Monitorowanie silników elektrycznych

 PR2351_50604_m

Niewykryte uszkodzenia silnika mogą prowadzić m.in. do nadmiernych wibracji oraz wzrostu temperatury, czego następstwem jest zmniejszenie jego osiągów lub, co gorsza, wystąpienie poważnej awarii. Skutecznym sposobem przeciwdziałającym pojawieniu się tego typu problemów jest zastosowanie systemów przeznaczonych do ciągłego monitorowania stanu technicznego silników.

 

W artykule zostaną poruszone kwestie związane z ciągłym monitorowaniem silników elektrycznych, realizowanym za pomocą pomiarów temperatury i drgań, a także pomiarów wartości rezystancji izolacji. Uzupełnieniem tematyki prowadzenia nadzoru stanu technicznego silników elektrycznych jest artykuł zamieszczony w magazynie „Główny Mechanik” (nr 1), który dotyczy diagnostyki silników odbywającej się w trybie doraźnym (np. przy użyciu kamery termowizyjnej).

 

Zalety monitoringu ciągłego

Ze względu na wysokie koszty napraw będących następstwem awarii silników elektrycznych uzasadnione jest zadbanie o utrzymanie ich w jak najlepszym stanie technicznym poprzez prowadzenie odpowiednich pomiarów. Mogą one być realizowane za pomocą okresowych pomiarów, wykonywanych przez operatora, bądź przez systemy ciągłego monitorowania, składające się z wyposażenia technicznego oraz procedur obliczeniowych dla zbierania i analizy danych dotyczących stanu i funkcjonowania poszczególnych elementów monitorowanej maszyny w celu wykrycia początkowego stadium uszkodzenia lub zużycia, które może spowodować uszkodzenie.

W przeciwieństwie do doraźnej diagnostyki – która jest odpowiednia do analizy silników mniej istotnych oraz tych, które nie zużywają wystarczająco dużo energii, aby zasadne było zastosowanie urządzeń monitorujących – pomiary odbywające się w sposób ciągły w czasie eksploatacji maszyny mają szczególne znaczenie w przypadku maszyn o znaczeniu krytycznym. Ciągły monitoring umożliwia operatorom identyfikację i unikanie problemów, zanim dojdzie do awarii. Stała kontrola jest zalecana także dla silników zużywających znaczną ilość energii. Rozwiązania umożliwiające prowadzenie ciągłego monitoringu stanowią uzupełnienie urządzeń do okresowego zbierania danych, gdyż umożliwiają ciągłe monitorowanie stanu również tych maszyn, które znajdują się w trudnych warunkach lub w lokalizacjach zdalnych, niebezpiecznych czy o utrudnionym dostępie.

 

Źródło SKF 1_m

Źródło: SKF

 

W celu bliższego zbadania przyczyny wystąpienia stanu awaryjnego konieczne jest zarejestrowanie odpowiednich parametrów pracy zarówno w pewnym czasie przed wystąpieniem awarii, w trakcie jej trwania oraz w pewnym okresie po pojawieniu się usterki, a następnie przeanalizowanie tych danych. Możliwości takie stwarza prowadzenie ciągłego monitoringu silników elektrycznych podczas normalnej eksploatacji, które w znaczny sposób przyczynia się do poprawy nie tylko ich wydajności, ale także wpływa na niezawodność pracy całego układu napędowego, powodując zwiększenie efektywności procesów technologicznych.

Coraz bardziej popularne stają się systemy przeznaczone do ciągłego monitorowania stanu maszyn bazujące na bezprzewodowej technologii wymiany danych. Instalacja sieci bezprzewodowych dla systemów zdalnego monitorowania ma wiele zalet, do których można zaliczyć obniżenie kosztów związanych z instalacją i utrzymaniem sieci, a także znacznie większą elastyczność w porównaniu z przewodowymi zdalnymi sieciami monitoringu, które z założenia mają stałą topologię. Dużym atutem tego rozwiązania jest też możliwość szybkiego dodawania czujników. Dzięki dodatkowym danym zebranym z nowych czujników można szybciej i skuteczniej zdiagnozować potencjalne problemy. Zadaniem czujników jest rejestracja sygnałów fizycznych, które następnie analizowane są za pomocą oprogramowania umożliwiającego określenie stanu zużycia maszyny oraz wykrycie zbliżającej się awarii.

Rejestrując wiele rożnych sygnałów jednocześnie, można otrzymać bardziej wiarygodny obraz stanu danej maszyny.

 

Monitorowanie – predykcyjne lub zabezpieczające

Układy monitorowania mogą być predykcyjne oraz zabezpieczające. Dzięki prowadzeniu szczegółowej analizy dostępnych sygnałów monitorowanie predykcyjne pozwala w sposób natychmiastowy rozpoznać niekorzystną zmianę stanu technicznego silnika, a tym samym odpowiednio zareagować w przypadku pojawienia się problemu. W przypadku monitorowania predykcyjnego proces przewidywania odbywa się na podstawie analizy trendów, a sam proces monitoringu może być prowadzony w trybie ciągłym, za pomocą czujników zainstalowanych na stałe, lub w trybie okresowym przy użyciu urządzeń przenośnych.

 

SKF NetEP Online Motor Analysis System Źródło SKF_m

SKF NetEP Online Motor Analysis System. Źródło: SKF

 

Z kolei główną ideą monitorowania zabezpieczającego – bazującego na zainstalowanych na stałe czujnikach pomiarowych – jest ciągłe prowadzenie pomiarów oraz porównywanie bieżących wartości wielkości mierzonych odzwierciedlających stan silnika z ustalonymi poziomami progowymi, po przekroczeniu których najczęściej następuje uruchomienie sygnalizacji alarmowej i wyłączenie maszyny. Warto dodać, że nowoczesne układy monitorujące łączą obecnie cechy układów zabezpieczających i predykcyjnych.

Co ważne, nadzór stanu technicznego silnika na poziomie czujników wymaga zastosowania odpowiedniego systemu monitorowania, do którego czujniki te zostaną podłączone. W przypadku prewencyjnego utrzymania ruchu wystarczy użycie rozproszonego systemu monitorowania i zabezpieczeń. W praktyce oznacza to, że różne pomiary mogą być włączone do różnych systemów monitorowania. Natomiast w przypadku predykcyjnego utrzymania ruchu dużo lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie zintegrowanego systemu monitorowania i zabezpieczeń, do którego podłącza się te wszystkie pomiary, które mogą mieć na siebie wpływ.

 

Izolacja pod kontrolą

Często występującą usterką silników elektrycznych jest uszkodzenie izolacji uzwojeń stojana i wirnika. W przypadku uzwojeń stojana dodatkowym źródłem problemów jest emisja wyładowań niezupełnych (wnz), na skutek czego może dojść do trwałego uszkodzenia izolacji. Na utrzymanie wysokiego poziomu bezpieczeństwa elektrycznego duży wpływ ma wczesna informacja o spadku rezystancji izolacji, dzięki czemu w porę można podjąć odpowiednie działania.

Warto podkreślić to, że w przypadku urządzeń pozostających przez pewien czas w stanie wyłączenia, na skutek działania różnorodnych czynników (m.in. wilgoci, kurzu, wysokiej temperatury, promieniowania UV itd.) może w sposób niezauważalny dojść do pogorszenia się stanu izolacji. Powodem jest niedostatecznie częsta kontrola rezystancji izolacji bądź też całkowity jej brak. Należy mieć na uwadze, że pomiary wartości rezystancji izolacji dokonywane jedynie sporadycznie nie są do końca miarodajne, gdyż dają jedynie chwilowy obraz jej tendencji spadkowych, uniemożliwiając prześledzenie całego procesu w czasie. Sposobem na niedopuszczenie do niekontrolowanego obniżania się wartości rezystancji jest prowadzenie ciągłego jej monitorowania, co pozwala na wykrycie stanów przedkrytycznych oraz krytycznych. W przypadku monitoringu ciągłego urządzenie w całości łącznie z czujnikami jest zainstalowane na stałe na silniku. Do pomiaru emisji wyładowań niezupełnych można stosować wszystkie dostępne czujniki wnz, które są cennym źródłem informacji o aktualnym stanie układów izolacyjnych uzwojeń maszyny.

 

Źródło SKF_m

Źródło: SKF

 

Kontrola może się odbywać w trybie on-line, co pozwala śledzić proces starzenia układów izolacyjnych i zaplanować przerwy serwisowe, remontowe i modernizacyjne (przykładem jest monitor InsulGard firmy Eaton, który umożliwia ciągłe kontrolowanie poziomu wnz w trybie on-line dla pracującego urządzenia) lub w trybie off-line, dzięki której można mieć wgląd w aktualną wartość rezystancji izolacji i na bieżąco kontrolować silnik pozostający w stanie beznapięciowym.

Do tego rodzaju monitoringu służą przekaźniki kontroli stanu izolacji off-line, takie jak np. IR420-D6 oraz IREH470Y2-67 marki Bender GmbH, znajdujące się w ofercie firmy Pro-Mac. Przekaźniki te przeznaczone są kontroli izolacji sieci IT, TN, TT w stanie beznapięciowym i sprawdzają się doskonale przede wszystkim w przepadku odbiorów często pozostających w stanie odłączonym.

W przypadku pogorszenia się stanu izolacji następuje natychmiastowe załączenie się jednego z dwóch alarmów. Zważywszy na szereg zalet monitoringu off-line cieszy się on obecnie coraz większą popularnością, zwłaszcza w elektrowniach, elektrociepłowniach, hutach, papierniach, kopalniach, a także innych obiektach przemysłowych oraz obiektach użyteczności publicznej. Warto dodać, że w przypadku wyższych napięć, aby móc bezpiecznie podłączyć izometr do kontrolowanej sieci, należy zastosować specjalną przystawkę rozszerzającą zakres napięciowy.

 

Monitorowanie drgań

Najwcześniejsze rozpoznanie zmian stanu dynamicznego maszyn umożliwia wibrodiagnostyka, realizowana przez systemy monitorujące ich stan techniczny poprzez pomiar drgań. Pomiar wibracji maszyny i analiza widma drgań pozwalają na identyfikację komponentów, które generują drgania i problemów, na które w związku z nimi są one narażone. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych metod wibrodiagnostycznych możliwe jest wczesne wykrycie uszkodzeń, takich jak: niewyważenie, rozosiowanie, luzy posadowienia, uszkodzenia łożysk i przekładni, zgięcie wału itd. To daje czas na zaplanowanie prac serwisowych ze skróceniem okresu wyłączenia do minimum.

W przeciwieństwie do pomiarów wykonywanych na niewirujących częściach – które można przeprowadzić niemal zawsze i dość łatwo, bez ingerencji w strukturę maszyny i podczas jej ruchu – pomiary drgań wirujących elementów maszyn są bardziej kłopotliwe i wymagają specjalnego, stosunkowo drogiego oprzyrządowania pomiarowego montowanego na stałe, zazwyczaj wewnątrz korpusów łożysk; pomiary te dotyczą względnych przemieszczeń drgań, przeważnie drgań czopów łożyskowych względem panwi. Pomiary wykonuje się przede wszystkim przy użyciu wiroprądowych czujników przemieszczeń względnych, które są mocowane na stałe do panwi łożyskowych. Te układy pomiarowe są najczęściej elementem systemu kontroli i nadzoru oraz systemu diagnostycznego. Pomiary drgań względnych wirujących wałów nie należą do łatwych. Jednak przy sprawnie działającym systemie pomiaru względnych przemieszczeń wału stanowi on nieocenione źródło informacji o pracy łożysk.

W zależności od zakresu częstotliwości, jaki obsługuje aplikacja, do pomiaru wibracji można wykorzystać różnego rodzaju czujniki. Są one na stałe przymocowane do monitorowanej maszyny i zwracają analogową wartość napięcia, proporcjonalną do chwilowych, zarejestrowanych drgań. W przypadku maszyn zawierających elementy wirujące dane z czujników muszą podlegać analizie w dziedzinie częstotliwości.

 

Pomiar temperatury

Innym parametrem, którego rejestracja może zostać wykorzystana w systemach monitoringu, jest temperatura. Kiedy maszyna jest bliska awarii, zazwyczaj zwiększa się tarcie, którego symptomem jest wzrost temperatury. W przypadku silników elektrycznych cennym źródłem informacji jest przede wszystkim temperatura łożysk oraz uzwojeń silnika. Co ważne, temperatura jest nie tylko wskaźnikiem uszkodzenia maszyny, ale również potencjalną przyczyną przyszłych awarii.

 

Źródło SKF 3_m

Źródło: SKF

 

Temperaturę można mierzyć z wykorzystaniem wielu czujników, takich jak np. termopary oraz rezystancyjne czujniki temperatury (RTD). Czujniki RDT reagują na zmianę temperatury zmianą rezystancji wbudowanego w nie rezystora. Zasada działania czujników rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperaturą. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz zwiększa się prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchu elektronów skutkuje wzrostem rezystancji.

Na rynku są też czujniki, które mierzą jednocześnie zarówno temperaturę, jak i drgania. Przykładem są oferowane przez firmę Hansford Sensors czujniki z podwójnym wyjściem. Czujniki HS-100RT to seria ze standardowym wyjściem drgań 100 mV/g (dostępne również inne czułości) oraz wyjściem termoelementu Pt100, do łatwej integracji z typowymi systemami ciągłego monitorowania. Natomiast HS-420RT to seria czujników, która ma również wbudowany czujnik temperatury Pt100, ale wyjście sygnału drganiowego pracuje w pętli prądowej 4..20 mA. Można go użyć bezpośrednio z systemami ciągłego monitorowania, poprzez bezpośrednie przyłączenie do sterownika PLC, systemu SCADA/DCS lub z innymi modułami wejść 4..20 mA.

 

Przegląd oferty

W ofercie rynkowej można znaleźć wiele ciekawych rozwiązań przeznaczonych do ciągłego monitorowania takich parametrów silników, jak np. temperatura czy drgania.

Przykładem innowacyjnego rozwiązania jest VIBstudio firmy EC Systems – inteligentna platforma przeznaczona do ciągłego monitorowania stanu technicznego, zabezpieczania przed awarią oraz diagnostyki drganiowej maszyn i urządzeń. VIBstudio składa się z modułów VIBmonitor oraz oprogramowania VIBnavigator. VIBmonitor to modułowy, wielokanałowy i autonomiczny system pracujący przy maszynie. System poprzez kondycjonowanie, akwizycję sygnałów i parametrów procesowych oraz ich ciągłą analizę monitoruje stan oraz zabezpiecza pracę maszyn. Dzięki weryfikacji danych w czasie rzeczywistym, automatycznym wykrywaniu stanów maszyny oraz zaawansowanym analizom diagnostycznym system skutecznie wykrywa anomalie we wczesnym stadium rozwoju oraz zdecydowanie redukuje ilość fałszywych alarmów.

 

VIBstudio Źródło EC Systems_m

VIBstudio. Źródło: EC System

 

FAMAC VIBRO firmy Famur jest systemem pomiarowym służącym do monitorowania drgań i temperatury oraz diagnostyki maszyn zawierających elementy wirujące o stałej lub zmiennej prędkości obrotowej. W każdym punkcie pomiarowym monitorowane są dwa parametry: drgania i temperatura. System kontrolowany jest za pomocą komputera dołowego, w zależności od wybranej opcji możliwe jest zastosowanie komputera MPC I lub stacji LS Vibro. Komputer dołowy ma za zadanie zarówno pokazywać aktualne wartości mierzonych wielkości, jak również zapisywać dane na dysku w celu ich archiwizacji lub dalszej obróbki diagnostycznej.

 

FAMAC VIBRO - system do monitorowania i wizualizacji stanu maszyn wirujących Źródło Famur_m

FAMAC VIBRO – system do monitorowania i wizualizacji stanu maszyn wirujących. Źródło: Famur

 

Z kolei firma AS Instrument Polska – wyłączny przedstawiciel na rynku polskim szwedzkiej firmy SPM Instrument AB – oferuje system Intellinova służący do ciągłego monitoringu stanu maszyn opartego na wielokanałowych jednostkach monitorujących impulsy uderzeniowe do kontroli łożysk, drgania lub sygnały analogowe, wchodzące i wychodzące w celu zapewnienia maksymalnego obniżenia czasu przestojów urządzeń krytycznych.

 

Intellinova Źródło SPM Instrument_m

Intellinova. Źródło: SPM Instrument

 

Natomiast w ofercie firmy ifm electronic znajduje się elektroniczny monitor drgań typu VK, który monitoruje online ogólny stan maszyn i urządzeń zgodnie z normą DIN ISO 10816. Czujnik mierzy wartość skuteczną prędkości drgań na korpusie maszyny wirującej. Gdy nastawione wartości graniczne zostaną przekroczone urządzenie sygnalizuje alarm. Ponadto zmierzoną wartość drgań można przesłać, w postaci sygnału prądowego, do systemu sterowania.

 

AE-Check -analizator ajustyczny drgań Źródło Schaeffler_m

AE-Check – analizator akustyczny drgań. Źródło: Schaeffler

 

Firma SKF proponuje zamontowany na stałe wskaźnik stanu maszyny CMSS 200. Wskaźnik stanu maszyny SKF to oszczędny czujnik drgań i wskaźnik do monitorowania maszyn, które nie mają krytycznego znaczenia. Doskonale nadaje się dla maszyn pracujących w stałych warunkach eksploatacji, które poprzednio nie były monitorowane w zakładach produkcyjnych. Wewnętrzne czujniki wskaźnika mierzą prędkość, obwiednię przyspieszenia (drgania impulsowe łożysk lub przekładni) oraz temperaturę powierzchni maszyny. Załączony klucz z odczytem magnetycznym jest stosowany do aktywowania wskaźnika stanu maszyny, zmiany jego trybu pracy, ustawiania parametrów progowych i potwierdzania alarmów. Jednostka jest wyposażona w trzy diody LED sygnalizujące stan maszyny i łożyska. Świecenie się diod wskazuje technikowi prognozowanego utrzymania ruchu, że powinien dla danej maszyny przeprowadzić analizę przyczyn źródłowych. W ofercie firmy SKF znajduje się też bezprzewodowy czujnik stanu maszyny CMWA 8800, który stanowi połączenie czujnika, urządzenia do gromadzenia danych oraz układu radiowego w jednym, kompaktowym urządzeniu z zasilaniem bateryjnym, które mierzy zarówno dane dotyczące drgań, jak i temperaturę. System ten, dopuszczony do użytku w najbardziej niebezpiecznych obszarach wymagających certyfikatu ATEX dla Strefy 0, umożliwia stworzenie doskonałego układu monitorowania instalacji, przesyłając bezprzewodowo zarówno dane statyczne, jak i dynamiczne do programu SKF.

Do wykrywania i monitorowania poziomu temperatury i drgań służy także bezprzewodowy system monitorowania StatusCheck firmy Timken. Oprogramowanie pozwala na pełne przystosowanie działania urządzenia do potrzeb klienta, dzięki czemu operator ma możliwość określenia wartości kontrolnych uwzględniających typ i stan monitorowanego urządzenia. System jest łatwy w montażu oraz jest wyposażony w sondę temperaturową wraz z dwukierunkowym akcelerometrem.

 

StatusCheck Źródło Timken_m

StatusCheck. Źródło: Timken

 

Bezprzewodowy monitoring stanu technicznego maszyn można też prowadzić za pomocą systemu VIBCONNECT RF firmy Pruftechnik-Wibrem. System zawiera jednostkę centralną, Bridge i kilka zespołów czujników, przy czym każdorazowo przyłączone są dwa czujniki, które umieszczone są bezpośrednio na maszynach. Każdy z czujników mierzy jednocześnie trzy wielkości stanu: drgania maszyny, sygnały stanu łożysk i wartości pomiaru temperatury.

 

Power station

VIBCONNECT RF. Źródło: Pruftechnik

 

Łatwo instalowane zespoły czujników przenoszą wartości drgań i temperatury drogą radiową do VIBCONNECT RF Bridge. Bridge jako centralna jednostka systemu gromadzi dane pomiarowe z maksymalnie 50 zespołów czujników, co daje w sumie 100 punktów pomiaru.

 

Autor: Marta Gajewska

 

Artykuł pochodzi z czasopisma Główny Mechanik nr 4/2015

Okladka gotowa GM4_m

Authors

Related posts

Góra
English