Додаток А (обов’язковий). Система технічного діагностування

електричних машин на основі вібраційних параметрів.

Технічне завдання…………………………………………………..........……58

Додаток Б (обов’язковий). Система технічного діагностування

електричних машин на основі вібраційних параметрів.

Схема електрична принципова.........................................................................60

Додаток В (обов’язковий). Система технічного діагностування

електричних машин на основі вібраційних параметрів.

Перелік елементів………….……………………………………..……..…….61

Анотація

В даному курсовому проекті розроблена система технічної діагностики електричних машин на основі вібраційних параметрів. Проведено аналіз технічних параметрів системи, що проектується, здійснено огляд можливих варіантів вирішення задачі та вибрано принцип роботи автоматизованої системи на базі мікроконтролера фірми Texas Instraments. В даному курсовому проекті розроблена електрична і структурна схема системи технічної діагностики, проведено розрахунок основних елементів схеми, розраховані похибки.

В додатках наведена електрична принципова схема і перелік елементів.

Вступ

У технічному обслуговуванні електричних машин вібраційна діагностика займає особливе місце в силу своїх можливостей виявлення змін стану задовго до настання аварійної ситуації. Системи вібраційної діагностики найчастіше заміняють всю сукупність засобів зовнішнього контролю, якщо ці засоби не входять у комплекс систем керування. [1]

Витрати на обслуговування і ремонт є одним із важливих експлуатаційних показників будь-якої технічної системи. Їх мінімізація в тих випадках, коли система є ремонтопридатною, практично неможлива без ефективного контролю стану системи. В сучасних засобах контролю і діагностики, по крайній мірі обертального обладнання, основним видом аналізуючих процесів є вібрація, активно витісняючи більшість інших процесів, в том числі й теплові. Причини не тільки в тому, що вібраційна діагностика ефективніше і спостерігається тенденція до швидкого зниження витрат на її реализацію, але і в тому, що почати діагностику по вібрації можно в будь-який час, в тому числі і через декілька років експлуатації обладнання, коли затрати на профілактичні роботи і ремонт перевищують економічно виправдану величину.

Можливості вібраційної діагностики не слід ототожнювати з можливостями аварійного захисту обладнання по вібрації або вібраційному контролю. Засоби аварійного захисту - найпростіші вимірювачі потужності вібрації, що виявляють передаварійний стан об`єкту і відключаючи його до або на початковому етапі аварії. Засоби вібраційного контролю (моніторингу) - це вимірювачі потужності складових вібрації, що виявляють її зміни в процесі експлуатації обладнання. Ці засоби не призначені для виявлення дефектів, що зароджуються і тому в ряді випадків реєструють зміни стану лишь після появи ланцюга розвитих дефектів, останній із яких найбільш сильно впливає на вібрацію. Такі ланцюги дефектів з`являються не задовго до аварії, тому високу ефективність мають тілько системи моніторингу, що вимірюють вібрацію практично безперервно.

В останні десятиліття були розроблені декілька ефективних методів виявлення основних дефектів машин и обладнання по вібрації на етапі їх зародження. Природно, что вони засновані, в основному, на аналізі високочастотної вібрації, для збудження якої не потрібні великі коливальні сили, але й проявляється вона тільки в месці їх дії, швидко затухає при розповсюдженні. Такі методи стали використовуватись діагностами багатьох країн для переходу від вібраційного моніторингу до глибокої діагностики.

Паралельно розвивались методи автоматизації алгоритмів діагностики, что дозволило ряду виробників діагностичних систем замінити програмним забезпеченням висококласних експертів при рішенні типових діагностических задач. Доля таких задач дуже висока і перевищує дев`яносто відсотків від всіх задач, щ вирішуються шляхом аналізу сигналів вібрації. Перші автоматичні системи вібраційної діагностики були розроблені в 1991-1992 роках і постійно вдосконалювались.

В 1998 году з'явилось нове покоління систем автоматичної діагностики машин по вібрації, розроблене спільно фахівцями Росії і США, що об'єднало кращі із властивостей як систем моніторингу, так і систем діагностики. [2]

1 Технічне обґрунтування варіанту реалізації системи технічного діагностування електричних машин на основі вібраційних параметрів

1.1 Основні поняття та визначення

Технічна діагностика – область знань, що охоплює теорію, методи і засоби визначення технічного стану об’єкта.

Технічний стан – стан, який характеризується у визначений момент часу при визначених умовах зовнішнього середовища значеннями параметрів, встановлених технічною документацією на об’єкт.

Процес визначення технічного стану об’єкта називається діагностуванням. Визначення стану об’єкта передбачає наявність обгрунтованих алгоритмів діагностування.

Алгоритм діагностування – сукупність розпоряджень, які визначають послідовність дій при проведенні діагностування.

Вузол, механізм, машина, обладнання, система, які підлягають (піддаються) діагностуванню, називаються об’єктом діагностування (ОД). Частину ОД, яку при діагностуванні неможливо розділити на більш дрібні, називають елементом (структурною одиницею, СО). Будь-який об’єкт діагностування складається з елементів (принаймні, з одного елемента). Наприклад, бурове долото, насосна штанга, електродвигун установки для видобутку нафти можуть розглядатися як ОД із однієї СО. Результат діагностування, тобто висновок про технічний стан об’єкта, називається діагнозом. Стан ОД оцінюється за діагностичними ознаками.

Діагностичною ознакою ДО називають параметр або характеристику, які використовують при діагностуванні. Параметр – фізична величина: тиск , діаметр , сила струму , напруга , потужність , витрата , кут повороту.

Характеристика – залежність однієї фізичної величини від іншої, а саме: статична характеристика, якщо величина не залежить від часу, частоти; наприклад, зовнішня характеристика генератора постійного струму (рисунок 1.1 (а) при змішаному - 1, незалежному - 2, паралельному - 3 збудженні відповідно; динамічна характеристика, якщо така залежність має місце, наприклад, амплітудно-частотна (рисунок 1.1 (б), передатна характеристика (рисунок 1.1 (в). Кожному стану відповідає визначене значення ДО.

Рисунок 1.1 – Види діагностичних характеристик

Діагностичні ознаки вибираються в результаті аналізу діагностичної моделі, під якою розуміють формальний опис ОД, який враховує зміну її стану (в аналітичній, табличній, графічній та інших формах).

Загальним поняттям теорії надійності і технічної діагностики є поняття працездатності. Це поняття використовується для позначення класу станів ОД, знаходячись в якому, він виконує властиву йому роботу. Стан, при якому значення всіх ДО, що характеризують здатність ОД виконувати задані функції, відповідають встановленим вимогам, називається працездатним. В цьому випадку можна говорити, що обладнання працює в штатному режимі.

Непрацездатний стан – стан, при якому значення хоча б однієї діагностичної ознаки, яка характеризує виконання заданої функції, не відповідає встановленим вимогам. Перехід з класів працездатних станів у клас непрацездатних називається відмовою. При цьому можлива повна відмова, що призводить до втрати працездатності (заклинювання шарошки долота, обрив силового кабелю ЗЕУ й інші), та часткова відмова, яка призводить до втрати працездатності і нештатної роботи (кольоровий дисплей показує чорно-біле зображення, ДВЗ працює на трьох з чотирьох циліндрів), тобто обладнання продовжує працювати з погіршеними показниками.

Це аналогічно тому, якби ви хворі прийшли на роботу: будете виконувати свою роботу погано. Ступінь погіршення функціонування може змінюватись від майже штатної роботи до майже повної відмови.

Існує третій тип відмови елемента – “змінна”, яка означає, що вона почергово зникає, а потім знову з`являється. Це ускладнює визначення місцезнаходження елемента, що відмовив, оскільки при перевірці обладнання він може бути працездатним, а через деякий час – непрацездатним.

Причиною втрати працездатності або різкого зниження запасу працездатності є дефект (від лат. слова defectus – вада, недолік).

В ОД, який складається з декількох елементів, дефектом є відмова елемента, порушення зв’язку або поява зв’язку між елементами. Виникнення дефекту в ОД, який складається з декількох елементів, не обов’язково призводить до втрати його працездатності.

При цьому ОД зберігає працездатність при наявності в ньому дефекту за рахунок надлишковості (структурної, часової, інформаційної) або за рахунок того, що втрата працездатності не всіх елементів призводить до втрати його працездатності.[11]

В тих випадках, коли в ОД виник дефект, але він не втратив працездатності, говорять, що запас його працездатності знизився, а, отже, підвищилася ймовірність його відмови надалі.

При діагностуванні можуть вирішуватись наступні завдання: , ; – контроль технічного стану (КТС); – пошук дефекту (ПД); – прогнозування технічного стану об’єкта (ПТС).

Які з цих завдань вирішуються в процесі діагностування, залежить від умов його виконання і особливостей ОД.

Перше завдання КТС – контроль працездатності (запасу працездатності) обов’язково вирішується при діагностуванні об’єктів будь-якого призначення. Контроль працездатності передбачає перевірку відповідності значень діагностичних ознак ОД вимогам технічної документації. При цьому можливі два види контролю: якісний (допусковий) і кількісний (запас працездатності). В тому випадку, коли ОД втратив працездатність або запас працездатності значно понизився, при діагностуванні вирішується інше завдання. Доцільність визначення її визначається можливістю відновлення ОД, тобто усунення дефекту, який виник. В свою чергу, усунути дефект можна лише в тому випадку, коли ОД ремонтопридатний, тобто пристосований до усунення дефектів, які виникли в ньому, і обслуговуючий персонал має засоби і час для його відновлення. В цьому випадку пошук дефекту починається, як правило, за умови, що вже відомо про наявність дефекту, і невідомо лише, який саме дефект виник.

При вирішенні третього завдання вивчається характер зміни діагностичних параметрів і на основі сформованих тенденцій передбачається значення параметрів на майбутній період часу. Наприклад, перед початком чергового довбання бурильнику не завадило б знати проходку на долото даного типорозміру або час експлуатації ситового полотна вібросита для очищення бурового розчину. [4]

Найбільш розповсюдженим поєднанням завдань, які вирішуються в процесі діагностування, є:

- контроль працездатності (запасу працездатності) і пошук дефекту;

- контроль працездатності (запасу працездатності) і прогнозування стану;

- контроль працездатності (запасу працездатності), пошук дефекту і прогнозування стану.

Перший випадок має місце тоді, коли діагностується відновлюваний ОД. У цьому випадку на основі отриманого діагнозу обслуговуючий персонал проводить роботи з відновлення його працездатності. Другий випадок характерний для ОД, коли обслуговуючий персонал, враховуючи діагноз, приймає рішення про використання або режими його використання. Третій випадок спостерігається при наявності у відновлюваного ОД необхідності встановлення терміну його безвідмовного функціонування. Таке положення типове при діагностуванні надскладних і особливо відповідальних ОД.

При вирішенні основних завдань діагностування можливі різноманітні дії з формування діагнозу (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Етапи процесу постановки діагнозу

а) при позитивному результаті контролю працездатності:

- видача висновку про працездатність ОД;

- контроль запасу працездатності (КЗП) ОД і видача висновку про його стан;

- прогнозування стану (ПС) об’єкта діагностування і видача висновку про його стан.

б) при негативному результаті контролю працездатності:

- видача висновку про непрацездатний стан ОД;

- пошук дефекту, який виник (ПД), і видача висновку про стан ОД.

У процесі діагностування беруть участь, як правило, ОД, засоби технічного діагностування (ЗТД) і людина-оператор (ЛО). Їх сукупність і утворює систему діагностування (рисунок 1.3). Розглянуті положення необхідно враховувати при проектуванні і організації експлуатації технічних об’єктів, зокрема нафтогазового обладнання, бурового обладнання і систем управління.

Рисунок 1.3 – Структурна схема системи діагностування

1.2 Методи технічного діагностування

Протягом багатьох років методи контролю і діагностування машин і устаткування по будь-яких видах діагностичних сигналів ґрунтувалися на порівнянні величини сигналу або його складових із граничними значеннями, що розділяють безліч бездефектних і дефектних станів. Системи контролю й діагностики, створювані на базі цих методів, забезпечували виділення інформативних складових з вимірюваного сигналу й реєстрацію моментів перевищення ними граничних значень. Будь-яке перевищення порогів реєструвалось як дефект, вид якого визначався по сукупності складових, що перевищили задані для кожної з них пороги. Сучасні системи моніторингу стану, що є логічним розвитком систем контролю, і зараз будуються по цих принципах. Однак деякі системи моніторингу дозволяють уже не тільки контролювати величини параметрів, порівнюючи їх із граничними значеннями, і виявляти тенденції їхньої зміни в часі, але й прогнозувати час, коли вони досягнуть граничних значень.

Іншою найважливішою характеристикою систем діагностики є необхідний ступінь підготовки оператора. По обсязі необхідної від оператора діагностичної підготовки системи можуть бути розділені на три групи.

Перша група - професійні системи діагностики, у яких оператор самостійно вибирає інформаційну технологію й засоби виміру. Знання й досвід оператора-експерта при використанні подібної системи повністю визначають глибину й вірогідність діагнозу й прогнозу.

Друга група - експертні системи діагностики, що включають у себе експертні програми, що містять відповіді на типові запити оператора, тобто допомагають операторові приймати рішення в певних ситуаціях. Експертні системи можуть застосовуватися операторами, що мають спеціальну підготовку, але не знаннями, що володіють, і досвідом експертів. [6]

Третя група - системи автоматичного діагностування. Вони будуються по методах, що дозволяє автоматизувати постановку діагнозу, формуючи для оператора програму вимірів, і не очікують від користувача спеціальної підготовки. Облік перерахованих вимог дозволяє розділити існуючі методи діагностування на наступні групи:

- Методи діагностування якості зборки машин. Вони застосовуються в процесі й безпосередньо після завершення регламентного обслуговування машин й, зокрема, при виконанні робіт з балансування машин на місці їхньої установки. Ці методи не вимагають одержання ніякої інформації від систем моніторизації й розраховані на використання або в переносних системах діагностики, або на стендах вихідного контролю продукції. Особливістю цієї групи методів є й можливість часткового застосування тестових методів діагностування. Тестовим впливом може являтись дія додаткових відцентрових сил на частоті обертання ротора після установки пробних і балансувальних мас у відповідні площини балансування. Тестовим впливом можна вважати й появу динамічних сил змінної частоти, що виникають у машині.

З інформаційних технологій, використовуваних у розглянутих методах діагностування, треба насамперед виділити фазово-часову. Завданням систем діагностики, що використовують дану технологію, насамперед є виявлення різного виду невідповідностей валів при стикуванні машин один з одним і визначення причин, що обмежують ефективність балансування машин. Наприклад, при наявності різного виду дефектів у машинах можуть з'являтися до десяти різних джерел вібрації на частоті обертання ротора, що перешкоджає його балансуванню. Але крім цього необхідно виявляти й інші дефекти, що з'являються в результаті порушень технологій виготовлення й зборки різних вузлів і деталей.

- Методи діагностування за результатами моніторингу стану машин й устаткування. Ці методи будуються на базі інформаційних технологій, використовуваних для моніторингу віброакустичного стану по обмеженому числу точок контролю. Як правило, вони орієнтовані на побудову або професійних, або експертних систем діагностики. Глибина діагнозу, забезпечувана такими методами, звичайно невелика, і використаються вони найчастіше для розробки програми подальших досліджень по ідентифікації виявлених змін вібраційного стану.

- Методи спільного моніторингу й діагностування машин й устаткування. Ці методи широко використаються в стаціонарних системах моніторингу й діагностики, забезпечуючи більше високу вірогідність діагнозу, чим попередні групи методів. Позитивний результат досягається насамперед за рахунок збільшення числа точок контролю вібрації (шуму).

- Найбільш часто використовуються методи з повним поділом функцій моніторингу й діагностики. Найчастіше й системи, побудовані по цих методах, складаються із двох різних частин. Перша, що включає в себе стаціонарно встановлені на машині датчики вібрації й шуму, вирішує завдання моніторингу. Це виявлення змін віброакустичного стану, виділення тих змін, які пов'язані з необоротними змінами технічного стану машини й, при необхідності, прогнозування їхнього розвитку. Після виявлення таких змін, якщо ухвалення рішення про продовження експлуатації машини, вступає в дію друга частина системи моніторингу й діагностики. Вона вирішує завдання ідентифікації виявлених необоротних змін й, якщо це можливо, прогнозу розвитку властиво дефектів. Друга частина системи найчастіше реалізується у вигляді переносної. Це обумовлено тим, що в деяких випадках при ідентифікації дефектів необхідно виконувати додаткові виміри вібрації (шуму) у точках, де очікуваний вид дефекту дає найбільш сильну реакцію.

Ускладнення методів діагностики машин й устаткування завжди приводить до росту числа точок вимірювань і, як наслідок, до збільшення вартості систем діагностики. Оптимальної з економічної точки зору стаціонарною системою моніторингу й діагностики буде система із частковим об'єднанням функцій моніторингу й діагностики. Так, для моніторингу й діагностики може бути обране обмежене число точок контролю у вузлах, що не є найбільш сильними джерелами вібрації (шуму) у машині, але в значній мірі визначальний її ресурс. Найчастіше це точки на корпусах підшипникових вузлів. Для тих високооборотних машин, у яких підшипники є основними джерелами вібрації, додатково можуть бути використані дві-три точки контролю на корпусі, віддалені від підшипникових вузлів. [3]

- Методи діагностування й прогнозування по періодичних вимірах вібрації (шуму). Більшість машин, що розвиваються у вузлах, дефектів починають впливати на вібрацію й шум за багато місяців до настання передаварійної ситуації. Виключення становлять лише деяких з дефектів виготовлення й дефектів, що з'являються в результаті порушення правил експлуатації машини.

Вони можуть виявитися на будь-якому етапі життєвого циклу машини й за короткий строк розвитися до аварійнонебезпечних значень. Якщо припустити, що такі дефекти відсутні, відпадає необхідність моніторингу машин й устаткування з короткими інтервалами між вимірами, а отже, з'являється можливість побудови переносних систем діагностики машин з інтервалами між вимірами в кілька тижнів або навіть місяців. Методи діагностування й прогнозування по періодичних вимірюваннях вібрації (шуму) також будуються на різних сполученнях розглянутих раніше інформаційних технологій і звичайно розраховані на використання кваліфікованими експертами. Найбільших результатів можна досягти за допомогою методів, побудованих на базі сукупності інформаційних спектральної технології й технології що обгинає.

Розглянута група методів діагностування вимагає глибокого знання процесів розвитку дефектів і впливу їх на параметри вібрації й шуму у всіх видах діагностуючих машин. Оскільки дані методи будуються на основі порівняльного аналізу результатів вимірювання вібрації й шуму, виконаних у різний час, вони пред'являють дуже високі вимоги до якості віброакустичних вимірювань. Виконати подібні виміри може тільки фахівець із більшим досвідом, що й обмежує можливість й ефективність діагностування. Особливу складність звичайно представляє забезпечення ідентичності режимів роботи діагностуючих машин, без якої неможливо ефективно виявляти зміни їхнього стану.

Розробка методів діагностування по періодичних вимірах вібрації й шуму, що дозволяють автоматизувати постановку діагнозу й прогнозу, натрапляє на ті ж труднощі, що й розробка методів, що вимагають прийняття рішень оператором. Найбільше складно вирішуються питання вибору результатів тих вимірювань, вірогідність яких не піддається сумніву, особливо якщо вони відрізняються від результатів попередніх вимірів. Складність такого вибору збільшується тим, що причиною відмінностей може бути не тільки поява дефектів або зміна режимів роботи машини, але й часто, що зустрічаються помилки, оператора у виборі місця установки датчика або якості його кріплення. Крім того, практично неможливим виявляється підтримка того самого режиму роботи з навантаження, частоті обертання й температурі навколишнього середовища під час вимірів, проведених через більші інтервали часу порядку декількох тижнів або місяців.

- Найбільш популярними й найбільш складними є методи діагностування й прогнозування по одноразових вимірах вібрації (шуму). Будуються вони на основі різного сполучення розглянутих інформаційних технологій, і здебільшого можуть використатися тільки кваліфікованими експертами. Відмінною рисою цих методів є діагностування машини по вузлах або навіть по окремих елементах, якщо останні є джерелами коливань. Найбільша ефективність досягається в тому випадку, якщо експерти максимально використають можливості спектральної інформаційної технології й технології що обгинає.

В останні роки особливу увагу залучають спеціалізовані методи, які можуть бути використані для автоматичного діагностування машин або їхніх вузлів. Це насамперед методи діагностування підшипників кочення по спектрі вібрації, що обгинає, порушуваними силами тертя в діагностуючому вузлі. У цей час у стадії розробки перебувають системи автоматичного діагностування зубчастих передач, зокрема, редукторів, по однократних вимірах вібрації. Є передумови для створення подібних систем діагностики робочих коліс насосів і турбін. Всі вони базуються на інформаційній технології що обгинає й доповнюються інформаційною спектральною технологією. У найближчому майбутньому очікується створення систем діагностики електричних машин змінного струму по однократних вимірах вібрації.