← Tilbage til Condition & Vibration Monitoring kategori

Tilstandsovervågning ved hjælp af drevet som en sensor

Download lydversionen af ​​denne redaktion

Drev med variabel hastighed er blevet brugt i over et halvt århundrede, med den største fordel er reduktionen af ​​elektrisk energiforbrug. Med fremskridt til Industry 4.0 flytter drevets rolle fra en ren strømprocessor til en intelligent del af automatiseringssystemet.

Drevets evne til at fungere som en smart sensor gør det til et naturligt valg, når der implementeres tilstandsovervågning. I denne artikel præsenterer vi, hvordan dette kan bruges i vand- og spildevandsprogrammer.

â € <Af Norbert Hanigovszki, Jörg Dannehl, Sanjeet Kumar Dwivedi, Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

Anna Hildebrand-Jensen

Anna Hildebrand-Jensen

1. Nye drivfunktioner til vand- og spildevandsprogrammer
Drev med variabel hastighed med kraftelektronikomformere er blevet brugt i mere end et halvt århundrede, og i dag drives mere end 20% af alle elektriske motorer af drev med variabel hastighed. Hovedårsagen til at bruge drev er reduktion af energiforbruget.

Der er imidlertid også andre grunde til at anvende drev i vand- og spildevandsprogrammer, såsom processtyring (holde konstant vandtryk, således at undgå lækage forårsaget af højt tryk), undgå vandhammer eller optimeret udnyttelse af brønden.

Siden introduktionen af ​​mikroprocessorer til styring af drevene er der tilføjet yderligere funktionalitet til den originale funktion - hvilket er en kraftprocessor. For eksempel er drev i stand til at udføre pumpedeaggrading i spildevandsprogrammer, de er i stand til at styre flere pumper i et kaskadesystem i vandpumpeanvendelser eller kan omgå visse frekvenser for at undgå resonanser.

Fremskridt med Industry 4.0 har givet disse ekstra funktioner et ekstra løft. Da Industry 4.0 beskæftiger sig med information og netværk, begynder vi at bruge drevene som smarte og netværkssensorer.

2. Industri 4.0 i motor- og drevsystemer
Industri 4.0 er et generisk udtryk, der antyder en fjerde industrielle revolution, der kan karakteriseres ved netværkssamarbejde (efter den første industrielle revolution - mekanisering, den anden - elektrificering og den tredje - automatisering).

Selvom udtrykket er noget vagt, kunne en mulig definition være “Industri 4.0 beskriver intelligent netværk mellem mennesker, ting og systemer ved at udnytte alle mulighederne for digitalisering på tværs af hele værdikæden”.

Virkningen af ​​denne tendens på motorsystemer er en overgang fra det, der er kendt som "automatiseringspyramide" til netværkssystemer, se figur 1 (til venstre). Dette betyder, at de forskellige elementer i systemet, såsom motorer, drev, sensorer og kontroller, forbindes sammen og også forbindes til en sky - hvor data gemmes, behandles, analyseres og beslutninger træffes, se figur 1 (til højre).

Fig1 automatiseringspyramide til venstre. Tilstandsovervågning

Automationspyramide

Fig1 Netværkssystemer. Tilstandsovervågning ret

Netværkssystemer

Figur 1: Industri 4.0 betyder overgang fra automatiseringspyramiden til netværkssystemer

3. Drevet som en sensor
I applikationer med variabel hastighed åbner tilgængeligheden af ​​mikroprocessorer i drev- og buskommunikationsmulighederne kombineret med strøm- og spændingssensorer nye muligheder. Yderligere sensorer (såsom vibrations- og tryksensorer) kan tilsluttes næsten uden omkostninger til drevet.

Dette gør det muligt at bruge drevet som en smart sensor til overvågning af tilstanden (figur 2). Den tilgængelige information tilbyder forskellige anvendelsessager, f.eks. Systemoptimering, energieffektivitetsoptimering og tilstandsbaseret vedligeholdelse. Det næste afsnit undersøger nogle eksempler på sensorintegration og tilstandsbaseret vedligeholdelse.

Fig2 Drev som sensor. Tilstandsovervågning

Figur 2: Kør som en sensor

4. Integreret tilstandsbaseret overvågning
Tilstandsovervågning er en teknik til at overvåge sundheden for udstyr, der er i tjeneste. Til dette formål skal nøgleparametre vælges som indikatorer for at udvikle fejl. Udstyrets tilstand forringes typisk over tid.

Figur 3 viser et typisk nedbrydningsmønster, også kendt som PF-kurve. Pointen med funktionssvigt er, når udstyret ikke leverer den tilsigtede funktion. Ideen med tilstandsbaseret vedligeholdelse er at opdage den potentielle fejl, før den faktiske fejl opstår.

I dette tilfælde kan vedligeholdelseshandlinger planlægges inden funktionssvigt, med fordele som: reduktion af nedetid, eliminering af uventede produktionsstop, vedligeholdelsesoptimering, reduktion af reservedelslager og andre.

Fig3 PF-kurve. Tilstandsovervågning

Figur 3: PF-kurve, der repræsenterer betingelsen for en komponent indtil funktionssvigt.

4.1 Overvågning af vibrationsniveau
Mange mekaniske svigt, fx bæreudslip, akselforretning, ubalance, skaber en slags vibration. Således er vibrationsovervågning blevet etableret som den kendte teknik til overvågning af roterende maskiner. Der er forskellige metoder lige fra grundlæggende enkel overvågning til yderst sofistikeret overvågning [3].

En meget anvendt metode er vibrationshastighed RMS-overvågning [2]. Det er baseret på RMS-værdien af ​​vibrationssignalet, der måles gennem en vibrationssensor. Mange mekaniske fejl har en betydelig indflydelse på vibrationens RMS, f.eks. Ubalancer, forkert justering af skaftet og løsningen.

Udfordringen i applikationer med variabel hastighed er imidlertid afhængigheden af ​​vibrationen af ​​den faktiske hastighed. Mekaniske resonanser er typiske eksempler. Disse er altid til stede, og et overvågningssystem skal håndtere dem på en eller anden måde. Ofte indstilles fejldetekteringsniveauerne i værste tilfælde for at undgå falske alarmer. Dette reducerer detekteringsnøjagtigheden i hastighedsregioner, hvor der ikke er nogen resonans.

Når en passende vibrationssender er monteret og tilsluttet drevet, kan drevet tilbyde avanceret overvågning ved at korrelere sendesignalet med interne drevsignaler, f.eks. Hastighed eller andre signaler, der er relevante for applikationen.

Drevet kan registrere tidligt fejl og give trafiklysinfo (se figur 3) om systemets helbredstilstand for at forhindre funktionssvigt. Vedligeholdelse kan forberedes og planlægges på forhånd, mens systemet kan fortsætte driften indtil næste mulige vedligeholdelsesbrud.

Vibrationsniveauet i normal og defekt tilstand afhænger også af sensortype, placering og montering. Derudover varierer det med den faktiske applikation, der skal overvåges. Således kræves en læringsperiode. Dette kan gøres på forskellige måder. Den første metode er at lære de normale vibrationsniveauer i den indledende driftsperiode.

Dette betyder, at applikationen kører normalt, og drevet lærer vibrationen parallelt uden at påvirke driften. Når der er indsamlet nok data, begynder drevet at overvåge vibrationen. For det andet kan drevet udføre en identifikationskørsel. Her styrer drevet motoren på en sådan måde, at der indsamles nok data.

Muligheden for at bruge denne anden tilgang afhænger af den specifikke applikation. I et vandforsyningssystem er pumpen muligvis ikke tilladt at køre med fuld hastighed på idriftsættelsestidspunktet.

Der er opbygget en testopsætning for at demonstrere funktionaliteten. Fejlen i omfanget af denne test er forkert justering af motorakslen. Ujustering af skaft tilføjer lagrene mekanisk belastning og reducerer dermed lejens levetid. Desuden skaber det vibrationer, der kan føre til sekundær virkning i systemet. Tidlig detektion af forkert justering og korrektion kan udvide lejens levetid og undgå driftsstop.

Figur 4 viser testopsætningen med en induktionsmotor, der kører en lille pumpe. En vinkelforretning kan oprettes ved let at løfte bundpladen med det røde håndtag. Der er installeret en vibrationssensor på motorens bundplade for at illustrere konceptet. Det analoge 4-20 mA-sensorsignal er tilsluttet til den analoge indgang på drevet.

Fig4 testopsætning. Tilstandsovervågning

Figur 4: Testopsætning med en lille pumpe drevet af en induktionsmotor. Vibrationssender (sort / orange) monteret på bundpladen ved siden af ​​en motor.

Fig5 vibrationsmåling. Tilstandsovervågning

Figur 5: Testdata (Vibration RMS-værdi i mm / s versus hastighed i RPM) for to scenarier: fejlfri (sort, "baseline") og defekt (grøn, "forkert justeret").


Figur 5 viser et eksempel på testresultater. Den målte vibration i mm / s kontra motorhastigheden i RMS er vist i to scenarier. I det første scenarie er systemet i en sund tilstand. I denne tilstand udføres en basislinjemåling. Advarsels- og alarmtærsklerne er afledt baseret på den målte basislinje. For det fejlagtige scenarie oprettes en forkert justering af akslen ved let at løfte motorbundpladen gennem det røde håndtag, se figur 5. Den målte vibration i defekt tilstand vises med grønt.

I ovenstående eksempel kan drevet tydeligt registrere denne fejl. For andre applikationer kan basisdata være meget forskellige. Selv i helbredt tilstand afhænger typisk vibrationen af ​​hastighed. Der kan endda ved resonanspunkter, der skal tages i betragtning under overvågning. Andre typer fejl, f.eks. Ubalance, løshed, skaber forskellige mønstre.

4.2 Elektrisk signaturanalyse
Motorens tilstand og anvendelse kan også overvåges ved hjælp af elektrisk signaturanalyse. Denne teknik har været under forskning i mange år. De tidlige undersøgelser har behandlet direkte onlinemaskiner, og applikationer med senere hastighedsdrev er også blevet undersøgt [5,6,7]. Med den tilgængelige processorkraft og hukommelse i dagens drev, kan disse teknikker integreres i produkter som produktfunktioner nu.

Figur 6 illustrerer det grundlæggende koncept. Indikatorer for fejltilstand kan udvindes fra motorstrømme og spændingssignaler. Frekvenskomponenter i strømme og spændinger kan relateres til motor- eller applikationsfejl, f.eks. Forkert justering af aksler eller statorviklingsfejl.

Strøm- og spændingssensorerne er alligevel væsentlige komponenter i drev. De giver de nødvendige signaler til styring af motoren. Disse signaler kan bruges til overvågningsformål. Der tilføjes ingen ekstra sensoromkostninger. Signalbehandling og analytiske teknikker spiller en vigtig rolle i denne sammenhæng.

Fig6 elektrisk signalanalyse. Tilstandsovervågning

Figur 6: Elektrisk signaturanalyse

Drevet, der er motorens styreenhed, kan korrelere overvågningsværdierne, f.eks. Specifikke strømharmonikker, med andre tilgængelige oplysninger inde i drevet. Ved at kende controller-tilstanden for eksempel, ved drevet, hvornår meningsfulde spektrumberegninger kan udføres. Ligesom overvågning af vibrationsniveauet kan korrelationen af ​​overvågede værdier med motorhastighed, belastning og andre relevante procesdata (f.eks. Tryk i vandrør) udføres for at få mere nøjagtige fejloplysninger.

4.3 Belastningsovervågning i pumper
Som vist i det foregående afsnit måler drev motorstrøm og spænding, og det primære formål er at bruge disse målinger til styring af motoren. Den primære strøm- og spændingsmåling bruges til at beregne forskellige parametre såsom motoreffekt, energi, faktisk motorhastighed eller drejningsmoment. Og disse værdier kan bruges til at overvåge motorbelastningen, for eksempel en pumpe.

I applikationer, hvor belastningen afhænger af motorhastigheden, kan momentvurderingen bruges til at bestemme overbelastnings- og underbelastningsafvigelser. Under basislinjen "lærer" drevet den normale fordeling af lasten eller lastkonvolutten - vist i figur 7. Som i de foregående funktioner er der en sammenhæng med motorhastigheden.

Under overvågning kan drevet registrere overbelastning og underbelastningsforhold, som kan være forårsaget i pumpeapplikationer af fejl som: begroing, slibning, brudt løberhjul, slid eller andet.

5 konklusioner
Tilstandsovervågning kan bruges til implementering af tilstandsbaseret vedligeholdelse - hvilket er en udvikling fra korrigerende og forebyggende vedligeholdelse. Men tilstandsovervågning er afhængig af sensordata; og installation af ekstra sensorer kan være dyrt. Hvis der allerede bruges drev med variabel hastighed i applikationen, er de en værdifuld datakilde, der kan bruges til tilstandsovervågning, hvilket sparer unødvendig udgift.

6 Referencer:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung of Schwingungen von Maschinen durch Messungen and nicht-rotierenden Teilen
[3] Robert Bond Randall: Vibrationsbaseret tilstandsovervågning: Industrial, Aerospace and Automotive Applications
[4] Ifm: Betjeningsvejledning Vibrationssensor VKV021, https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk: Elektriske maskiner: Modellering, tilstandsovervågning og fejldiagnose, CRC Press, 2013
[6] Howard P. Penrose: Elektrisk motordiagnostik, succes ved design; 2nd udg. udgave (2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi, Jorg Dannehl: Modellering og simulering af stator- og rotorfejl i induktionsmotor og deres eksperimentelle sammenligning, 2017 IEEE 11th International Symposium om diagnostik til elektriske maskiner, kraftelektronik og drev (SDEMPED)

Process Industry Informer

Relaterede nyheder

Giv en kommentar

Dette websted bruger Akismet til at reducere spam. Lær, hvordan dine kommentardata behandles.

Del via
Kopier link