Принципы построения систем диагностики и мониторинга

[18, 29, 44, 54]

В общем виде в промышленности измерения решают в основном две задачи: учета сырья, энергоносителей и т.п. и оценки состояния технологического объекта и окружающей его техногенной среды. Целью измерений во втором случае является получение информации о состоянии объекта в необходимом количестве и качестве для обеспечения наблюдаемости его технического состояния. По результатам наблюдения вырабатываются управляющие воздействия, которые обеспечивают необходимый запас устойчивости технологической системы, качество ее функционирования и, соответственно, качество выпускаемого продукта. Поэтому задача получения и представления персоналу адекватной информации о состоянии технологического объекта, необходимой и достаточной для обеспечения его устойчивости на основе информационно-диагностической системы (ИДС) минимальной стоимости является актуальной.

Поставленная задача решается на основе применения информационно-измерительных систем диагностики и мониторинга, ядром которых является компьютер, построенных с соблюдением следующих восьми принципов.

 

1. Принцип достаточности регламентирует выбор минимального числа датчиков вторичных процессов, сопровождающих работу машин, оборудования и технологической системы в целом, обеспечивающих наблюдаемость технического состояния.

При построении системы мониторинга следует использовать минимально необходимое число датчиков процессов, сопровождающих работу оборудования и технологической системы в целом, которое способно обеспечить наблюдаемость технического состояния, и минимально необходимое число процедур обработки выходных сигналов датчиков (обнаружения, фильтрации, линеаризации, коррекции амплитудно-фазовых характеристик и т. д.).

 

При этом выходной сигнал датчиков может быть представлен в широком диапазоне амплитуд и частот с последующей обработкой его в компьютере. Диагностика машинного оборудования основана на измерении некоторого множества первичных диагностических признаков, характеризующих его работу (температура, вибрация, частота вращения, давление, расход и т.д.), и дальнейшей связи их с множеством технических состояний (неисправности подшипников, расцентровка, дисбаланс, дефекты крепления и т.д.). Для увеличения достоверности и глубины диагноза требуется увеличивать пространство диагностических признаков, для чего существуют два пути:

- увеличение числа измерительных точек (датчиков) на диагностируемой машине;

- увеличение числа признаков, получаемых с одного датчика.

Большинство датчиков, используемых в настоящее время для измерения в промышленности имеет статический выходной сигнал. Если в случае измерения статических параметров, таких, например, как температура, потери информации не происходит, то при измерении динамических параметров (вибрация, ток, давление) происходит потеря информации, заключенной в высокочастотного спектра параметра. Использование динамических преобразователей, спектр выходного сигнала которых максимально приближен к спектру параметра, позволяет расширить пространство диагностических признаков, что позволяет уменьшить ошибку диагноза и расширить пространство диагностируемых технических состояний без увеличения числа датчиков, кабельных сетей и др. путем введения адекватной обработки сигналов на ЭВМ. Реализация этого принципа на практике в составе ИДС КОМПАКС^â позволила вместо 12 датчиков виброскорости, устанавливаемых в разных местах насосного агрегата, использовать только 2 вибродатчика и практически отказаться от использования датчиков температур, как необеспечивающих наблюдаемость состояния насосного агрегата.

 

2. Принцип информационной полноты отражает ограниченность наших знаний об окружающем мире и в общем виде может быть сформулирован так, что помимо известных нам диагностических признаков, описывающих техническое состояние объекта известным образом, из спектра сигнала после удаления из него известных признаков выделяется остаточный “шум”, который также используется для диагностики. Результаты широкомасштабных экспериментальных исследований показывают, что в большинстве случаев система признаков, включающая характеристики “шума” почти ортогональна, т.е. “шум” действительно отражает ряд неучтенных в известных диагностических признаках факторов технического состояния, таких, например, как заедания и затирания в уплотнениях и подшипниках.

Совокупность диагностических признаков, используемых в системе мониторинга, должна обеспечивать хорошую обусловленность обратной физической задачи обнаружения всех неисправностей, характерных для объекта мониторинга.

3. Принцип инвариантности регламентирует выбор и селекцию таких диагностических признаков, которые инвариантны к конструкции машины и форме связи с параметрами ее технического состояния, что обеспечивает применение быстрых самообучающихся ранговых процедур безэталонной диагностики и прогнозирования ресурса машин и, соответственно, быстрые темпы разработки и внедрения ИДС.

Выбираемые диагностические признаки должны быть инвариантны к конструкции диагностируемого оборудования и форме корреляции с его неисправностями, что обеспечивает применение стандартных процедур безэталонного диагностирования и прогнозирования ресурса оборудования и, соответственно, уменьшает время разработки и внедрения систем мониторинга.

 

4. Принцип самодиагностики всех измерительных и управляющих каналов ИДС обеспечивает легкий пуск систем в эксплуатацию, простоту обслуживания и ремонта отдельных каналов, высокую метрологическую и функциональную надежность системы, ее выживаемость и приспособляемость к постоянно меняющимся условиям реального производства. Принцип реализуется подачей специальных стимулирующих сигналов в цепь датчика и компьютерного анализа этого сигнала на выходе системы после АЦП. Таким образом проверяется функционирование всего тракта от датчика, через выносные модули и разветвители до компьютерной программы и монитора.

Данный принцип может быть реализован подачей в измерительные и управляющие каналы системы мониторинга специальных тестовых сигналов с последующим анализом их на выходе каналов. Таким образом проверяют функционирование всего тракта системы мониторинга отдатчика до компьютерной программы и монитора. Реализация данного принципа обеспечивает легкий пуск систем в эксплуатацию, простоту обслуживания и ремонта отдельных каналов, удобство в адаптировании системы мониторинга к изменяющимся условиям производства.

 

5. Принцип структурной гибкости и программируемости обеспечивает реализацию оптимальной параллельно-последовательной структуры ИДС, исходя из критериев необходимого быстродействия при минимальной стоимости. Системы с параллельной сосредоточенной структурой (VME-VXI) имеют максимальное быстродействие при максимальной стоимости. Системы с последовательной распределенной структурой имеют минимальное быстродействие при минимальной стоимости. Системы с последовательно-параллельной структурой занимают промежуточное положение. Главным недостатком применения параллельных систем во взрывопожароопасных производствах нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности является большой расход кабеля, необходимого для подключения датчиков к системе. Выбор структуры системы (степени параллельности) требует оценки ее необходимого быстродействия. Последнее определяется динамикой технического состояния диагностируемого объекта и, как показывает опыт, для насосно-компрессорного оборудования нефтехимических производств период опроса датчиков не должен превышать 5-7 минут. Наличие в ИДС ядра-ЭВМ обеспечивает адаптивное управление измерительными каналами и вычислением диагностических признаков в зависимости от разных факторов, прежде всего скорости деградации состояния технологического объекта.

Данный принцип обеспечивает реализацию оптимальной параллельно-последовательной структуры системы мониторинга, исходя из критериев необходимого быстродействия при минимальной стоимости.

Системы с параллельной сосредоточенной структурой (стандарты VME-VXI) имеют максимальное быстродействие при максимальной стоимости. Системы с последовательной распределенной структурой имеют минимальное быстродействие при минимальной стоимости. Системы с последовательно-параллельной структурой занимают промежуточное положение.

П р и м е ч а н и е — Главным недостатком применения параллельных систем во взрывопожароопасных производствах является большой расход кабеля, стоимость которого соизмерима со стоимостью системы мониторинга. Выбор структуры системы (степени параллельности) требует оценки ее необходимого быстродействия. Последнее определяется скоростью деградации технического состояния диагностируемого объекта. Например, как показывает практика для насосно-компрессорного оборудования опасных производств нефтегазовой отрасли период опроса датчиков не должен превышать 5 мин.

 

6. Принцип коррекции неидеальностей измерительных трактов вычислительными методами на ЭВМ - нелинейности датчиков, амплитудно-фазовых характеристик согласующе-преобразовательных трактов и т.д. Так, при коррекции амплитудной характеристики ХК-термопары полиномом 13 степени в процессе государственной аттестации системы по трем случайно выбранным термопарам была получена максимальная погрешность в диапазоне измеряемых температур от -40 до +100 градусов не более 0,5 градуса, а коррекция АЧХ виброизмерительных трактов в диапазоне частот 10 - 3000 Гц позволяет обеспечить неравномерность АЧХ лучше 5%.

Для обеспечения необходимых метрологических характеристик системы мониторинга неидеальность измерительных трактов (нелинейность, отклонение реальных передаточных характеристик фильтров от номинальных и т. п.) должна быть компенсирована вычислительными методами.

 

7. Принцип дружественности интерфейса при максимальной информационной емкости обеспечивает восприятие оператором состояния технологической системы в целом при одном взгляде на монитор и получение целеуказующего предписания на ближайшие неотложные действия. Осуществление этого принципа возможно только при наличии ЭВМ, дисплея с графическими экранами, комплексно отражающими состояние объекта и его свойств в автоматическом режиме и под управлением оператора, средств мультимедиа и встроенной экспертной системы, диагностирующей состояние машин и технологической системы в целом.

Интерфейс системы мониторинга должен обеспечивать быстрое и легкое восприятие оператором информации о состоянии технологической системы в целом и получение им предписаний на ближайшие неотложные действия.

П р и м е ч а н и е – Для реализации данного принципа используют ЭВМ; дисплеи с графическими экранами, комплексно отражающими состояние объекта и его свойства в автоматическом режиме и под управлением оператора; средства мультимедиа и встроенные экспертные системы, обеспечивающие диагностирование оборудования и технологической системы в целом.

 

8. Принцип многоуровневой организации обеспечивает работу с системой специалистам разных уровней квалификации и ответственности, а также позволяет удовлетворять любознательность персонала по мере повышения его квалификации. На первом уровне, при работе с машинистами и слесарями, система не требует от них почти никаких знаний, кроме клавиши “Пробел”, нажатием на которую квитируют прием сообщения системы о состоянии оборудования и указаний по его эксплуатации. На втором уровне, при работе с механиками и ИТР, требуется выполнение операций по управлению опциями меню для рассмотрения трендов процессов и результатов анализа сигналов, в том числе спектрального. На этом уровне работают также вибродиагносты отделов и цехов технического надзора за состоянием оборудования. Благодаря наличию сетевой поддержки, системы разных цехов объединяются в диагностическую сеть предприятия, к которой подключены компьютеры вибродиагностов технадзора и пользователей-руководителей - от заместителей и начальников цехов до главных механиков и инженеров производств и предприятия в целом. Такой многоуровневый контроль обеспечивает эффективное управление состоянием оборудования и его безопасной эксплуатацией. Другая важная сторона при организации диагностической сети – это организация автоматизированной системы диагностических исследований в рамках всего предприятия, когда в исследовательской службе автоматически накапливаются данные о состоянии оборудования и диагностических признаках, что обеспечивает постоянное развитие и совершенствование подобных систем. И, наконец, создание глобальной диагностической исследовательско-консультационной сети Compacs-World, собирающей и анализирующей информацию о состоянии оборудования на предприятиях страны, оснащенных системой компьютерного мониторинга КОМПАКС^â.

Система мониторинга должна предусматривать возможность работы с ней специалистов разных уровней квалификации и ответственности.

От специалистов начального уровня квалификации (машинисты, слесари) не следует требовать иных знаний и умений при работе с системой, кроме способности посредством простого действия (например, нажатием одной клавиши), принять сообщения системы об изменении в техническом состоянии оборудования и указаний по его эксплуатации.

От персонала второго уровня квалификации (механики, инженерно-технические работники) требуется выполнение операций по управлению опциями меню для рассмотрения трендов процессов и результатов анализа сигналов, в том числе спектрального. На этом уровне работают также диагносты отделов и цехов технического надзора за состоянием оборудования.

Наличие сетевой поддержки позволяет объединить системы мониторинга разных цехов в систему мониторинга предприятия, к которой подключены компьютеры диагностов технического надзора и пользователей-руководителей — от заместителей и начальников цехов до главных механиков и инженеров производств и предприятия в целом.

Такой многоуровневый контроль обеспечивает эффективное управление техническим состоянием оборудования и его безопасную эксплуатацию. Автоматизированная система мониторинга в рамках всего предприятия или компании должна предусматривать накопление данных о техническом состоянии оборудования и диагностических признаках, что обеспечивает постоянное совершенствование системы.