisition Module with a Vibration and Temperature sensor probeРис.10. Стационарный одноканальный модуль сбора данных с датчиком вибрации и температуры

Регистраторы данных – оборудование для сбора данных

Оборудование для сбора данных предназначено для преобразования электрических сигналов (аналоговых) в цифровые.

Multiple-channel High-End Data Acquisition systemРис. 11. Многоканальная система сбора данных высокого качества

Ключевыми элементами системы сбора данных являются:

  • блоки нормирования сигнала;
  • аналогово-цифровые преобразователи (АЦП);
  • интерфейс компьютера/шина;

Блоки нормирования сигнала

Блок нормирования сигнала является частью схемы блока сбора данных, которая подготавливает аналоговый сигнал, исходящий от датчика, к передаче на АЦП. Цепь нормирования сигнала преобразует сигнал, усиливая, фильтруя, ослабляя и иногда изолируя его.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП – это интегральные схемы, преобразующие аналоговый сигнал из цепи нормирования в цифровой с тем, чтобы его можно было отправить на компьютер для дальнейших вычислений. Основными характеристиками АЦП являются его разрешение и частота дискретизации.

Дополнительная информация

Что такое АЦП (аналогово-цифровой преобразователь)

Типы АЦП

Интерфейс компьютера/шина

Это интерфейс обмена данными между блоком сбора данных и компьютером. На рынке представлено несколько вариантов, включая PCI, USB, Ethernet, Wi-Fi, в дополнение к которым могут быть реализованы различные протоколы, такие как TCP/IP, Ethercat, Profinet и т.д. Выбор интерфейса зависит главным образом от требуемой скорости передачи данных, расположения устройств и условий окружающей среды (лабораторной или промышленной).

Так же, как и в случае с акселерометрами, на рынке представлено большое количество систем сбора данных, состоящих из аппаратного и программного обеспечения. Опять же, они сильно различаются, особенно в отношении принципов работы, надежности, функций ПО, повторяемости измерений и типа системы (переносная/стационарная/онлайн, распределенная/централизованная и т.д.).

ПО для мониторинга состояния.

ПО для мониторинга состояния либо разрабатывается для конкретного оборудования, либо является универсальным (с гибкой конфигурацией). Последний вид может использоваться для сложных систем мониторинга.

Dewesoft condition-based monitoring Paper Mill user interfaceРис. 12. Пользовательский интерфейс системы мониторинга состояния Dewesoft для бумажной фабрики

В одних случаях ПО может быть очень базовым и простым в использовании, измеряя лишь некоторые общие статистические показатели; в других — может включать все необходимые характеристики для анализа первичных данных, полученных с помощью соответствующего устройства. Также оно может долгое время хранить данные за прошлые периоды, а также визуализировать тенденции, позволяя пользователям обнаруживать все возможные сбои в работе оборудования. Лучшие программные решения также предлагают прямую передачу данных сторонним распределенным системам управления по различным протоколам.

Также ПО для мониторинга состояния от разных поставщиков может различаться в отношении доступа к данным. С этой точки зрения ПО делится на локальное (устанавливаемое на компьютер) и веб-ПО (для удаленного мониторинга).

Программные средства для выявления типичных неисправностей:

Особенности ПО

Типичные неисправности оборудования

 

Дисбаланс вала

Смещение

Ослабление конструкции/фундамента

Эксцентричность статора

Дефекты подшипника качения

Износ цапфового подшипника

Поломка зуба шестерни

Кавитация

Износ лопаток турбины

Резонансы конструкции

Немодулированный БПФ

Обнаружение огибающей

Порядковый анализ

Кепстральный анализ

Амплитудно-частотная характеристика

График орбит

График центральной оси вала

Двухплоскостная балансировка

Перемещение, скорость, ускорение

СКЗ, амплитуда, пик

Кривые допусков

Анализ пропускной способности и разрешения

Комплексный анализ

Тахометр и триггер

Регистратор временных данных

Редактирование временных данных

Рабочие формы прогиба

ШАГ 7. Определение задач по техническому обслуживанию

При наличии всех необходимых данных для осуществления надлежащего обслуживания необходимо интерпретировать ускорение, смещение, температуру и другие данные, собранные с помощью описанных выше программных средств.

Существуют два способа:

  • Диагностическое обслуживание, проводимое вручную квалифицированным инженером по диагностике оборудования. Он может быть штатным сотрудником или специалистом из компании, предлагающей такие услуги. 
  • Диагностическое обслуживание с использованием ПО для автоматической интерпретации данных. 

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Квалифицированный инженер — это высокооплачиваемый специалист, затрачивающий большое количество времени на анализ данных. Однако как только он подробнее изучит оборудование, он сможет спрогнозировать момент выхода его из строя и заблаговременно назначить плановое техническое обслуживание. 

ПО для диагностического обслуживания стоит меньше, но при этом гораздо менее надежно. Просто подумайте, сколько существует различных видов оборудования и в каком разнообразии условий они функционируют. Именно по этой причине невозможно найти универсальные параметры для проведения мониторинга или установить общие пороги аварийных сигналов.

Вероятно, лучшее решение на сегодняшний день — это сочетать ручной метод для оборудования высокого уровня важности и автоматический метод для остального оборудования. 

Заключение

Использование правильных решений для мониторинга состояния позволяет повысить эффективность оборудования.
Выбор системы зависит от степени важности ресурса, стоимости замены/выхода из строя, возможностей доступа к оборудованию, стоимости мониторинга и предполагаемого коэффициента возникновения неисправностей.

Как правило, портативные и недорогие системы используются для единиц оборудования с низкой стоимостью замены и низкими коэффициентами возникновения неисправностей.

Однако в последнее время, благодаря значительным достижениям в этой области, решения для постоянного мониторинга, стали более эффективными с точки зрения затрат. Благодаря снижению затрат и повышению надежности и эффективности работы оборудования все больше и больше клиентов выбирают решения для непрерывного мониторинга состояния.

 

Дополнительная информация

Решения Dewesoft для мониторинга состояния оборудования

ПО Dewesoft для мониторинга состояния оборудования

** СКОРО ** Как выполнять мониторинг состояния с помощью решений Dewesoft