Заказчик – ОАО «Северсталь».

Год внедрения: 2008.

Назначение:

Автоматизированная система мониторинга и диагностики 5-ти клетьевого стана предназначена для осуществления контроля в режиме реального времени фактического состояния ПЖТ электродвигателей и моталок в ходе технологического процесса. Целью данной системы является повышение надежности работы электродвигателей и моталок 5-ти клетьевого стана, своевременное вмешательство в технологический процесс при выявлении отклонений в работе ПЖТ и контроль технологической обкатки подшипников.

Основные функции:

• контроль осевого смещения ПЖТ;
• контроль радиальной вибрации ПЖТ и поперечного биения;
• контроль температуры вкладыша ПЖТ и упорного подшипника;
• электрорезистивный способ диагностирования (трибодиагностика);
• анализ и архивация данных;
• формирование отчета.

В состав АС входят следующие компоненты:

• 4 вихретоковых датчика;
• термоэлектрический преобразователь TXK 9611;
• измерительный преобразователь ПИ 9701;
• оборудование фирмы IBA AG;
• ПЛИС XILINX, реализованный по технологии FPGA;
• кабельные сигнальные линии, оборудование и линии питания, коммутационное оборудование.

Технические характеристики:

Параметр	Диапазон измерения
Частота обработки данных, Гц	2
Диапазон измерения вибрации, мм	0,4 - 2
Диапазон измерения температуры, ºС	0 – 200
Диапазон измерения параметра НИВ, %	0 – 100

Принцип действия:

1. Контроль осевого смещения ПЖТ

Измерение осевого сдвига осуществляется с помощью вихретоковых датчиков размещенных перпендикулярно плоскости торца вала и (или) плоскости измерительного буртика (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Осевое смещение

Сигналы с вихретоковых датчиков позволят судить о положении торца вала по горизонтальной оси. Вместе с вихретоковым датчиком в сегменте упорного подшипника установлен датчик контроля температуры. Наличие этих двух характеристик позволит технологическому персоналу своевременно реагировать на изменения режима работы ПЖТ, и в частности предотвратить выплавку упорного подшипника.

2. Контроль радиального смещения

Для измерения величины радиальной вибрации, используется два вихретоковых датчика, установленных перпендикулярно валу и развернутые относительно друг друга на 90o (см. рис. 3).

Ортогональное X-Y размещение пробников улучшает диагностические возможности, поскольку позволяет получать как суммарную информацию, так и раздельную по каждой координате, а также позволяет визуально наблюдать орбиту движения вала в радиальной плоскости. Кроме того, измерение векторов вибросмещения в нескольких плоскостях позволяет построить линию динамического прогиба вала.

Рисунок 2 – Примеры изменения формы орбиты и положения вала в зазоре

Рисунок 3 – Радиальная вибрация и поперечное смещение

3. Контроль температуры вкладыша ПЖТ и упорного подшипника

Контроль температуры вкладышей ПЖТ и упорных подшипников осуществляется с помощью термоэлектрических преобразователей ТХК 9611, которые предназначены для измерения температуры подшипников и поверхностей твердых тел. Датчик выполнен на основе кабеля с минеральной изоляцией. Для унификации сигнала с датчика температуры используется измерительный преобразователь ПИ9701.

Рисунок 4 – термоэлектрический преобразователь ТХК 9611

Рисунок 5 – Преобразователь измерительный ПИ9701

Датчики температуры устанавливаются соответственно во вкладыши подшипников жидкостного трения и сегменты упорных подшипников.

4. Электрорезистивный способ мониторинга

Сущность электрорезистивного диагностирования заключается в измерении сопротивления, проводимости или относительной длительности электрических контактов при подаче на кольца подшипника постоянного электрического напряжения или тока.

Электрорезистивные средства диагностики не требуют демонтажа подшипникового узла, просты в реализации, автономны и экономичны в эксплуатации.

Данный способ диагностирования является интеллектуальной собственностью Орловского государственного технического университета и защищен патентом Российской федерации

Математическая модель способа контроля и средства диагностики реализованы при участии авторов метода:

Подмастерьева К.В.	д.т.н., профессора, зав. кафедрой ПМиС ОрелГТУ
Мишина В.В.	к.т.н., доцента кафедры ПМиС ОрелГТУ
Пахолкина Е.В.	к.т.н., доцент кафедры ПМиС ОрелГТУ

Использование электрорезистивного способа мониторинга состояния ПЖТ электродвигателей и моталок, предполагает комплексный подход в оценке ряда параметров, имеющих различную природу.

Разработанный в ОрелГТУ комплекс средств трибомониторинга обеспечивает использование различных измерительных каналов. Получение информации об электрическом сопротивлении, о нормированном интегральном времени (НИВ), о прочих параметрах, определяемых уже в процессе обработки данных, позволяет расширить функциональные возможности методов диагностирования и увеличить достоверность оценки.

Рисунок 6 – Эффективность применения параметра НИВ

Из рисунка 4 видно, что применение параметра НИВ позволяет эффективно отслеживать изменения тепловых и нагрузочных режимов в подшипниках, практически безынерционно устанавливать момент заклинивания (останова привода и др. аварийных ситуаций), осуществлять мониторинг изменения качества рабочих поверхностей.

В частности, применяя параметр НИВ можно решать широко распространенную задачу технологической обкатки подшипников, так как диагностическая информация позволяет установить момент окончания приработки или сделать вывод о непригодности подшипника к использованию. Последнее иллюстрируется рисунком 5: растущий характер изменения диагностического параметра НИВ в процессе прикатки свидетельствует о непригодности подшипника и позволяет принять соответствующее решение в течение 10 – 15 мин.

Рисунок 7 – Два примера мониторинга приработки подшипников, непригодных к использованию

5. Анализ и архивация результатов мониторинга

Структуру системы мониторинга условно можно разделить на две части. Данные о радиальной вибрации, осевом смещении и температуре образуют первый информационный поток, данные электрорезистивного диагностирования образуют второй информационный поток. Оба потока информации поступают на сервер сбора данных, где осуществляется визуализация результатов измерений и их архивация.

Рисунок 8 – Общая структура системы

5.1 Контроль вибрации и температуры

Для анализа и архивации данных мониторинга используется оборудование фирмы IBA AG, которое широко применятся на промышленных площадках таких известных компаний как Voestalpine Sthal, Mittal Steel.

Успешно эксплуатируется данное оборудование и в прокатных цехах ОАО «Северсталь»: ЛПЦ-1, ЛПЦ-2 и применяется для сбора и архивации данных о ходе технологических процессов.

Аналоговые сигналы с датчиков вихретокового, и температурного контроля поступают на модули аналоговых входов ibaPADU-8-O, которые монтируются для каждой клети стана и обеих моталок.

Рисунок 9 – Принцип организации сбора данных

С модулей аналоговых входов сигналы по воловонно-оптическому кабелю передаются в плату анализа и обработки ibaFOB-4i-S. Плата анализа и обработки монтируется в управляющем вычислительном комплексе на базе компьютера промышленного исполнения.

С помощью программного обеспечения ibaPDA-V6-128, конфигурируется рабочее место оператора, на монитор которого будут в режиме реального времени выводится результаты мониторинга ПЖТ электродвигателей и моталок.

Благодаря гибкому интерфейсу программного обеспечения выводимая информация будет представлена в наиболее удобной для восприятия форме.

Рисунок 10 – Пример отображения результатов мониторинга

Система мониторинга технического состояния ПЖТ электродвигателей обеспечивает архивацию всех результатов контроля как минимум в течение месяца, а также предоставляет возможность интеграции необходимых данных в существующую информационную сеть ПХЛ ЦПиО.

5.2 Электрорезистивный мониторинг

Для организации электрорезистивного мониторинга состояния ПЖТ электродвигателей, наша компания предлагает оригинальное средство измерения, разработанное совместно со специалистами Орловского государственного технического университета.

Основные задачи электрорезистивного мониторинга:

• отслеживать изменения тепловых и нагрузочных режимов в работе подшипника;
• регистрация в реальном времени момента заклинивания (останова привода и др. аварийных ситуаций);
• регистрация изменений качества рабочих поверхностей подшипника;
• регистрация флуктуаций активного сопротивления подшипника;
• регистрация микроконтактирований рабочих поверхностей подшипника длительностью не менее 100 нс (использование параметра НИВ).

Для питания измерительного канала используется источник стабилизированного напряжения 100мВ. Это обусловлено тем, что при более высоком напряжении или при использовании источника тока 1 мА, очень высока вероятность электрического пробоя (эффект «микросварки»). Подобное явление электроэрозионного износа сводит к нулю все преимущества неразрушающего контроля.

Наличие микроконтактирований рабочих поверхностей может служить признаком начала разрушительных процессов на рабочих поверхностях подшипника. Поэтому очень важно анализировать весь поток данных, не усредняя полученных значений, так как в результате усреднения происходит потеря «полезной» информации.

Для регистрации и последующего анализа активного сопротивления используется 12-ти разрядная АЦП с частотой работы 20МГц. Анализ полученных данных осуществляется при помощи ПЛИС XILINX реализованного по технологии FPGA.

В ПЛИС программно реализована математическая модель анализа данных, разработанная специалистами ОрелГТУ. Реализованный способ диагностирования зарегистрирован в государственном реестре изобретений и защищен патентом.

Рисунок 11 – Общая структура обработки данных измерительного канала

Результаты диагностирования по интерфейсу RS-485 передаются на сервер сбора данных, где при помощи прикладного программного обеспечения выводятся на экран монитора.

Рисунок 12 – Интерфейс рабочей программы

Программный модуль электрорезистивного мониторинга имеет гибкий настраиваемый интерфейс. Оператору предоставляется возможность отобразить на экране монитора показания конкретного измерительного канала в необходимом масштабе или одновременно наблюдать за состоянием всех (нескольких) измерительных каналов.

По окончании опробования системы в работе может быть сформирован перечень оптимальных режимов работы с конкретными параметрами. Данный перечень может служить для настройки автоматических сообщений о критических значениях тех или иных параметров.

6. Формирование отчетов

По результатам мониторинга системой может быть сформирован отчет о состоянии контролируемых объектов.

Варианты отчета:

• выборка отдельных параметров мониторинга;
• состояние конкретного объекта контроля;
• динамика развития за длительный промежуток времени.

Формат отчета:

*.PDF

*.DOC

*.XLS

Программное обеспечение системы предоставляет возможность формировать отчет о результатах мониторинга в виде необходимом Заказчику.