VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní
Katedra výrobních strojů a konstruování
Diplomová práce
2018 Bc. Jan Mikoláš
VŠB – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta strojní
Katedra výrobních strojů a konstruování
Aplikace online systému vibrací na vakuových vývěvách Online vibration monitoring system of the vacuum pumps
Student: Bc. Jan Mikoláš
Vedoucí diplomové práce: Ing. Jan Blata, Ph.D.
Ostrava 2018
Místopřísežné prohlášení studenta
Prohlašuji, že jsem celou diplomovou práci včetně příloh vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a uvedl jsem všechny použité podklady a literaturu.
V Ostravě: podpis studenta
Prohlašuji, že
• jsem, byl seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, zejména § 35 – užití díla v rámci občanských a náboženských obřadů, v rámci školních představení a užití díla školního a § 60 – školní dílo;
• beru na vědomí, že Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava (dále jen, VŠB-TUO“) má právo nevýdělečně, ke své vnitřní potřebě, diplomovou práci užít (§ 35 odst. 3)
• souhlasím s tím, že diplomová práce bude v elektronické podobě uložena v Ústřední knihovně VŠB-TUO k nahlédnutí a jeden výtisk bude uložen u vedoucího diplomové práce. Souhlasím s tím, že údaje o kvalifikační práci budou zveřejněny v informačním systému VŠB-TUO;
• bylo sjednáno, že s VŠB-TUO, v případě zájmu z její strany, uzavřu licenční smlouvu s oprávněním užít dílo v rozsahu § 12 odst. 4 autorského zákona;
• bylo sjednáno, že užít své dílo – diplomovou práci, nebo poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠB-TUO, která je oprávněna v takovém případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly VŠB-TUO na vytvoření díla vynaloženy (až do jejich skutečné výše).
• beru na vědomí, že odevzdáním své práce souhlasím se zveřejněním své práce podle zákona č. 111/1988 Sb., o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších předpisů, bez ohledu na výsledek její obhajoby.
V Ostravě dne:
podpis studenta
Jméno a příjmení autora práce: Bc. Jan Mikoláš Adresa trvalého pobytu autora práce: Dobrá 830, 739 51
Poděkování
Za vynaloženou práci bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce
panu Ing. Janu Blatovi, Ph.D., a rovněž panu Ing. Lukáši Heisigovi, Ph.D. za jejich vstřícný přístup, odbornou kritiku, a připomínky při řešení této diplomové práce. Dále bych rád poděkoval firmě Model Obaly a.s. za možnost využití jejich aplikovaného online systému pro svou práci.
V neposlední řadě bych taktéž poděkoval své rodině a svým blízkým, kteří za mnou stáli po celou dobu studia na vysoké škole.
Bc. Jan Mikoláš
ANOTACE DIPLOMOVÉ PRÁCE
MIKOLÁŠ, J. Aplikace online systému vibrací na vakuových vývěvách: diplomová práce.
Ostrava: VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, Konstrukční a procesní inženýrství, 2018, 73 s. Vedoucí práce: Ing. Jan Blata, Ph.D.
Diplomová práce se zabývá aplikací online monitorovacího systému měření vibrací na stěžejní zařízení – vakuové vývěvy v papírenském průmyslu. Cílem je predikovat možné příčiny poškození lamelových vývěv, které vždy vedou k nepřijatelným ekonomickým ztrátám ve výrobě.
Úvodní část se zabývá teoretickým přehledem vakuových vývěv, jejich možné poškození a metodiky, které můžou vést k jejich odhalení. V praktické části nastiňuji online monitorovací systém měření vibrací, který by měl splňovat předem definované požadavky a jeho využití v praxi společně s konkrétními výstupy z online měření vibrací.
Klíčová slova
Online systém, monitorování, vyhodnocování, diagnostika, analýza
ANNOTATION OF MASTER THESIS
MIKOLÁŠ, J. Online vibration monitoring system of the vacuum pumps: Master Thesis.
Ostrava: VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Departure, 2018 73 p. Thesis head: Ing. Jan Blata, Ph.D.
The thesis deals with the application of the online monitoring system on the core equipment - vacuum pumps in the paper industry. The aim is to predict possible causes of damage that always lead to unacceptable economic losses in production.
The introductory part deals with the theoretical overview of vacuum pumps, their possible damage and the methodologies that can lead to their detection. In the practical part, I outline an online vibration measurement monitoring system that should meet predefined requirements and use it in practice together with specific outputs from online vibration measurement.
Keywords
Online system, monitoring, evaluation, diagnostics, analysis
Obsah
Seznam použitých značek a symbolů... 9
ÚVOD ... 11
1 CHARAKTERISTIKA VÝVĚV ... 13
1.1 Typy vývěv ... 13
1.2 Lamelové grafitové ... 15
1.3 Vývěva Becker ... 16
2 VIBRAČNÍ SPÍNAČE PRO ZÁKLADNÍ MONITOROVÁNÍ VIBRACÍ ... 21
2.1 IFM VKV021 ... 21
2.1.1 IFM VNB001 ... 23
2.2 SKF CMSS 200 ... 25
2.3 Monitran MTVS0004 ... 26
2.4 Adash A3900 – II ... 27
3 ONLINE MONITOROVACÍ SYSTÉMY ... 29
3.1 Adash A3800 ... 30
3.2 Monitran MTN / 5000 ... 31
3.3 SKF Multilog IMx-S ... 32
3.4 IFM VSE002 ... 33
4 TEORETICKÝ NÁVRH ... 37
4.1 Návrh metodiky – měřící řetězce ... 37
4.2 Komponenty potřebné pro aplikaci ... 37
4.3 Vizualizace – Softwarové prostředky ... 40
4.3.1 SCADA ... 40
4.3.2 Reliance 4 ... 40
4.3.3 Promotic ... 40
5 APLIKACE ONLINE SYSTÉMU... 42
5.1 Důvod aplikace firmou Model obaly ... 42
5.2 Problematika zavedení kabeláže ... 42
5.3 Funkční nainstalovaný systém ... 43
5.4 Nastavení a zpracování signálu ... 46
5.4.1 Popis softwaru VES004 ... 46
5.4.2 Popis nastavení softwaru ... 47
5.4.3 Interpretace objektů ... 51
6 ANALÝZA NAMĚŘENÝCH HODNOT ... 53
6.1 Analýza trendu vývěvy B103 ... 54
6.2 Analýza trendu vývěvy B105 ... 60
6.3 FFT spektra Adash ... 66
6.4 Problém s měřením ... 67
7 OBJEKTIVNÍ ZHODNOCENÍ ... 68
8 ZÁVĚR ... 70
Seznam použité literatury... 71
-9-
SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK A SYMBOLŮ
Zkratka Význam
IEPE Integrated Electronics Piezo-Electric, Charakterizuje technickou normu pro piezoelektrické snímače, které obsahují zabudovanou impedanční převodovou elektroniku
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition, dispečerské řízení a sběr dat MES Manufacturing Execution Systems, neboli výrobní informační systémy OPC server Ole for proces control, komunikační protokol
OPC klient je aplikace, která získává data z OPC serveru a dále je zpracovává RMS Root Mean Square Efektivní hodnota () elektrických veličin – proudu,
napětí nebo výkonu
DCS Distributed Control System, distribuovaný řídící systém s velkým počtem řídících smyček
PLC Programmable Logic Controller, Programovatelný logický automat FPGA Field Programmable Gate Array – typ programovatelného obvodu VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language
programovací jazyk pro popis hardware
MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems – mikromechanické systémy PC Personal Computer – osobní počítač
LAN Local Area Network – lokální síť
FFT Fast Fourier Transform – rychlá Fourierova transformace DPS Deska plošného spoje
-10-
ICP Integrated Circuit Piezoelectric – senzory obsahující elektronické prvky CRD Current Regulator Diodes – typ proudového zdroje
A/D Analogově číslicový
USB Universal Serial Bus – univerzální sériová sběrnice DC Direct Current – stejnosměrný proud
AC Alternating Current – střídavý proud LP Low Pass Dolní propust filtru HP High Pass Horní propust filtru
CPLD Complex programmable logic device – typ programovatelného obvodu RAM Random – Access Memory – typ paměti
CLK Clock – hodinový signál
NFS Network File System – internetový protokol FR Flame Retardant – stupeň hořlavosti
Pozn.: V seznamu nejsou uvedeny symboly a zkratky všeobecně známé nebo používané jen ojediněle s vysvětlením v textu.
-11-
ÚVOD
V dnešním světě 21. století, jde věda a technologie kupředu právě díky předávání znalostí jednotlivých odvětví a spojování ve funkční celek systému. Pro porozumění jakékoli problematiky je třeba jít až na její samotný začátek a hledat souvislosti s ní spojené. Na technickou diagnostiku lze vhodně nahlížet skrze lékařství. Od dob Hippokrata uplynulo již tisíce let, a moderní medicína se stala závislá na přístrojích. Díky nim lze pacienta monitorovat nepřetržitě, a získávat obrovské množství dat nezbytných pro následující diagnózu. Analogicky lze přirovnat pacienta připojeného na lékařské přístroje v nemocnici, právě k online monitoringu v technické diagnostice. Tyto dva příklady jsou jen minimálně odlišné, a to v datech, jenž vyhodnocují. U pacienta se jedná o krevní tlak, puls, teplotu a další veličiny. Ve světě diagnostiky snímáme vibrace, teploty, tlaky a veškerý multiparametrický monitoring a jiné procesní veličiny.
Principiálně jsou online diagnostické systémy založeny na nepřetržitém sledování stavu zařízení v reálném čase. Jejich úlohou je kontrolovat těžko dostupná měřící místa a celý strojní park najednou. Využívají předem nastavených kritických hodnot sledovaných veličin, a formou signalizace, nejčastěji světelného semaforu, upozorňují na nebezpečí poruchy. Pokud některá ze sledovaných veličin dosáhne kritické hodnoty, systém udělá opatření v podobě oranžového světla na semaforu. Nespornou výhodou online monitoringu je možnost diagnostikovat celý strojní park najednou v reálném čase. Odpadá nutnost periodického pochůzkového měření. Po zaškolení jsou schopni diagnostikovat stav stroje pracovníci údržby. Díky dlouhodobému záznamu trendů lze určit nadcházející potřebnou výměnu dílů a naplánovat odstávku stroje, případně rovnou zajistit objednávku komponentů pro výměnu. Nutností je přehlednost systému což je základ pro bezproblémový chod.
Práce se zabývá diagnostikou vývěv pro výrobu obalů a kartonů z vlnité lepenky.
Pro správné uchopení a nepoškození výrobku při technologickém postupu výroby je zapotřebí vyvinout podtlak. Ten se vytváří pomocí zařízení – vývěvy, jenž odčerpává vzduch z uzavřeného prostoru a vytváří tak částečné vakuum. Vývěva je opačným způsobem čerpadlo vzduchu. Vyvinutý podtlak se šíří soustavou hadic a trubek, od samotné vývěvy k pracovnímu prostoru, a zde pomocí vakuového manipulátoru
-12-
regulovaného elektromagnetickým ventilem dochází k uchopení kartonu, přemístění na následující výrobní pozici a položení. Cyklus se stále opakuje, a potřebná sací síla pro uchopení se nastavuje podle hmotnosti zvedaného subjektu.
Monitorovaným objektem je lamelová vývěva Becker, u níž je za potřebí přesně a rychle vyhodnocovat stav vibrací během nepřetržitého provozu. V případě poruchy nebo zaznamenaní zvýšené hodnoty vibrací se daná vývěva odstaví, a přepne se na třetí záložní vývěvu umístěnou pod dvěma provozními. V provozu jsou vývěvy dvě nebo jen jedna, podle aktuální vytíženosti stroje. Online monitorovací systém je navrhnut tak, aby informoval a předešel nečekané poruše takovým způsobem, že zaznamenává hodnoty všech odchylek od normálu již od samotného počátku. Díky tomu lze naplánovat včas odstávku stroje, a výrobní firmě nevznikne finančně náročný prostoj. Nevýhodou se zprvu může jevit počáteční investice do online systému, avšak v porovnání s finanční ztrátou při nečekané odstávce linky, je tato investice minimální, s jistotou bezproblémového chodu. Z toho plyne přínos pro firmu ve formě zvýšené spolehlivosti stroje. Dále možnost vyzkoušet si online systém v praxi, zjistit výhody a případně domluvit montáž na veškerý strojní park.
-13-
1 CHARAKTERISTIKA VÝVĚV
Mechanické vývěvy jsou ve většině případů poháněny elektromotory a pracují na stejném funkčním principu jako kompresory. Prostor, ve kterém chceme získat podtlak, je připojen na stranu sání vývěvy. Určitý objem vzduchu je z tohoto prostoru odsáván a na straně výfuku vývěvy vypouštěn do atmosféry. Tlak vzduchu se v daném prostoru sníží pod hodnotu atmosférického tlaku a označujeme jej jako vakuum.
Mechanické vývěvy nacházejí uplatnění tam, kde je potřeba odvést co nejrychleji velké množství vzduchu. To je ovšem na úkor velikosti vakua (velký průtok, menší maximální vakuum). Výhodou velkého průtoku je rychlejší dosažení potřebného vakua.
Společnou a zároveň typickou nevýhodou všech mechanických vývěv je, že obsahují pohyblivé části, které způsobují opotřebení. Vývěva je svým způsobem plynové čerpadlo, proto podobně jako u čerpadel existuje mnoho konstrukčních řešení vývěv.
Online monitoring lze uplatnit na širokou škálu vývěv, jelikož pohonnou jednotkou bývá stále nejčastěji asynchronní elektromotor. Vibrace zde vznikají převážně nevývahou rotoru, špatným mazáním ložisek, nebo nedodržením údržbových manuálů. Proto má zde online sledování stroje velký význam. Pro představu, s jakými druhy vývěv se lze v praxi setkat, zde uvádím následující typy a popis činnosti.
1.1 Typy vývěv
Vývěvy můžeme rozdělit jednak podle fyzikálního principu činnosti, tak podle míry vakua, jež jsou schopny dosáhnout. Vývěvy jsou v principu činnosti velmi podobné dmýchadlům, rozdíl zde je pouze v zapojení do systému.
Bokosací vývěvy
Vnitřek vývěvy tvoří oběhové kolo s pevnými lopatkami, které se otáčí bez dotyku statoru. Plynné médium, které proudí do sacího kanálu je nasměrováno centrifugální silou a okamžitě vytváří vakuum díky tvaru oběhového kola a jeho lopatek. V takovém případě plynné médium získává novou sílu (akceleraci) a zaujme trajektorii s progresivním vzestupem. [9]
-14- Lineární pístové vývěvy
Vývěva funguje na principu lineárního pístu, který je usazen mezi dvěma cívkami. Píst se vlivem měnícího se elektromagnetického pole pohybuje. Pomocí pohyblivého pístu se plynné médium nejprve nasává do pracovního prostoru, a stlačením vyfukuje ven. Opakující se cyklus je totožný s kompresorem, avšak zde je děj opačný. [9]
Vodokružné vývěvy
Používají se pro odsávání par, plynů a zejména pro vakuové balení a sušení.
Skládá z válcového pouzdra, v němž se otáčí rotor s pevnými lopatkami. Otáčením rotoru se vytvoří vakuum pomocí servisní kapaliny, jenž bývá voda. Vzduch na vstupu je vtahován do příslušné komory a dále vytlačován z vývěvy. Během provozu je potřeba zajistit odpovídající množství obíhající kapaliny, aby vývěva fungovala v požadovaném výkonu a taktéž, aby bylo dosaženo potřebného chlazení. Používá se zejména tam, kde hrozí možnost nasátí tekutiny s přivádějícím vzduchem a dále tam, kde je potřeba trvalého vysokého vakua. [9]
Molekulární
Molekulární vývěva se skládá ze statoru, rotoru a čerpací komory. Rotor se otáčí velkou rychlostí a od něho se molekuly plynu odráží, tím vzniká proud plynu od vstupu k výstupu. Nevýhodou těchto vývěv jsou zpětné proudy, kdy molekuly plynu proudí od výstupu ke vstupu vývěvy. Tyto zpětné proudy se vytváří v malé mezeře mezi rotorem a statorem, v tzv. škodlivém prostoru. Zpětný proud vzniká i v čerpací komoře. [9]
Turbomolekulární
Patří do kategorie transportních vývěv a svou konstrukcí připomíná turbínu.
Čerpací systém tvoří statorové a pohyblivé rotorové disky s lopatkami, které se otáčejí tak, aby byla obvodová rychlost rotorových disků srovnatelná s rychlostí molekul plynu.
Vývěvy čerpají tudíž v oblasti molekulárního proudění, a pro svoji funkci potřebují být doplněny v čerpacím systému předvakuovou vývěvou. [9]
-15-
Turbomolekulární vývěvy se vyrábějí s rozsahem čerpacích rychlostí od 10 l/s až do ca 4000 l/s. Nejčastější provedení je tzv. hybridní-rotor je uchycen jedním kuličkovým a jedním magnetickým ložiskem nebo se jedná o provedení s magneticky levitovaným rotorem. Turbomolekulární vývěva se využívá jak v průmyslových odvětvích, tak ve vědě a výzkumu pro získávání čistého vakua bez uhlovodíků. [9]
1.2 Lamelové grafitové
Patří mezi bezolejové rotační vývěvy. Vývěvy jsou vzduchem chlazené a jsou vhodné pro trvalý provoz i přerušovaný provoz. Tento typ vývěv pracuje na podobném principu jako olejové rotační vývěvy, ale je zcela bez maziv. Namísto kompozitových lamel těsněných olejem se v suchoběžných vývěvách používají grafitové lamely. [9]
Charakteristika:
• bezolejový provoz
• zdroj vakua bez obsahu příměsí
• kompaktní a spolehlivá konstrukce
• snadná instalace a údržba
• nízká hmotnost a rozměry
• plynulý chod bez vibrací
• ekonomický provoz
Aplikace:
• balírenský průmysl
• potravinářský průmysl
• pneumatická doprava
• automatizace
• dřevařský průmysl
• tiskařský průmysl
-16- Princip:
Nasávaný vzduch nejprve prochází integrovaným sacím filtrem. Excentricky uložený rotor rotuje ve válci. Grafitové lamely kloužou ve štěrbinách rotoru a odstředivá síla tlačí lamely směrem k rotoru. Otěrem lamel se snižuje tření a vývěva se těsní. Lamela uzavře srpovitý prostor mezi rotorem a statorem. Objem tohoto prostoru se mění a tím dochází k nasávání, kompresi a následně výfuku.
1) Stator 2) Rotor
3) Uhlíkové lamely 4) Sání
5) Výfuk
6) Vzduchové komory
1.3 Vývěva Becker
Vývěva DVT 3.140 je objektem sledování této práce, a tudíž je potřeba nastínit technickou stránku zařízení. Vývěva samotná se nachází v odhlučňovací skříni. Ve skříni jsou umístěny nad sebou 3 vývěvy stejného typu. Skříň pohlcuje opravdu velké množství hluku, jenž by byl pro pracovníky výroby velkým stěžením při práci, jelikož se nachází přímo u pracovního prostoru obsluhy linky. S odhlučněním však souvisí taktéž zvýšená teplota uvnitř skříně. O chlazení vývěv v uzavřeném prostoru se starají 2 ventilátory, jenž vhání vzduch seshora. Systém chlazení je funkční, nicméně rozdíl teplot horní vývěvy přímo pod ventilátorem a vývěvy spodní je znatelný. Zde by šlo výhodněji použít nasávaného vzduchu z boku skříně, a zajistit tak stejného chlazení pro všechny vývěvy.
Systém je však navrhnut tak, aby pracovaly vždy jen 2 vývěvy najednou, a třetí je pouze záložní. Kdyby selhala jedna z hlavních. Při poruše musí přijít pracovník údržby, a ručně přepojit potrubí na záložní vývěvu.
Obr. 1.1 Lamelová vývěva, princip [9]
-17- Technické informace dané vývěvy:
Otáčky: 1445 ot / min → 24 Hz Výkon: 7,5 kW (400 V)
Obr. 1.2 Hodnoty elektromotoru vývěvy [14]
Popis vývěvy
1 - sací port, hlavní 4 – výtlačný regulační ventil / silencer 2 - výtlačný port 5 - tlumiče vibrací
3 - sací regulační ventil, hlavní
Obr. 1.3 Schéma vývěvy [14]
-18-
Obr. 1.4 Vývěva DVT 3.140 [14]
Účel použití
Vývěva je určena k výrobě podtlaku a přetlaku (DVT). Čili lze použít i jako kompresor. Provoz je určen pro normální atmosférický vzduch. Nevhodné k dopravě toxických nebo hořlavých médií. Vývěvy pracují bez oleje. Nasátí olejové mlhy je nepřípustné. Údaje jsou platné až do nadmořské výšky 800 m.
Postavení stroje
Je třeba uvažovat postavení na pozdější snadný přístup při servisních pracích. Pro zabezpečení dostatečného proudění chladicího vzduchu je třeba dodržet minimální odstupy od stěn 10 cm. Při vestavbě do protihlukového poklopu dotazujte výrobce, popř.
zastoupení firmy. Okolní teplota nesmí překročit 45 ° C
ÚDRŽBA, GENERÁLNÍ OPRAVA A ŽIVOTNOST
• tzn. výměna ložisek, těsnění/nastavení – je doporučena hranice cca. 20tis.
provozních hodin.
• Lamely v řadě DVT 3.140 mohou mít při správné údržbě a trvalém běhu zařízení (vyšší počet startů = nižší životnost lamel) životnost 8-12 tis. hodin.
• Lamely v řadě DVX 3.140 mají garantovanou životnost 20tis. hodin, nejdéle však po dobu 3. let. Opět platí nutnost správné údržby.
-19-
Při pravidelné údržbě je dosaženo nejlepších pracovních výsledků. Intervaly údržby jsou závislé na způsobu nasazení a okolních podmínkách. Před začátkem údržby vypnout motor a zabezpečit proti neúmyslnému spuštění. Kompresí vzduchu vznikají na čerpadle vysoké teploty. Díly čerpadla je třeba nechat před demontáží zchladnout.
Filtrační patrony jsou zamontovány pod kryty je třeba je podle zanesení prachem čistit.
Proto filtr zevnitř ven vyfoukat stlačeným vzduchem. Zanesené nebo zaolejované filtrační patrony bezpodmínečně vyměnit. Pro obzvlášť zvýšenou prašnost nasávaného vzduchu se dodávají dodatečné filtry.
Nečistoty v chladicích kanálech vyfoukat stlačeným vzduchem. Šoupátka se při provozu opotřebovávají. Po 3000 provozních hodinách nebo minimálně jednou ročně kontrolovat šířku šoupátek. Demontovat kryt a boční čelo. Při výměně vyfoukat válec suchým stlačeným vzduchem.
Při demontáži doplnit spotřebovaný tuk ve válečkovém ložisku: celkem 2 g tuku
„Amblygon 15/2“
DVT 3.140: Válečková ložiska po 2000 provozních hodinách na obou stranách při běžícím čerpadle u A a B přimazat (3.140:7 g) Náhrada je možná provést pouze originálním válečkovým ložiskem. [14]
Tabulka 1 Parametry vývěvy [14]
-20- Mazivo
Doporučená maziva výrobcem:
AMBLYGON TA 15/2 - plastické mazivo pro životnostní náplně, ev. náplně s dlouhými výměnnými lhůtami (i při vysokých teplotách) valivých ložisek, pracujících bez možnosti domazávaní. Má velmi dobré mazací vlastnosti u materiálových dvojic kov/pryž. Teplotní rozsah: -20° do + 150 °C, krátkodobě do + 170 °C.
Petamo GY 193 - plně syntetické plastické mazivo na bázi polymočoviny vyznačující se velmi dlouhou trvanlivostí i při vysokých teplotách a otáčkách. Použití pro valivá ložiska vystavená trvalým teplotám do 180 °C. Do teplot +150 °C lze mazivo použít jako životnostní bez domazávání. [15]
-21-
2 VIBRAČNÍ SPÍNAČE PRO ZÁKLADNÍ MONITOROVÁNÍ VIBRACÍ
Vibrační spínače neboli switche, slouží k nepřetržitému monitorování, zobrazení a zaznamenávání hodnot přímo na přístroji. Tyto spínače měří jen jednu hodnotu, a to ISO rychlost vibrací RMS. Online systém je oproti tomu komplexnější a dokáže signál od vibrací libovolně parcelovat na jednotlivé parametry vibrací. Většinou obsahují proudový výstup 4–20 mA, nebo napěťový výstup 0–10 V pro jednoduchý monitoring v PLC. Způsoby provedení mohou být jak analogové, tak s LCD displejem.
2.1 IFM VKV021
Tento jednoduchý vibrační spínač (switch) zajišťuje hlídání celkových vibrací podle normy DN ISO 10816. Vibrační senzor detekuje vibrace systému. Měřenou jednotkou je rychlost vibrací v rozsahu 0–25 mm/s. Tato je na proudovém výstupu převedena na analogový signál. O jednoduché nastavení spínacího bodu se starají dvě aretační kolečka. Přehledné LED-diody zajišťují indikaci spínacího stavu a provozního stavu. Při instalaci je důležité dbát na spolehlivý přenos vibrací a na to, aby se v cestě přenosu signálu nenacházely žádné pružné mezivrstvy. [8]
Obr. 2.1 IFM VKV021 [8]
Měřící / nastavovací rozsah
Měřící rozsah vibrací [mm/s] 0...25 (RMS) Frekvenční rozsah [Hz] 10...1000 Analogový proudový výstup [mA] 4...20
Počet měřících os 1
Provozní napětí [V] 18...32 DC Zpoždění reakce [s] 1...60
-22-
RMS Set je efektivní hodnota spínacího prahu, která stanoví mezní hodnotu rychlosti vibrací.
Delay Set – jedná se o dobu v sekundách, ve které musí mezní hodnota trvale ležet nad spínacím prahem (RMS Set) proto, aby byl aktivován spínací výstup.
Chování spínacího výstupu
Obr. 2.2 Chování spínacího výstupu [8]
1) Časové zpoždění po překročení spínacího prahu 2) Časové zpoždění po překročení spínacího prahu 3) Odpojení
4) Spínací práh 5) Zpoždění
Vss= rychlost vibrací t = čas
Realizace zpožďovacích dob
Pokud bude stanovený spínací práh překročen, nastartuje časové zpoždění (1) / (2).
Nedosažení spínacího prahu vymaže zpožďovací dobu (bez odpojení). Teprve tehdy, když zůstane spínací práh pro úplnou zpožďovací dobu překročen, pak bude spuštěno odpojení (3)
-23- Příklad užití spínače
Monitorování motoru ventilátorů na chladiči. Chladiče vzduchu se používají pro chlazení hydraulického oleje až na stanovenou teplotu. Vibrační monitor IFM VKV021 zaznamenává celkové vibrace rotujících částí ventilátorového systému. Při překročení nastaveného limitu jednotka signalizuje poplach přes spínací kontakt. Spínání kontaktu je zajištěno proudovým signálem (4 ... 20 mA). Kromě toho je charakteristická hodnota výstupu jako proudový signál pro připojení k řídicímu systému procesu.
Obr. 2.3 Příklad užití snímače [8]
2.1.1 IFM VNB001
Tento, o display obohacený switch, obsahuje dva spínací vstupy pro předběžný a hlavní poplach. Switch disponuje monitorováním, zobrazením a záznamem hodnot přímo na těle přístroje. Škálovatelný analogový proudový výstup (4...20mA) pro rychlost vibrací. Analogový vstup lze použít pro sledování jiné měřitelné veličiny.
Přístroj lze nastavit do režimu měření pomocí softwaru VES004. V tomhle máte přístup k nezpracovaným datům (časový signál) zrychlení nebo zrychlení externí vstup (4 ... 20 mA). Data lze vizualizovat, zaznamenávat, analyzovat v softwaru. Pokud zařízení zůstane připojeno ke softwaru, musí uživatel aktivovat (ručně) dokončení monitorování časového signálu. Pokud je zařízení odděleno od softwaru, automaticky se vrátí k monitorovací funkci. Pokud je přístroj v režimu měření, není zobrazen žádný monitor "rSc3" na jednotce.
-24- Hodnoty historie
Jednotka zaznamenává hodnoty historie. Interval paměti je 5 minut, maximální hodnota VRMS (efektivní hodnota) v tomto časovém rozsahu je zaznamenána s časovou značkou. Doba záznamu asi 3 roky, poté dojde k přepsání nejstarší hodnoty. Jednotka má integrované hodiny v reálném čase, včetně vyrovnávací baterie. Čas je synchronizován se systémovými hodinami přes PC software při obnovení historie. [8]
Obr. 2.4 IFM VNB001 [8]
Měřící / nastavovací rozsah
Měřící rozsah vibrací [mm/s] 0...500 (RMS) Frekvenční rozsah [Hz] 2...1000 Analogový proudový výstup [mA] 4...22
Měřící princip kapacitní
Počet analogových vstupů 1 Počet digitálních výstupů 2
Provozní napětí [V] 9,6...30 DC Zpoždění reakce [s] 1...60
-25- 2.2 SKF CMSS 200
CMSS 200 je nízkonákladový indikátor stavu stroje pro monitorování nekritických strojů, jako jsou převodovky, čerpadla, ventilátory, kompresory a motory.
Programování CMS 200 se provádí pomocí magnetického tlačítka pro nastavení úrovní alarmů, přepínání mezi provozními režimy, nastavení limitů vibrací, nastavení teplotních limitů a potvrzení a resetování alarmů. Poskytnutím včasné indikace, kdy jednotka pracuje mimo obvyklé parametry, je možné vyhnout se nákladným poruchám a poruchám, což snižuje náklady na čas a náklady na údržbu. CMSS 200 lze nastavit v jednom ze čtyř provozních režimů:
Režim prahu
Porovnává data s počtem výchozích nastavení alarmů pro teplotu, rychlost a obalené zrychlení považované za přijatelné pro typické stroje pracující při rychlostech od 900 do 3600 ot/min.
Režim procent
Zaznamenává soubor měření, která slouží k reprezentování "běžných"
pracovních podmínek. Vícenásobek těchto hodnot stanoví limit provozu a odchylka nad těmito mezemi spouští stav alarmu.
Režim ověření
Pokud je spuštěn stav alarmu, měření se znovu provede, aby bylo potvrzeno jeho odstranění, to ve spojení s komplexním interním algoritmem pomáhá předcházet falešným poplachům.
Adaptivní varování
Pokud by byl stav alarmu spuštěn pouze malou odchylkou, CMSS 200 bude monitorovat stav po dobu až 12 hodin před spuštěním červeného alarmu. Pokud jsou nastavené hodnoty překročeny enormně, pak snímač spustí červenou výstrahu bez monitorování.
Pro maximalizaci životnosti baterie MCI zůstává v režimu spánku, který se aktivuje až 8krát za 24 hodin, podle předem technikem nastaveného harmonogramu.
Obsahuje 3 vícebarevné LED diody pro snadné vizuální varování. [16]
-26- 2.3 Monitran MTVS0004
Vibrační přepínač MTVS0004 nabízí nízkonákladové a snadno instalovatelné řešení pro ochranu všech druhů rotačních strojů; motory, čerpadla, ventilátory, převodovky atd. Základem je odolné pouzdro s vysokým stupněm krytí IP, které je vhodné pro dlouhou životnost v náročných průmyslových prostředích. Měřící veličinou je rychlost vibrací (RMS) kompatibilní s normou ISO10816. Pro jednoduché použití je třeba připevnit switch k plochému povrchu stroje, nastavit příslušné úrovně alarmu a vypnutí, připojit relé k přepínání poplachů nebo k vypnutí stroje, a zajistit napájení. U míst s omezeným přístupem mohou být použity externí snímače vibrací s průměrem až 15 mm. Na výběr jsou zde dvě varianty poplachu, buď je potřeba resetovat switch pracovníkem po překročení limitu vibrací, nebo se automaticky obnoví činnost, jakmile chyba zmizí. [7]
Frekvenční rozsah [Hz] 10...1000 Měřící rozsah vibrací [mm/s] 0...9 (RMS) Rozsah otáček [ot/min] 900-3600 Napájecí zdroj: Lithiová baterie 3,6 V,
jednorázová
Obr. 2.5 SKF CMSS 200 [16]
-27-
Obr. 2.6 Monitran MTVS0004 [7]
2.4 Adash A3900 – II
Tento systém představuje velmi jednoduchý, malý, ale výkonný prostředek k on- line měření vibrací strojů. Hodnota aktuální měřené veličiny je průběžně zobrazována na displeji čelního panelu jednotky. Zde jsou umístěny i všechny další indikátory LED, signalizující stav jednotky.
Vlastnosti:
- Měření rychlosti vibrací (mm/s) ve frekvenčním pásmu 10–1000 Hz - Měření stavu ložisek (parametr HF, g = 9,81m/s2) ve frekv. pásmu 5 -
16kHz
- Širokopásmové měření zrychlení ve fr. pásmu 0,8Hz-16kHz Měřící / nastavovací rozsah
Měřící rozsah vibrací [mm/s] 1,5...250 (RMS) Frekvenční rozsah [Hz] 5…60
Analogový proudový výstup [mA] 4...20
Měřící princip kapacitní
Počet analogových vstupů 1
Provozní napětí [V] 15–30 DC Zpoždění reakce [s] 1...10
-28-
- Vyhodnocení efektivní (TRUE RMS) a špičkové (TRUE PEAK) hodnoty
- Nastavování parametrů z PC po sériové lince RS232
Dále nabízí možnost ukládání dat na CF (Compact Flash) kartu pomocí připojení modulu Adash 3600 MEMORY. Převod měřené veličiny na výstupní proudovou smyčku 4–20 mA s nastavitelným rozsahem. Odstraněny všechny negativní vlastnosti kombinovaných snímačů s výstupem 4–20 mA. Při jakýchkoli poruchových stavech proud ihned klesá na 3,5 mA a nezpůsobí tak chybnou reakci systému řízení. Indikace překročení nastavených limitních hodnot ALERT a ALARM. Sepnutí relé při překročení nastavené limitní hodnoty ALARM. Snadné připojení na systémy řízení a regulace (PLC). Jednoduchá montáž na DIN lištu. Napájení 20–28 V DC (70 mA / 24 V DC). [11]
Obr. 2.7 Adash A3900 – II [11]
-29-
3 ONLINE MONITOROVACÍ SYSTÉMY
Všechny stroje vytváří během svého provozního stavu vibrace. Například nevývaha, nesouosost nebo rezonance mohou být klíčové pro nadměrnou úroveň vibrací strojů. Zvýšení vibrací negativně ovlivňuje technický stav a provozuschopnost strojů.
Tento stav vede obvykle k poruchám strojů a následným odstávkám. Takovéto neplánované odstávky důležitých strojů způsobují, při možné odstavení celé linky, obrovské finanční ztráty. Nepřetržité sledování technického stavu jednotlivého zařízení, i celého strojního parku umožňuje jednat předvídavě a optimalizovat procesy.
Monitorování stavu umožňuje včasné rozpoznání vznikajícího poškození stroje.
A proto je možné plánovat servisní intervaly a optimálně využívat provozní životnosti důležitých komponentů. Automatizované sledování kvality detekuje odchylky ještě před poškozením dílů. Čítače mohou být použity pro zjišťování specifických vlastností (provozní doba, výrobní hodiny, dobré / špatné díly, zmetkovitost) a faktorů, které ovlivňují životnost komponentů (teplota, rázy, výkon, rychlost ...).
Stav stroje je zjišťován v místě měření a je převáděn buď jako alarm nebo jako stavová hodnota do PLC, případně do jiné řídicí úrovně. Tím jsou splněny hlavní požadavky moderního monitorování strojů: kompatibilita, modularita a přenosná konfigurace.
Nesprávné nastavení nebo použití nesprávných nástrojů může vést ke kolizím mezi komponenty a vřeteny obráběcích strojů. Výsledkem jsou vysoké náklady. Včasné rozpoznání rostoucích dynamických sil umožňuje okamžité přerušení obráběcího procesu. Tím je sníženo množství zmetků (odpadu) a následných škod. Nepřetržité sledování vibračních charakteristik v reálném čase a integrovaných poplachových rozhraní (spínací kontakty / analogové signály) umožňuje vypnutí stroje dříve, než by došlo k vážnému poškození. Vypnutí je možné v rámci jedné milisekundy. Různé alarmové výstupy umožňují progresivní a odstupňované signalizování alarmů v PLC (zelená, žlutá, červená). Alarmové (prahové) hodnoty je možné nastavit on-line. Integrace do řídicích prvků stroje je možná pomocí analogových či binárních výstupů, případně různých průmyslových sběrnic jako jsou TCP/IP, Modbus TCP, Profinet, OPC server, Ethernet IP a další.
- Nepřetržité monitorování vibrací u “důležitých“ strojů.
-30-
- Diagnostika strojů pro včasné varování před vznikajícím poškozením a prevenci závažných poruch.
- Intervaly údržby lze plánovat s předstihem.
- Optimální využití konstrukční životnosti jednotlivých komponent.
- Modelová koncepce TCO (Total Cost of Ownership).
- Funkce čítače jako klíčový údaj pro řízení výroby.
Nabídka online monitorovacích systémů
Výrobců, jenž se zabývají dodávkou online monitorovacích systémů je mnoho, a záleží tedy na zákazníkovi, co bude požadovat, a pro koho se rozhodne. Svým způsobem všichni pracují na obdobném principu, a liší se tedy hlavně v ceně. Pro představu dodávám jednotlivé systémy, od známých výrobců jako je Adash, IFM, SKF, Monitran.
3.1 Adash A3800
Jedná se o kompaktní on-line monitorovací a diagnostický systém určený pro zvýšení spolehlivosti provozu strojů. Malé rozměry jednotky A3800 přispívají k možnosti instalace přímo na DIN lištu v rozváděči. Jednotka A3800 má volitelný počet samostatných AC a DC vstupních kanálů, a to v počtu 4, 8, 12 nebo 16. Znamená to, že 4- kanálová konfigurace umožňuje připojit 4 AC a 4 DC kanály. Podle počtu aktivních vstupních kanálů můžeme použít 1–4 nezávislé TACHO vstupy.
Počet aktívních kanálů lze rozšířit i dodatečně, zakoupením rozšiřující licence. Každá čtveřice kanálů pak umožňuje současné měření. Jednotlivé čtveřice vstupních kanálů jsou přepínány mezi sebou pomocí multiplexu. Jednotku je možno rovněž použít jako výkonný vícekanálový analyzátor. O správu a nastavení on-line systému se stará prostředí softwaru DDS. Napájení jednotky DC 12 V. [11]
-31- 3.2 Monitran MTN / 5000
Monitorovací systém MTN / 5000 je vybaven 3,5 palcovou TFT dotykovou obrazovkou se snadným navigačním menu, které uživatelům umožňuje nastavit sledovanou dobu pro vzorkování dat, prahové úrovně poplachu a časy zpoždění na kanálu podle kanálů nebo přes všechny kanály.
Systém přijímá napěťové nebo proudové (4–20 mA) vstupy a může být použit pro sledování mnoha různých typů senzoru. Jednotka disponuje 12 ti analogovými vstupními kanály. Výstupy střídavého proudu jsou k dispozici pomocí BNC konektoru umístěného na dveřích skříně, pro snadnou analýzu. Monitorování Modbus a vzdáleného počítače je k dispozici jako volitelné příslušenství. [7]
Obr. 3.1 Adash A3800 [11]
-32-
Obr. 3.2 Prostředí Monitran MTN/5000 [7]
3.3 SKF Multilog IMx-S
Online systém SKF Multilog IMx-S je dalším výkonným řešení pro různé aplikace sledování stavu strojů. SKF Multilog IMx-M spolu se softwarem SKF Aptitude Monitoring Suite může sloužit jako kompletní systém pro zahájení odstávky stroje, včasnou detekci závady a diagnostiku. Rovnou přichází s možností automatické rady pro opravu existujících či hrozících stavů, které by mohly ovlivnit spolehlivost stroje, použitelnost a výkonnost.
Obr. 3.3 SKF Multilog IMx-S [16]
-33-
SKF Aptitude Observer je jednoduché rozhraní obsluhy a funkce inteligentní diagnostiky nástroje SKF Aptitude Observer poskytují uživatelům na všech úrovních nástroje nezbytné k nastavení a provozování efektivních online monitorovacích programů. Definováním součástí stroje je možné provést sofistikovanou vibrační analýzu shromážděných naměřených dat. V nástroji části stroje jsou definovány všechny součásti vedení stroje. Pomocí nástroje – nástroje stroje vytvoří uživatel model stroje. V tomto modelu jsou hřídele, ložiska, převodovky, hnací řemeny, motory, lopatky, generátory spolu s ostatními částmi stroje spojeny s pohonem. Na základě mechanických údajů o stroji nástroj nástrojů vypočítá frekvence poruch pro součásti jako jsou válečková ložiska, ozubená kola, kola ventilátorů a hřídele. Knihovna ložisek SKF Aptitude Observer má geometrické údaje z přibližně 20 000 ložisek od SKF a řady dalších prodejců.
Pomocí informací, které uživatel zadal v kombinaci s informacemi v databázích, umožňuje výpočet specifických vibračních frekvencí strojních součástí. [16]
Obr. 3.4 SKF Ob server [16]
3.4 IFM VSE002
Jedná se o vyhodnocovací jednotku s vysokým výkonem, použitou ve firmě Model Obaly. Jelikož se zákazník rozhodl právě pro tenhle typ, je zapotřebí popsat tento typ jednotky víc. Tento užitý systém nabízí rozšířené funkce pro až 6 konfigurovatelných vstupů. Flexibilní konfigurace 4 dynamických vstupů zajišťuje napojit a nepřetržitě monitorovat rozsáhlou škálu senzorů. Lze připojit snímače typu VSA, IEPE nebo procesní senzory s výstupem 4...20 mA. Dva analogové vstupy lze použít pro připojení
-34-
dalších procesních snímačů rychlosti či teploty. Tato funkce poskytuje různé možnosti pro hlídání strojů a procesů. Vnitřní FIFO paměť poskytující více než 600 000 hodnot se stará o jednoduchý způsob pro srovnání dat a lze ji použít pro rozsáhlý monitoring trendů.
Jednoduché síťové propojení jednotky k firemní síti pomocí rozhraní Ethernet a softwaru OPC server typu VOS. Procesní data a data o vibracích mohou být integrována také do systémů vyšší úrovně jako je SCADA nebo MES. [8]
Jednotka zajišťuje individuální monitorování až 24 volně nastavitelných diagnostických objektů. individuální nastavení až 80 frekvenčních pásem ve frekvenčním pásmu a přidělení diagnostických objektů sledování obou kategorií procesů pro překročení nastavené hodnoty nebo pokles pod ní. Monitorování objektů diagnostiky možné s ohledem na až 2 kategorie procesů (např. Zatížení a rychlost otáčení) Spektrální analýza FFT, obálka FFT, analýza trendů. Monitorování podle ISO 10816 s nastavitelným filtrem. Interní trendová paměť s časovým razítkem RTC s flexibilními intervaly ukládání pro každý diagnostikovaný objekt. Nastavení pomocí PC software VES004
Obr. 3.5 IFM VSE002 [8]
-35-
Obr. 3.6 Schéma zapojení jednotky [8]
Obr. 3.7 Popis schématu zapojení [8]
-36-
Obr. 3.8 Popis schématu zapojení [8]
Obr. 3.9 Signalizační LED na jednotce [8]
-37-
4 TEORETICKÝ NÁVRH
4.1 Návrh metodiky – měřící řetězce
Pro správně fungující online systém je za potřebí navrhnout systémovou metodiku a zvolit vhodně komponenty, jenž zajistí bezporuchový chod celého systému.
Ideálním stavem je funkční model, na němž si lze takový systém představit.
Obr. 4.1 Schéma teoretického návrhu
4.2 Komponenty potřebné pro aplikaci
Snímač
- Snímač typu IEPE – jedná se o piezo-elektrický snímač s integrovaným nábojovým zesilovačem
- Citlivost snímače 100mV/g, dostačující pro velký rozsah použitelnosti - Frekvenční rozsah 2…10000 Hz
- Měřící rozsah vibrací 50 g - Konektor M12
-38- Kabel
- Pro spojení vyhodnocovací jednotky a snímače vibrací slouží kabel 2 x 0,5mm stíněný, s konektorem M12 (čtyřpin) pro snímač.
Vyhodnocovací jednotka
- Každá jednotka obsahuje A/D převodník, pro převedení analogového signálu ze snímače na digitální.
- srdcem každé jednotky je DSP procesor (digitální signálový procesor), jehož hlavní výhodou je kontinuální zpracování velkého množství dat v reálném čase.
- Jednotka se stará o zpracování signálu a jeho matematický převod na různé veličiny vibrací v různých frekvenčních pásmech.
- Obsahovat by měla digitální vstupy/výstupy sloužící pro spínání upozornění o aktuálním stavu stroje formou světelné nebo akustické signalizace, přepínání měřicích režimů apod.
- Komunikační vstup/výstup LAN – TCP/IP
- Výstup LAN slouží pro veškeré nastavení, správu řídící jednotky, a možnosti stáhnutí trendů z paměti jednotky pomocí příslušného programu (např. VES004 IFM)
- Nebo se lze připojit do firemní sítě za pomocí OPC serveru, který zajišťuje začlenění hardwarového vybavení, do již fungující sítě.
OPC server
- Jedná se komunikační protokol, jehož úkolem je zajistit jednotné komunikující prostředí mezi hardware a software produkty průmyslové automatizace.
- Z názvu vyplývá, že by se mělo jednat o fyzickou jednotku (server), avšak jde o software program komunikující s připojenými zařízeními, jejich komunikačním protokolem.
-39- OPC Klient
- Softwarový program, jenž přijímá data z OPC Serveru ve formátu OPC a prezentuje tato data pro uživatele v podobě vizualizace, grafů, reportů apod.
(zpravidla aplikace SCADA HMI neboli programy pro vizualizaci, monitoring a řízení procesů průmyslové automatizace).
PROFIBUS
- průmyslová sběrnice používána při automatizaci výrobních linek a řízení výroby - je založena na komunikačním standardu RS485, který spojuje stanice buď
lineárně nebo do hvězdice. Nejčastějším použitím je lineární spojení, tzn. stanice jsou propojené PROFIBUS kabelem jedna za druhou a síť je na obou koncích zakončena zapnutými odpory.
- Rychlost sítě je závislá především na délce jednoho segmentu. Pro větší vzdálenosti možno použít repeater.
PROFINET
- Nezávislý a otevřený komunikační standard pro všechny úrovně průmyslové automatizace.
- Vychází z Ethernetu, sítě běžně dostupné k distribuci internetu nebo dat.
- PROFINET je však na rozdíl od Ethernetu jednoznačně určen do průmyslu, ať už jako komunikace mezi stroji nebo komunikace OPC serveru a řídící jednotky.
- Jedná se o nejpokročilejší řešení pro síťové Ethernetové propojení výrobních linek (senzory, ovladače, subsystémy a výrobní jednotky) a zařízení, jako jsou PLC, DCS a celopodnikové IT systémy.
DCS
- Distribuovaný řídící systém, je počítačový řídicí systém pro proces nebo celý výrobní závod, obvykle s velkým počtem řídících smyček, v nichž jsou
autonomní regulátory distribuovány v celém systému, avšak nad tímto systémem je ještě jeden centrální.
-40- 4.3 Vizualizace – Softwarové prostředky
4.3.1 SCADA
Pojmem SCADA se rozumí dispečerské řízení a sběr dat. Nejčastěji se tento pojem využívá pro software, jenž z řídícího centra monitoruje průmyslová technická zařízení a procesy, závislé na jejich ovládání. Systém tedy neplní funkci plnohodnotného řídícího systému, ale spíše se zabývá dispečerským dohledem, monitoringem a případnou parametrizací. Komunikace probíhá buď pomocí specializovaných průmyslových linek, nejčastěji se však lze setkat s klasickou sítí Ethernet. Systémy SCADA jsou velice rozšiřitelné a mohou zpracovávat vstupní proměnné od jednotek až po stovky tisíc, v závislosti na obtížnosti a rozsahu sledované proměnné. Způsob ukládání a sběr dat má rovněž několik možností. Od jednotlivých malých textových souborů, až po databázové servery s masivním objemem dat a pokročilou frekvenci vzorkování. Tyto systémy jsou rozšířené snad ve všech oblastech, kde je potřeba monitorovat data a hlídat optimální průběh dějů jako jsou výrobní linky, energetika, technologické řešení budov, a mnoho dalšího.
4.3.2 Reliance 4
- Jedná se o profesionální SCADA/HMI systém, jenž je vyvinut pro monitorování a ovládání průmyslových procesů a automatizaci budov.
- Základní funkce lze jednoduše parametrizovat, není nutná znalost programování - Aplikaci je možno zpřístupnit i pro vzdálené uživatele, formou webového
prohlížeče, či telefonu nebo tabletu.
4.3.3 Promotic
- Jde o komplexní SCADA softwarový prostředek vyvinutý pro vytváření aplikací, jež jsou klíčem k sledování, a řízení technologických procesů na obrovském poli působnosti v oblasti průmyslu.
- Obsahuje všechny důležité součásti pro tvorbu jednoduchých i složitých vizualizačních systémů
- Důležitým faktorem při výběru právě softwaru Promotic, je fakt, že jeho vývojové prostředí lze používat ve freewarové verzi, a to pouze s jediným
-41-
omezením. Velikost aplikace nesmí přesáhnout 100 proměnných. Pak je třeba zakoupit licenci.
- Programovací jazyk je označován jako VBScript, jedná se o skriptovou podobu klasického Visual Basicu. Jde o jednoduchý, avšak plně dostačující jazyk.
-42-
5 APLIKACE ONLINE SYSTÉMU
5.1 Důvod aplikace firmou Model obaly
Firma Model obaly se zabývá vývojem, výrobou a dodávkou vysoce kvalitních obalových řešeních požitím vlnité nebo hladké lepenky. Jedná se o výrobky od prostých přepravních krabic až po špičkové obaly drahých parfémů. Skupina Model poskytuje pracovní místa zhruba pro 4000 pracovníků, v deseti dceřiných společnostech po celém světě. Já se však budu věnovat pouze české pobočce, se sídlem v Opavě.
Firma si prošla jistým technologickým růstem, jako většina strojních odvětví.
Došlo k výměně mnoha zařízení, začaly se používat nové systémy řízení. Hlavním hlediskem je však zejména v proaktivním systému vedení údržby. Proaktivní údržba vznikla z prediktivní, a oba dva typy těchto způsobů reagují především na dlouhodobá zjištění, že určitá skupina poruch se pravidelně opakuje a jsou zde jasně určitelné příčiny.
Proto se i zde naskytla možnost využití právě online systému sledování vibrací. Tímto systémem lze předejít neplánované odstávce stroje. Zvýšit tak provozní spolehlivost, a možnost naplánovat výměnu opotřebených dílů s předstihem, než dojde ke kolizi.
Osazení vibračními snímači proběhlo na již zmiňované vývěvě Becker, jenž se stará o podtlak potřebný při manipulaci s kartonovou lepenkou. Přednostně se monitorují stroje pro výrobu nezbytné, což tato vývěva je.
Firma Model obaly se rozhodla jít cestou online systému IFM z důvodu přívětivé ceny, kdy i takto cenově dostupný systém splňuje požadavky na trvalý monitoring strojů.
Jedná se o velice spolehlivý systém užívaný v mnoha průmyslových odvětvích, jenž se za svou dobu používání velice osvědčil. Instalaci systému zajistila firma Heistech s.r.o., která se zabývá vibrační diagnostikou, online systémem vibrací, a dalšími službami šitými na míru svým zákazníkům.
5.2 Problematika zavedení kabeláže
Před samotným zavedením online systému se naskýtá problém ve formě vhodného zasíťování strojního parku, nebo případně pouze jednoho stroje. Je potřebné optimálně navrhnout trasu pro vedení kabelového svazku od snímače umístěného na elektromotoru stroje, až po řídící jednotku. V cestě mnohdy stojí jistá omezení, jenž se musí respektovat a natažení kabelu se stává problematičtější. Pro příklad lze uvést
-43-
uchycení kabelového svazku právě do pracovního prostoru, kdy nepromyšlená instalace může vést k poškození, a tudíž ke ztrátě dat. Je proto vždy potřebné projít si trasu vedení a ujistit se, zda nebude kabeláž ovlivňovat jiné systémy. Při instalaci na zeď, zkontrolovat stav povrchu zdi, zda nedochází k vydrolování. Jestli je ještě možné do takto poškozené zdi vrtat díru pro držák vedení kabelového svazku. Při instalaci po zemi zajistit bytelnou ochranu vodiče. Dále ohlídat délku samotného vodiče, který by neměl být delší než 100 m. Ochrana kabelového vedení spočívá ve vhodně zvolené ohebné hadici, elektroinstalační liště, nebo jiným ochranným prvkem v němž je veden kabel od snímače do řídící jednotky. Samotná řídící jednotka bývá nejčastěji umístěná do skříně rozvaděče k dalším systémům, nebo má svou nezávislou skříň.
5.3 Funkční nainstalovaný systém
Celý systém je velmi příznivě umístěn u sebe na jednom místě, čímž odpadla složitá instalace a nutnost dlouhého tažení chráničky kabelového vedení. Vše je umístěno na jedné skříni. Skříň slouží jako hluková bariéra od hlučných vývěv Becker. Vývěvy jsou ve skříni celkem tři. Vždy však jsou v provozu pouze dvě, a jedna slouží jako záložní.
Jelikož v malém zatěsněném prostoru produkují vývěvy obrovské množství tepla, je nutnost použít aktivního odvětrávání. K tomuto slouží dva horizontálně umístění ventilátory zabudované na vrchní straně skříně. Tyto jsou spouštěny zároveň s vývěvami, a po vypnutí vývěv ještě nezávisle dochlazují prostor, až se automaticky vypnou také.
Náš online monitorovací systém IFM je umístěn v laminátové vodotěsné skříni, přišroubované na skříň vývěv. Jedná se o skříň, jenž byla využita pro náš online systém, ale která primárně slouží jako skříň pro jističe vývěv. Jde o naprosto běžný postup z praxe, kdy, pokud je možnost využití stávajícího rozvaděče nebo skříně, volí se tato varianta.
Už jenom díky úspoře místa na pracovišti a možnosti se připojit na elektrickou síť pro napájení řídící jednotky systému. V případě, jenž by hrozilo tepelné ovlivnění jednotky od jiných zdrojů tepla ze stávající skříně, se vždy hledá alternativní způsob umístění.
V takovém případě se zvolí místo, kde tyto faktory neovlivní bezproblémový chod diagnostického systému. Vhodně zvoleným místem je pak instalace skříně jednotky na zeď. Mimo dosah tepelných, elektrických, či jiných negativně ovlivňujících faktorů. U této varianty se však již musí počítat s delším kabelovým vedením, a jeho ochranou.
-44-
Obr. 5.1 Funkční systém
V tomto případě našeho online systému byly použity následující komponenty:
Snímač Monitran MTN/2200 – 4P
- univerzální akcelerometr napájený konstantním proudem 0,5…8 mA - citlivost snímače 100 mV/g
- frekvenční rozsah měření 2 Hz – 10 kHz - konektor M12
-45-
Obr. 5.2 Snímač Monitran [7]
Řídící jednotka IFM VSE002 - popis jednotky viz. výše
Propojovací kabel 2 x 0,75 mm2 - délka cca 3 m
- stíněný
- opatřen kabelovými zakončovacími dutinkami
Obr. 5.3 Stíněný kabel 2x0,75
-46- Svorkovatelný konektor E11509
- 4 pinový
- použity pouze piny 2 a 4 - konektor M12
- šroubovací
Signální tříbarevný sloupek (semafor) - slouží k signalizaci provozního
stavu stroje - napájení 24 V
5.4 Nastavení a zpracování signálu 5.4.1 Popis softwaru VES004
Každá online diagnostická řídící jednotka musí mít možnost nastavení neboli parametrizaci. Pro naši zvolenou jednotku IFM VSE002 je to parametrizační software VES004, který slouží k nastavení jednotky. Taktéž vizualizuje aktuální i historické naměřené hodnoty z různých zdrojů dat pomocí grafů. Paměť zařízení umožňuje zaznamenávat historii trendování s délkou záznamu dle zvoleného časového intervalu.
Aktuálně s dobou záznamu 316 dní. Dále dojde k přemazávání nejstarších hodnot čili zápisu ve smyčce. Jednoduše lze vytvářet monitorovací úkoly. Přehledná stromovitá struktura zajistí jednoduchou správu zařízení a dat. Software je k dispozici zdarma ke
Obr. 5.4 Svorkovací konektor [8]
Obr. 5.5 Tříbarevný sloupek [8]
-47-
stažení (po zaregistrování na stránkách výrobce a pouze pro testovací účely, jinak je zpoplatněn částkou 60 eur).
Vstupní signál do jednotky lze různě upravovat pomocí integrace a dalších matematických výpočtů či použitím filtrů. Výsledné hodnoty lze vyhodnocovat jak v časové oblasti, tak ve frekvenční oblasti použitím FFT. Tímto dostaneme komplexní obraz vibrací pro náročnější podmínky vyhodnocení.
Řídící jednotka VSE002 se připojuje pomocí LAN kabelu. Každá jednotka má svou IP adresu. Aby byla zajištěna komunikace jednotky a počítače, je nutno nastavit protokol IP verze 4 (TCP/IPv4) v počítači.
Obr. 5.6 Nastavení protokolu IP (TCP/IPv4)
5.4.2 Popis nastavení softwaru
V rámci komplexního vyhodnocení výsledků měřeného stroje je potřeba definovat měřené veličiny, jenž bude nutno nastavit a sledovat, přesněji:
- Efektivní hodnota rychlosti – v_RMS [mm / s] v pásmu 10–1000 Hz dle ISO 20816
- Efektivní hodnota zrychlení – a_RMS [mg] v pásmu 10-5000 Hz - Obálka zrychlení – a_RMS_env [mg] v pásmu 500–3000 Hz - Teplota [°C]
Popis časového signálu:
Pro vysvětlení zde udávám i popis časového signálu v závislosti na amplitudě.
V praxi nás nejvíce zajímají hodnoty RMS, tedy efektivní díky časové stálosti. To znamená, že pokud by se najednou objevila nějaká špičková hodnota řádově několikrát
-48-
vyšší než ostatní, tak na výslednou hodnotu RMS nebude mít tato jedna špička až takový vliv.
Peak – jedná se o špičkovou hodnotu
Peak – Peak – rozkmit signálu mezi špičky (Peak) = 2 x amplituda RMS – efektivní hodnota = 0,707 x špička (Peak)
Average – střední hodnota = 0,637 x špička (Peak)
Obr. 5.7 Vysvětlení Peak, RMS, Average [1]
Obr. 5.8 Software VES004 nastavení frekvenční oblasti
-49- Limity
Dalším nastavovaným parametrem jsou limity, které v případě překročení spínají digitální výstupy, jenž ovládají signalizaci semaforu.
Nastavování limitů je velice individuální, a je třeba letitých zkušeností na strojích podobného typu. Při zvolené nízké hodnotě limitů je velmi pravděpodobné, že semafor bude spínat příliš brzy. Naopak při zvolení příliš velké hodnoty by hrozilo, že sepnutí semaforu nastane až v těsné blízkosti kolize stroje, a systém by tedy neplnil svou funkci správně.
Averaging – průměrování
IFM u své jednotky používá formu zlomkového průměrování, což znamená, že každá vstupující hodnota má sílu na ovlivnění celkového výsledku v závislosti na zvoleném čísle. Osvědčilo se nastavení na 1/4. Čili každá vstupující hodnota ovlivní výsledek pouze o 1/4 své váhy. Znamená to, že pokud přijde ze snímače najednou hodnota řádově mnohem výš než ostatní, tato hodnota příliš neovlivní výslednou celkovou hodnotu. Průměrování je tedy jistý typ filtrace, kdy dochází k eliminaci náhodného výkyvu vstupních hodnot, čímž dochází k vyhlazení průběhu. Pro zrychlení a_RMS byla zvolena hodnota průměrování 1/8.
Obr. 5.9 Software VES004 průměrování
Inputs – vstupy
V parametrech nastavení máme možnost zvolit dynamický vstup, analogový vstup, popř. externí vstup. Univerzální dynamický vstup slouží pro vibrační snímače
Barva semaforu v_RMS a_RMS
Oranžová 4,5 mm/s 4 g
Červená 7,1 mm/s 5 g
-50-
s napěťovým či proudovým výstupem (piezoelektrické, kapacitní) či proudové smyčky 4–20 mA. Do analogového vstupu lze přivést jak signál analogový, tak digitální (0/24 V) Externí vstup slouží pro plnění jednotky z OPC serveru. Kdy pomocí klienta zavedu do jednotky informaci například o aktuálních otáčkách motoru, komunikací přes OPC server s frekvenčním měničem motoru. Tímto řešením najednou odpadá potřeba otáčkové sondy.
Obr. 5.10 Software VES004 vstupy Trigger – neboli spouštěč
Pokud je potřeba měřit pouze v určitém otáčkovém rozsahu, je nutno použít právě funkce trigrování. Ta zajistí, že měření bude vždy probíhat až od určité hodnoty otáček, jenž se získá buď z frekvenčního měniče a OPC serveru, nebo otáčkové sondy. Tato funkce se hodí například pro měření vibrací u výtahů, kdy měření probíhá jen při plné rychlosti výtahu.
-51-
Obr. 5.11 Software VES004 Trigger
5.4.3 Interpretace objektů
V rychlosti vibrací RMS dle ISO 20816 jsme schopni odhalit především mechanické závady spojené s uvolněním konstrukce stroje, špatného uložení a ustavení stroje, nevývahou, nesouosostí. Dle normy jsou hodnoty vibrací škálovány do čtyř provozních kategorií. Podle jednotlivých pásem, ve kterých se nalézá aktuální hladina rychlosti vibrací, jsme schopni posuzovat objektivní stav stroje, a zařadit tak tento stroj do příslušné provozní kategorie.
-52-
Obr. 5.12 Kategorie pásem vibrací [1]
Tato norma vychází z předešlých empirických výpočtů a dlouhodobých zkušeností vibračních diagnostiků. Jedná se však pouze o hodnoty doporučeného charakteru a pro každý jednotlivý stroj se mohou lišit.
Dále chceme sledovat efektivní hodnotu zrychlení. Tato širokopásmová hodnota nás upozorní především na změnu stavu zařízení. Může pomoct odhalit problémy se zadírajícími se lopatky, poškozením ložisek či špatným mazáním.
Parametr Obálky zrychlení je demodulovaný signál sloužící k tomu, abychom mohli sledovat počáteční poškození opotřebení lopatek, ložisek a dalších.
-53-
6 ANALÝZA NAMĚŘENÝCH HODNOT
Velkou výhodou při vyhodnocování stavu těchto vývěv, je doba provozu nainstalovaného online systému. Máme tak k dispozici velmi rozsáhlý časový údaj, ze kterého je jasně viditelný vyvíjející se graf, v časovém rozsahu 6 měsíců. Z takto podrobně zaznamenávaných hodnot se dá prediktivně určit možný nastávající problém.
Následující grafy z programu VES004 jsou vždy označeny číslem a popisem, o jakou měřenou hodnotu a stroj lze. Nejprve jsou vždy hodnoty rychlosti v_RMS, poté zrychlení a_RMS, a následně obálka zrychlení a_RMS_env. Označení B103 je číslo horní vývěvy. B105 je vývěva spodní, ta, na níž došlo ke kolizi. Číslování měřících míst je klasicky podle normy. L3 je ložisko blíž ke spojce, L4 je ložisko na konci hřídele. Online měření probíhá jen na vývěvách, nikoli na motorech. Motory se měří pochůzkově v pravidelném intervalu.
Na vývěvách může často docházet k opotřebení lopatek vlivem nasátí nečistot, špatného používání stroje. Závady na ložiskách se projevují taktéž, a je velice náročné objektivně a správně určit o jakou ze závad se právě jedná. Obvykle se nejedná pouze o jeden problém, ale je jich najednou mnoho. Rostoucí trend nám tedy ukazuje změnu oproti původnímu stavu, nicméně odhalení příčiny je vždy na zkušenostech diagnostika.
Tak tomu je i v tomhle případě, kdy poznat opravdu o jaký problém jde, vyžaduje mnoho úsilí, času a komunikace se zákazníkem.
-54- 6.1 Analýza trendu vývěvy B103
Rychlost vibrací B103 na ložisku L3 (B103_v_RMS_ L3)
Obr. 6.1 B103_v_RMS_L3 Rychlost vibrací B103 na ložisku L4 (B103_v_RMS_ L4)
Obr. 6.2 B103_v_RMS_ L4 Nárůst rychlosti vibrací v časovém intervalu od 23. 2. – 27. 4. 2018 Vánoční plánovaná
odstávka stroje
-55-
Porovnání obou hodnot B103_v_RMS_ L3 (modrá) a B103_v_RMS_ L4
Obr. 6.3 B103_v_RMS_ L3 a L4
Zrychlení vibrací B103 na ložisku L3 (B103_a_RMS_ L3)
Obr. 6.4 B103_a_RMS_ L3
Viditelné vznikající poškození, důvodem zadírajících se ložisek
Trend se zvyšuje pozvolně
Zde lze pozorovat vzniklý problém ve formě špatně uzemněného snímače, případně nedokonalého uchycení.
-56-
Zrychlení vibrací B103 na ložisku L4 (B103_a_RMS_ L4)
Obr. 6.5 B103_a_RMS_ L4
Porovnání obou hodnot zrychlení B103_a_RMS_ L3 (modrá) a B103_a_RMS_ L4
Obr. 6.6 B103_a_RMS_ L3 a L4 Ložisko v dobrém
stavu
Provoz s malým množstvím maziva
Domazání, viditelný pokles
Detekován
vznikající problém
Závada je viditelná již na obou ložiskách zároveň
-57-
Zrychlení a_RMS na obou ložiskách začalo postupně dosahovat hodnot okolo 6 g, což není vůbec ideální stav stroje. Výstraha pomocí světelného semaforu svítí neustále červeně. Závada na ložiskách se začíná projevovat. Častějším mazáním z obavy nedomazání, se však stroj může stát přemazaným. Tento jev je stejně nebezpečný, jako jeho opak. Jelikož velké množství pod tlakem vnikajícího maziva z maznice způsobí, že může dojít k vysokému ohřevu maziva až na bod skápnutí. A zde již mazivo jako takové ztrácí mazací schopnosti. Dochází k suchému tření a možnému zadření ložiska.
Obálka zrychlení vibrací B103 na ložisku L3 (B103_a_RMS_ENV L3)
Obr. 6.7 B103_a_RMS_ENV L3
Obálka zrychlení odhaluje rostoucí trend. Na tomto ložisku L3 však není natolik rapidní.
-58-
Obálka zrychlení vibrací B103 na ložisku L4 (B103_a_RMS_ENV L4)
Obr. 6.8 B103_a_RMS_ENV L4
Porovnání obou hodnot B103_a_RMS_ENV L3 (modrá) a B103_a_RMS_ENV L4
Obr. 6.9 B103_a_RMS_ENV L3 a L4
Zde je výrazný nárůst ihned pozorovatelný.
-59- Teplota B103 (TEMP_B103)
Obr. 6.10 Teplota B103
