DD158581A1 - METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES - Google Patents
METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf breitbandige und selektive Schwingungsueberwachung zur Diagnose des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens von insbesondere thermischen Turbomaschinen. Mit dem Ziel der Schadensfrueherkennung steht die Aufgabe, neben Betraegen von Summenpegelwerten und von harmonischen Schwingungsanteilen vordergruendig den komplexen Charakter der harmonischen Schwingungsanteile fuer die Diagnose heranzuziehen. Verfahrenstechnisch werden nach der Erfindung im wesentlichen die Veraenderungen der Pegelsummenwerte und die vektoriellen Veraenderungen der komplexen harmonischen Schwingungen im Zeitintervall gegenueber Bezugspegelwerten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen verglichen und ausgewertet. Die Schaltungsanordnung der Erfindung umfasst im wesentlichen elektronische Mittel zur Aufbereitung und Verarbeitung von Schwingungssignalen mit einem Rechnersystem und Mittel zur messtechnischen Darstellung von verfahrenstechnisch interessierenden Veraenderungen im Schwingungsbild (Schwingungsdiagnostik).The invention relates to broadband and selective vibration monitoring for diagnosing the mechanical condition and performance of, in particular, thermal turbomachinery. The aim of damage early detection is to use the complex character of the harmonic vibration components for the diagnosis in addition to the consideration of sum level values and harmonic vibration components. In terms of process technology, the invention substantially compares and evaluates the changes of the level sum values and the vector changes of the complex harmonic oscillations in the time interval compared to reference level values and complex harmonic reference portions. The circuit arrangement of the invention essentially comprises electronic means for conditioning and processing of vibration signals with a computer system and means for the metrological representation of procedurally interesting changes in the vibration pattern (vibration diagnostics).
Description
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Titel der ErfindungTitle of the invention
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Schwingungsüberwachung rotierender MaschinenMethod and circuit arrangement for vibration monitoring of rotating machines
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur breit bandigen und selektiven Schwingungsüberwachung für die Diagnose des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschine (Maschinenschwingungsdiagnostik), insbesondere thermischer Turbomaschinen, mit dem Ziel der Schadensvermeidung, Schadensfrüherkennung und Verhinderung von Folgeschäden.The present invention relates to a method and a circuit arrangement for broadband and selective vibration monitoring for the diagnosis of the mechanical condition and the operating behavior of rotating machinery (machine vibration diagnostics), in particular thermal turbomachinery, with the aim of avoiding damage, early damage detection and prevention of consequential damage.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Zur Ermittlung der kennzeichnenden Größen für die Beurteilung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen sind Verfahren entwickelt worden, welche die Messung der Schwingungen der zu überwachenden Maschine und den Vergleich mit Schwingungen gleicher oder ähnlicher Art oder mit Schwingungen eines Modells oder Kenntnissen aus früheren Maschinenuntersuohungen einbeziehen und gegebenenfalls internationale Normen und Richtlinien berücksichtigen. Im allgemeinen werden für die Überwachung und Diagnose vier grundsätzliche Verfahrensweisen angewendet, und zwar die breit bändige Messung und1 Beobachtung dea Schwingung3-3um~ menpegels (übliche Verfahrensweise), die Messung und Beobachtung des Schwingungs-Summenpegels mehrerer interssierender schmaler Frequenzbereiche, die Messung und Beobachtung derTo determine the characteristic quantities for the assessment of the mechanical condition and the operating behavior of rotating machinery, methods have been developed which incorporate the measurement of the vibrations of the machine to be monitored and the comparison with vibrations of the same or similar kind or with vibrations of a model or knowledge from previous machine investigations and, where appropriate, international standards and guidelines. In general, four basic procedures are used for monitoring and diagnosis, and indeed the wide-volume measurement and 1 observation dea Schwingung3-3um ~ menpegels (normal procedure), the measurement and monitoring of the vibrational total level of several interssierender narrow frequency ranges, the measurement and monitoring the
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Einzelpegel mehrerer schmaler Frequenzbereiche und die selektive Messung und Beobachtung der Pegel einzelner Frequenzkomponenten in einem Frequenzbereich mit Hilfe einer Spektralanalysiereinrichtung. Die drei letztgenannten Verfahrensweisen sind bisher wenig verbreitet, da der Aufwand an konventioneller Elektronik relativ groß ist. Durch Erfahrung ist bekannt, oder es kann durch eine Reihe spezieller Untersuchungen festgestellt werden, daß bestimmte Mangel oder Fehler einer speziellen Maschinenanlage "Spuren" (Veränderungen) im Spektralbild hinterlassen, die mit Hilfe selektiv arbeitender Meßgeräte.(z.B. schmalbandige elektronische Filter) herausgefunden werden können, ohne daß sich häufig der Summenpegel merklich ändert. Aus diesem Grunde sind- die. Verfahren, die die Beträge einzelner Schwingungsanteile für die Beurteilung des mechanischen Zustandes und des Betriebsverhaltens rotierender Maschinen ermitteln und berücksichtigen, den Verfahren, die die Pegelwerte von Frequenzbereichen überwachen, eindeutig überlegen. Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Diagnoseverfahren werden mit speziellen Anordnungen (Filter) interessierende Schwingungskomponenten erfaßt, ihre Beträge bestimmt und mit Bezugswerten (Werte des Neu- oder Normalzustandes) sowie Grenzwerten verglichen, wodurch das Vorhandensein verschiedener Mangel und Fehler festgestellt werden kann. Bei den modernsten Anordnungen ist realisiert, daß sich die Filter automatisch exakt mit ihrer Mittenfrequenz auf die Drehfrequenz der __ Maschine oder deren höhere Harmonische einstellten (Mitlauffilter). Aus dem Frequenzgemisch werden somit von der Drehzahl der Maschine abhängige Schwingungsanteile ausgesiebt und ihre Beträge angezeigt. Eine solche Anordnung ist bekannt durch die DEvOS 2315 806 in IPK G 01 N, 7/00*Single level of several narrow frequency ranges and the selective measurement and observation of the levels of individual frequency components in a frequency range using a Spektralanalysiereinrichtung. The three last-mentioned procedures are hitherto scarcely widespread, since the expenditure on conventional electronics is relatively large. Experience has shown or it can be determined through a series of special investigations that certain defects or defects of a particular machinery leave "traces" (changes) in the spectral image which can be found by means of selective measuring instruments (eg narrowband electronic filters) without the sum level often changing noticeably. For this reason are the. Procedures that identify and account for the amounts of individual vibration components for assessing the mechanical condition and performance of rotating machinery, clearly outperforming the procedures that monitor the level values of frequency ranges. In the prior art diagnostic methods, vibration components of interest are detected by means of special arrangements (filters), their amounts are determined and compared with reference values (new or normal values) and limit values, whereby the presence of various deficiencies and errors can be determined. In the most modern arrangements it is realized that the filters are automatically adjusted exactly with their center frequency to the rotational frequency of the machine or its higher harmonics (tracking filter). From the frequency mixture thus dependent on the speed of the machine dependent vibration components are screened and their amounts displayed. Such an arrangement is known from DEVOS 2315 806 in IPK G 01 N, 7/00 *
Bei dieser dem Stand der Technik entsprechenden näherungsweisen Lösung ist Voraussetzung, daß die Beträge der für Fehler und Mängeltypischen Schwingungsanteile im Normaloder Neuzustand (Bezugswerte) gegenüber denen infolge von auftretenden Mangeln und Fehlern vernachlässigbar klein sein müssen. Dadurch,daß die harmonischen SchwingungsanteileIn this approximate solution, which corresponds to the state of the art, it is a prerequisite that the amounts of normal and new vibration components (reference values) that are typical for errors and defects must be negligibly small compared with those due to defects and defects. Because of the harmonic vibration components
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komplexe Größen sind, ergeben sich bei Nichterfüllung der genannten Forderung bei der bisher üblichen reinen betragsraäßigen Beobachtung der Schwingungsanteile nur ungenaueare complex sizes, resulting in failure to meet the above requirement in the hitherto usual pure quantitative observation of the vibration components only inaccurate
Diagnosen* - :...--.Diagnoses * -: ...--.
Bei Vernachlässigung der Phaseninformation sind die Veränderungen von harmonischen Schwingungsanteilenmit einem unbekannten ^Fehler zwischen O und 200 <%> der Beträge der Bezugswerte behaftet· Demzufolge reichen diese Aussagen für eine umfassende Maschinendiagnose speziell bei thermischen Türbomaschinen nicht aus.Neglecting the phase information, the variations of harmonic vibration components are associated with an unknown error between 0 and 200 <%> of the values of the reference values. Consequently, these statements are not sufficient for comprehensive machine diagnosis, especially in thermal door machinery.
Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Einrichtungen ist nach der Größe der Beträge der Bezugswerte dem Zufall überlassen (Art der vektoriellen Änderung), ob kleinere Schaden und Mängel sowie Schäden im Frühstadium erkannt werden können.In the prior art methods and devices, depending on the magnitude of the amounts of the reference values, it is left to chance (type of vectorial change) whether minor damage and defects as well as early damage can be detected.
Ziel der Erfindung .Object of the invention.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll allgemein eine aussagefähigere Beurteilung des mechanischen Zustand es und des Betriebsverhaltens von rotierenden Maschinen, insbesondere von thermischen Turbomaschinen, erreicht werden, als es mit bisherigen Verfahren und Einrichtungen zur kontinuierlichen Sohwingungsüberwachung und Maschinendiagnose möglich war. Konkret soll die erfindungsgemäße Lösung geeignet sein, einerseits dem Bedienpersonal präzisere Informationen über das Betriebsverhalten und sich entwickelnde Störungen und Schaden zu geben, um Schaden zu vermeiden, Folgeschäden weitestgehend zu verringern und andererseits in geeigneter Weise die Möglichkeit bieten, direkt in die bestehenden automatischen Schutz- und Überwachungsverfahren einbezogen zu werden.With the solution according to the invention, a more meaningful assessment of the mechanical condition and the operating behavior of rotating machines, in particular of thermal turbomachines, should generally be achieved, as was possible with previous methods and devices for continuous monitoring of the vibration of the vibrations and machine diagnosis. Specifically, the solution according to the invention should be suitable on the one hand to give the operating personnel more precise information about the operating behavior and developing faults and damage, in order to avoid damage, to reduce consequential damage as far as possible and, on the other hand, to offer the possibility of directly inserting into the existing automatic protective device. and monitoring procedures.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Zur Erreichung der Zielstellung steht die Aufgabe, neben der auf Beträgen von Summenpegelwerten und Beträgen von" harmonischen Schwingungsanteilen ausgerichteten Diagnose den komplexen Charakter der harmonischen Schwingungsanteile und den daraus resultierenden erhöhten Informationsgewinn aus Schwingungsmeßsignalen zu berücksichtigen.In order to achieve the objective, the task is to take account of the complex character of the harmonic vibration components and the resulting increased information gain from vibration measurement signals in addition to the diagnosis based on the sum of the sum values and amounts of "harmonic vibration components".
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In Realisierung der verfahrenstechnischen Seite der Aufgabe bestehen unter Würdigung des Standes der Technik, wonach bestimmte herausgefilterte Sohwingungskomponenten des Schwingung a spektrums elektronisch aufbereitet und mit einem Bezugssignal verglichen «erden, die Srfindungsmerkmale darin, daß die breit bandigen Summenpegel der herausgefilterten Frequenzbereiche, die Beträge der zur Drehfrequenz harmonischen Schwingungsanteile und die Phasenlagen von markanten Punkten der Zeitverläufe der harmonischen Schwingungsanteile zu einem Bezugssignal, dem eine bestimmte radiale Rotorstellung entspricht, die Veränderungen der Summenρegelwerte und die vektor iellen Veränderungen der komplexen harmonischen Schwingungsanteile, sowohl im Zeitintervall (Transienten) als auch gegenüber Bezugspegelwerten und komplexen harmonischen Bezugsanteilen gleicher Ordnung, die dem Heu- oder Normalzustand bei bestimmten Betriebsparametern entsprechen, ermittelt, zur Anzeige gebracht, mit Grenzwerten verglichen und Warnsignale bei Überschreitung von Grenzwerten abgeleitet werden. Zur Durchführung des Verfahrens besteht die schaltungsteohnische Lösung der Aufgabe im wesentlichen darin, daß eine oder in der Regel mehrere Schwingungsaufnehmer zum Erzeugen von elektrischen Signalen in Übereinstimmung mit den Maschinenschwingungen während ihrer Rotation vorhanden sind, wobei die elektrischen Signale entweder direkt einem steuerbaren Meßstell enumsoha It er oder über meßsignalverarbeitende Baugruppen eines bekannten breitbandigen Schwingungsübefwachungssystems zwei steuerbaren Meßstellenumschaltern zugeleitet werden, wobei die durchgeschalteten gleichgerichteten Summenpegel-Signale direkt und die Wechselspannungssignale über ein Tiefpaßfilter mit steuerbarer Grenzfrequenz zu einem Umschalter und von dort über einen steuerbaren Normierverstärker auf den Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers gelangen. Es ist weiterhin der Analog-Digital-Umsetzer über einen Umschalter entweder durch ein von einem Drehfrequenzaufnehmer abgeleitetes, in einem Impulsformer normiert as und von einem Frequenzumsetzer vervielfachtes sowie von einem bistabilen Speicher untersetztes, drehzahlabhängiges und phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppeltes Ecequenzsignal oder durch eine von einerIn realization of the procedural side of the task, while acknowledging the prior art that certain filtered-out vibration components of the vibration a spectrum are electronically processed and compared to a reference signal, the invention features that the broad banded sum levels of the frequency ranges filtered out, the amounts of the Rotational frequency harmonic vibration components and the phase positions of distinctive points of the time waveforms of the harmonic components to a reference signal corresponding to a certain radial rotor position, the changes in the cumulative values and the vector iellen changes of the complex harmonic components, both in the time interval (transients) and reference level values and complex harmonic reference parts of the same order, which correspond to the hay or normal state at certain operating parameters, determined, brought to display, with limits compared and warning signals are derived when exceeding limits. To carry out the method, the schaltsteohnische solution of the problem consists essentially in that one or usually several vibration sensor for generating electrical signals in accordance with the machine vibrations during their rotation are present, the electrical signals either directly to a controllable Meßstell enumsoha It er or via measuring signal processing modules of a known broadband vibration monitoring system, two controllable Meßstellenumschaltern be forwarded, with the through rectified sum level signals directly and the AC signals via a low pass filter with controllable cutoff frequency to a switch and from there via a controllable normalization amplifier to the input of an analog-to-digital converter reach. It is also the analog-to-digital converter via a switch either by a derived from a Drehfrequenzaufnehmer, normalized in a pulse shaper as and multiplied by a frequency converter and a bistable memory stocky, speed-dependent and phase locked coupled to the rotor rotation Ecequence signal or by one of a
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Zeitgeber-Zähler-BaugruOPe abgeleitete^ über ein Interface von einem Rechner ausgebbaren und programmiert veränderbare, zeitlich konstante Taktfrequenz "ansteuerbar. Darüber hinaus sind "spezielle' Steuerschaltungen vorgesehen, die zur Umschaltung der Meßstbllen- und anderen Umschalter sowie zur steuernden Beeinflussung des Tiefpaßfilters und des Normierverstärkers dienen. Die Steuerbausteine sind eingangsseitig, der Analog-Digital-Umsetzer und der Frequenzumsetzer ausgangsseitig über ein Interface mit dem Bussystem eines Rechners gekoppelt. An das Bussystem sind Speicher für die Aufnahme der Steuer- und Verarbeitungsprogramme der konstanten und variablen Parameter der Meß- und Diagnosewerte sowie Einrichtungen zur Ausgabe der Meß- und Diagnoseergebnisse in analoger und digitaler Form und eine Tastatur zur Kommunikation mit dem System, angeschlossen.In addition, "special" control circuits are provided, which are used for switching the Meßstbllen- and other switches and for controlling the influence of the low-pass filter and the Serve normalizing amplifier. The control modules are the input side, the analog-to-digital converter and the frequency converter output coupled via an interface to the bus system of a computer. The bus system is connected to memories for recording the control and processing programs of the constant and variable parameters of the measured and diagnosed values as well as devices for outputting the measurement and diagnostic results in analog and digital form and a keyboard for communication with the system.
Weitere Merkmale, die die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung betreffen, sind im entsprechenden Teil des Erfindungsanspruchs erwähnt und im nachfolgenden Ausführungsbeispiel erläutert.Further features relating to the configuration of the circuit arrangement are mentioned in the corresponding part of the invention claim and explained in the following embodiment.
Mit der Erfüllung dieser Zielstellung ist es nunmehr möglich, daßWith the fulfillment of this objective, it is now possible that
- eine exakte Ermittlung der Mascb.inendrehfreq.uenz,an exact determination of the mast rotation frequency,
- eine Ermittlung der komplexen harmonischen Schwingungsanteile (Beträge und relative Phasenlagen) mit Drehfrequenz und deren Vielfache bei beliebiger Drehzahl der Maschine,a determination of the complex harmonic components of vibration (amounts and relative phase angles) with rotational frequency and their multiples at any rotational speed of the machine,
- eine Ermittlung der vektoriellen Veränderungen der"einzelnen komplexen harmonischen Schwingungsanteile, sowohl im Zeitintervall (Transienten) als auch gegenüber komplexen harmonischen Bezugsanteilen gleicher Frequenz, die dem Neu- oder Normalzustand bei bestimmten Betriebsparametern entsprechen,a determination of the vectorial changes of the individual complex harmonic components, both in the time interval (transients) and in relation to complex harmonic reference components of the same frequency, which correspond to the new or normal state under certain operating parameters,
- eine Umrechnung der Beträge der komplexen harmonischen Wellen- und Lagerschwingungsanteile durch nummerische Integration oder Differentiation in eine beliebige gleiche Meßgröße sowie die Bildung der Verhältnisse Wellen- zu Lagerschwingungen und- a conversion of the amounts of the complex harmonic wave and bearing vibration components by numerical integration or differentiation into any same measured variable and the formation of the ratios shaft to bearing vibrations and
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- ein "Vergleich der aktuellen Werte mit Grenzwerten und eine Signalisat ion von Überschreitungen- a "comparison of the current values with limits and a signalization of excesses
durchgeführt werden kann.can be carried out.
Ausführungsbeispielembodiment
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform für die erfindungsgemäße Lösung dargestellt.With reference to the drawings, a preferred embodiment for the solution according to the invention is shown below.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1: die perspektivische Meßstellenanordnung an einem Turbosatz (obere Teil) in funkt lonelier Verbindung mit einem Blockschaltbild eines breitbandigen Schwingungs-Überwachungssystems (mittlerer Teil) und einem vereinfachten Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems (unterer Teil);1 shows the perspective measuring point arrangement on a turbine set (upper part) in connection with a block diagram of a broadband vibration monitoring system (middle part) and a simplified block diagram of the vibration monitoring system according to the invention (lower part);
Fig. 2: ein detailliertes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems;2 shows a detailed block diagram of the vibration monitoring system according to the invention;
Fig. 3: eine Grafik zur Darstellung der erfindungsgemäß zu überwachenden komplexen Schwingungsanteile.3 is a graph showing the complex vibration components to be monitored according to the invention.
Die Schwingungen einer zu überwachenden und zu diagnostizierenden rotierenden Maschine werden durch eine Mehrzahl von Schwingungsaufnehmern la erfaßt. Die Schwingungsaufnehmer 1a können auf den Lagergehäusen angebrachte piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer oder elektrodynamische Geschwindigkeit sauf nehmer und/oder berührungslose Wellensohwingungsaufnehraer, die nach kapazitiven, induktiven oder auf Wirbelstromverlust en basierenden Meßverfahren arbeiten, sein. Die elektrischen Ausgangssignale der Schwingungsaufnehmer 1a bzw. der den Schwingungsaufnehmer 1a zugehörigen Anpaßbausteine 1b gelangen an den Verstärker 2 des jedem Schwingungsaufnehmer 1a zugeordneten und völlig selbständigen breitbandigen Schwingungsüberwachungsgerät es· In Fig. 1 ist zur Vereinfachung nur ein Meßkanal dargestellt. Die Überwachungsgeräte realisieren in analoger Meßwertverarbeitung die internationalen Standards entsprechende breitbandige Echtzeitüberwachung einer bestimmten Meßgröße auf Grenzwertüberschreitung,The vibrations of a rotating machine to be monitored and diagnosed are detected by a plurality of vibration sensors 1a. The vibration sensor 1a can be mounted on the bearing housings piezoelectric accelerometer or electrodynamic speed sauf participants and / or non-contact Wellensohwingungsaufnehraer working on capacitive, inductive or based on eddy current loss en measuring method. The electrical output signals of the vibration sensors 1a or of the vibration sensor 1a associated with the matching components 1b reach the amplifier 2 of each vibration sensor 1a assigned and completely independent broadband vibration monitoring device. In FIG. 1, only one measuring channel is shown for the sake of simplicity. The monitoring devices realize in analogue measured value processing the international standards corresponding broadband real-time monitoring of a specific measurand to limit value overflow,
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Die Überwachungsgeräte besitzen einen nahezu vom Aufnehmertyp unabhängigen prinzipiellen Aufbau. Geringfügige Unterschiede sind durch mögliche elektrische Signalintegration bei Lagerschwingungsaufnehmern und Bandpaßfilterung des Meßsignales gegeben·The monitoring devices have an almost independent of the transducer type basic structure. Slight differences are possible due to possible electrical signal integration in bearing vibration transducers and band-pass filtering of the measuring signal.
Im einzelnen sind für ein Überwachungsgerät außer dem Schwingungsaufnehmer 1a folgende ^unktionselemente typisch:Specifically, for a monitoring device other than the vibration sensor 1a, the following elements are typical:
- Verstärker 2- Amplifier 2
- Integrator 3, um im Bedarfsfalle das gemessene Signal in das zu überwachende umzuwandeln- Integrator 3, if necessary, to convert the measured signal into the monitored
- ein oder mehrere Bandpaßfilter 4, um unwichtige Teile des Spektrums zu unterdrückenone or more bandpass filters 4 to suppress unimportant parts of the spectrum
- Gleichrichter 5 zur Quantifizierung des Wechselspannungssignales (es wird ein dem Spitze-Spitze-, Spitze- oder Effektivwert proportionales Gleichspannungssignal gebildet)Rectifier 5 for the quantification of the AC signal (a DC signal proportional to the peak, peak or rms value is formed)
- Zeigerinstrument 6 oder Ziffernanzeige zur Anzeige des zu überwachenden Parameters \ - Pointer instrument 6 or numeric display for displaying the parameter to be monitored \
- Signalauswertebausteine 7 (Schwellwertschalter) zur Klassifizierung des Betriebszustandes und für die Ableitung τοη Kontroll- und Warnsignalen- Signal evaluation modules 7 (threshold value switch) for the classification of the operating state and for the derivation τοη control and warning signals
- Bausteine 8 für die Realisierung τοη Warnsignalen und Schutzmaßnahmen- Blocks 8 for the realization τοη warning signals and protective measures
- Test oszillator 9 zur Kalibrierung der gesamten Meßeinriohtung. . '- Test oscillator 9 for calibration of the entire Messeinriohtung. , '
Nach dem erfindungsgemäßen System zur diagnosegerechten Weiterverarbeitung werden die von den Sohwingungsaufnehmern 1a gelieferten Meßsignale nach dem Gleichrichter 5 einem Meßstellenumschalter 10 zugeführt. Die Wechselspannungssignale nach dem Verstärker 2 oder nach dem Integrator 3 oder nach dem Bandpaßfilter 5 gelangen zu einem Meßstellenumschalter Gleichzeitig können über Anpaßschaltungen 70 am Meßstellenumschalter 10 analogs Signale für Meßgrößen verschiedener technologischer Parameter (z.B.. Wirkleistung und Erregerstrom von Generator, Lagertemperaturen, Absolut- und Relativdehnungen von Turbinen) anliegen, die für die Interpretation von Diagnoseparametern relevant sind.According to the system according to the invention for diagnosis-appropriate further processing, the measuring signals supplied by the Sohuvungsaufnehmer 1a are fed to the rectifier 5 a Meßstellenumschalter 10. The alternating voltage signals to the amplifier 2 or to the integrator 3 or after the bandpass filter 5 reach a Meßstellenumschalter At the same time analog signals for measured variables of various technological parameters (eg., Active power and excitation current generator, storage temperatures, absolute and relative strains of turbines) that are relevant for the interpretation of diagnostic parameters.
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Abhängig von der Stellung eines Umschalters 13 gelangt entweder das vom Meßstellenumschalter 10 durchgeschaltete Signal direkt oder das vom Meßstellenumschalter 11 durohgeschaltete Signal über ein steuerbares (vorzugsweise digitales) Tiefpaßfilter 12 zu einem Umschalter 13 und von dort über einen Normierverstärker 14 mit steuerbarer Verstärkung zur Meßsignalnormierung der unterschiedlichen Signalpegel zum Analog-Digital-Umsetzer 15, wo eine gesteuerte Digitalisierung des Analogsignales erfolgt. Mittels bekannter Steuerschaltungen-16; 17; 18, die über ein Interface 19 (ijusanpassung) an das Bussystem 50 eines Rechners 51, vorzugsweise Mirkrorechner, angeschlossen sind, werden die Umschaltung der Meßstellenumschalter 10; 11 auf bestimmte analoge Singangskanäle, die Umschaltung der Umschalter 13; 34, die Umschaltung der Verstärkung des Wormierverstärkers 14 und die Steuerung des Tiefpaßfilters 12 realisiert. In Zusammenarbeit mit dem "Rechner 51, Bussystem 50 und Interface 19 erfolgt die Übernahme der digitalisierten Meßwerte vom Analog-Digital-Umsetzer 15 über den Rechner 51 in einen Speicher 52. Außerdem erfolgt auch die Übernahme des an einem Frequenzumsetzer 32 eingestellten MuIt iplikat ionsfakt.ors durch den Rechner 51» Für die Ermittlung der exakten Maschinendrehzahl zur Steuerung des Tiefpaßfilters 12 und zur Meßgrößenumrechnung sowie als rotorfester Phasenbezug für die Steuerung des Analog-Digital-Umsetzers 15 zur phasenstarren Abtastung der Schwingungssignale werden vom Maschinenrotor drehfrequente Signale (1 Impuls pro Rotorumdrehung) mittels eines fotoelektrischen Referenzgebers 30 (Abtastung einer Hell- oder Dunkelmarke), Wirbelstrom- oder Induktivaufnehmers abgeleitet, die im Impulsformer 31 normiert und im Frequenzumsetzer 32 vervielfacht werden· Diese Inipulssignale werden in einem bistabilen Speicher 33 untersetzt und abhängig von der Stellung des Umschalters 34 zur phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppelten Abtastung der am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden analogen Wechselspannungssignale genutzt.Depending on the position of a changeover switch 13, either the switched from Meßstellenumschalter 10 signal passes directly or durohgeschalteten from Meßstellenumschalter 11 signal via a controllable (preferably digital) low-pass filter 12 to a switch 13 and from there via a normalization amplifier 14 with controllable gain for Meßsignalnormierung the different Signal level to the analog-to-digital converter 15, where there is a controlled digitization of the analog signal. By means of known control circuits-16; 17; 18, which are connected via an interface 19 (ijusanpassung) to the bus system 50 of a computer 51, preferably Mirkrorechner, are switching the Meßstellenumschalter 10; 11 to certain analog Singangskanäle, the switching of the switch 13; 34, the switching of the gain of the Wormierverstärkers 14 and the control of the low-pass filter 12 realized. In cooperation with the "computer 51, bus system 50 and interface 19 takes over the acquisition of the digitized measured values from the analog-to-digital converter 15 via the computer 51 in a memory 52. In addition, the acquisition of the set to a frequency converter 32 MuIt iplikationungsfakt. ors by the computer 51 »For the determination of the exact machine speed for controlling the low-pass filter 12 and the Meßgrößenumrechnung and as a rotor-fixed phase reference for the control of the analog-to-digital converter 15 for phase-locked sampling of the vibration signals are from the machine rotor rotational frequency signals (1 pulse per rotor revolution) derived by means of a photoelectric reference sensor 30 (scanning a light or dark mark), eddy current or Induktivaufnehmers normalized in the pulse shaper 31 and multiplied in the frequency converter 32 · These Inipulssignale be reduced in a bistable memory 33 and depending on the position of the switch 34 used for phase-locked with the rotor rotational movement scanning the voltage applied to the analog-to-digital converter 15 analog AC voltage signals.
Der Umschalter 34 ermöglicht außerdem auch eine Wandlung aller am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden Gleioh- und ?/echselspannungssignale mit einer rechnerseitig programmierbarenThe switch 34 also allows a conversion of all applied to the analog-to-digital converter 15 Gleioh- and? / Echselspannungssignale with a computer side programmable
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konstanten Taktfolge. Für ihre Erzeugung wird die Rechnertaktfrequenz § im Frequenzumformer 35 im Verhältnis 1 : i untersetzt und in den Zähler 36 eingezählt. Die Zähler 36; .38 können als Tor- oder Rückwärtszähler ausgebildet sein, was > auoh in der weiteren Erläuterung stets so angenommen wird. Im Zähler 36 wird ein Zählerstand Z eingeschrieben, der der gewünschten Taktzeitconstant timing. For their generation, the computer clock frequency § in the frequency converter 35 is reduced in the ratio 1: i and counted into the counter 36. The counters 36; .38 can be designed as a gate or backward counter, which is always assumed to be the same in the further explanation. In counter 36, a count Z is written, the desired cycle time
T = Z · l I T = Z · I l
für die Signalumsetzung im Analog-Digital-Umsetzer 15 entspricht. Beim STulldurchgang des Zählers 36 wird ein Impuls abgeleitet, der den Analog-Digital-Umsetzer 15 steuert. Dieser Vorgang wird kontinuierlich wiederholt.for the signal conversion in the analog-to-digital converter 15 corresponds. When STulldurchgang of the counter 36, a pulse is derived, which controls the analog-to-digital converter 15. This process is repeated continuously.
Die Drehzahl der Maschine wird mittels des Frequenzumsetzers 35, des Zählers 36, eines elektronischen Tors 37 und des Zählers 38 in "Verbindung mit dem Rechner 51, dem Bus sy st em 50 und einem Interface 39 auf folgende Weise ermittelt: Der Frequenzumsetzer 35 und der Zähler 36 erzeugen wie bereits erläutert eine gewünschte Taktzeit, die für die Steuerung des Tores 37 genutzt wird. Beim Nulldurchgang des Zählers 36 wird das elektronische Tor 37 geöffnet bzw. geschlossen. Bei der Schließung des elektronischen Tores 37 erniedrigen die im Frequenzumsetzer 32 -vervielfachten Impulse den im Zähler 38 Toreingestellten Zählwert solange, bis das elektronische Tor 37 wieder geöffnet wird. Aus der Differenz der Zählerstände A Z ergibt sich durch Berechnung mit dem Rechner 51 gemäßThe speed of the machine is determined by means of the frequency converter 35, the counter 36, an electronic gate 37 and the counter 38 in connection with the computer 51, the bus sy st em 50 and an interface 39 in the following manner: The frequency converter 35 and the As previously explained, counters 36 generate a desired cycle time which is used to control the gate 37. At the zero crossing of the counter 36, the electronic gate 37 is opened or closed.When the electronic gate 37 closes, the pulses multiplied in the frequency converter 32 decrease the counting value set in the counter 38 until the electronic gate 37 is opened again.The difference of the counter readings A Z is obtained by calculation with the computer 51 according to FIG
f = Λ Z bzw. η = Λ Ζ , 60 T ' ±Ζ/±Λ T . f = Λ Z or η = Λ Ζ , 60 T '± Ζ / ± Λ T.
die zu ermittelnde Drehfrequenz f bzw. Drehzahl n. In der praktischen Ausführung werden Frequenzumformer 35, Zähler 36; 38 und Interface 39 zweckmäßigerweise durch einen hochintergrierten Zeitgeber-Zähler-Schaltkreis 41 realisiert * Zur phasenstarr mit der Drehbewegung der Maschine gekoppelten Abfrage des Analog-Digital-Umsetzers 15 wird eine auf das Bussystem 50 geschaltete busangepaßte Interruptlogik 40 inthe rotational frequency f or rotational speed n to be determined. In the practical embodiment, frequency converters 35, counters 36; 38 and interface 39 expediently realized by a highly intergrated timer counter circuit 41 * For phase-locked with the rotational movement of the machine coupled query the analog-to-digital converter 15 is connected to the bus system 50 bus-matched interrupt logic 40 in
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einer solchen Verknüpfung verwendet, daß am Beginn einer jeden selektiven Signalverarbeitung ein vom Impulsformer 31 ausgelöstes Interrupt-Signal INT 1 den Programmstart für die erste (Definition eines rotorfesten Phasenbezuges) und ein vom bistabilen Speicher 33 ausgelöstes Interrupt-Signal IKT 2 die laufende Abfrage, Übernahme und Speicherung der am Analog-Digital-Umsetzer 15 anliegenden digitalisierten Analogwerte realisiert.used such a link that at the beginning of each selective signal processing triggered by the 31 Pulse generator interrupt signal INT 1, the program start for the first (definition of rotorfesten phase reference) and a bistable memory 33 triggered interrupt signal ICT 2 the current query, acquisition and storage of the applied to the analog-to-digital converter 15 digitized analog values implemented.
Zum Rechnersystem gehören Speicher 52 für Programme, Parameter, Meßwerte, Bezugswerte und Grenzwerte, weiterhin Anpaßschaltungen 53; 54; 55; 56; 57 für Ausgabegeräte und diese selbst wie schreibende Registriergeräte 62, Drucker 58, Display 59 und digitale oder alphanummerische Anzeigen 60 sowie für eine Bedientastatur 61. Alle diese Systemkomponenten sind auf das Bussystem 50 geschaltet.The computer system includes memories 52 for programs, parameters, measured values, reference values and limit values, as well as matching circuits 53; 54; 55; 56; 57 for output devices and these themselves as writing recorders 62, printer 58, display 59 and digital or alphanumeric displays 60 as well as for an operator keypad 61. All these system components are connected to the bus system 50.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwingungsüberwachungssystems läßt sich zusammenfassendwie folgt darstellen: Es wird ein Impulssignal mit der Frequnz f erzeugt, das exakt mit der Rotationsfrequenz einer zu überwachenden Maschine übereinstimmt. Dieses Impulssignal wird in dem Frequenzumsetzer 32 phasenstarr auf die Frequenz N · fn vervielfacht. Die an verschiedenen Stellen der Maschine vorhandenen Lager- und/oder Wellenschwingungsaufnehmer 1a erzeugen elektrische Signale, und zwar in Übereinstimmung mit den Schwingungen, die in der Maschine aufgrund ihrer Rotation erzeugt werden. Niederfrequente Anteile dieser Signale werden herausgefiltert und der weiteren Verarbeitung zugeführt.The operation of the vibration monitoring system according to the invention can be summarized as follows: A pulse signal is generated with the frequency f which coincides exactly with the rotational frequency of a machine to be monitored. This pulse signal is multiplied in phase in the frequency converter 32 to the frequency N · f n . The bearing and / or vibration transducers 1a provided at various points of the machine generate electrical signals in accordance with the vibrations generated in the machine due to their rotation. Low-frequency components of these signals are filtered out and sent for further processing.
Die in Übereinstimmung mit der Rotation in der Maschine gelieferten Impulssignale mit den Frequenzen f und N ·.f werden als Interrupt-Signale dazu verwendet, den Analog-Digital-Umsetzer 15 in Zusammenarbeit mit dem Rechner 51 so zu steuern, daß das Schwingungssignäl phasenstarr mit der Rotordrehbewegung gekoppelt, mit der Frequenz Ii · fn abgetastet und dabei gleichzeitig ein rotorfester Bezugspunkt (Nullpunkt) definiert wird.The supplied in accordance with the rotation in the machine pulse signals with the frequencies f and N · .f are used as interrupt signals to control the analog-to-digital converter 15 in cooperation with the computer 51 so that the Schwingungssignäl phase-locked with coupled to the rotor rotational movement, scanned with the frequency Ii · f n and at the same time a rotor-fixed reference point (zero point) is defined.
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Von den Interrupt-Signalen ausgelöst und von den Programmen des Rechners 51 gesteuert, werden bei jedem Meßzyklus über eine gewählte Anzahl der Rotorumdrehungen die digitalisierten Analogwerte abgefragt und gemittelt, so daß der gemittelte Zeitverlauf des Schwingungssignales im Speicher 52 in diskreter Form mit den Stützstellen £\« vorliegt. Da die Flanke des Impulses mit der Frequenz fn als Interrupt-Signal den Programmstart für die erste Abfrage des Analog-Digital-Umsetzers 15 am Beginn jedes Meßzyklus realisiert, ist automatisch dem ersten gemittelten diskreten Abtastwert der Phasenwinkel Null-Grad zugeordnet. Die gemittelten diskreten Abtastwerte werden mit diskreten Sinus- und Cosinusfunktionswerten multipliziert. Eine Periode der Winkelfunktionen entspricht dabei exakt einer Rotorumdrehung oder einem ga;nzzahligen Teilfachen einer Rotorumdrehung. Die anschließende Summation der Produkte und Division durch die halbe Anzahl der Abtastwerte ergibt die Komponenten %i und y^ des komplexen Schwingungsanteiles A* (s. Fig. 3) mit .Drehfrequenz oder deren HarmonischeTriggered by the interrupt signals and controlled by the programs of the computer 51, the digitized analog values are queried and averaged over each measuring cycle over a selected number of rotor revolutions, so that the averaged time course of the vibration signal in the memory 52 in discrete form with the supporting points £ \ «Is present. Since the edge of the pulse having the frequency f n as the interrupt signal realizes the program start for the first interrogation of the analog-to-digital converter 15 at the beginning of each measurement cycle, the phase angle zero-degree is automatically assigned to the first averaged discrete sample. The averaged discrete samples are multiplied by discrete sine and cosine function values. One period of the angular functions corresponds exactly to one rotor revolution or one ga ; Number of times a rotor revolution. The subsequent summation of the products and division by half the number of samples yields the components % i and y ^ of the complex oscillation component A * (see Fig. 3) with rotational frequency or its harmonics
- N- N
v s ~" )* g φ GOS C f · "f * 3. }vs ~ " ) * g φ GOS C f ·" f * 3.}
i -.--TT .J-T1 j T^i -.-- TT .JT 1 j T ^
TJ —-.TJ -.
y . -I- y I . sin ( £JL . j . ι)y. -I- y I. sin (£ JL j)
j = 1j = 1
Der Index i entspricht der Ordnung der Harmonischen, d. h. i = 1 bedeutet drehfrequenter Anteil; Έ bedeutet Frequenzvervielfachfaktor. Die Umrechnung der Komponenten χ^ und y^ in komplexe Schwingungszeiger A^ (Polarkoordinaten) erfolgt nach der BeziehungThe index i corresponds to the order of the harmonics, ie i = 1 means rotational frequency component; Έ means frequency multiplier factor . The conversion of the components χ ^ and y ^ into complex vibration vectors A ^ (polar coordinates) takes place according to the relation
und die Umrechnung auf den RichtungswinkelCf £ des Schwingungsanzeigers Aj1 nach der Beziehungand the conversion to the direction angle Cf £ of the vibration indicator Aj 1 according to the relationship
a = arctan -— a = arctane
Die entsprechenden Größen für die vektorielle Veränderung des komplexen Schwingungsanteiles gegenüber einem komplexen Bezugsanteil gleicher Ordnung (in Fig. 3 durch den Indexfolgeksnn-The corresponding magnitudes for the vectorial change of the complex vibration component compared to a complex reference component of the same order (in FIG. 3 by the index sequence).
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zeichnet) erhält man ausdraws) one gets out
oder in aussagefähiger Darstellungor in meaningful representation
m arctan f^4 m arctan f ^ 4
^i xio) ^ i x io)
Die exakte Drehzahlermittlung erfolgt mittels Zeitgeber- und Zählerbaust einen in Zusammenwirken mit einem Mikrorechner durch Zählen der Impulse mit der Frequenz N · f während einer bestimmten Zeitdauer« Aus der Differenz der- Zählerstän de «ird die Drehzahl berechnet.The exact speed determination is carried out by means of timer and Zählerbaust a in cooperation with a microcomputer by counting the pulses with the frequency N · f during a certain period of time "from the difference of the counter counter" the speed is calculated.
Durch die Kenntnis der Drehzahl können die harmonischen Schwingungsanteile in jede beliebige Meßgröße umgerechnet werden (fehlerfreie Integration und Differentiation), so daß Wellen- und Lagerschwingungen sowie deren Veränderungen in einer beliebig gewählten Meßgröße verglichen werden können.By knowing the speed of the harmonic vibration components can be converted into any measured variable (error-free integration and differentiation), so that shaft and bearing vibrations and their changes can be compared in any selected measure.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD22982481A DD158581A1 (en) | 1981-05-08 | 1981-05-08 | METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD22982481A DD158581A1 (en) | 1981-05-08 | 1981-05-08 | METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DD158581A1 true DD158581A1 (en) | 1983-01-19 |
Family
ID=5530822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DD22982481A DD158581A1 (en) | 1981-05-08 | 1981-05-08 | METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR VIBRATION MONITORING OF ROTATING MACHINES |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DD (1) | DD158581A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19954066C1 (en) * | 1999-10-19 | 2001-10-11 | Rotec Gmbh Pruefsysteme Fuer D | Harmonics analysis method for rotary vibration of machine component, has sampled values obtained over full period fed to digital low-pass filter with cascaded filter stages |
DE10218332B4 (en) * | 2002-04-10 | 2005-06-16 | rotec GmbH Prüfsysteme für den Maschinenbau | Method for analyzing vibrations of rotating or oscillating parts |
DE102008004061A1 (en) * | 2008-01-12 | 2009-07-16 | Robert Bosch Gmbh | Spindle drive has screw nut and spindle which stands in screwing contact with spindle axle and screw nut is supported in linearly moving manner |
-
1981
- 1981-05-08 DD DD22982481A patent/DD158581A1/en unknown
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