CZ306889B6 - Způsob zabezpečení strojů před vibracemi a zařízení pro provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob zabezpečení strojů před vibracemi, u něhož se snímají vibrace vybraných částí stroje, tyto vibrace se převádějí na elektrický signál, který se následně digitalizuje, spočívá v tom, že digitalizace se provádí vzorkovacím kmitočtem v rozsahu od 100 kHz do 10 MHz, načež se digitální vzorkovaný signál vyfiltruje a vyhodnotí a vyhodnoceným signálem se ovládá odpojování stroje při vibracích stroje vyšších, než jsou kritické vibrace. Zařízení pro provádění tohoto způsobu je opatřené snímačem (1) vibrací, jehož výstup je připojen ke vstupu zesilovače (2), jehož výstup je přes analogově číslicový převodník (4) a filtrační obvod na vstup obvodu (5) číslicového zpracování digitálního signálu, jehož řídicí výstup je připojen k ovládacímu vstupu spínače (6) stroje pro odpojení stroje při překročení kritické hodnoty vibrací stroje.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zabezpečení strojů před vibracemi, u něhož se snímají vibrace vybraných částí stroje, tyto vibrace se převádějí na elektrický signál a tento elektrický signál se digitalizuje. Současně se tento vynález týká zařízení pro provádění tohoto způsobu, opatřeného snímačem vibrací.

Dosavadní stav techniky

Při provozu elektrických strojů točivých je třeba průběžně sledovat jejich vibrace - vzhledem k tomu, že tam rotují velké hmotnosti, mohlo by mít překročení přípustné velikosti vibrací fatální následky.

Současnou přístrojovou techniku pro provozní monitoring a diagnostiku točivých strojů lze rozdělit do několika kategorií. První kategorie jsou osvědčené, ale v dnešní době již zastaralé přístroje založené na čistě analogové technice. Tyto přístroje mají velmi omezenou a úzce zaměřenou funkčnost, obvykle zajišťují pouze výstrahu nebo odstavení stroje při překročení dovolené meze vibrací. Signál ze snímače vibrací je zpracováván pomocí klasických diskrétních součástek, zejména operačních zesilovačů. Výsledkem takového zpracování je požadovaná veličina, nejčastěji efektivní hodnota rychlosti či zrychlení vibrací, případně špičková hodnota výchylky vibrací, ve formě stejnosměrného elektrického napětí. Toto napětí je porovnáváno pomocí analogového komparátoru s přednastavenou mezní hodnotou. V případě jejího překročení po dostatečně dlouhou dobu dojde k vybavení ochrany a odstavení monitorovaného stroje z provozu. Z popsaného charakteru uzpůsobení takových přístrojů plynou jejich zásadní nedostatky, kterými jsou především nekompaktnost, velká nákladnost výroby z důvodu vysokého počtu součástek, nutnost složitých kalibrací a především nízká úroveň funkční bezpečnosti.

Další generací přístrojů jsou přístroje kombinované s analogovým předzesilovačem měřeného signálu a jeho následným softwarovým zpracováním pomocí specializovaného procesoru či kontroléru. Zde je signál ze snímače vhodným způsobem upraven pomocí vstupních analogových zesilovačů a vhodně vyfiltrován. Takto upravený signál je dále přiveden do analogově-číslicového převodníku, který je v naprosté většině případů již součástí procesoru či kontroléru. Digitalizovaný signál je následně dále zpracováván, ovšem již výhradně v číslicové formě. Prováděny jsou zejména úkony filtrace, sumace či integrace. Výsledkem tohoto typu zpracování je výsledná požadovaná veličina, kterou je podobně jako u předchozích typů přístrojů nějaké vyjádření rychlosti, výchylky či zrychlení, avšak ve formě čísla, které lze snadno porovnat s přednastavenou mezí. Mezi negativní vlastnosti těchto přístrojů patří omezený frekvenční rozsah daný výpočetním výkonem a velké množství složitých výpočtů zpracování signálu. Tyto přístroje však již umožňují připojení do průmyslových komunikačních sítí a poskytují tak vyšší úroveň funkčnosti zejména z hlediska vzdáleného monitorování.

Z důvodu velké dynamiky vstupního signálu jsou kladeny vysoké nároky na celý měřicí řetězec. Je nutné zaznamenat signály v rozmezí řádově desítek μ V až do jednotek V. Šířka pásma bývá zpravidla do 20 kHz. Aby bylo možné dosáhnout solidního odstupu signál/šum a tím i solidní přesnosti jsou kladeny vysoké nároky na kombinaci antialiasingového filtru a vzorkovacího kmitočtu, který má své limity v případě použití zabudovaných A/D převodníků a běžných výpočetních metod u standardních signálových kontrolérů.

Mezi velmi sledované vlastnosti v dnešní době patří zejména funkční bezpečnost, kterou definují některé normy, např. ČSN EN 61508 či EN ISO 13849, formou jednotlivých stupňů. Požadovaný vyšší stupeň integrity bezpečnosti s sebou přináší vyšší nároky na jednotlivé komponenty a na

- 1 CZ 306889 B6 snižování jejich počtu. Vyvstává zde tedy potřeba přístrojů certifikovaných pro určitý stupeň integrity funkční bezpečnosti.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje způsob zabezpečení strojů před vibracemi, u něhož se snímají vibrace vybraných částí stroje, tyto vibrace se převádějí na elektrický signál, který se následně digitalizuje, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že 10 digitalizace se provádí vzorkovacím kmitočtem v rozsahu od 100 kHz do 10 MHz, načež se digitální vzorkovaný signál vyfiltruje a vyhodnotí a vyhodnoceným signálem se ovládá odpojování stroje při vibracích stroje vyšších, než jsou kritické vibrace.

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se vyhodnocený signál použije k diagnostice 15 předporuchových stavů stroje.

Uvedené nedostatky dosavadního stavu techniky do značné míry eliminuje i zařízení pro provádění tohoto způsobu, opatřené snímačem vibrací, kde podstata vynálezu spočívá v tom, že výstup snímače vibrací je připojen ke vstupu zesilovače, jehož výstup je přes analogově číslicový pře20 vodník a filtrační obvod na vstup obvodu číslicového zpracování digitálního signálu, jehož řídicí výstup je připojen k ovládacímu vstupu spínače stroje pro odpojení stroje při překročení kritické hodnoty vibrací stroje.

Ve výhodném provedení zařízení podle vynálezu je signální výstup obvodu číslicového zpraco25 vání digitálního signálu připojen ke vstupu diagnostického obvodu pro diagnostiku chodu stroje včetně diagnostiky předporuchových stavů stroje.

Zvláště výhodné pak je, jsou-li zesilovač, analogově číslicový převodník, filtrační obvod a obvod číslicového zpracování digitálního signálu uspořádány na jediném čipu.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále podrobněji popsán podle přiloženého výkresu, na němž je schematicky zná35 zorněno příkladné provedení zařízení pro zabezpečení strojů před vibracemi podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladný způsob zabezpečení strojů před vibracemi používá čidla vibrací snímajících vibrace vybraných částí stroje, zpravidla ložisek otočného uložení rotujících částí stroje. Tyto vibrace se převádějí na elektrický signál, který se následně převádí do číslicové formy. Šířka pásma bývá zpravidla do 20 kHz. Aby bylo možné dosáhnout solidního odstupu signál/šum a tím i solidní přesnosti, provádí se u příkladného provedení způsobu digitalizace vzorkovacím kmitočtem, 45 který je alespoň pětinásobkem šířky kmitočtového pásma, zpravidla v rozsahu od 100 kHz do 10 MHz. Tento kmitočet umožňuje přesnější vyhodnocení vibrací. Digitální vzorkovaný signál se pak vyfiltruje a vyhodnotí a vyhodnoceným signálem se ovládá odpojování stroje při vibracích stroje vyšších, než jsou kritické vibrace. Vyhodnocený signál se použije k diagnostice chodu stroje, zejména pro odhalování jeho předporuchových stavů.

Na obrázku je schematicky znázorněno příkladné provedení zařízení pro zabezpečení strojů před vibracemi. Toto zařízení je opatřeno snímačem 1 vibrací, jehož výstup je připojen ke vstupu bloku 8 zesilovačů a filtrů. Blok 8 zesilovačů a filtrů sestává v příkladném provedení ze sériového zapojení zesilovače 2 a filtru 3. Výstup bloku 8 zesilovačů a filtrů, který je v příkladném prove55 dění zároveň výstupem filtru 3, je připojen ke vstupu analogově číslicového převodníku 4.

-2CZ 306889 B6

Výstup analogově číslicového převodníku 4 je připojen ke vstupu obvodu 5 číslicového zpracování digitálního signálu. Řídicí výstup obvodu 5 číslicového zpracování digitálního signálu je připojen k ovládacímu vstupu spínače 6 stroje pro odpojení stroje při překročení kritické hodnoty vibrací stroje.

Signální výstup obvodu 5 číslicového zpracování digitálního signálu je v příkladném provedení připojen ke vstupu neznázoměného diagnostického obvodu pro diagnostiku chodu stroje včetně diagnostiky předporuchových stavů stroje.

Z důvodu velké dynamiky vstupního signálu jsou kladeny vysoké nároky na celý měřicí řetězec. Pro přesné měření vibrací je nutné zaznamenat signály v rozmezí řádově desítek μ V až do jednotek V. Aby bylo možné dosáhnout solidního odstupu signál/šum a tím i solidní přesnosti jsou kladeny vysoké nároky na kombinaci antialiasingového filtru a vzorkovacího kmitočtu, který má své limity v případě použití zabudovaných A/D převodníků a běžných výpočetních metod u standardních signálových kontrolérů.

Ve výhodném provedení lze integrovat výše popsané bloky do jednoho čipu 7 včetně kompletního číslicového zpracování. Díky paralelnímu zpracování je možné dosáhnout vysokých vzorkovacích kmitočtů a tím odstranit hlavní nevýhody přístrojů s číslicovým zpracováním signálu. Celkové zapojení přístroje s použitím takového zákaznického čipu 7 se podstatně zjednoduší, sníží se tak celkové náklady na výrobu a především výrazně stoupne spolehlivost a funkční bezpečnost. Do zákaznického čipu 7 lze integrovat i diagnostický obvod pro diagnostiku chodu stroje včetně diagnostiky předporuchových stavů stroje. Tento obvod však může být proveden i jako samostatný přístroj.

Průmyslová využitelnost

Způsob i zařízení podle vynálezu je možno použít zejména v provozu elektrických strojů točivých pro sledování bezpečnosti jejich chodu a pro jejich zastavení v případě, že zvýšené vibrace signalizují možnost blížící se poruchy nebo havárie.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zabezpečení strojů před vibracemi, u něhož se snímají vibrace vybraných částí stroje, tyto vibrace se převádějí na elektrický signál, který se následně digitalizuje, vyznačující se tím, že digitalizace se provádí vzorkovacím kmitočtem v rozsahu od 100 kHz do 10 MHz, načež se digitální vzorkovaný signál vyfiltruje a vyhodnotí, a vyhodnoceným signálem se ovládá odpojování stroje při vibracích stroje vyšších, než jsou kritické vibrace.
2. 2. Způsob zabezpečení strojů před vibracemi podle nároku 1, vyznačující se tím, že vyhodnocený signál se použije k diagnostice předporuchových stavů stroje.
3. 3. Zařízení pro provádění způsobu podle nároku 1 nebo 2, opatřené snímačem (1) vibrací, vyznačující se tím, že výstup snímače (1) vibrací je připojen ke vstupu bloku (8) zesilovačů a filtrů, jehož výstup je přes analogově číslicový převodník (4) připojen ke vstupu obvodu (5) číslicového zpracování digitálního signálu, jehož řídicí výstup je připojen k ovládacímu vstupu spínače (6) stroje pro odpojení stroje při překročení kritické hodnoty vibrací stroje.

   -3 CZ 306889 B6
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že signální výstup obvodu (5) číslicového zpracování digitálního signálu je připojen ke vstupu diagnostického obvodu pro diagnostiku chodu stroje včetně diagnostiky předporuchových stavů stroje.
5. 5 5. Zařízení podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že blok (8) zesilovačů a filtrů, analogově číslicový převodník (4) a obvod (5) číslicového zpracování digitálního signálu jsou uspořádány na jediném čipu (7).