СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СИГНАТУРЫ СИГНАЛА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СОБЫТИЙ В УСТАНОВКЕ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ДЕТАЛЯМИ
METHOD AND DEVICE FOR ANALYSING SIGNAL SIGNATURE FOR RECORDING EVENTS IN APPARATUS WITH ROTATING COMPONENTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к анализу сигнатуры сигнала для установки с вращающимися деталями.
Предшествующий уровень техники
Непрерывный (или, по меньшей мере, частый) мониторинг, регистрация и анализ вибрации машины могут быть полезны при обслуживании установки с вращающимися деталями, например устройств, установленных на производственной линии. Определенные вибрации в установке указывают на рабочее состояние машины и их можно использовать для мониторинга машины, например для определения, когда нужно проводить техобслуживание. Разработаны методы обработки вибрационного сигнала, позволяющие идентифицировать определенные вибрационные события и отличить другие вибрации оборудования в сложной сигнальной среде, обычной для машин с вращающимися деталями.
Традиционный подход к идентификации событий вибрационного сигнала предусматривает методы очистки от шума. Эти методы позволяют отфильтровывать спектральные вибрационные режимы, которые несут номинальную или вовсе не несут информацию, касающуюся интересующих вибрационных данных, например вибрационных данных о неправильной работе машины. Методы очистки от шума обычно позволяют идентифицировать сигнатуры вибрационных сигналов, которые представляют интерес и/или свидетельствуют о потенциальной неисправности или условиях эксплуатации машины. Сигнатуры вибрационных сигналов идентифицируют с использованием шаблонов сигнала, характерных для конкретной сигнатуры вибрационного сигнала, и отфильтровывают другие вибрации. Шаблоны сигнала обычно являются иллюстративными выборками интересующих вибрационных сигналов. Шаблоны сигнала используются для идентификации событий вибрационного сигнала, которые аналогичны вибрационному сигналу, заданному шаблоном.
Трудность с шаблонами сигнала состоит в том, что они относятся к одной машине или модели машины. Сигнатура(ы) сигнала для каждой машины с вращающимися деталями имеет(ют) тенденцию к проявлению некоторого(ых) различия(й) в отношении сигнатур сигнала других машин с вращающимися деталями. Для создания шаблонов фильтрации для очистки от шума шаблоны обычно уникальным образом конструируются для каждой машины. Разработка шаблонов может предусматривать обширный анализ вибраций для правильного деления вибрационных данных на режим переноса информации и шумовой режим. Поэтому давно существует необходимость в усовершенствованных методах анализа вибрационного сигнала, которые преодолевают значительные проблемы существующих методов фильтрации шума.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа анализа вибрационного сигнала, обеспечивающего фильтрацию шума.
Согласно изобретению предложен способ анализа вибрации, заключающийся в том, что получают вибрационный сигнал, выделяют событие вибрационного сигнала в полученном сигнале, определяют собственную частоту события вибрационного сигнала, используют затухающую синусоиду, соответствующую собственной частоте, чтобы охарактеризовать событие вибрационного сигнала, и используют характеристическую затухающую синусоиду для идентификации наступления события вибрационного сигнала в другом вибрационном сигнале.
Способ может включать в себя этапы, на которых выделяют собственную частоту события вибрационного сигнала с использованием сокращенного преобразования Фурье и определяют коэффициент затухания для характеристической затухающей синусоиды путем подгонки экспоненциальной функции к событию вибрационного сигнала. Подгонка экспоненциальной функции может дополнительно содержать этапы, на которых сравнивают экспоненциальные функции, имеющие различные коэффициенты спада, с огибающей сигнала события вибрационного сигнала и выбирают один из коэффициентов спада, имеющий наименьшую сумму квадратов разностей между значениями экспоненциальной функции при каждом из нескольких коэффициентов спада и соответствующими значениями огибающей сигнала. Кроме того, применение синусоиды может дополнительно включать в себя обнаружение сдвига по времени наступления события вибрационного сигнала и использование анализа волнового пакета, в котором характеристическая затухающая синусоида является материнским волновым пакетом.
Способ может моделировать вибрационное событие и заключается в том, что получают вибрационный сигнал, генерируемый машиной с вращающимися деталями, выделяют событие вибрационного сигнала в полученном сигнале, определяют собственную частоту события вибрационного сигнала с использованием сокращенного преобразования Фурье, используют затухающую синусоиду, соответствующую собственной частоте, чтобы охарактеризовать событие вибрационного сигнала, и используют характеристическую затухающую синусоиду для идентификации наступления события вибрационного сигнала в другом вибрационном сигнале.
Кроме того, была разработана система для мониторинга машины с вращающимися деталями, содержащая датчик вибрации, подключенный к машине и генерирующий вибрационный сигнал, указывающий вибрацию в машине, физический анализатор сигнала (PBSA), дополнительно содержащий блок регулировки и анализа сигнала и блок отображения и управления, в которой блок регулировки и анализа сигнала генерирует характеристическую затухающую синусоиду, применяемую к вибрационному сигналу, и идентифицирует вибрационные события в вибрационном сигнале, соответствующем синусоиде, и в которой блок отображения и управления генерирует изображение на дисплее, показывающее идентифицированные вибрационные события. Кроме того, можно использовать кодер вала, генерирующий вращательный сигнал, указывающий поворотное положение вращающегося вала в машине, и в котором PBSA коррелирует вращательный сигнал и идентифицированные вибрационные события и отображает корреляцию между вибрационными событиями и угловым положением вала на изображении на дисплее. Кроме того, блок управления для блока отображения и управления можно использовать для приема пользовательских вводов, идентифицирующих сигнатурное вибрационное событие, подлежащее моделированию характеристической затухающей синусоидой.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, которых:
фиг.1 изображает ряд графиков, на которых показаны синусоиды с различными коэффициентами затухания;
фиг.2 - блок-схему этапов подгонки сигнатуры вибрации к затухающей синусоиде;
фиг.3 - подробную блок-схему этапов подгонки экспоненциальной функции и подгонки затухающей синусоидальной функции для блок-схемы, показанной на фиг.2;
фиг.4 - диаграммы вибрационных данных и идентифицированных вибрационных событий, которые соответствуют сигнатурному событию согласно изобретению;
фиг.5 и 6 - диаграммы вибрационных данных и идентифицированных вибрационных событий, которые соответствуют сигнатурному событию согласно изобретению;
фиг.7 - систему анализа вибраций для мониторинга машины с вращающимися деталями согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Разработаны способ и система, позволяющие аналитически характеризовать интересующую сигнатуру вибрации, последовательно отслеживать вибрационные данные для интересующей сигнатуры и сообщать периоды появления интересующей сигнатуры. Анализ сигнала базируется на интересующих структурах сигнала, наличие которых ожидается при работе механических элементов, подлежащих мониторингу.
В одном примере способ и система аналитически характеризуют события, происходящие во время вращения машины, посредством сигнатуры вибрации, где каждое интересующее событие характеризуется сигнатурой вибрации, которая относится к интересующему событию, последовательно отслеживают вибрационные данные на предмет наличия этих сигнатур и/или изменений сигнатур и сообщают о наступлении соответствующих событий или изменении картины их наступления. Анализ сигнатуры сигнала может базироваться на интересующих структурах сигнала, наличие которых ожидается при работе механических элементов, подлежащих мониторингу.
Каждое интересующее событие характеризуется сигнатурой вибрации, которая моделируется как затухающая синусоида. Затем затухающая синусоида сравнивается с последовательно отслеживаемым вибрационным сигналом для идентификации наступления соответствующего события в этом сигнале. Когда участок вибрационного сигнала совпадает с затухающей синусоидой, делается вывод о том, что событие, соответствующее этой сигнатуре, произошло. Кроме того, совпадение с затухающей синусоидой можно использовать для определения времени наступления события при вращении устройства. Благодаря этой возможности отсутствие ожидаемого вибрационного события или его относительный сдвиг по времени по отношению к вращению устройства можно использовать для принятия решения о потенциальном отклонении во время работы устройства, а следовательно, о наличии потенциальной неисправности.
Механические вибрации в большой установке с вращающимися деталями можно надежно описывать как затухающие синусоиды. Механические вибрации обычно обусловлены импульсами, например ударами, сотрясениями и толчками в машине, которые происходят во время работы устройства. Под воздействием импульсов пластины, корпусы и другие элементы машин имеют тенденцию "звенеть", т.е. вибрировать в режиме быстрой периодической деформации. Это колебательное движение спадает, т.е. затухает.
Затухающая синусоида используется для моделирования формы импульса, порожденного вибрационным событием. Модель затухающей синусоиды можно применять для отслеживания импульсов, которые регулярно возникают при вращении устройства, а следовательно, для обнаружения любых изменений вибрационных характеристик устройства.
Затухающие синусоиды являются хорошими кандидатами для представления или аппроксимации многих физических вибраций, обусловленных кратковременным возбуждением. Общее семейство затухающих синусоид может образовывать ортогональный базис для представления сигнала, как указано Sohie и Maracas в статье "Orthogonality of Exponential Transients", Proceedings of the IEEE, т.76, №12, 1988, стр.1616-1618.
Синусоидальную функцию можно определить как любую функцию времени следующего вида:
x(t)=A·sin(ωt+Φ),
где все переменные являются действительными числами; А - максимальная амплитуда (неотрицательная); ω - угловая частота (1/с); ω=2πf (f в герцах); t - время (с); f - частота (Гц); Φ - начальная фаза (в радианах); ωt+Φ - мгновенная фаза (в радианах).
-kt
Затухающую синусоидальную функцию можно представить как синусоиду, умноженную на величину e, где k - коэффициент затухания, больший нуля. Чем больше значение ω, тем выше частота синусоиды. Чем больше значение k, тем выше степень затухания.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг.1 представлены четыре диаграммы затухающей синусоиды. Два верхних примера 10, 12 представляют собой синусоиды, имеющие угловую частоту, равную ω. Два нижних примера 14, 16 представляют собой синусоиды, имеющие угловую частоту, равную ω, где ωменьше ω. Синусоиды 10, 14 имеют коэффициент (k) затухания, равный k. В двух других примерах 12, 16 k=k, где k меньше k.
Для событий, происходящих в машинах с вращающимися деталями, соответствующие сигнатуры вибрации можно моделировать затухающими синусоидами. Затухающую синусоиду можно представить угловой частотой (ω) и коэффициентом затухания (ζ). В одном варианте осуществления параметры затухающей синусоиды, относящиеся к ω и ζ, определяют, выполняя этапы способа, представленные на фиг.2.
На фиг.2 показана последовательность этапов для идентификации (организации окна), фильтрации и моделирования конкретного вибрационного события как затухающей синусоиды. На этапе 18 вибрационный сигнал получают от датчика вибрации, производящего мониторинг машины с вращающимися деталями. Вибрационный сигнал может быть непрерывным сигналом, рядом периодических сигналов или сигналом(ами) в течение выбранного(ых) периода(ов). На этапе 20 интересующее событие вибрационного сигнала идентифицируется и выделяется, например, вырезанием сигнала по времени. Окно вырезания имеет длительность, соответствующую событию. Идентификация события может осуществляться вручную или автоматически, например программным модулем, который идентифицирует и выделяет конкретные сигналы в окнах.
На этапе 22 сигнал вибрационного события пропускают через высокочастотный фильтр, например, пропускающий частоты свыше 6-10 кГц, для удаления низкочастотного шума. На этапе 24 вычисляют огибающую сигнала. На этапе 26 экспоненциальную функцию используют для аппроксимации вычисленной огибающей. Экспоненциальная аппроксимация дает коэффициент (β) спада. Характеристическая затухающая синусоида для вибрационного сигнала является функцией, параметры которой получают, как показано на фиг.3. Коэффициент спада экспоненциальной аппроксимации можно использовать для вычисления коэффициента затухания характеристической затухающей синусоиды. На этапе 28 (фиг.2) вычисляется характеристическая затухающая синусоида для вибрационного сигнала. Это дает собственную циклическую частоту (ω) и коэффициент затухания (ζ) на этапе 30.
1
На фиг.3 более подробно показаны математические этапы для вывода экспоненциальной функции, которая моделирует затухание выделенного вибрационного сигнала, и для подгонки затухающей синусоидальной функции к сигналу. Функцию ARGMIN можно использовать для подгонки экспоненциальной аппроксимации к вибрационному сигналу путем итерационного определения разности между значением (f) огибающей вибрационных данных и значением экспоненциальной аппроксимации, имеющей конкретный коэффициент спада (β) и константу (α), и суммирования этих разностей для нескольких точек (n) одновременно. Наилучшая экспоненциальная аппроксимация определяется путем подбора коэффициента спада и константы, которые обеспечивают наименьшую сумму квадратов разностей значений между аппроксимацией и фактическим вибрационным сигналом.
На фиг.4 показан пример экспоненциальной аппроксимации 32, подогнанной к затухающему вибрационному сигналу 34. Экспоненциальная аппроксимация 32 аппроксимирует огибающую сигнала 34. Огибающая вибрационных данных определяется пиками сигнала вибрационных данных внутри огибающей. Коэффициент спада можно вывести из экспоненциальной аппроксимации, которая наилучшим образом совпадает с огибающей вибрационного сигнала. Этот коэффициент спада, в частности, используется для определения характеристической затухающей синусоидальной функции.
n
n
d
n
n
Характеристическая синусоидальная функция определяется путем нахождения затухающей синусоидальной функции, которая наилучшим образом коррелирует ("corr.", фиг.3) с выделенным сигналом вибрационного события. Операция ARGMAX итерационно коррелирует затухающие синусоидальные функции, имеющие различные собственные частоты (ω), с отфильтрованными вибрационными данными. Операция ARGMAX идентифицирует собственную частоту (ω), которая наилучшим образом совпадает с частотой полученного вибрационного сигнала. Другие параметры - это частота (ω) затухающего сигнала и коэффициент (ζ) затухания, которые можно определить из собственной частоты (ω). Параметры ω и ζ полностью задают характеристическую затухающую синусоидальную функцию, которая моделирует конкретное вибрационное событие.
n
Характеристическую затухающую синусоиду можно подгонять к вибрационному событию другими методами. Например, параметры (ω и ζ) характеристической затухающей синусоиды можно находить с использованием синхронного решения методом максимального правдоподобия. Для определения собственной частоты сигнала вибрационного события также можно использовать сокращенное преобразование Фурье. Например, с использованием сокращенного преобразования Фурье из события вибрационного сигнала можно извлекать только собственную частоту. Собственную частоту затухающей синусоиды можно преобразовать к частоте затухающего сигнала с заданным постоянным коэффициентом затухания, например 0,05. В другом примере для задания параметров затухающей синусоиды можно использовать комбинацию частоты и коэффициента затухания.
Характеристическую затухающую синусоиду можно использовать для идентификации наступления вибрационного события в других вибрационных сигналах и для определения времени наступления события по отношению к вращению устройства. Чтобы использовать характеристическую затухающую синусоиду для идентификации интересующего повторяющегося вибрационного события в ходе непрерывного мониторинга машины, интересующее вибрационное событие сначала идентифицируют и описывают (фиг.2 и 3). Характеристическая затухающая синусоида, соответствующая этому интересующему событию, используется для идентификации и локализации наступления интересующего(их) вибрационного(ых) события(й) в отслеживаемом сигнале.
Регистрация наступления вибрационного события, а также времени его наступления по отношению к вращению устройства полезна для прогностического и диагностического анализа машины с вращающимися деталями. Например, характеристическую затухающую синусоиду можно использовать для идентификации сдвига в сигнатуре вибрации повторяющегося вибрационного события или сдвига в хронировании повторяющегося вибрационного события. Такие сдвиги в хронировании события могут указывать на зарождающуюся неисправность в машине с вращающимися деталями. Кроме того, точное хронирование вибрационного события в машине с вращающимися деталями можно согласовывать с поворотным положением машины для идентификации, в каком месте цикла вращения машины происходит событие.
Характеристическую затухающую синусоиду, относящуюся к вибрационному событию, можно использовать для локализации события(й) разными способами. В одном варианте осуществления характеристическую затухающую синусоиду можно реализовать в ядре, наподобие ядра, описанного в патентной заявке США №10/906052 от 1 февраля 2005 г.
В другом варианте осуществления характеристическую затухающую синусоиду можно использовать в качестве материнского волнового пакета в стандартном анализе волнового пакета, где коэффициенты непрерывного преобразования волны (CWT) вычисляют и просматривают в масштабе, соответствующем центральной частоте, например 14,2 кГц, характеристической затухающей синусоиды для вибрационного сигнала, соответствующего интересующему событию. Ожидается, что коэффициенты CWT будут преобладать вблизи времени наступления интересующего события. В одном варианте осуществления значение по оси х, где оказывается максимальным коэффициент CWT, идентифицируется как время наступления события. Анализ волнового пакета является общеизвестным методом обработки сигнала.
Например, анализ волнового пакета производится с использованием характеристической затухающей синусоиды, которая является волновым пакетом db9. Оба режима обработки сигнала основаны на данных из следующего цикла машины с вращающимися деталями для определения, будет ли распознано и локализовано вибрационное событие с использованием соответствующих коэффициентов CWT.
Результаты, представленные на фиг.5, соответственно, получены из анализа, основанного на использовании db9 и характеристической затухающей синусоиды в качестве материнского волнового пакета. Они были протестированы на сигнале, отличном от сигнала, используемого для выделения параметров характеристической синусоиды. Время наступления интересующего события, регистрируемого в эксперименте, уже было определено другими средствами, например путем "наземного контроля данных", как значение, отложенное по оси х, равное 455, что показано сплошной линией 36 на диаграммах 38, показывающих коэффициенты для каждого анализа.
Две диаграммы 38 данных (фиг.5) построены в одном и том же масштабе времени (горизонтальная ось) и амплитуды (вертикальная ось). Затухающая синусоида распознает (см. сплошную линию 36) и определяет время повторного наступления события, на котором она была настроена более точно, и обеспечивает достаточную дифференциацию в распознавании и эффективность определения положения в отношении обработки db9.
На фиг.6 показан другой вариант осуществления, проводимый для отдельного интересующего вибрационного события, про которое известно (в порядке наземного контроля данных), что оно происходит в точке на оси х, равной 599. Опять же, конкретно для интересующего события, параметры модели характеристической затухающей синусоиды основаны на вибрационных сигналах, отличных от показанных на фиг.6. Эффективность смоделированного материнского волнового пакета в данном случае больше по сравнению с волновым пакетом 'db9' (фиг.5), поскольку момент 40 обнаружения (основанный на максимальном значении коэффициента) больше для волнового пакета затухающей синусоиды (во время = 597,05). Волновой пакет 'db9' выглядит сильнее коррелирующим с событием, отличным от текущего интересующего события (во время 452,04), тем самым пропуская регистрацию интересующего события.
Способ использования характеристической затухающей синусоиды можно внедрить в систему мониторинга и диагностики сигнала. На фиг.7 показаны элементы такой системы, содержащей схему вращающегося устройства и оборудования для мониторинга вибрации. Оборудование 50, подлежащее мониторингу, это, например, машина с вращающимися деталями с присоединенным датчиком 52 вибрации. К системной станции 56 физического анализатора сигнала (PBSA) также может быть присоединен и подключен кодер 54 вала. Кодер вала обеспечивает угловое положение вала 58, что позволяет коррелировать угловое положение вала с сигналом от датчика вибрации.
Системная станция PBSA может представлять собой модуль, используемый оператором для непрерывного мониторинга вибрационных событий. Системная станция содержит электронно-компьютерную систему 60 для съема, регулировки и анализа вибрационных сигналов, например, путем съема сигналов, выделения вибрационных событий, определения параметров характеристических затухающих синусоид и согласования параметров с вибрационным сигналом. Система PBSA также содержит устройство 62 отображения, записи, вывода и управления. На мониторе отображаются результаты анализа волнового пакета для затухающей синусоиды. Устройство 62 PBSA может иметь сигналы превышения и возможности ведения журнала и статистики.
В PBSA блок регулирования и анализа сигнала может генерировать характеристическую затухающую синусоиду для вибрационного сигнала, соответствующего интересующему событию. Эту синусоиду можно затем использовать для идентификации повторения интересующего события в вибрационном сигнале. Блок отображения и управления генерирует на дисплее изображение, показывающее идентифицированные вибрационные события. Кодер вала также может генерировать вращательный сигнал, указывающий поворотное положение вращающегося вала в машине. PBSA коррелирует вращательный сигнал и идентифицированные вибрационные события и отображает корреляцию между вибрационными событиями и угловым положением вала в изображении на дисплее. Кроме того, блок управления для блока отображения и управления PBSA может принимать пользовательские вводы, идентифицирующие сигнатурное вибрационное событие, моделируемое характеристической затухающей синусоидой.
Хотя изобретение было описано для наиболее практичного и предпочтительного в настоящее время варианта осуществления, следует понимать, что изобретение не должно ограничиваться раскрытым вариантом осуществления, но охватывает различные модификации и эквивалентные конфигурации, отвечающие сущности и объему прилагаемой формулы изобретения.
Перечень деталей
10 Затухающая синусоида
12 Затухающая синусоида
14 Затухающая синусоида
16 Затухающая синусоида
18 Получение вибрационного сигнала
20 Выделение вибрационного сигнала
22 Высокочастотный фильтр
24 Идентификация огибающей
26 Подгонка экспоненциальной функции
28 Затухающая синусоидальная функция
30 Оценка частоты и коэффициента спада функции
32 Спадающая экспоненциальная кривая
34 Затухающий вибрационный сигнал
36 Линия идентификации события
38 Графики вибрационных сигналов
40 Идентификация события
50 Оборудование, подлежащее мониторингу
52 Датчик вибрации
54 Кодер вала
56 Системная станция физического анализатора сигнала (PBSA)
58 Вал
60 Электронно-компьютерная система
62 Устройство отображения, записи, вывода и управления