Międzyprocesowy potencjał diagnostyczny w napędach maszyn
Transkrypt
Międzyprocesowy potencjał diagnostyczny w napędach maszyn
dr inż. JÓZEF AUGUSTYNOWICZ prof. zw. DIONIZY DUDEK dr inż. KRZYSZTOF DUDEK* dr inż. ANDRZEJ FIGIEL prof. nzw. FRANCISZEK W. PRZYSTUPA* IKEM Politechniki Wrocławskiej *również Kolegium Karkonoskie, Jelenia Góra Międzyprocesowy potencjał diagnostyczny w napędach maszyn górniczych Międzyprocesowy potencjał diagnostyczny może służyć wzajemnemu diagnozowaniu obiektów typowo elektrycznych metodami mechanicznymi i obiektów typowo mechanicznych metodami elektrycznymi. Współdziałające systemy techniczne, zawsze zależne od siebie procesowo – maszyna bez napędu i napęd bez maszyny tracą sens – współzależne są również informacyjnie. Wiedzę o stanach mechanizmów można pozyskiwać diagnostycznie poprzez symptomy z zachowań systemu elektrycznego, i odwrotnie – wiedzę o stanach systemu elektrycznego można pozyskiwać diagnostycznie poprzez symptomy z zachowań mechanizmów. Istnieją wykorzystywane oraz potencjalne możliwości pozyskiwania wiedzy o takich relacjach międzysystemowych. W proponowanej pracy kierunek diagnostyczny to systemy elektrotechniczne, obserwowane poprzez symptomy – dziedzinowo powiązane z mechaniką. 1. WSTĘP Potencjał diagnostyczny jest sumą uświadamianej oraz nieuświadamianej przez diagnostę informacji diagnostycznej, możliwej do pozyskania w trakcie istnienia obiektu [6,7]. Systemy techniczne, zawsze zależne od siebie procesowo – maszyna bez napędu i napęd bez maszyny tracą sens – współzależne są również informacyjnie. Wiedzę o stanach systemu elektrycznego można pozyskiwać diagnostycznie poprzez symptomy z zachowań mechanizmów. Istnieją wykorzystywane oraz potencjalne możliwości pozyskiwania wiedzy o takich relacjach międzysystemowych. Znane przykłady z przenośników taśmowych oraz napędów koparek kopalnianych są tego dobrym wyznacznikiem [2,7]. Spodziewać można się znacznych korzyści eksploatacyjnych z wykorzystania relacji informacyjnych. W maszynach procesy robocze to zakresy zmienności od kilu Hz do kilku tysięcy Hz, jednak procesy towarzyszące, najkorzystniejsze diagnostycznie to zakresy również wyższe. Tutaj poszukuje się wzajemnych oddziaływań symptomowych mechanicznoelektrycznych, czy elektromagnetycznych. Zjawiska elektromagnetyczne w napędach elektrycznych oddziałują mocno na zjawiska tribologiczne – tarcia suchego lub mieszanego, drgania itp. Odzwierciedlają zjawiska mechaniczne (dotarcie, geometrie, dokładności położeń) oraz same stany elektromagnetyczne (iskrzenia, symetrie obwodów magnetycznego i elektrycznego, itp.) [3,4,5,10,11]. Procesy mechaniczne i elektryczne w napędach maszyn górniczych są współzależne, synergicznie splątane. Bez takiego rozumowania traci się potencjalnie bogate kanały informacyjne, w tym diagnostyczne. 2. ANALIZA DOŚWIADCZALNA ZJAWISK MECHANICZNYCH W SILNIKU ELEKTRYCZNYM Dla potwierdzenia współzależności procesów mechanicznych i elektrycznych w napędach maszyn zrealizowano pilotowe badania zjawisk typowo mechanicznych wybranego silnika elektrycznego. MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 46 0,30 v RMS = 0,67 mm/s f = 25 Hz; v r = 0,26 mm/s 0,25 f = 50 Hz; v r = 0,16 mm/s vr [mm/s] 0,20 f = 100 Hz; v r = 0,16 mm/s f = 848 Hz; v r = 0,09 mm/s 0,15 0,10 0,05 0,00 0 200 400 600 800 1000 f [Hz] 0,45 f = 848 Hz; a r = 0,440 m/s2 0,40 0,35 f = 748 Hz; a r = 0,335 m/s2 ar [m/s2] 0,30 f = 3423 Hz; a r = 0,160 m/s2 0,25 f = 1768 Hz; a r = 0,149 m/s2 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 f [Hz] Rys. 1. Drgania w kierunku promieniowym osi wału głównego Wibroakustyka – Widma sygnału wibroakustycznego (FFT) Każda z pozyskanych częstotliwości mówi o zjawiskach mechanicznych i elektromechanicznych oraz elektromagnetycznych w napędzie. Drgania o częstotliwości 25, 50 i 100 Hz to „mowa” sieci zasilającej – drgania wynikające z prędkości obrotowej to częstotliwości 848 Hz. Częstotliwości w zakresie 3 kHz dotyczą asymetrii pola elektromagnetycznego wirnika. Niskie częstotliwości (~100 Hz) to możliwe wady stojana lub niewyważenia wału [14]. Diagnosta maszyn niezbyt łatwo wykorzysta swe metody w pozornie podobnym diagnozowaniu sys- temów elektrycznych, elektronicznych czy informatycznych. Podobnie trudna jest zwrotna adaptacja do podsystemu mechanicznego metod diagnozowania elektrycznego w synergicznym systemie – zawierającym podsystem elektryczny napędzający system mechaniczny. Maszyna w typowej, ustabilizowanej eksploatacji „przemawia” nieustannie wieloma „językami” – drganiowo, akustycznie, elektromagnetycznie, produktami zużycia, itd. – coraz lepiej rozumianymi. Jak to potwierdzono – wiedzę o stanach systemu elektrycznego można pozyskiwać diagnostycznie poprzez symptomy z zachowań mechanizmów, rys. 1, 2 [1,7-12, 14]. Nr 7(461) LIPIEC 2009 47 0,20 f = 848 Hz; v o = 0,19 mm/s 0,18 0,16 v RMS = 0,97 mm/s vo [mm/s] 0,14 f = 873 Hz; v o = 0,04 mm/s 0,12 0,10 0,08 f = 748 Hz; v o = 0,04 mm/s 0,06 0,04 0,02 0,00 0 200 400 600 800 1000 f [Hz] 1,2 f = 848 Hz; a o = 1,001 m/s2 1,0 ao [m/s2] 0,8 0,6 f = 748 Hz; a o = 0,173 m/s2 0,4 f = 873 Hz; a o = 0,216 m/s2 0,2 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 f [Hz] Rys. 2. Drgania w kierunku osiowym wału głównego 124,3 T exp 3,149 , [K], t R2 = 0,967 Przyjęto, że przyrost temperatury obudowy silnika to różnica między temperaturą zmierzoną w chwili tn a temperaturą zmierzoną przed uruchomieniem silnika t0. Parametry modelu wzrostu temperatury (krzywa S) oszacowano poprzez analizę regresji nieliniowej. O dobrym dopasowaniu modelu do wyników pomiaru świadczy bardzo wysoka wartość współczynnika determinacji R2. Przygotowanie DIAGNOZERA Poprzez wykonane wstępne badania udowodniono hipotezę o możliwości wykorzystywania zjawisk mechanicznych – drgań oraz tribologii – dla odczytu zmian stanu obiektu elektromechanicznego. Nie identyfikowano zjawisk elektrycznych, odpowiedzialnych za odpowiednie symptomy mechaniczne, gdyż to należeć będzie do zespołu interdyscyplinowego. Zrealizowano w pełni zadanie powiązania działania silnika elektrycznego z symptomami z grupy dynamiczno-triobologicznej. Kolejny etap pracy to przygotowanie DIAGNOZERA, zgodnie z istniejącą wiedzą o diagnozowanym zespole (elektrycznym, elektromechanicznym) oraz dozorowanie – obserwacja układu metodami technicznymi dla dwu typowych sytuacji technicznych: MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 48 Konglomerat sygnałowo-symptomowy symptomy elektryczne dyskryminacja sygnałów symptomy mechaniczne ocena wszystkich obiektów i procesów diagnoza obiektów i procesów mechanicznych elektrycznych Rys. 3. Dyskryminacja symptomów dla diagnozy[9-11] Termowizja 38,0°C Tmax: 22,3 38,0°C Tmax: 25,3 20,0°C 20,0°C t0 = 0,0 [s] t1 = 58,8 [s] 42,0°C 38,0°C Tmax: 35,2 Tmax: 41,5 20,0°C 20,0°C t3 = 211,8 [s] t4 = 588,1 [s] Rys. 4. Termogramy dla czasów eksploatacji od t =0 do t ~= 10 min 25 T [K] 20 15 10 5 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 t [s] Rys. 5. Diagram korelacyjny przyrostu temperatury na tle modelu Nr 7(461) LIPIEC 2009 49 Dla nagłej awarii 1. Stwierdzenie awarii (uszkodzenia w zespole elektrycznym). 2. Reakcja natychmiastowa (specyficzna w stanie awarii) – wyłączenie napędu. 3. Lokalizacja miejsca awarii. 4. Przywrócenie stanu zdatności. Dla powolnej degradacji 1. Wychwycenie możliwości awarii. 2. Lokalizacja miejsca i charakteru degradacji. 3. Reakcja korekcyjna – odnowa (remont, naprawa, modyfikacja, ...). 4. Reakcja obserwacyjna – potwierdzenie występowania procesu degradacji (dynamika, itp.). uszkodzenie obiektu typu elektrycznego start uszkodzenie obiektu typu mechanicznego dalsza degradacja start uszkodzenie obiektu typu mechanicznego uszkodzenie obiektu typu elektrycznego dalsza degradacja Rys. 6. Uszkodzeniowe sprzężenia zwrotne elektryczno-mechaniczne[11,12] układ NAPĘDOWY (wiedza obiektowa oraz procesowa) diagnozer (nauka o diagnozowaniu) dobór i adaptacja cech informacyjnych diagnozera do cech procesowych układu Rys. 7. Adaptacja cech diagnozera do zmian w napędzie wielosystemowym[6]. Brak reakcji na awarie w jednym z systemów powoduje nie tylko dalsze jego uszkadzanie, ale w sprzężeniu uszkadza systemy powiązane (rys. 6). Właściwa reakcja na awarie w jednym z systemów powoduje jego naprawę oraz poprawia efektywność działania całości. Diagnoza, jako efekt diagnozowania, jest wykorzystywana w syntezie systemu eksploatacji, obiektu, itp. Wykorzystanie diagnozy zachodzić musi poprzez narzędzia o cechach adaptacyjnych – rys. 7 – właściwych dla celu realizacji postulatów wynikowych diagnozy. W maszynie elektrycznej muszą to być narzędzia materialne, w systemie energetycznym – informacyjne, energetyczne i inne. Relacje diagnostyczne mechanizmów i napędów elektrycznych w szczególności ujawniają się w maszynach (np. kopalnianych) [2,3,4,5]. Istnieje olbrzymia ilość metod badań, w tym diagnostycznych, zespołów i elementów obiektów górniczych z napędem elektrycznym, brak jest jednak wyraźnej metodologii doboru celowo dedykowanego diagnozera. Poszukiwanie metodologii doboru celowo dedykowanego diagnozera dla konkretnego systemu elektromechanicznego w konkretnej sytuacji technicznej jest celem pracy diagnostów. Z zakresu niezbędnych do diagnozowania napędów elektrycznych w rozległych maszynach górniczych istnieją rozbudowane metody badań i obserwacji, 50 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA lecz w warunkach laboratoryjnych. Wynika to z: trudności w dostępie, rozległości fizycznej, rozłożenia w trudno dostępnym terenie, dużej prędkości przemieszczeń, nieokreśloności i nieprzewidywalności uszkodzeń, podatności uszkodzeniowej trudności obserwacyjnej w miejscach transformacji nosiwa, itd. Wskazane przyczyny zmuszają do odejścia od konwencjonalnego traktowania procesu diagnozowania obiektów łączących systemy mechaniczne i elektryczne. Zaproponować można wykorzystanie przedstawionych metod opartych o proste zależności międzysystemowe, nie pretendując do zupełności propozycji oraz wyboru najlepszego rozwiązania. Przedstawione rozważania mogą być tylko podstawą i punktem wyjścia dla konkretyzacji projektu narzędzi diagnozowania w znanej sytuacji technicznej, mogą być łatwo adaptowane do innych obiektów wskazanego typu. Jak wspomniano w [1,9,13] – widzi się dokładnie to, co się zna – zgodnie z zasadą obserwacji. Mechanik szuka przyczyn po stronie mechanizmów, elektryk po stronie elektrycznej. Ta zasada powoduje też reakcje odwrotne – przerzucania przyczyn i odpowiedzialności na procesy obce – nieznane. A przecież są to procesy współzależne, synergicznie splątane. Brak takiego spojrzenia powoduje utratę wielu potencjalnie bogatych kanałów informacyjnych, w tym diagnostycznych. Z [3-12] wynika możliwość obserwacji wzajemnej, np.: Procesy elektr. w silniku poprzez procesy mech. w silniku lub procesy mech. w maszynie, Procesy elektr. w napędzie poprzez procesy mech. w silniku lub mech. w maszynie, Procesy elektr. w sterownikach poprzez procesy mech. w silniku lub mech. w maszynie, Procesy mech. w silniku poprzez procesy elektr. w silniku, w napędzie lub w sterownikach, Procesy mech. w maszynie poprzez procesy elektr. w silniku, w napędzie, sterownikach, Itd. Autor, jako uczestnik spotkań specjalistów z obu dziedzin, wielokrotnie stwierdził hermetyczne wręcz zamykanie się w swojej dziedzinie i niedostrzeganie zjawisk dokładnie rozpoznanych w obiekcie traktowanym jako nieznany. Przyczyn takiej postawy można szukać w nawykach oraz coraz większej konieczności specjalizowania się w coraz bardziej wąskiej dziedzinie, co nie jest odkryciem. Trochę szersze spojrzenie natychmiast wykazuje możliwości diagnozowania całych obiektów mechanicznych z napędem elektrycznym poprzez obserwacje w obszarze przepływów prądowych oraz ich pochodnych. Np. w przenośnikach taśmowych wszelkie zakłócenia w obu podsystemach – napędu elektrycznego oraz napędu po stronie mechanicznej jak i samego przenośnika – natychmiast odwzorowywane są w podsystemie współpracującym. W tym miejscu należy również odnieść się do wczesnych wibroakustycznych diagnostycznych prac Cempela [1] czy Dudka [2], gdzie szczegółowo opisano destrukcyjne sprzężenia wibroakustyczne, zagrażające pracy maszyn. Pomijanie wzajemnego oddziaływania – początkowo tylko diagnostycznego (bo niskoenergetycznego – choć czasami również uszkodzeniowego! [13]) może skończyć się powiększeniem przepływów energetycznych aż do poziomów o wyraźnie destrukcyjnych cechach. Synergicznie powiązane procesy elektryczne i mechaniczne, choć trudne do zauważenia i dyskryminacji mogą przejść do poziomu zagrażającego jakości systemu maszynowego lub jakości realizowanego procesu. Mechanik nie dostrzeże zagrożenia z delikatnej dysfunkcji napędu – bo poziomów jakości mechanizmów może być kilka i mechanizm może być sprawny jeszcze tysiące godzin – a taka dysfunkcja (np. zbytnia podatność sprzęgła) może radykalnie obniżyć jakość działania silnika elektrycznego. Procesy takie są obustronne, wyraźnie poznane zakłócenie elektryczne może być potraktowane przez mechanika jako zdarzenie losowe nieznanego pochodzenia, gdyż przyczyn degradacji poszukiwać będzie on w obszarach znanych obciążeń, wymuszeń napędu i otoczenia oraz kinematyki systemu maszynowego. PODSUMOWANIE Przepływy międzysystemowe istnieją, nie zawsze jest to uświadamiane. Konieczne jest zrozumienie, pełna wiedza o przepływach informacyjnych tego typu. Wymaga sporej pracy typu analitycznego i badawczego określenie sygnałów, które mogą być diagnozonośne. Ocena stanu prostego narzędzia, przedmiotu i obszaru pracy była jeszcze wiek temu bezpośrednia – uszkodzenia były łatwo widoczne. Na „awarię” maszyny prostej reagowano naprawą – działano po zdarzeniu, awarii, katastrofie. Prewencyjnych działań zapobiegawczych raczej nie stosowano. Informacją była przerwa w pracy, konieczność remontu czy pozyskania nowego narzędzia. Świadomość istnienia wiedzy o eksploatacji narzędzi i korzyści z tego płynących pojawiła się współcześnie. Podobnie było z wiedzą o diagnozowaniu – nieodłącznym elementem eksploatowania narzędzi. Nr 7(461) LIPIEC 2009 Bardzo proste sformułowanie tytułu pracy kryje w sobie ogrom problemów i pytań, na które usiłuje odpowiadać wiele dziedzin nauki – od teorii systemów, cybernetyki, poprzez metodologie dziedzinowe aż po projektowanie i eksploatacje w technice. Wskazane w pracy dziedziny wraz z olbrzymią ilością nie wymienionych tworzą systemy zmieniające się nieustannie – samoczynnie lub w efekcie działania czynników zewnętrznych – ingerencyjnych. Wszystkie dziedziny wymagają dobrej informacji dla wysuwania hipotez, stawiania twierdzeń oraz poprawnego działania w swych zastosowaniach. Pozyskiwanie informacji o kontekstach działania, otoczeniu, o przedmiotach i podmiocie działań w sposób najbardziej szybki, efektywny, możliwie bezbłędny, itd. jest warunkiem podstawowym. Uszkadzająca się maszyna w typowej, ustabilizowane eksploatacji przemawia nieustannie wieloma językami – coraz lepiej rozumianymi. Jeśli diagnozowany obiekt dał się uprzednio poznać – po wykorzystaniu istniejących algorytmów diagnozowania - trafność diagnozy jest prawie pewna. Diagnosta maszyn niezbyt łatwo przełączy się mentalnie na pozornie podobne diagnozowanie w systemach elektrycznych, elektronicznych czy informatycznych. Tam istnieje wgląd (obserwacyjny – diagnostyczny) do każdego z setek, tysięcy czy milionów punktów struktury systemu – o takiej sytuacji może tylko marzyć diagnosta maszyn czy lekarz. Ta liczność staje się wtedy swoistym problemem. I odwrotnie – elektryk musiałby przebudować swoje rozumienie diagnozowania, gdy w maszynie najpierw trzeba decydować o symptomach, potem znaleźć ścieżki dostępu lub symptomizacji, a jeszcze później syntezować obserwatora, który nie jest prostym miernikiem. Wiedzę o stanach mechanizmów można pozyskiwać diagnostycznie poprzez symptomy z zachowań systemu elektrycznego, i odwrotnie. Istnieją potencjalne możliwości pozyskiwania wiedzy o takich relacjach. Wynika to z konieczności istnienia w diagnozerze dualizmu wiedzy o diagnozowaniu oraz wiedzy ściśle obiektowej – tu o elementach elektrycznych i podzespołach mechanicznych. Spodziewać można się znacznych korzyści eksploatacyjnych z tego typu narzędzi informacyjnych. W pracy przedstawiono elementy metodologii diagnozowania elementów napędów elektrycznych, specyficznych i integralnych w systemach z mechanizmami. W pracy – poprzez analizy oraz wykonane wstępne badania udowodniono hipotezę o możli- 51 wości wykorzystywania zjawisk mechanicznych – drgań oraz tribologii – dla odczytu zmian stanu obiektu elektromechanicznego. Nie identyfikowano zjawisk elektrycznych, odpowiedzialnych za odpowiednie symptomy mechaniczne, gdyż to należeć będzie do zespołu interdyscyplinowego. Zrealizowano w pełni zadanie powiązania działania silnika elektrycznego z symptomami z grupy dynamiczno - tribologicznej. Wymiana między dziedzinami techniki czy wiedzy w obszarze diagnozowania jest obecnie codziennością, objawiając się w różnorodny sposób. Konkludując – w przypadku diagnozowania nieuchronnie istnieją różnice i podobieństwa dziedzinowe i obiektowe – o różnicach należy pamiętać, podobieństwa wykorzystywać. Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Cempel Cz.: The Tribovibroacoustical Model of Machines, Wear, 105, 1985, s.297-305. Dudek D., Babiarz S.: Kronika awarii i katastrof MP w GO, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocł., 2007. Glinka T.: Diagnozowanie maszyn elektrycznych, Inżynieria diagnostyki maszyn, red. B. Żółtowski, Cz. Cempel: BPE, ITE, Bydgoszcz – Radom, 2004, s.634-654. Kowal A. i inni: Wybrane aspekty eksploatacyjne dołowych przenośników taśmowych..., Semag 2003, M i AG, 7/390/2003, str. 39-46. Łabencki C.: Problemy modernizacji urządzeń elektrycznych oraz układów automatyki..., Semag 2003, M i AG, 7/390/2003, str. 53-57. Przystupa F.W.: Proces diagnozowania w ewoluującym systemie technicznym, OW Politechniki Wrocławskiej, Seria Monografie, Wrocław, 1999. Przystupa F.W.: Diagnostic equiv. for widespread machinery, Systems, Vol.8/2, str.115-131. Przystupa F.W.: Diagnostics of "UUUU..." type situations in Logistic Systems, Systems 2007 vol. 12/2, s. 21-28. Przystupa F.W.: Symptom - syndrom diagnostyczny, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2007 nr 7, s. 115-122. Przystupa F.W: Diagnozowanie eksploatacyjne maszyn roboczych z napędem elektrycznym. Problemy Maszyn Roboczych. 2008, z. 32, s. 91-99. Przystupa F.W: Metodologia diagnozowania eksploatacyjnego maszyn z napędem elektrycznym. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa. 2008, nr 7/8, s. 82-87. Przystupa F.W: Diagnostyka stanów przedawaryjnych w MRC. Problemy Maszyn Roboczych. 2007, z. 30, s. 25-34. Radkowski, S.: Wibroakustyczna diagnostyka uszkodzeń, BPE, ITE, Warszawa– Radom, 2002. Pruftechnik AG12/2003 VI-TBO - informacja naukowotechniczna. Recenzent: dr inż. Grzegorz Wiśniewski 52 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA INTER-PROCESS DIAGNOSTICS POTENTIAL IN DRIVES OF MINING MACHINES The inter-process diagnostics potential may be used for mutual diagnostics of typically electric objects to be made by mechanical methods and typically mechanical objects by electric methods. The technical systems operating together are always dependent on each other not only processionally – i.e. a machine without a drive and a drive without machine are pointless – but also informationally. Knowledge about conditions of mechanisms may be acquired diagnostically by means of behaviour symptoms of an electric system and vice versa – knowledge about conditions of electrical systems may be acquired diagnostically by means of behaviour symptoms of mechanisms. There are currently applied abilities and also potential abilities to acquire knowledge of such inter-system relations. A diagnostics trend presented in the paper consists in observations of electric systems regarding mechanical symptoms. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ МЕЖДУ ПРОЦЕССАМИ В ПРИВОДАХ ГОРНЫХ МАШИН Диагностический потенциал между процессами может служить для взаимного диагностирования типично электрических объектов механическими методами и типично механических объектов электрическими методами. Взаимодействующие технические системы, всегда взаимозависимы процессуально – машина без привода и привод без машины теряют смысл – взаимозависимы также информационно. Информацию о состояниях механизмов можно получить диагностическим образом благодаря симптомам действия электрической системы, и наоборот – информацию о состояниях электрической системы можно получить диагностическим образом благодаря симптомам действия механизмов. Существуют использованные и потенциальные возможности получения информации о таких реляциях между системами. В предлагаемой статье диагностическое направление – это электротехнические системы, наблюдаемые благодаря симптомам – связанные с механикой.