Диагностика промышленных электродвигателей и генераторов по спектру потребляемого тока и предотвращение аварий
Анализатор спектра тока
Представьте себе ТЭЦ с турбинами, скажем, 50–60-х годов выпуска. Это примерно половина мощностей нашей страны. Там есть огромные насосы с электродвигателями и такие же огромные генераторы, которые тоже суть электродвигатели, только «перевёрнутые». У них нет встроенной телеметрии, и диагностируются они методами последовательных обходов. Это было нормальным на конец 70-х, но не сегодня.
На ТЭЦ, на крупных буровых, на насосных станциях и во множестве других мест, где отказ электродвигателя или генератора обходится очень дорого, как правило, есть специальные люди, которые имеют огромный опыт обслуживания конкретно этого экземпляра оборудования. Например, там может быть дедушка, который по звуку запуска определяет состояние движка. Или мужик-нос, который умеет обнюхивать насос так, что чувствует даже малейшие утечки масла.
Современная диагностика делается немного иначе — в основном по вибродатчикам. Проблема вибродатчиков в том, что их нужно поставить на железку, а железка на той же буровой или подлодке не очень-то доступна. Поэтому мы очень живо исследовали тему изучения снятия данных с движка путём снятия информации с питающего контура. Электромагнитное поле передаёт куда больше информации, которую раньше считали шумом. Теперь его можно анализировать.
Как проводится диагностика сейчас
Электродвигатели переменного тока с приводимым оборудованием (насос, вентилятор) и электрогенераторы переменного тока с приводным оборудованием (турбина) сегодня проверяются тепловизорами (посмотреть, где греются подшипники), шумомерами, различными визуальными осмотрами (в частности для оценки цвета подтёков), оценкой цвета масла спектрографами, газоанализаторами и так далее. То есть регулярные обходы.
Возможная, но не единственная альтернатива — виброзамеры: машина обвешивается датчиками со всех сторон, а затем запускается. По паразитным вибрациям можно понять, где и что не так. Это нормальный метод диагностики и мониторинга, позволяющий не только понять статус машины, но и предотвратить аварию. Когда вибрации становятся нетипичными или слишком сильными, двигатель просто останавливается до того, как пойдёт вразнос.
Повторюсь: у виброзамеров есть сложность с установкой датчиков — далеко не всегда это возможно (скорее, наоборот), плюс есть ещё ряд особенностей диагностики (в частности, методы вибродиагностики более приспособлены к диагностике механических повреждений электрической машины и связанного с ней механизма, а электрические повреждения не всегда могут быть своевременно выявлены). Плюс цена, конечно, за комплекс кусается.
Два года назад появились программно-аппаратные комплексы, которые позволяют оценивать микроколебания электромагнитного поля. Отслеживая различные гармоники поля, можно сделать множество выводов о том, что именно не так в оборудовании и где конкретно проблема. Благо изменения параметров должны быть циклическими и предсказуемыми.
Это очень хорошая идея, которая нашла воплощение только относительно недавно, когда появились нормальные алгоритмы data mining для этих показателей и процессоры для работы в реальном времени, которые можно упаковать в относительно компактный корпус. То есть полупортативный. Вот такой:
Как работает эта шайтан-машина
Называется всё это «система автоматизированной интеллектуальной диагностики». По сути, он делает сам двигатель основным датчиком, а дальше снимает с него очень много данных с довольно большим количеством шумов. Затем очищает и восстанавливает данные (самая нетривиальная часть вычислений), профилирует двигатель и с помощью очень некислых data mining-механик отдаёт результаты оператору.
Физический принцип, который лежит в основе этого метода, такой: любые возмущения в работе электрической и/или механической части электродвигателя (электрогенератора) и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины, а значит — к слабой модуляции потребляемого (вырабатываемого) электрической машиной тока. Наличие в спектре тока электрической машины характерных частот определённой величины говорит о присутствии повреждений электрической и/или механической части электродвигателя (электрогенератора). Гармоники, кратные частоте питающего тока, указывают на проблемы в электрической части. Гармоники, кратные оборотной частоте вращения двигателя, — это механика.
Нужно вывести двигатель на режим и начать снимать данные, плюс указать тип конструкции для распознавания нейросетью (здесь и далее я говорю про реализацию устройства, с которым мы работаем в России больше года на ТЭЦ и в нефтяной сфере).
Примерно 15 минут уходит на профилирование машины. Типовые дефекты выделяются почти сразу (через час-два работы в режиме). Например, в низких частотах — проблема прикрепления машины к фундаменту. Характерно выделяются проблемы с ротором, статором, обмотками. Легко видны замыкания в обмотках и другие их параметры.
Более сложные дефекты требуют навыка специалиста по анализу данных — здесь речь не о data mining, а о знании конструкции таких электрических машин и опыте их диагностики.
Подключается устройство к измерительным трансформаторам напряжения и тока. На низковольтном оборудовании — напрямую к линиям питания.
Мы сейчас плотно работаем с энергетикой — там на ряде объектов плачевное состояние оборудования. Многое износилось, по 2–3 раза были продления сроков эксплуатации. Для них важна диагностика, так как генераторы и турбины очень дорогие. Последствия выхода из строя ощутимы: аварии, штрафы на рынке, дорогие ремонты.
Для ряда критичных объектов очень важен режим постоянного мониторинга. Система обучается на каждый экземпляр оборудования и строит пороговые значения.
Спектр исправного питательного электронасоса котла паровой турбины ТЭЦ
Входным сигналом служит питающее напряжение, несущая (сетевая) частота которого модулируется работой самого двигателя и формирует выходной сигнал в виде спектра гармоник потребляемого тока.
Профилирование — важный момент. Двух одинаковых больших электродвигателей даже в одной серии только с завода просто нет. У каждого свой спектральный след. К тому же в России очень сложно найти пару машин хотя бы одной серии на одном объекте. И, наконец, они все ремонтировались, модернизировались и перемаркировались, что наложило свои неповторимые отпечатки на характер работы. Результат — практически не бывает типового старого оборудования без уникальной конструкции и дефектов.
Наша задача в мониторинге — зафиксировать дефект, оценить его критичность, а затем отслеживать его развитие. И рассчитать, когда он достигнет критического уровня. И самое важное — предсказать время выхода оборудования из строя.
Такой мониторинг обходится, безусловно, дороже разовой диагностики. Для диагностики нужен один комплект — и с ним обойти все машины. А для мониторинга — по комплекту на двигатель, чтобы постоянно наблюдать. Монтируются они прямо в щите — и начинают собирать и обрабатывать данные.
Примеры анализа
В примере тип электрической машины — синхронный двигатель; приводимое оборудование — поршневой воздушный компрессор; технические характеристики синхронного электродвигателя: напряжение — 6 кВ; номинальный ток — 60 А; частота сети — 50 Гц; номинальная частота вращения вала — 500 об/мин; параметры измерительных трансформаторов: трансформатор напряжения — 6000/100; трансформатор тока — 300/5. Типы подшипников — подшипники качения.
Синий график — это «усреднённые» значения амплитуд спектра тока статора. Серо-зелёная область — это профиль нормальной работы машины, пока машина в нём — это нормальная работа с учётом «долгоиграющих» дефектов. Розовая область — предупреждения, не требующие мгновенной остановки. Белая область выше розовой — авария не за горами.
Рассмотрим поподробнее график спектра и проведём его анализ:
На частоте ~ 1 Гц наблюдается пик, выходящий за пределы среднестатистической кривой допустимых значений, характеризующий ослабление крепления электродвигателя, люфт или чрезмерные допуски муфты приводимого оборудования. Данный дефект пока не критичен, но требует проверки.
В районе 50 Гц (частота питания) — пики, кратные оборотной частоте ротора. Эти пики отражают работу поршней компрессора. Можно отслеживать состояние при длительном наблюдении.
Пик на частоте 100 Гц — потенциальные проблемы с обмоткой статора. В данный момент находится в зоне допустимых значений, но требует наблюдения (в дальнейшем — проверка обмоток).
На частоте 150 Гц (3-я гармоника) — пик, превышающий уровень допустимых значений, может вызывать нагрев статора. Может приводить к термическому старению и высыханию лака обмоток (ухудшение изоляции обмоток и короткозамкнутые витки).
На частотах ~128 Гц и ~228 Гц наблюдаются пики, выходящие за пределы среднестатистической кривой допустимых значений, указывающие на развивающиеся дефекты подшипников качения. Конкретный дефект подшипников можно определить, зная тип и характеристики подшипников.
На частотах ~308 Гц и ~408 Гц наблюдаются пики, выходящие за пределы среднестатистической кривой допустимых значений, характеризующие дисбаланс ротора.
На частотах от 100 Гц до 500 Гц присутствует широкополосный шум. Как правило, такая картина наблюдается на оборудовании, в котором есть ослабление крепления механических узлов (например, люфт клапана). Данный дефект существенный и требует проверки.
Больше деталей про применение
Подключение производится к измерительным трансформаторам в шкафу питания диагностируемого оборудования. По трём фазам измеряются напряжения и токи. Низковольтную (0,4 кВ) — можем прямо через токовые клещи на питающие кабели.
Сам прибор интерпретирует токи и раскладывает в спектр. Внутри нашей основной реализации — и небольшой кластер для обработки, и само устройство для получения сырых данных. Это не очень логично, но об этом позже.
Устройство периодически сохраняет спектрограммы во внутреннюю базу данных. Снаружи оно доступно по веб-интерфейсу АРМ пользователей и АРМ админов-аналитиков, а также АРМ оперативного персонала. Есть доступ к базе, если очень нужно, есть базовые возможности по интеграции с системами предприятия. Но регламента по этим типам диагностики пока нет, и мы часто видим, что персонал просто не знает, что делать при тревоге от этого оборудования. Да и стандарты появились только в прошлом году — ГОСТ ISO-20958 «Контроль состояния и диагностика машин. Сигнатурный анализ электрических сигналов трёхфазного асинхронного двигателя», это даже не чисто российский ГОСТ, а между РФ, РБ и Казахстаном.
Определяются и оцениваются:
- дефекты электрической части машины: дефекты питающей сети, несимметрия питающего напряжения, нарушения контактного соединения в цепи питания, проблемы с компенсатором реактивной мощности; дефекты самой машины: ротора и статора, короткое замыкание, ослабление обмоток статора и т. п.;
- дефекты механической части машины: разбалансировка ротора, дефекты подшипников роторной машины и приводного оборудования, ослабление крепления к фундаменту, дефект лопастей вентилятора, засорение масла, перегрузка машины и т. д.;
- нарушение технологических процессов: кавитация, турбулентность и т. п.
Метод позволяет выявить неисправности электрической и механической частей машины на ранних стадиях, когда их выявление другими методами ещё невозможно. Профилирование позволяет исключить влияние электромагнитной обстановки в месте установки двигателя или вдоль кабельной трассы.
Технически приборы-измерители стоят у конкретных единиц оборудования, от них проходит витая пара (ЛВС) к локальному серверу (где находится хранилище данных и производится их обработка и предоставление пользователям).
В проекте — сделать полностью российскую разработку этого прибора (со своей схемотехникой, заказными комплектующими, но с собственной сборкой) и переписать достаточно большие участки кода, чтобы сменить архитектуру. Мы разрабатываем удалённую диагностику через SaaS в своём дата-центре, поскольку видим потребность ещё в том, чтобы наши аналитики время от времени оперативно подключались и смотрели либо отправляли недельные отчёты с прогнозами по всем дефектам.
Стоимость железки сопоставима с комплексами вибродиагностики нормальными (не китайскими под российской маркой, а именно нормальными европейскими). В комплексе с вибродиагностикой системы прекрасно дополняют друг друга. На основании нашей системы мы можем понять текущее состояние оборудования и определить модуль, где дефект. А более точное место — без разборки — посылают найти вибродиагностов.
Сейчас везде наблюдаются проблемы с загрузкой персонала. Его не хватает на местах. С учётом выходных и отпусков к каждому комплексу надо 2–3 обученных человека, чтобы сразу пойти и померить на производстве, если вдруг надо. Ещё анализ спектров сигналов — это процесс, как сварка, творческий. Предопределённые дефекты есть, но на нашем старом железе тех же ТЭЦ надо анализировать, иметь опыт. Надо разбираться в спектрах, собирать и разбирать руками движки, понимать конкретные экземпляры. Есть насущная потребность в организации совместного с нашими специалистами процесса мониторинга и анализа сложного оборудования. Поэтому SaaS — логичный вариант в такой ситуации.
Опять же, посредством SaaS наши системы могут отдавать диагностику и аналитику эксплуатирующей команде. Сейчас многие машины закуплены по контракту с обслуживанием (сервисные контракты) у иностранных вендоров, и там вся телеметрия идёт в США или Европу на команду поддержки. Из-за санкций есть шанс, что всё это накроется медным тазом, поэтому возможность видеть данные в реальном времени и хранить их у себя очень полезна.
Апробация
По понятным причинам из-за цены системы и новизны технологии мы встречаем много вопросов. Вместо теоретизирования для крупных заказчиков предлагаем очень простой тест. Они в любом случае периодически выводят на капитальный ремонт часть машин. Мы предлагаем подъехать за недельку до остановки и снять параметры. А затем высылаем отчёт с обнаруженными дефектами, которые они смогут проверить во время детальной разборки и капремонта.
Предлагаем прямую честную апробацию. И уже многих заказчиков объехали. Дальше они разбирают, смотрят дефектовку и сравнивают результаты. Сколько ни ездили, практически всегда попадаем в яблочко. Но везде соглашения о конфиденциальности и неразглашении, поэтому извините.
Области применения — ТЭЦ, станкостроение, нефтянка (буровые), транспорт нефтегаза, машиностроение, конвейеры на электроприводах, бумажные комбинаты, металлургия (большие конвейеры и прокатные станы), ЖКХ типа метрополитена, плавбазы.
Если есть вопросы не для комментариев — вот моя почта: kgolubev@croc.ru
