Группа проектов Кипинфо
Реклама

Реклама

Система AnomAlert: что внутри?

К списку статей

Чарльз Т. Хэтч
Главныйинженер
GEMeasurement&Control
КанерКузкая
Вице-президент
ArtesisA.S.

Что такое AnomAlert?

Система определения неисправностей электродвигателей AnomAlert включает программное обеспечение и сетевое оборудование. Система в режиме реального времени определяет неисправности в электрических двигателях и приводном оборудовании. Система AnomAlert использует интеллектуальный, смоделированный подход для обнаружения неисправностей на основании измерения сигналов тока и напряжения, поступающих от источника электропитания к электродвигателю. Система устанавливается стационарно, как правило, в пункте управления электродвигателями, применима для 3-х фазных двигателей переменного тока, асинхронных или синхронных двигателей, а также двигателей с постоянной или переменной скоростью вращения. Существуют также модели AnomAlert, которые можно использовать для мониторинга состояния генераторов.

AnomAlert является диагностической системой, которую можно использовать совместнос системой контроля вибраций в качестве дополнительного оборудования для обнаружения повреждений в электрических цепях. Систему также можно использовать в ситуациях, когда целенаправленный контроль вибраций электродвигателя является непрактичным, экономически невыгодным или же недостаточно исчерпывающим. Она способна обнаружить изменения в нагрузках двигателя вследствие отклонений в работе приводного оборудования или процесса, например, образование пустот, закупорка фильтров и сеток. Поскольку AnomAlertне требует установки каких-либо датчиков непосредственно на электродвигатель или сопряженную нагрузку, система особенно привлекательна для использования с труднодоступным приводным оборудованием и применима для большинства типов насосов, компрессоров и подобных машин. Она также подходит для контроля погружаемых, скважинных, забойных и герметичных насосов.

Система AnomAlert использует для обнаружения неисправностей работы двигателя или приводного оборудования комбинацию динамических кривых тока и напряжения вместе с изученными моделями. Активное изучение сопровождается использованием дополнительной модели парка, которая актуальна в том случае, если система AnomAlert была установлена уже на неисправном двигателе. Система AnomAlert обнаруживает разницу между наблюдаемыми характеристиками тока и изученными характеристиками, после чего рассматривает эту разницу как неисправность.

Обнаружение неисправности двигателя основано на модели двигателя с изученными физическими характеристиками, когда константы в модели рассчитаны на основании данных в режиме реального времени и сопоставлены с предварительно изученными значениями.

Обнаружение механических неисправностей основано на амплитудах спектральной плотности мощности в конкретных полосах частот, сравниваемых с изученными значениями. Эта информация автоматически сочетается с экспертными диагностическими знаниями. Ввиду использования подхода на основе спектральной полосы, обнаружение механических неисправностей является неточным, но указывает на класс возможных неисправностей. Чувствительность к некоторым неисправностям (например, неисправность роликового подшипника) снижается при отдалении от места неисправности. С другой стороны, неисправности, которые повышают нагрузку двигателя, не зависят от расстояния от двигателя.

Обнаружение механических неисправностей на основе спектра в системе AnomAlertаналогично анализу сигнала тока двигателя (АСТД), однако есть некоторые существенные отличия, которые отделяют систему AnomAlertот типичного АСТД:

  • В системе AnomAlert используются причинно-следственные (напряжение-ток) связи, тогда как в АСТД используется только ток. Изменения напряжения на входе приводят к изменениям тока, что может привести к ложным сигналам тревоги в АСТД. Причинно-следственные связи
    в системе AnomAlert обеспечивают защиту от появления таких ложных сигналов тревоги.
  • Система AnomAlert использует стабильный набор референсныхданных, собранных в течение десяти дней работы двигателя, и рассчитывает пороговые уровни аварийного сигнала, характерные для обслуживаемого оборудования.
  • Обнаруженные неисправности обрабатываются при помощи сложного алгоритма определения продолжительности изменений для защиты от ложных сигналов тревоги, что делает систему AnomAlert менее чувствительной к случайным изменениям сигналов.

В следующих главах мы более подробно рассмотрим принцип работы системы AnomAlert. Мы не будем рассматривать тему выбора трансформатора напряжения или тока или же их установку, режимы работы и программирование. Эту информацию можно легко найти в других источниках1.

Сбор данных

Сигналы напряжения и тока всех трех фаз (всего 6 сигналов) направляются в системуAnomAlert, где они оцифровываются для дальнейшей обработки сигнала. Сигналы напряжения менее 480 В могут быть заведены непосредственно в систему, тогда как более высокие напряжения требуют установки трансформатора напряжения. В зависимости от применения, трансформаторы тока или датчики тока на основе эффекта Холла используются для измерения и понижения токов двигателя.

Цикл итерации системы AnomAlert составляет 90 секунд. В начале каждой 90-то секундной итерации система AnomAlert замеряет кривые напряжения и тока. Оставшееся время используется для анализа после обработки и для обновления передней панели.

Все шесть кривых можно экспортировать в текстовый файл для последующей обработки. В текстовом файле нет заголовков. Он содержит только шесть колонок, соответствующих спаренным кривым напряжения и тока: V1, I1, V2, I2 и V3, I3.

Моделирование и обнаружение неисправностей

Для обнаружения неисправностей система AnomAlert использует четыре различных подхода. Первый основан на характеристиках внутренних элементов двигателя, другой основан на частотном анализе спектра тока двигателя, третий анализирует фактическое напряжение и ток для проверки наличия некоторых типов неисправностей сети питания и тока, наконец, четвертый подход использует данные парка подобных двигателей для предоставления независимого диагностического образца. Мы последовательно рассмотрим каждый из этих подходов.

Внутренняя модель двигателя

Для идеальной работы двигателя при стабильной частоте сети кривые напряжения и тока синусоидальны. Изменения линейного напряжения создают магнитные силы, вынуждающие ротор вращаться, а амплитуда и фаза токов двигателя связаны с входными напряжениями из-за внутренней электрической и механической работы двигателя.


Мы можем рассматривать кривые линейного напряжения как входной сигнал двигателя, а кривые тока - как выходные сигналы. Внутренние электрические и механические элементы двигателя можно рассматривать как передаточную функцию, которая преобразует кривую напряжения на входе в кривую тока на выходе (Рис. 1). Это ключ к пониманиювнутренней модели двигателя в системе AnomAlert.

Рис 1. Двигатель в качестве передаточной функции. Кривая напряжения преобразована двигателем в кривую тока.

Система AnomAlert использует линейную модель для внутренних электрических и механических элементов двигателя. Основанная на физических понятиях модель получена из ряда дифференциальных уравнений и может быть представлена как передаточная функция. Во время процесса обучения система AnomAlert определяет коэффициенты для этой модели. При нормальной работе двигателя смоделированная передаточная функция двигателя максимально приближена к реальной физической передаточной функции двигателя2.

Осуществляя мониторинг состояния, система AnomAlert берет кривую напряжения на входе и пропускает ее через передаточную функцию модели, чтобы получить теоретическую кривую тока. В то же время, реальная передаточная функция двигателя преобразует кривую напряжения на входе в наблюдаемую (измеренную) кривую тока. Теоретическая кривая тока вычитается из измеренной кривой тока, и мы получаем кривую дифференциального тока (Рис. 2). Кривая дифференциального тока содержит «отклонения» между теорией и реальностью, и система AnomAlert использует данную кривую дифференциального тока для анализа механических неисправностей.

Рис 2. Исходная кривая напряжения проходит через реальную передаточную функцию двигателя, образуя кривую тока с гармоническим искажением, Iдвиг.. Эта же кривая напряжения проходит через передаточную функцию изученной модели, образуя теоретическую кривую тока, Iмодель. Разность двух кривых является кривой дифференциального тока. Кривая дифференциального тока представляет собой расхождение между теорией и реальностью.

Обнаружение повреждений в электрических цепях двигателя

Изменения внутренних характеристик двигателя (например, коротко замкнутая обмотка) приводят к изменениям реальной передаточной функции двигателя. Осуществляя контроль, система AnomAlert берет измеренные кривые напряжения и тока и рассчитывает новый набор наблюдаемых коэффициентов для внутренней модели двигателя. Коэффициенты оригинальной модели вычитаются из наблюдаемых коэффициентов, и мы получаем остаточное напряжение и дифференциальный ток. Эти значения используются для обнаружения проблем во внутренних электрических цепях двигателя.

Обнаружение механических неисправностей

В идеальном случае, ротор двигателя должен быть отлично отцентрирован по отношению к статору с соблюдением зазора, плавно вращаться и быть сбалансированным. В действительности ротор двигателя никогда не будет идеально отцентрирован по отношению к статору, подшипники и приводное оборудование создают помехи, и ротор будет постоянно разбалансирован в некоторой степени.

Механические неисправности влияют на расположение ротора, создают помехи и искажения на кривых тока. По мере развития неисправностей агрегата, ток на выходе будет все больше отличаться от теоретических значений. Например, разбалансированный ротор вращается по орбите 1X, которая изменяет зазор между вращающимся ротором и статором. Такие изменения приводят к амплитудной модуляции сигналов тока и появлению боковых полос вокруг частоты напряжения питания в спектре. Другим примером может послужить неисправность обоймы роликового подшипника, которая приводит к периодическому изменению положения ротора. Изменение положения ротора приводит к соответствующему изменению зазора между ротором и статором, а также к амплитудной модуляции тока двигателя. Модуляция создает боковые полосы вокруг частоты напряжения питания в спектре тока, а расстояние между боковой полосой и частотой напряжения питания соответствует частоте неисправности подшипника. Другие виды неисправностей также могут привести к возникновению множества дополнительных частотных составляющих в спектре тока. Система AnomAlert (в общем, как и АСТД) обнаруживает такие дополнительные частотные составляющие и использует их для диагностики различных механических дефектов.

Анализ, выполняемый системой AnomAlert, отличается от АСТД. АСТД включает в себя спектральный анализ наблюдаемой кривой тока (иногда демодулированной), тогда как система AnomAlert создает график спектральной плотности мощности (СПМ) на основе кривой дифференциального тока (разницы между теоретической кривой тока и измеренной кривой тока). Кривая дифференциального тока системы AnomAlert основана на изученной модели, поэтому СПМ - это спектр разницы между теорией и реальностью. Таким образом, система AnomAlert сначала обнаруживает изменения в токе двигателя, затем классифицирует спектральные характеристики таких изменений на классы неисправностей. Система AnomAlertразбивает энергию СПМ на 12 типовых спектральных диапазонов частот, которые связаны с определенными классами неисправностей.

Неисправности тока и сети питания

В период обучения система AnomAlert изучает типовое поведение двигателя. Отклонения напряжения и тока от нормального поведения могут сигнализировать о проблеме. Система AnomAlert проверяет наличие значительных изменений коэффициента мощности, напряжения и токов небаланса. Увеличение нагрузки приводного оборудования приведет к увеличению тока двигателя, а система AnomAlert использует аномальный ток как индикатор проблемы с нагрузкой. Например, уменьшение потока воздуха через вентилятор или нагнетатель приведет к уменьшению нагрузки вентилятора и тока двигателя, а это свидетельствует о возможном наличии препятствия, затрудняющем поток.

Модель парка типового оборудования

Что происходит, если система AnomAlert установлена на двигатель, который уже неисправен? Будет ли неисправность обнаружена или же система не сможет ее выявить? Нет. Именно для этого и нужна модель парка типового оборудования. В систему AnomAlert заложена база данных характеристик сигналов кривых дифференциального тока, которые являются референснымидля многочисленного парка подобных двигателей. База данных используется как резервный вариант для защиты от пропущенных сигналов тревоги в случае, если система AnomAlert изучает неисправный двигатель. Если измеренное значение превышает верхнее значение в базе данных для такого диапазона частот, система AnomAlert выдаст сигнал тревоги3(Рис. 3).

Рис 3. График СПМ дифференциального тока, отображающий спектр двигателя (голубой) и кривую верхних значений парка (красный). Если частота двигателя постоянно превышает верхние значения парка, система AnomAlert выдает сигнал тревоги.

Обучениесистемы

При первой установке система AnomAlert изучает поведение подключенного к ней двигателя. Некоторое время система изучает поведение, после чего начинает осуществлять контроль работы двигателя. Некоторые двигатели приводят в действие оборудование, работающее с постоянной скоростью и нагрузкой. Это самый простой режим работы для изучения и контроля, ведь любое изменение рабочих характеристик, скорее всего, указывает на наличие проблемы. Многие другие агрегаты работают при переменной скорости или переменной нагрузке. В таком случае нормальные показатели для одного диапазона нагрузок могут быть аномальными для другого. В этой ситуации система AnomAlert изучает работу и создает отдельную внутреннюю модель двигателя для каждого режима работы. Позже, при изменении условий, система AnomAlert переходит от одной модели к следующей.

Период обучения для системы AnomAlert занимает приблизительно 10 дней (Рис. 4) независимо от того, работает ли двигатель с постоянной или переменной скоростью. Во время обучения система AnomAlert работает циклично, накапливая кривые и выполняя анализ, после чего повторяет процесс. На протяжении каждого цикла итерации в 90 секунд система AnomAlert одновременно собирает кривые напряжения и тока для каждой фазы, после чего выполняет численный анализ данных. В течение начального этапа изучения (3 дня) система AnomAlert не осуществляет контроль. Она занята созданием предварительной внутренней модели двигателя и спектральной статистики.

Рис 4. Период обучения системы AnomAlert. После установки системе AnomAlert требуется до 10 дней для изучения поведения двигателя. Она начнет осуществлять контроль после окончания 3-дневного периода начального обучения.

После окончания периода начального обучения система AnomAlert начинает осуществлять мониторинг двигателя. По мере осуществления мониторинга система продолжает совершенствовать модель еще на протяжении 7 дней (этап совершенствования). Для двигателей, работающих с переменной скоростью, такой цикличный процесс выполняется для всех необходимых режимов работы. На протяжении этапов изучения и совершенствования, если двигатель переходит от работы в одном режиме к другому, система AnomAlert сохраняет предыдущие данные и начинает изучать новый режим работы. Когда двигатель возвращается к работе в частично завершенном режиме, система AnomAlert продолжит обучение с последней точки.

Как только весь процесс обучения будет завершен, система AnomAlert прекращает совершенствование модели и осуществляет непрерывный мониторинг двигателя с помощью завершенной внутренней модели двигателя и спектральных характеристик СПМ.

Если после завершения модели двигатель начинает работать в новом режиме, в котором ранее не работал, система AnomAlert может выдать сигнал тревоги, если кривая тока будет значительно отличаться от смоделированных. В таком случае пользователь может вручную настроить систему AnomAlert на изучение нового режима с помощью команды «Update» («Обновить»). Тогда система AnomAlert начнет изучение нового режима работы. Система AnomAlert не будет осуществлять контроль нового режима, пока не будет завершено обновление процесса обучения.

Если во время процесса обучения произошел сбой питания, система AnomAlert возобновит и продолжит изучение с последней точки.

Обнаружение изменений, продолжительность и сигналы тревоги

Вследствие шума и небольших изменений в рабочих характеристиках всегда будет существовать некоторое различие между наблюдаемой моделью и параметрами спектра. На этапе обучения система AnomAlert создает статистику, которая описывает существующее отличие. Когда обучение завершено, система AnomAlert обладает набором статистических данных для коэффициента каждой модели (повреждения в электрических цепях) и спектральной полосы 4(механические неисправности).

Работа системы AnomAlert основана на обнаружении различий между наблюдаемыми и предварительно изученными параметрами, будь-то коэффициенты внутренней модели или же амплитуды спектральной полосы. Такие различия должны пройти статистическую проверку, прежде чем они будут отнесены к ряду значительных отличий. Такие проверки определяют минимальные пороговые уровни аварийного сигнала.

Даже при нормальной работе машины время от времени могут иметь место значительные отклонения. Чтобы обеспечить защиту от ложных сигналов тревоги, системе AnomAlert необходимо, чтобы обнаруженное изменение было продолжительно во времени. Система AnomAlert использует сложный алгоритм, который сравнивает величину, на которую параметр превышает пороговое значение, и сколько раз произошло изменение за промежуток времени. Этот скользящий промежуток времени изменяется в зависимости от того, насколько измеренный параметр превышает статистический порог. Для значительного превышения порога требуется короткий промежуток времени, тогда как для среднего превышения - длительный промежуток времени. Система AnomAlert выдает сигнал тревоги только в том случае, если удовлетворено требование продолжительности.

Сигнализации«CheckLine» («Проверьте сеть питания») основаны на сконфигурированных процентных отклонениях от объективной нормы. Например, будет выдан сигнал тревоги о несимметрии токов или напряжений, если несимметрия между фазами превышает максимальное сконфигурированные значения в процентах. Подобный метод сигнализации используется для диапазона напряжений, максимального тока и низкого напряжения или тока.

Диагностика

В большинстве случаев система AnomAlert не определяет точно конкретную неисправность. Вместо этого она выдает типы неисправностей, которые служат индикаторами и указывают на участки, на которые впоследствии необходимо обратить внимание. Система AnomAlert использует четыре независимых метода обнаружения неисправностей, которые можно отнести к двум категориям: электрические и механические.

Повреждения в электрических цепях связаны либо с неисправностями внутренних компонентов двигателя, либо с проблемами во внешнем источнике питания. Система AnomAlert осуществляет контроль в обоих случаях, применяя два независимых метода. Внутренние неисправности двигателя обнаруживаются с помощью изученной внутренней модели двигателя, принятой в качествеэталона. В каждом цикле контроля система AnomAlert рассчитывает набор из 8 параметров внутренней модели двигателя на основании наблюдаемого напряжения и тока. Эти наблюдаемые параметры сравниваются с параметрами, полученными на этапе изучения, после чего обнаруживаются значительные и продолжительные изменения, которые относятся к неисправностям в электрических цепях. Среди таких неисправностей стоит отметить следующие:

  • Ослабление обмоток;
  • Проблемы со статором;
  • Короткое замыкание.

Внешний источник питания проверяется непосредственно на несимметрию токов и напряжений, диапазон напряжений, максимальный ток и низкое напряжение или ток. Такие неисправности сообщаются как сигнал тревоги «CheckLine» («Проверьте сеть питания»).

Обнаружение и диагностика категорий механических неисправностей выполняется с помощью СПМ кривой дифференциального тока. Дифференциальный ток представляет собой разницу между наблюдаемым током и теоретическим током, который выдает внутренняя модель двигателя, используя одинаковое наблюдаемое напряжение.СПМ разделена на 12 диапазонов частот, которые, как правило, связаны с некоторыми механическими проблемами. Результат анализа этих диапазонов частот показывает класс неисправностей для дальнейшего изучения.

  • Нарушение жесткости системы или ее компонентов
  • Дисбаланс/несоосностьмуфты или подшипника
  • Неисправность ремня, элемента трансмиссии, приводного оборудования
  • Неисправность подшипника
  • Неисправность ротора

Помните, что сигнал тревоги «CheckLoad» («Проверьте нагрузку») по причине аномально высокого или низкого тока обычно возникает вследствие изменения нагрузки приводного оборудования, а изменение нагрузки приводного оборудования могло произойти по двум причинам: неисправность или изменение процесса. Если оборудование работает в условиях, которые не наблюдались в период обучения, пользователь должен установить систему AnomAlert в режим обновления, с тем чтобы новые условия были изучены. Если же нагрузка изменилась вследствие неисправности, проблему необходимо изучить, а пользователь должен убедиться, что сигнал тревоги удален из системы AnomAlert.

Модель парка типового оборудования предоставляет независимый анализ в том случае, если система AnomAlert выполнила изучение неисправного двигателя. Модель парка состоит из нормальных и верхних значений для каждого из 12 диапазонов СПМ на основе огромного количества ранее изученных подобных двигателей. Если значение дифференциального тока в диапазоне СПМ превышает верхнее значение парка, то после проверки продолжительности система AnomAlert выдаст сигнал о неисправности.

Ограничения

Система AnomAlert является эффективным инструментом для мониторинга работы двигателя. Однако существуют некоторые ограничения для ее использования и интерпретации.

Диагностика механических неисправностей основана на энергии в 12 спектральных частотных диапазонах. По своей природе, это приблизительный анализ, а диагностические признаки, как правило, указывают на большую группу проблем. Чтобы установить неисправность, Заказчикунеобходимо будет выполнить дополнительный осмотр с применением других методов. Спектр СПМ, который выдает система AnomAlert, может облегчить эту задачу, но его недостаточно для точного определения неисправности.

Запрещено применять систему AnomAlert для двигателей, которым свойственно резкое изменение напряжения или мощности. Сетевое напряжение и амплитуда тока не должны меняться более чем на 15% за шесть секунд. Это незначительное ограничение для большинства устройств, но некоторые устройства, такие как дробилки, такому требованию не соответствуют. Помните, что при внезапном изменении нагрузки, система AnomAlert отклонит этот случай, хотя та же машина может стабильно работать при некоторой нагрузке, что позволит системе AnomAlert осуществлять контроль такой машины.

Система AnomAlert отлично подходит для устройств, в которых двигатель расположен на расстоянии от трансформаторов тока или напряжения. Однако питание в точке измерения тока должно быть подключено к одному двигателю. Запрещено использовать несколько двигателей на стороне трансформатора тока. С другой стороны, один набор трансформаторов напряжения может быть использован для всех двигателей, питание которых осуществляется от одного и того же источника напряжения. Ограничение измерения тока актуально для применения под водой, когда электроснабжение кморскому дну возможно только с помощью ответвлений к нескольким двигателям. В таком случае систему AnomAlert нельзя использовать на главной линии электроснабжения. Ее можно использовать только в том случае, если трансформаторы тока могут быть установлены на каждой линии ответвления (применяются ограничения вторичной нагрузки трансформатора тока5).

Систему AnomAlert запрещено применять для двигателей постоянного тока или однофазных двигателей.

Для частотно-регулируемых приводов частота прерываний инвертора должна превышать 2 кГц.

Заключение

Система AnomAlert является эффективным инструментом для контроля работы двигателя. Эффективность системы AnomAlert заключается как в комплексной обработке сигнала и алгоритмах анализа, так и во внутреннем резервировании. Способность изучать систему делает ее чувствительной и гибкой, а референснаябаза данных двигателей позволяет обеспечить защиту от пропущенных сигналов тревоги, вызванных изучением уже неисправного двигателя. Тщательно продуманная сигнализация использует статистический анализ в сочетании с адаптивной проверкой продолжительности. Такие характеристики создают продукт, который значительно превосходит традиционный анализ сигнала тока двигателя. Система AnomAlert зарекомендовала себя как надежная система, что подтверждает наш отличный послужной список.

1 Информацию касательно выбора и установки можно найти в руководстве BentlyNevada 286752, Выбор трансформатора тока, защиты от перегрузок и трансформатора напряжения для системы AnomAlert. Общая информация для размещения заказа предоставлена в документе с каталожным номером 286754-01, Технические характеристики и информация для размещения заказа.

2 Позже мы рассмотрим особый случай: что происходит, когда система AnomAlert создает модель двигателя, уже имеющего неисправность.

3 Подразумевается, что уровень аварийных сигналов прошел проверку продолжительности. Но об этом позже.

4 Помните, что система AnomAlert определяет спектральную линию с наибольшей амплитудой в конкретном диапазоне частот и использует амплитуду этой линии как значение в этом диапазоне. Система AnomAlert не суммирует все значения спектральной энергии в диапазоне.

5 Вторичная нагрузка трансформатора тока - это максимальное сопротивление, которое может возбудить вторичная обмотка трансформатора тока (сторона, подключенная к системе AnomAlert), чтобы соответствовать техническим характеристикам. Использование длинных кабелей от трансформатора тока обеспечит более высокое сопротивление, которое ограничит допустимое расстояние от трансформатора тока до системы AnomAlert. См. руководство BentlyNevada 286752, Выбор трансформатора тока, защиты от перегрузок и трансформатора напряжения для системы AnomAlert.


Реклама


Реклама


Реклама

Реклама


Яндекс цитирования Яндекс.Метрика Яндекс.Метрика
© 2006-2013 Kipinfo.ru
При использовании информации ссылка на сайт “Kipinfo” обязательна.
Контактная информация Размещение рекламы
16+