智能监控面向智能机器时代
老式的机械保护系统，甚至是目前市场上的变送器(参考文献1)和简单的振动开关，都只能产生“直接”(宽带)振动测量。由于直接值包含所有测量振动源的贡献，因此它是一种可以全面表示机器整体健康状况的测量值。然而，仅仅依靠这种测量方法是有缺点的。
一个问题是，由于直接测量通常用于警告操作员或跳闸机器，直接报警阈值设置相对较高，以适应所有情况，并防止误报警和跳闸。因此，除了最坏的操作条件外，这些警报和跳闸忽略了显著的振动变化。
另一个限制是，直接振动本身仅提供了存在(或曾经存在)问题的指示，但提供了很少或没有有用的信息来帮助您回答下一个逻辑问题，即导致问题的原因，以及应该采取哪些操作或维护行动来减轻或纠正问题。
本文介绍了一个有效的机械保护/状态监测系统如何解决这些问题，以及3500/46M水力监测仪如何满足水轮机发电机组的独特需求。
今天的基于微处理器的机械监测系统可以执行信号处理功能，曾经需要笨重的便携式分析仪。这使得监控器能够揭示宽带振动的几个组成部分和特征，可以作为有用的诊断“线索”。一个很好的类比是音乐和弦。未经训练的耳朵只能分辨出整个声音是不和谐的，但不能分辨出哪个音符是走调的。然而，如果组成和弦的每个音符都单独演奏，即使是未经训练的耳朵通常也能分辨出是哪个音符引起了不和谐音。类似地，暴露构成宽带振动的单个值可以帮助分类机器问题的类型。
解锁这些单独值的关键是结合Keyphasor*监控器所做的每回合一次相位参考测量。之前的Orbit文章已经定义和描述了相位角和关键相量测量的概念(参考文献2和3)，下面是关键相量测量提供的功能和好处的总结。
- 关键相位传感器是必要的机器平衡;任何进行平衡的人都需要Keyphasor通道提供的每回合一次的引用。
- 关键相量信号能够计算“同步”数据-通过使振动波形采样率与机器的运行速度同步而获得的数据。这保留了相位角测量的准确性和振动组件的振幅，跟踪机器的速度。
- 关键相量信号允许监测系统仅过滤(隔离)与运行速度频率相同或运行速度倍数(1X, 2X等)的振动-即使在机器速度变化期间。
- 关键相量测量提供了与每个传感器测量的滤波振幅相关联的相位角值。相位可以像振幅一样有用，可以检测机器行为的变化。事实上，即使振动振幅不增加(甚至减少)，相位角也可能发生变化。
- 便携式分析仪和数据采集设备需要Keyphasor信号来生成明确识别机械问题所需的值和图形图。
滤波后的振幅和相位角值(例如矢量值)对机械监测和预测性维护的价值已得到广泛认可。这一概念在一项著名的水轮机振动监测国际标准(参考文献4)中得到了认可。主要观点总结如下:
- 宽带振动振幅(没有频率或相位信息)通常足以用于运行监测和验收测试。
- 然而，振动矢量信息对于机械诊断和长期状态监测尤其有用。
- 机器动态状态的一些变化不能仅通过宽带测量来检测和识别。
3500监测系统中有一个Keyphasor信号，3500/ 46m(和其他3500振动监测器)除了整体振动外，还提供了许多有用的变量(图1)。导向轴承(轴相对)振动，外壳绝对(加速度，速度)振动，以及发电机气隙通道类型将根据其预期应用有不同的变量。所有变量的值都可以在本地显示器上实时查看和比较，并通过Modbus发送到SCADA或控制系统进行趋势分析。
这些值的变化可以为机器问题的原因或特征提供线索。
一般来说，1X振幅和相位的变化与不平衡和不对中有关。相位角对于检测横向作用在轴或转轮上的惯性力、液压力或磁力的位移是有用的，例如从转轮一侧的材料损失，转轮的一个斗堵塞，通过针阀的正常流量偏离，以及其他问题。
非1X振动的变化通常是摩擦、轴承或转轮中流体诱导力或粗糙负载区和涡流的症状。NX振幅中的“N”值可以设置为“2”，表示转子裂纹和其他刚度变化，或者设置为转轮斗的数量，以检测与小闸门或喷嘴相关的液压不平衡。
3500/46M还为径向振动测量提供了平均接近探针间隙测量。这可用于监测导向轴承内的轴颈位置，该位置可能由于不对中和预紧而变化。间隙警报可以设置，以指示何时达到或超过正常轴承间隙(对应于潜在或实际轴承磨损)。此外，这种间隙测量，结合流道斗数的NX测量，被用于3500/46M水力监测仪，计算出一个“复合”值，可以间接检测出闸门定位连杆中的剪切销故障。
现在我们有了几个值，可以更全面地了解机器状况，另一个挑战是设置适合不同机器运行状况的警报级别。用另一个音乐类比，大多数作品都包含响亮和柔和的部分，柔和的段落通常会让观众安静下来，更仔细地倾听微妙的旋律。类似地，一个好的监控系统应该调整它的警报，当不同的条件改变了“可接受”的振动水平时，或多或少地“监听”正常运行的长时间或启动序列和其他操作过渡期间的短时间。
处理瞬态条件的一种相对简单的方法是使用3500/ 46m和其他3500振动监控器中的行程倍增功能。Trip Multiply通过配置软件中每个通道设置的因子临时提高警报级别(见图1)。注意，非1X警报可以从该通道的Trip Multiply活动中排除，如果在过渡条件下关注的是1X以外的振动远足，这可能是可取的。Trip Multiply条件用于3500机架中使用3500/22 TDI机架接口I/O模块上的一对触点的所有监视器，或用于通过3500/92通信网关使用Modbus数字输入的监视器组。
抽水蓄能单元有两个旋转方向，水力条件有很大不同。具有可调叶片角度的卡普兰机组可以有明显不同程度的“正常”振动，任何水轮机通常都至少有一个与某些不可避免的扬程、速度和负载条件相关的高振动区。为了适应这些情况，3500/46M具有“多模式”功能，允许您建立多达八(8)种不同的机器模式，每种模式都有自己独特的报警参数集。
用户定义的模式在3500组态软件中启用和命名(图2)。典型模式将适应诸如正转、反转、加载、卸载、高水头、低水头等操作条件。
模式定义之后，您可以选择每种模式，并为每个通道的变量设置相应的告警参数。您可以启用或禁用设定值，定义设定值级别，并根据需要调整警报时间延迟(图3)。
监视器的多模式通道必须被“告知”机器所处的操作模式，这样它们才能对每种模式使用正确的报警设置。来自控制系统或其他来源的模式更改命令可以通过3500/46M多模I/O模块上的接线端子输入，或通过3500/92通信网关模块的Modbus写命令功能进行数字输入。
在融合了音乐播放器、相机、便携式数字助手和移动GPS设备的智能手机时代，使用“愚蠢的”监控系统来进行智能机械保护和状态监测决策已经不再有意义。微处理器技术使人们能够将强大的信号处理能力——以前只有笨重的便携式分析仪才能实现——嵌入在线机械监测系统的每个通道中，同时提高这些系统的有效性，以提供可靠的机械保护。
这使得监控器能够在本地和远程实时生成稳定的诊断质量数据流，并作为预测维护计划的一部分，用于工厂历史学家的趋势分析。3500/46M水力监控器的功能可以扩展您的监控系统，从一个简单的告诉您何时关闭机器的设备，到一个强大的预测维护工具，帮助您保持水轮机发电机组平稳运转。
在Hydro Corner未来的文章中，我们将介绍3500/46M监视器的多模式功能如何与System 1*分析软件的基于状态的分析功能携手工作，以增强和简化机器不同运行状态下的趋势和诊断。
- 轨道Vol.18 No.1, 1997。Sabin, Steve，“使用振动‘发射器’保护和管理机械的局限性。”
- 轨道Vol.20 No.2, 1999。Forland, Clair，“为什么相位信息对诊断机械问题很重要。”
- 《轨道》Vol.32 No.4, 2012。关键相量触发器的设计与加工
- Iso 10816- 5,2000。国际标准化组织“机械振动。通过对非旋转部件的测量来评估机器振动。第5部分:水力发电和泵站机组”，第5.7段。