CC BY
399
УДК 658.588.2
С.А. Игнатьев, В.А. Иващенко, А.А. Игнатьев МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЯЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Рассмотрены вопросы мониторинга технического состояния электропотребляющего технологического оборудования промышленных предприятий, обеспечивающих принятие обоснованных решений по его текущему обслуживанию и выводу в ремонт.
S.A. Ignatyev, V.A. Ivashchenko, A.A. Ignatyev INDUSTRIAL PLANTS’ ELECTRICAL EQUIPMENT TECHNICAL CONDITION MONITORING
Problems of monitoring of technical condition of the electrical equipment of the industrial plants providing acceptance of justified solutions based on their routine maintenance and a deduction in repair are studied here.
Обеспечение надежной работы технологического оборудования (ТО) промышленных предприятий достигается за счет своевременного проведения его технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Связанные с этим затраты являются одним из основных показателей производственно-хозяйственной деятельности промышленных предприятий [1].
Преимущественную часть ТО на промышленных предприятиях с дискретным и дискретно-непрерывным характером производства составляет электрооборудование, которое задействовано в основном производстве. Эффективно организованная система его ТОиР в значительной степени способствует повышению качества и конкурентоспособности продукции предприятий на мировом рынке.
Благодаря появлению соответствующих технических средств стало возможным повышение надежности работы данного оборудования - сокращение количества и объемов его ремонтов, количества необходимых запасных частей и материалов, числа внезапных отказов и времени простоя.
Анализ проблемы и перспективных направлений обеспечения надежного функционирования технологического оборудования
В настоящее время применяются различные методы ТОиР оборудования (рис. 1), из которых наиболее перспективными являются ТОиР по фактическому техническому состоянию, использующие методы диагностики технического состояния ТО, основанные на вибрационных технологиях.
В настоящее время разработаны эффективные методы обнаружения основных дефектов ТО по вибрации. Эти методы основаны на анализе высокочастотной вибрации (порядка 1 кГц и выше), для возбуждения которой не нужны большие колебательные силы.
В России введен в действие стандарт ИСО по вибрационному мониторингу машин (ГОСТ ИСО 10816, части 1-4), в котором приводятся параметры контролируемых составляющих вибрации и их пороговые значения, разделяющие зоны допустимой и недопустимой вибраций. Зона допустимой вибрации в свою очередь разбивается на три части, характеризующие разное вибрационное и связанное с ним техническое состояние ТО.
Методы ТОиР
Ремонт и техническое обслуживание оборудования по факту выхода из строя
-і
Ремонт и техническое обслуживание оборудования по регламенту
Ремонт и техническое обслуживание оборудования по фактическому техническому состоянию
Методы диагностики технического состояния ТО
Энергетическая
технология
Частотная
технология
Фазовременная
технология
Контроль Контроль
температуры смазки
Текущий Средний
ремонт ремонт
Контроль
вибраций
Капитальный
ремонт
Рис. 1. Методы организации ремонта и обслуживания оборудования
Основные методы диагностики технического состояния оборудования
Простейшим из методов вибрационной диагностики является энергетический метод (энергетическая технология), основанный на измерении мощности или амплитуды контролируемого сигнала. В качестве диагностического сигнала могут использоваться температура (перепад температур), давление, шум, вибрация и многие другие физические параметры.
В основу метода положено измерение величин сигналов в контрольных точках и сравнение их с пороговыми значениями.
Развитием энергетической технологии является частотная технология, предполагающая выделение из измеряемого сигнала составляющих в определенных частотных диапазонах и дальнейший их анализ.
Следует отметить и фазово-временную технологию, основанную на сравнении и анализе формы сигналов, измеренных через фиксированные промежутки времени.
Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной формой, можно осуществлять с помощью другой, спектральной технологии, использующей узкополосный спектральный анализ сигналов. При этом диагностическая информация содержится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной и каждой из кратных ей по частоте составляющих сигнала.
Параллельно развитию систем мониторинга на базе уже существующих технологий во многих странах шел поиск новых методов анализа сигналов для решения диагностических задач. Так, в 1968 г. специалистами Швеции был запатентован метод (технология) ударных импульсов, который основан на том, что вибрация, возбуждаемая короткими импульсами, значительно изменяет мгновенную (пиковую) амплитуду сигнала, практически не влияя на ее среднеквадратическое значение (мощность). Отношение пикового значения к среднеквадратическому, называемое пикфактором, является тем параметром, который реагирует на появление отдельных коротких импульсов. Так, у случайного сигнала без ударных импульсов типовое значение пикфактора лежит в пределах от 3 до 4, а при появлении редких, но сильных импульсов, может достигать значений порядка 20-30.
В 1978 г. была предложена технология, известная как технология огибающей. Данная технология в настоящее время широко используется во многих странах. Это обусловлено особенностями анализа колебаний мощности измеряемого сигнала. Технология может применяться для высокочастотного сигнала, мощность которого изменяется значительно медленнее его периода. Эта технология постепенно вытесняет метод ударных импульсов.
Однако достоверность долгосрочного прогноза технического состояния ТО (по спектру дефектов, возникающих в нем) с помощью только указанных методов низка. Поэтому вибрационные методы используют в сочетании с методами контроля различных физических параметров, например, температуры отдельных узлов ТО. Такое расширение несколько повышает эффективность диагностирования, но все же не решает данной проблемы.
Поэтому для повышения эффективности диагностики технического состояния электропотребляющего ТО в работе предлагается функциональное объединение существующих систем диагностики технического состояния ТО и АСУК предприятий в единую систему.
Обобщенный алгоритм мониторинга технического состояния оборудования
В основу предложенного подхода к распознаванию технического состояния ТО положен обобщенный алгоритм мониторинга (рис. 2) [2, 3]. Полученная с помощью данного алгоритма информация используется различными подсистемами АСУП -автоматизированными системами управления качеством - АСУК [4], технологической подготовки производства - АСТПП и управления энергетикой - АСУ энергетикой предприятий.
Задачи, решаемые этими подсистемами, непосредственно связаны с уменьшением длительности простоя ТО, повышения готовности технологического персонала предприятия к устранению разладки технологической системы (ТС) ( аварийных ситуаций ), повышения качества ТОиР оборудования и обеспечения стабильности технологического процесса (ТП).
Оценка стабильности ТП выполняется по векторному критерию, в состав которого входят известные показатели, такие как уровень настройки, точность и стабильность состояния ТП.
Информация, содержащаяся в ИС системы мониторинга, используется для определения состава и численных значений информативных диагностических признаков:
- характеристик технического состояния ТО (границ частотных диапазонов и температурных полей, соответствующих нарушениям нормальных режимов работы ТО; частот, на которых наблюдаются выбросы, и амплитуд выбросов в спектре огибающей вибрационного спектра; точек пространства, в которых имеют место нарушения температурных режимов работы ТО, и значений температур в этих точках и др.);
- параметров качества изделий (например, шероховатости, некруглости и волнистости на финишных стадиях металлообработки).
На основе этой информации выполняются также классификация и распознавание аномальных состояний ТО, построение математических моделей, отражающих связь между диагностическими признаками и параметрами технологического режима работы ТО.
Рис. 2. Обобщенный алгоритм мониторинга технического состояния электропотребляющего
технологического оборудования: Бн Д - банк данных; ИС - информационная система
Информационная система помимо данных о параметрах качества изделий и характеристик технического состояния ТО содержит информацию (знания) о неформализуемых и слабоформализуемых ситуациях, возникающих в процессе функционирования электрооборудования, которая используется в качестве дополнительной при принятии решений о необходимости ТОиР оборудования. Эта информация в виде продукций заносится в экспертную систему (ЭС) ТОиР оборудования оператором-экспертом, в качестве которого выступает технолог того производственного подразделения, в котором размещается ТО.
Первым этапом построения ЭС ТОиР оборудования является реализация системы сбора, обработки и формализованного представления априорной информации, т. е. создание базы данных (БД) и базы знаний (БЗ) системы. Далее требуется провести обучение ЭС, т.е. наполнить БЗ знаниями.
База данных частотных спектров формируется по нескольким группам эталонов, соответствующих: исправным узлам ТО; начальным стадиям зарождения дефектов в узлах ТО; стадиям развития дефектов в узлах ТО.
Первая группа эталонов формируется в результате проведения экспериментов с исправным ТО, в ходе которых осуществляется измерение диагностических сигналов и их занесение в БЗ ЭС.
Формирование эталонов второй группы происходит на основе экспериментов с ТО, находящимся на начальной стадии развития дефекта. В ходе экспериментов проводится постоянное сопоставление спектра сигнала с эталонным спектром исправного узла. При появлении отклонений в спектрах дальнейшие эксперименты прекращаются, классифицируется развивающийся в ТО дефект, информация о котором заносится в БЗ.
Третья группа эталонов создается на основе экспериментов с неисправным ТО или с искусственно созданными дефектами его узлов. Дальнейшее накопление знаний происходит в процессе эксплуатации системы.
Экспертная система является гибридной, в которой используются не только методы представления и обработки знаний, получаемых в процессе мониторинга, а также и методы обработки данных, рассматриваемые обычно вне рамок инженерии знаний ( регрессионный анализ, методы искусственного интеллекта ). Построение ЭС осуществляется на основе коммерческих оболочек: ART*Enterprise компании Brightware, Inc.; FLEX ассоциации Logic Programming Associates Ltd; GURU компании Micro Data Base Systems, Inc. и др.
В настоящее время данный поход к построению систем мониторинга технического состояния электропотребляющего ТО проходит апробацию на ОАО «Саратовский подшипниковый завод» на участке обработки колец подшипников.
Система мониторинга на примере обработки деталей подшипников
На рис. 3 приведена структура системы мониторинга ТП шлифования колец подшипников [2, 3].
Контроль качества функционирования станков. Качество обработки при шлифовании во многом определяется уровнем и спектром относительных колебаний абразивного круга и заготовки. Наиболее мощным источником вибраций в зоне резания является дисбаланс круга, непрерывно изменяющийся во время обработки и вызывающий вынужденные колебания на частоте вращения и кратных ей частотах. Скорость изменения дисбаланса круга непосредственно связана с интенсивностью процесса обработки и особенностями подачи технологической жидкости (ТЖ) [5].
Существенное влияние оказывают дефекты изготовления и сборки шпиндельных узлов (ШУ), а также неравномерность режущих свойств инструмента. Часто дисбаланс абразивного круга и неравномерность режущих свойств инструмента взаимосвязаны.
Периодичность измерений при вибрационном мониторинге станков задается с учетом значений параметров качества обработанных деталей. При выходе значений этих параметров за установленные границы проводятся измерения вибраций основных формообразующих узлов станка и реализуются процедуры диагностирования, направленные на выявление и устранение причин разладки ТП.
Рис. 3. Структура системы мониторинга процесса шлифования колец подшипников
Контроль качества изделий. Эксплуатационные характеристики подшипников существенно зависят от качества дорожек качения колец, формируемого на операциях шлифования и суперфиниширования. Поэтому большое значение приобретает контроль неоднородности структуры поверхностного слоя дорожек.
Автоматизация данного вида контроля и сравнительный количественный анализ результатов измерений, зафиксированных до и после чистового шлифования, с их эталонными значениями позволяют оперативно оценить степень однородности поверхностного слоя колец подшипников.
Специально проведенные эксперименты устанавливают допустимые граничные значения определяющих параметров динамического состояния станка и сигналов вихретокового датчика. Это дает возможность выделить предполагаемые причины дефектов и оценить способы корректировки процесса обработки деталей на станке, а
затем принять решения по изменению технологического режима обработки деталей или подналадки станка.
Указанное обстоятельство обеспечивает практическое исключение причин возникновения прижогов, повышение долговечности колец и, соответственно, улучшение эксплуатационных характеристик подшипников. Внесение соответствующей информации в БЗ и БД способствует организации гибкого ТОиР станков.
На основе сопоставительного анализа данных о состоянии ТП и качестве колец подшипников оцениваются степень и возможные причины разладки ТС на конкретном станке, и при негативных результатах производится подналадка или ремонт элементов ТС.
Таким образом, объединение функций мониторинга технического состояния шлифовальных станков и контроля качества деталей, обрабатываемых на этих станках, способствует повышению: эффективности диагностики технического состояния станков; качеству производимой продукции; конкурентоспособности продукции на мировом рынке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Барков А.В. Диагностика: Возможности нового поколения систем мониторинга и
диагностики / А.В. Барков. http: // www.prostoev.net/modules/
myarticles/article.php?storyid=15.
2. Мониторинг качества изготовления изделий прецизионного машиностроения / А.А. Игнатьев, В.А. Иващенко, В.В. Горбунов и др. // Высокие технологии - путь к прогрессу: сб. науч. тр. Саратов: Научная книга, 2003. С. 179-185.
3. Повышение качества деталей подшипников путем внедрения системы мониторинга / А.А. Игнатьев, В.А. Иващенко, М.В. Карпеев и др. // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2004. С. 98-105.
4. Чернышов А.Е. Использование статистической экспертной системы в управлении качеством машиностроительной продукции / А. Е. Чернышов, В. А. Иващенко, А.Ф. Резчиков // Методы и системы технической диагностики: межвуз. сб. науч. тр. Ч. 1. Экспертные обучающие системы. Вып. 15. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1991. С. 108-110.
5. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве / А.А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.В. Горбунов и др. Саратов: СГТУ, 2004. 124 с.
Игнатьев Станислав Александрович -
кандидат технических наук, доцент,
докторант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Иващенко Владимир Андреевич -
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета Статья поступила в редакцию 03.09.07, принята к опубликованию 13.11.07
