Introducción a Mediciones de Vibración para Monitoreo de

Transcripción

1 Introducción a Mediciones de Vibración para Monitoreo de Condición de Maquinaria

2 Fuentes de Vibración 2

3 Vibrations Machine condition Conditions start to change Noise Heat Smoke Emergency stop 10 min Time 3 month 2 weeks 2 days 3

4 Agenda Sensores de Sonido y Vibración Acondicionamiento de Señales y A/Ds Análisis y Procesamiento de Señales Sistemas: Arquitecturas y Casos de Estudio 4

5 Componentes de un Sistema de Medición de Vibración Sensores Señales de Entrada Adquisición de Datos Análisis V Señales de Salida V Acondicionamiento de Señales A/D 5

6 Componentes de un Sistema de Medición de Vibración Sensores Señales de Entrada Adquisición de Datos Análisis V Señales de Salida V Acondicionamiento de Señales A/D 6

7 Transductores Utilizando para Monitoreo de Condición de Máquinas Sensor Fenómeno Físico Acelerómetro Aceleración Micrófono Presión de Sonido Punta de Proximidad Desplazamiento Tacómetro Velocidad Rotacional 7

8 Acelerómetros Miden Aceleración Velocidad y desplazamiento (al integrar en el tiempo) El resultado se expresa en go m/s 2 1 g = aceleración a la superficie terrestre 1 g = 9.81 m/s 2 Configuraciones de un eje o triaxiales Calibración con un shaker de vibración 8

9 Acelerómetros Tipo IEPE Ventajas Simple y fácil de usar Microelectrónica integrada Acondicionamiento de corriente simple y constante (18-30 VDC ; 2 ma) Limitaciones Rango de temperatura: max 250 F (algunos hasta 325 F) Sensibilidad fija Conectividad Directa 9

10 Acelerómetros de Carga Ventajas Temperatura hasta 1000 F Sensibilidad variable Limitaciones Requiere acondicionamiento externo Requiere cables inmunes al ruido Sensible al ruido ambiental Acondicionamiento Externo Cortesía de PCB, 10

11 Demo: Medición desde un Acelerómetro 11

12 Transductores: Puntas de Proximidad Miden: Distancia o desplazamiento Salida:Una señal de AC proporcional a la distancia desde la punta a la superficie metálica Excitación:Fuente de potencia de -15 a -24 V La señal de AC se transmite en un desfase de DC this DC offset 12

13 Transductores: Tacómetros Utiliza una rueda dentada (N pulsos/rev) O una marca en el eje (1 pulso/rev) Mide Posición angular Velocidad angular (rpm) Usado para Análisis de orden Seguimiento de orden Promediado angular Tipo de sensores Lento rpm Puntas de proximidad, Sensor magnético, diodo láser / óptico tiempo Rápido 13

14 Temperatura y Procesos RTDs Termopares Sensores infrarrojos (sin contacto) Variables de procesos de 4-20 ma Salidas de voltaje desde sensores de procesos Presión dinámica 14

15 Componentes de un Sistema de Medición de Vibración Sensores Señales de Entrada Adquisición de Datos Análisis V Señales de Salida V Acondicionamiento de Señales A/D 15

16 Porqué Utilizar Acondicionamiento de Señales? Acondicionamiento de Señales Señal ruidosa y de bajo nivel Señal amplificada y filtrada Mejora la calidad de medición de las señales Energiza o excita sensores Lee información del sensor TEDS 16

17 Acondicionamientode Señalesde Acelerómetros Energizando Sensores Piezoeléctricos 27 VDC 24 VDC 21 VDC 0 VDC Señal de AC (Aceleración) Desfase de DC por IEPE IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric): Potencia para el amplificador interno de 2-20 ma constante; V DC 17

18 Efectos de la Resolución del ADC ADCs de alta resolución permiten detectar al mismo tiempo los componentes fuertes y débiles de una señal Medición de bits 90 db Detect Low-Level Signals 140 db 18

19 Aliasing Teoream de muestreo de Shannon La máxima frecuencia (Frecuencia de Nyquist: f N ) que puede ser analizada está dada por f N = f s /2 f s : frecuencia de muestreo Muestreo inadecuado Muestreo adecuado 19

20 Filtros Antialiasingen los A/Ds Eliminan los componentes de frecuencia mayores a la frecuencia de Nyquist Trabajan antes de digitalizar la señal Mezcla de filtros analógicos y digitales Características de un buen filtro: Respuesta plana a la frecuencia dentro de la banda Buen rechazo a alta frecuencias Rápido corte en la banda de transición -140 Filter Response(dB) 0 DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel 20 Bessel, Fc=15 khz Analog Bessel Filter attenuates signals in band of interest Signal Bandwidth Bessel, Fc=22.5 khz Bessel, Fc=30kHz DSA Digital Filter F Nyquist NI 4472 at ks/sec F Nyquist 150 ks/sec Frequency (Hz) 20

21 Componentes de un Sistema de Medición de Vibración Sensores Señales de Entrada Adquisición de Datos Análisis V Señales de Salida V Acondicionamiento de Selañes A/D 21

22 Análisis de Frecuencia La Transformada Rápida de Fourier (FFT) convierte señales en el dominio del tiempo al dominio de la frecuencia FFT Señal en el Dominio del Tiempo Espectro 22

23 Espectro Típico Mostrando Fallas Básicas Velocity (ips) unbalance misalignment bearing frequencies gear mesh frequencies Frequency (Hz) Courtesy of 23

24 Uso del Análisis de Orden en Maquinaria Hz 3,300 RPM = 55 RPS 55 24

25 Espectro de Potencia Velocidad Rotacional: 60 Hz (3600 RPM) Los componentes de la Velocidad Rotacional: 50 Hz (3000 RPM) frecuencia se mueven con el cambio en velocidad 25

26 Entendiendo el Análisis de Orden Dominio del Tiempo Remuestreo sec FFT Hz Dominio de la Frecuencia Dominio Angular deg FFT Dominio del Orden orden 26

27 Remuestreo para Máquinas con Velocidad Cambiante Los datos se convierten al dominio angular del dominio del tiempo utilizando una señal de tacómetro (velocidad) Aumento en la velocidad de la máquina 27

28 Espectro de Orden Velocidad Rotacional: 60 Hz (3600 RPM) Los Velocidad Rotacional: 50 Hz (3000 RPM) componentes del orden se mantienen fijos con los cambios en la velocidad 28

29 Demo Análisis de Orden 29

30 Planos de Medición de Flecha Gráficas incluyen: Plano de órbita Plano en el tiempo Plano del centro de la flecha Medidas por dos puntas de proximidad acopladas en DC ortogonales Requieren de cables con atenuación de 10dB para las tarjetas 447x rtical Clearance Ver CCW Rotation 30

31 Juntando Todo Sensors Input Signals Data Acquisition Analysis V Output Signals V Signal Conditioning A/D Arquitecturas Casos de Estudio 31

32 Rodamientos son muy Comunes Monitoreo de vibración y prueba de rodamientos Reduce costos de mantenimiento Evita paros de máquinas no-planeados Aumenta la disponibilidad de la planta Equipo de minería Equipo de enrolado de papel y acero Bombas y compresores en química Ferrocarril y automotriz Generación de energía, p.j. eólica 32

33 Motivación detrás del Monitoreo de Condición Rodamientos con problemas Rodamientos con problemas no detectados a tiempo 33

34 Acondicionamiento de Señales - Acelerómetros Acel Y Acelerómetro Acelerómetro Montaje de Rodamiento Acel X Rodamiento 34

35 Arquitecturas Compactas/Portátiles Pequeño y compacto 25 x 9 x 6 cm < 1 kg Fácil de instalar/configurar USB plug-and-play Soporte IEPE para micrófonos y acelerómetros Opciones de energía Energizado por USB o para uso en vehículo Mediciones completas A/Ds simultáneos de 24 bits Rango dinámico de 102 db Tasa de muestreo 50 ks/s/ca Filtros anti-aliasing 35

36 Analizador de Vibración en Eaton Reto:Bajo costo, fácil de usar, análisis de datos automático Herramientas:USB DAQ, LabVIEW, S&V, OAT Resultados: Implementación exitosa en ambiente flexible que permite analizar las vibraciones en la tracción de camionetas. 36

37 Solución de vibdaq 20 Lbs. Instrumentos virtuales Solución basada en PC Run-Up Cascade Plot Waterfall Plot Polar Plot Orbit Plot Tabular List 37

38 Arquitecturas de Monitoreo/Control Procesamiento de datos embebido Procesador PowerPC a 400 MHz Memoria interna de 2 GB (soporte para HDD USB externo) Publicación de datos sencilla Conectividad Ethernet estándar Navegador Web integrado Para ambientes severos Certificación: Class I, Div 2; ATEX Rango de temperatura -40 a 70 C Clasificación de choque 50 g Mediciones completas A/Ds simultáneos de 24 bits Rango dinámico de 102 db Razón de muestreo de 50 ks/s/ca Filtros anti-aliasing 38

39 Sistema Reconfigurable Embebido NI CompactRIO Procesador de Tiempo Real FPGA RIO (Reconfigurable) I/O I/O I/O I/O Real-Time Controller I/O I/O I/O I/O Módulos de E/S Alimentación de DC con entradas redundantes 50 G choque Temperatura de -40 a 70 C Connectivity Signal Conditioning ADC 39

40 Monitoreo de Rodamientos Algoritmo de análisis personalizado en FPGA Sistema de tiempo real para administración del análisis y la comunicación Administración central para control y manejo de activos 40

41 Instituto de Investigaciones Eléctricas SICAD parapemex y CFE Reto: Sistemade monitoreoy diagnósticoparaplataformasde petróleo y generación de energía Flexible, rentable, avanzado Monitoreo de vibración y proceso Herramientas: PXI, DSA, contadores LabVIEW, S&V, OAT, RT Resultados 12 sistemas implementados Pemex solicitó más Adaptado para solución portátil 41

42 Preguntas 42

43 Field Programmable Gate Array (FPGA) PROGRAMMABLE INTERCONNECT I/O BLOCK Source: Xilinx CONFIGURABLE LOGIC BLOCK (CLB) Field Programmable Gate Array (FPGA) devices feature a reconfigurable digital circuit architecture with a matrix of Configurable Logic Blocks (CLBs) surrounded by a periphery of I/O Blocks. Signals can be routed within the FPGA matrix in any arbitrary manner by Programmable Interconnect switches and wire routes. 43

44 Field Programmable Gate Array (FPGA) 44

45 Graphically Creating Parallel Engines 45 45

46 LabVIEWProgramming & CompactRIO User Interface Real-Time Processor Reconfigurable FPGA LabVIEW LabVIEW Real-Time LabVIEW FPGA 46

47 CompactRIO Block Diagram Ethernet Ethernet Real-Time Controller Reconfigurable RIO Chassis LabVIEW FPGA Command Based Arch Shared Variable Order Analysis Frequency Analysis Customer Specific Analysis Measurements DMA Speed Vibration RMS Vibration DC Temperature Process 9234 Accelerometer 9229 Proximity Probe 9221 Tachometer 9263 Buffered Output 9263 Buffered Output 9263 Buffered Output 9211 / 9217 Temperature ma Process Serial Port Modbus Speed and Vibration Buffered Output 47

48 Demo: Order Analysis 48

49 Remote Service ISDNphone Satellite FIS Diagnosis-Center Mobile phone Internet Customer benefit: Automatic monitoring and early warning Recommendation for action by a trained analyst 49

50 Bearings Bearings & cage move at non-synchronous rates BPFO = Ball Pass Frequency Outer = frequency at which a ball will go past a defect on the outer race. BPFI = Ball Pass Frequency Inner BSF = Ball Spin Frequency = rate at which balls rotate FTF = Fundamental Train Frequency = rate at which cage rotates. 50

51 Bearings These are tabulated in a bearing atlas P d = Pitch diameter n = number of balls B d = Ball diameter θ = Contact angle 51

52 Dynamic Pressure Uses Compressor Gas Turbine Characteristics High Speed Pressure Pulsations at Machine Speed Piezoelectric types are best for higher frequency pulsations Piezoelectric Pressure Transducer Capacitance Pressure Transducer 52

53 Current Transducer Used in electric motor machinery applications Motor condition Rotor bar and winding faults The magnetic flux created by the primary current IP is balanced by a complementary flux produced by driving a current through the secondary windings. A hall device and associated electronic circuit are used to generate the secondary (compensating) current that is an exact representation of the primary current. 53

54 NI CompactRIO Embedded System Architecture Real-Time Processor Reconfigurable FPGA Real-Time Controller I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Industrial I/O Modules Connectivity Signal Conditioning Industrial I/O Modules with built-in signal conditioning for direct connection to industrial sensors/actuators Reconfigurable FPGA for high-speed and custom I/O timing, triggering, processing, control Real-Time Processor for deterministic, stand-alone operation and advanced analysis New! Integrated Controller/Chassis ideal for high-volume applications ADC 54

55 Hydro Generator Diagnostic Dynamic analysis of rotating machine Behavior monitoring Fault identification Root cause association based on computational intelligence Maintenance Web based Portal 55

56 Machine Condition Monitoring Machine Condition Monitoring on Six Chemical Pumps ( for predictive maintenance. Measuring: 16 Pressure Sensors (4-20mA) 8 strain Gauges on the Pipe 2 Accelerometers on the shaft (x &y axis) Alarm Generation, Data logging and Analysis Windows as initial platform moving to RT Software used: LabVIEW HW requirement for Each Pump PXI/SCXI Combo chassis (1052) with PXI 8196, SCXI 1125 (Pressure), SCXI (Strain), SCXI 1530 (Accelerometers) and High Accuracy M series PXI DAQ Card 56

57 Hydro Plant: Overall architecture Signal Conditioning Dynamic Measurements Signal Processing n Process Variables Static Measurements SCADA - Process Monitoring and Local Operation (Data Management ) SCADA - Enterprise Network 57

58 Condition Monitoring in Open-Pit Mining Electromechanical Shovels CompactRIO measures vibration and compares to alarm limits Analysis software is fully built in LabVIEW. Mining electromechanical shovels can load 100 ton of ore per pass. Combined rated power is about 3MW. Hardware must survive in a harsh environment. 58

59 NI CompactRIO and PXI for Turbine Speed Controller Simulation and Testing Application: Upgrade the existing turbine speed controller test equipment and software. Challenge:Design a portable system that could simulate the external components, the state of the turbines, the state of the power grid, and the power demand. Products: PXI, CompactRIO, and LabVIEW Key Benefit:Replaced more than 50,000 lines of C++ code with LabVIEWcode, which gave users a more realistic view of the industrial process. Improving the software by using the National Instruments LabVIEW graphical interface and upgrading the hardware to an easy-to-transport single device, which enabled instant visualization, greatly reduced development and installation time. NI CompactRIO and PXI for Turbine Speed Controller Simulation and Testing in Power Plants 59