На сегодняшний день существует множество систем для анализа вибрации механических узлов оборудования [1-6].

В данной работе предлагается использовать для построения орбиты вала сигналы с двух датчиков вибрации, установленных на подшипнике скольжения под углом 90^о друг относительно друга (рисунок 1). Один датчик установлен горизонтально, второй – вертикально.

Рисунок 1. Подшипник скольжения

Возможность использования датчиков вибрации для построения орбиты вала основана на том факте, что при вращении вал совершает колебания, следовательно, перемещение его центральной оси пропорционально этим колебаниям. Поэтому для построения орбиты вала можно использовать сигналы виброперемещения с двух датчиков, установленных под углом 90^о друг к другу в вертикальной плоскости, перпендикулярной центральной оси вала.

Орбита вала в данном случае будет представлять собой круговое движение вектора, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Определение траектории вращения вектора, описывающего орбиту вала

Модуль вектора r_i рассчитывается по выражению:

,

где x_i и y_i – значения виброперемещения, полученные с горизонтально и вертикально установленных датчиков, соответственно.

Текущее значение угла наклона вектора φ_i можно найти по выражению:

.

В случае использования датчиков вибрации на подшипнике скольжения наблюдается некоторое ослабление сигнала, полученного с датчиков, связанное с наличием достаточно толстого смазочного слоя между шейкой вала и чувствительным элементом датчика. Однако такое ослабление не должно существенно повлиять на результаты измерения [6].

Для проверки предлагаемой системы расчета орбиты вала был проведен эксперимент в условия производства листовой стали листопрокатного цеха № 4 (ЛПЦ4) ОАО «ММК».

В качестве датчиков вибрации использовались датчики VSA001 производства компании ifm electronics. Для чтения сигналов с датчиков использовались контроллеры ifm electronics VSE002. Данная система мониторинга и виброконтроля установлена при непосредственном участии авторов на оборудовании чистовой группы клетей прокатного стана горячей прокатки ЛПЦ4 ОАО «ММК». Мнемосхема системы приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Мнемосхема системы виброконтроля основного оборудования ЛПЦ4 ОАО «ММК»

Контроллер VSE002 считывает с датчиков вибрации VSA001 величину виброускорения вала. Полученные значения виброускорений с двух датчиков пересчитываются в величины виброперемещений [1]. После синхронизации во времени результирующих сигналов виброперемещения и их фильтрации вычисляется траектория вращения вектора r_i по вышеприведенным выражениям. В результате этого были получены графики орбиты вала, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Орбита вала

По результатам проделанной работы можно сделать вывод о том, что для построения орбиты вращающегося вала подшипника скольжения возможно использование датчиков вибрации. Датчик вибрации является хорошей альтернативой датчику приближения, обычно применяемого для данной цели. Разработанная система позволяет контролировать орбиту вала с целью диагностики дефектов оборудования.

В ООО «НПП ВартПро» разработан и создан датчик вибрации, который, имея самую низкую на рынке цену в расчете на измерительный канал, обладает возможностями на уровне самых дорогих специализированных комплексов вибрационной диагностики.
Датчик родился не на пустом месте — наша команда длительное (более 20 лет) время занималась разработкой стационарных комплексов виброзащиты и вибромониторинга для крупных промышленных роторных агрегатов (турбин, компрессоров, насосов), работающих в различных отраслях российского ТЭК. За это время мы достаточно хорошо изучили рынок как со стороны спроса, так и предложения. Постепенно росло убеждение, что потенциал рынка существенно превосходит его освоенный объем и на рынке имеются пустующие ниши. Проблема — в отсутствии подходящего продукта. Надеемся, что таким продуктом и является наш iVP3, описание которого считаем нужным предварить краткой характеристикой рынка, без которой понять продукт затруднительно.

2. Про рынок со стороны предложения

Трудно найти промышленное предприятие, на котором бы ничего не слышали про измерение вибрации. Энергетика, добыча, транспорт и переработка энергоносителей, металлургия и металлообработка, химическое производство — везде системы контроля вибрации находят свое применение.

На нижеследующем рисунке приведена упрощенная классификация основных типов применяемых систем в зависимости от четырех критериев:

• Применяется ли система для противоаварийной защиты.
• Является ли система стационарной или переносной
• Осуществляет ли система измерения в непрерывном или периодическом режиме
• Обладает ли система диагностическими возможностями

Если спуститься по дереву системы к конкретному ее листу, записывая номера узлов через точку, – получим сокращенное обозначение того или иного типа. Так, 1.1.1.1 — это «Система виброзащит стационарная непрерывного действия с функциями диагностики». Чем меньше сумма цифр в условном обозначении — тем система дороже (тем выше ее стоимость в расчете на один измерительный канал).

Самыми дорогими являются системы 1.1.1.Х. Ими оснащаются ответственные дорогостоящие агрегаты, отказ которых может привести к тяжелым последствиям. Как видно из диаграммы и следует из самого смысла их применения, такие системы всегда стационарные и непрерывного действия. В подавляющем большинстве случаев — это системы вида 1.1.1.1.

На другом конце ценового спектра находятся системы 2.2.2.2 — это дешевые переносные виброметры. Такие приборы применяются линейным персоналом для измерения общего уровня в процессе контрольных обходов оборудования.

Промежуточное положение с точки зрения цены занимают системы 2.1.2.Х — беспроводные измерительные системы с автономным питанием, и системы 2.1.1.Х — стационарные измерительные системы без функции защит.

3. Про рынок со стороны спроса

Принимая решение в пользу той или иной системы, менеджмент предприятия рассуждает приблизительно следующим образом:

•  Если оборудование ответственное (либо его оснащение предписано нормативными документами в сфере промышленного надзора) — его оснащают системами 1.1.1.X.
• Если оборудование дешевое и выход его из строя не ведет к сколь-нибудь ощутимым финансовым последствиям — его не контролируют вовсе либо осуществляют периодические замеры системами 2.2.2.Х
• В остальных случаях пытаются оценить целесообразность оснащения при помощи критерия оптимальность/применимость, звучащего так: «Если затраты на оснащение меньше, чем выгоды, даваемые им, то следует оснащать». При этом под затратами понимают не только цену покупки системы, но пытаются оценить стоимость всего ее жизненного цикла. Выгода также может быть различна. Так, системы класса 2.1.Х.2 позволяют предотвратить внезапный отказ и связанные с ним издержки, но не позволяют выявить корневую причину возможного отказа и имеют малый временной горизонт, исчисляемый сутками, что не позволяет, к примеру, оптимизировать ремонтную политику.

4. Про рыночные ниши

Разработанный нами продукт предполагается использовать для оснащения агрегатов, которые не нужно защищать по вибрации, но отказ которых может привести к ощутимым проблемам. В качестве примера приведем так называемые агрегаты собственных нужд тепловой электрической станции. Отказ таких агрегатов ведет к ограничению отпускаемой станцией мощности и связанным с этим потерям в виде упущенной выгоды от недовыработанной электроэнергии и штрафов, уплачиваемых системному оператору — регулирующей рынок электроэнергии организации.

Для предотвращения вышеописанных неприятностей у менеджмента есть следующие варианты:

• Выполнять периодические замеры с применением оборудования группы 2.2.2.1. силами квалифицированного персонала, умеющего применять оборудование этой группы и владеющего приемами диагностики. Применение такого подхода практически решает вышеуказанную задачу при условии, что замеры выполняются с требуемой периодичностью. Однако с этим имеется серьезная проблема — уменьшение численности линейного персонала и кадровый голод на этом рынке не позволяют выдержать требуемую периодичность измерений.
• Оснащать оборудование системами 2.1.X.1. Это практически не получило распространения в связи с тем, что цена подобных систем оказывается экономически неоправданной.

В итоге идут либо на периодические замеры системами 2.2.2.2 силами низкоквалифицированного линейного персонала, либо в относительно редких случаях оснащают системами 2.1.Х.2. Эти решения, будучи бюджетными, если и решают задачу, то только отчасти — заблаговременное диагностирование дефекта оказывается невозможным.

На основании вышеизложенного и возникла идея — нужно дать рынку продукт, который по своим ценовым параметрам был бы на уровне категории 2.1.Х.2, а по возможностям — на уровне 2.1.X.1.

5. Про продукт

Центральная идея iVP3— это «one size fits all», где «all» относится как к решаемой задаче, так и к потребителю продукта. Поясним эту идею:

• При помощи iVP3 можно решать практически любую задачу в области вибрационных измерений — от простого мониторинга общего уровня до продвинутых систем предиктивной аналитики. При этом даже в случае простейших систем измерения общего уровня решение будет самым бюджетным из возможных альтернатив. Цена за измерительный канал будет в диапазоне 20-30 тыс. рублей, что находится на уровне самых бюджетных решений, измеряющих общий уровень вибрации
• Системы на базе iVP3 можно строить по принципу «progressive enhancement», последовательно наращивая возможности по мере накопления опыта работы и появления дополнительных «хотелок». При этом расширение возможностей системы не будет требовать дополнительных инвестиций в аппаратное обеспечение — в датчике все необходимое поддержано в базовой комплектации.
• Датчик интересен и конечному пользователю, и интеграторам, строящим комплексные информационно-измерительные системы и заинтересованным в создании подсистем контроля технического состояния в их составе, и дистрибьюторам специализированных измерительных систем.
• Датчик идет с бесплатным набором кроссплатформенных программных продуктов, упрощающих интеграцию в измерительные системы заказчика. Это ModbusProxy сервер, OPC-UA сервер, локальный архив в базах данных MariaDB либо PostreSQL, GraphQL-точка доступа.

И в заключение — несколько слов про аппаратно-программную реализацию датчика. Датчик является «edge computing» изделием и обладает следующими характеристиками:

• Датчик оснащен высокопроизводительным сигнальным процессором BlackFin-518, работающим под управлением многопоточной операционной системы реального времени.
• Измерения выполняются при помощи трехканальной MEMS-микросхемы ADXL-357. Полоса пропускания по уровню — 3дБ — 1 кГц.
• Питание — PoE 802.3af 10/100 Mixed DC & Data (метод A).
• Датчик в реальном времени рассчитывает СКЗ, пиковые значения и размахи виброускорения, виброскорости и виброперемещения, выполняет спектральную обработку с извлечением из спкетра диагностических признаков дефектов оборудования
• Вся измерительная информация доступна по Modbus TCP/IP и/или Modbus UDP. Помимо этого, датчик оснащен встроенным WEB-сервером.
• Электроника заключена в герметичном корпусе IP-67, имеются два варианта исполнения — обычный и взрывозащищенный (вид взрывозащиты — 0ExibdIICT5).

6. Заключение

Надеемся, что рынок по достоинству оценит нашу разработку и она послужит делу повышения безопасности и рентабельности промышленных производств, эксплуатирующих роторное оборудование.