РадиоЛоцман - Все об электронике

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования. Часть 1

Analog Devices ADXL356 ADXL357 ADXL1001 ADXL1002

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017

Михаил Русских

Объясняется общий принцип работы систем автоматического мониторинга промышленного оборудования, объясняется порядок оценки вибрационного состояния электрических машин, приводятся преимущества акселерометров перед существующими решениями измерения вибрации, рассказывается об акселерометрах ADXL356/357 и ADXL1001/1002: описываются их параметры, особенности, принцип работы и перспективы использования в системах мониторинга состояния оборудования

Надежное функционирование промышленных исполнительных механизмов, и в частности электродвигателей, очень важно для эксплуатирующих предприятий, поскольку поломка или выход из строя таких устройств могут привести к остановке производства, потребуют затрат на ремонт оборудования и устранение последствий аварии, а в некоторых случаях даже могут стать причиной чрезвычайных происшествий. В связи с этим актуальными вопросами являются разработка и внедрение систем мониторинга состояния промышленного исполнительного оборудования. Важность таких систем возрастает еще больше в связи с общей автоматизацией производств и сокращением рабочего персонала, который мог бы контролировать как визуально, так и с помощью специального оборудования, состояние и степень износа промышленных механизмов. К тому же в некоторых случаях, например, при расположении механизмов в труднодоступных местах, доступ к такому оборудованию со стороны обслуживающего персонала может быть ограничен. Кроме того, выполнение полной диагностики оборудования возможно лишь в те редкие промежутки времени, когда оно отключено.

Перед системой автоматического мониторинга стоят три основные задачи. Во-первых, она должна зарегистрировать изменение или отклонение физических параметров относительно нормы, если таковое произошло. Во-вторых, она должна определить причину изменения, то есть произвести диагностику. И, в-третьих, она должна сделать прогноз относительно того, в каком состоянии будет находиться механизм в ближайшее время. И на основании этого, в случае выявления какого-либо отклонения, она должна либо оповестить обслуживающий персонал, если отклонение некритичное, либо при серьезной неполадке выполнить определенные действия, например, отключить механизм, и/или оповестить ремонтный персонал о необходимости скорейшего устранения проблемы. Упрощенная блок-схема общего алгоритма функционирования системы автоматического мониторинга представлена на Рисунке 1.

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
Рисунок 1. Блок-схема алгоритма функционирования
системы автоматического мониторинга
промышленного оборудования.

Для оценки состояния исполнительных механизмов система регистрирует несколько параметров, одним из важных среди которых является вибрация, поскольку она позволяет узнать о возникающих проблемах на ранних стадиях, тогда как резкое повышение температуры является уже свидетельством неизбежного отказа. Согласно [1], на выход электродвигателей из строя вследствие проблем с подшипниками приходится примерно 40-50% от общего числа случаев их поломки. Регистрация вибрации этих элементов электромотора во время работы позволила бы заранее предупреждать об износе механизма и необходимости скорейшей замены дефектных элементов, чтобы предотвратить более серьезные поломки двигателя, вызванные длительной эксплуатацией и несвоевременным ремонтом.

Порядок определения и оценки вибрационного состояния электрических машин приводится в международном стандарте ISO-10816. Его отечественный аналог – ГОСТ ИСО 10816-1-97 [2]. Помимо виброускорения (м/с2), стандарт в качестве измеряемой величины принимает также виброскорость (мм/с) и виброперемещение (мкм), которые можно получить путем интегрирования и двойного интегрирования виброускорения, соответственно. Как правило, при контроле широкополосной вибрации машин роторного типа в качестве оцениваемого параметра используют среднее квадратичное значение виброскорости. Для качественной оценки вибрационного состояния машин и принятия решения о необходимых мерах в стандарте описываются четыре зоны вибрационного состояния. В зону A попадают новые, недавно введенные в эксплуатацию машины. Механизмы зоны B считают пригодными для дальнейшей эксплуатации без ограничения сроков. Машины зоны C непригодны для длительной непрерывной работы. Они могут функционировать некоторый период времени, но их ремонт нужно организовать как можно быстрее. Вибрация в зоне D является довольно серьезной и может вызвать повреждение машины. Эксплуатацию такого механизма нужно прекратить в кратчайшие сроки и произвести все необходимые ремонтные работы.

Для электрических машин с вращающимися механическими частями границы зон устанавливаются в зависимости от их класса. В стандарте их описано четыре. К классу 1 относятся маломощные машины. Как правило, это серийные электрические моторы мощностью до 15 кВт. В класс 2 входят электродвигатели средней величины (мощностью от 15 до 875 кВт) без специальных фундаментов, а также жестко установленные на специальных фундаментах двигатели мощностью до 300 кВт. К классу 3 относят мощные двигатели и механизмы с вращающимися массами, установленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации. А в класс 4 входят мощные двигатели и механизмы с вращающимися массами, установленные на фундаменты, относительно податливые в направлении измерения вибрации. К ним можно отнести, например, турбогенераторы и газовые турбины мощностью более 10 МВт. В Таблице 1 приведены границы зон для машин этих четырех классов. Границы определяются среднеквадратическими значениями виброскорости.

Таблица 1. Примерные границы зон для машин
различных классов
V с.к.з., мм/с Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4
0.28 А А А А
0.45
0.71
1.12 В
1.8 В
2.8 С В
4.5 С В
7.1 D С
11.2 D С
18 D
28 D
45

После того как будет зафиксировано превышение значения виброскорости относительно границ зон, свидетельствующее о возникновении проблемы, нужно будет проанализировать синхронизированный частотный спектр для получения дополнительных сведений о причине проблемы. Определить, стерлись ли зубья шестерни или искривился приводной вал, можно после выделения частей спектра и анализа гармоник. Графики на Рисунке 2 изображают рост виброскорости и превышение ее допустимого значения в процессе работы механизма (а), и частотный спектр при таком превышении (б).

Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования Акселерометры Analog Devices для систем автоматического мониторинга состояния промышленного оборудования
а) б)
Рисунок 2. Блок-схема алгоритма функционирования системы автоматического
мониторинга промышленного оборудования.

Простые механические проблемы, такие как слабая устойчивость опор, изогнутый приводной вал и износ подшипников скольжения, проявляются на частотах до 1 кГц. Износ зубцов на шестернях и неполадки в подшипниках качения могут наблюдаться в полосах частот до 6 кГц. Для раннего предупреждения износа таких подшипников или проблем, связанных со смазкой подшипников, специалисты предпочитают анализировать шум на частотах в диапазоне от 6 кГц до 10 кГц. Для этого требуются датчики с очень низким уровнем шума и широким диапазоном рабочих частот. Кроме того, иногда для контроля состояния элементов механического оборудования применяют метод ударного импульса и метод акустической эмиссии с использованием датчиков с резонансными частотами около 30 кГц.

До недавних пор для измерения вибрации механических элементов промышленного оборудования широко применялись пьезоэлементы. Однако в последнее время постепенно их начинают вытеснять МЭМС-акселерометры благодаря своим преимуществам, к которым можно отнести малые размеры, низкую стоимость, стабильную чувствительность, лучшую устойчивость к ударам, а также наличие встроенной электроники, позволяющей создавать интеллектуальные датчики.

Тем не менее, большинство представленных сегодня на рынке акселерометров не имеют присущих пьезодатчикам широких рабочих частотных и динамических диапазонов, как не имеют в этих диапазонах и линейных характеристик, поэтому их применение для регистрации вибраций промышленных механизмов весьма ограничено. Это ограничение стремится преодолеть компания Analog Devices, которая в апреле 2017 года вывела на рынок акселерометры ADXL356/357 и ADXL1001/1002, предназначенные для использования в системах мониторинга промышленного оборудования.

Список источников

  1. «Large Electric Motor Reliability: What Did The Studies Really Say?»
  2. ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях».
  3. PRÜFTECHNIK AG «Machine diagnosis: Quick and easy through FFT analysis». p. 9.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADXL356/ADXL357
  2. Datasheet Analog Devices ADXL1001/ADXL1002

Окончание

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

ADXL356 Купить ЦенаКупить ADXL356 на РадиоЛоцман.Цены — от 3 281 до 258 610
8 предложений от 7 поставщиков
Инструменты разработки датчика ускорения EB: Eval Board for ADXL356 10g/20g Acc
Элитан
Россия
ADXL356CEZ
Analog Devices
3 281 ₽
ПМ Электроникс
Россия
EVAL-ADXL356BZ
Analog Devices
от 4 516 ₽
Триом
Россия
EVAL-ADXL356CZ
Analog Devices
5 941 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
ADXL356BEZ
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя