Klucz do serca przemysłu zamknięty w innowacyjnej walizce

We współczesnym przemyśle elektryczne silniki indukcyjne stanowią absolutny fundament produkcji – od napędzania taśmociągów w kopalniach, przez pompy w wodociągach, po kompresory w rafineriach i gigantyczne wentylatory w elektrowniach. Awaria takiego urządzenia, szczególnie wielkogabarytowego silnika wysokiego napięcia, może oznaczać straty sięgające setek tysięcy, a nawet milionów złotych. Przedsiębiorcy poszukują metod, które niczym badania profilaktyczne w medycynie, pozwolą wykryć chorobę maszyny na wczesnym etapie.

– Najważniejsze w systemach diagnostycznych jest jak najwcześniejsze wykrycie usterki, by zapobiec awarii skutkującej przerwą pracy maszyny, koniecznością jej remontu lub wymiany. To wszystko powoduje ogromne straty finansowe, znacznie większe niż spadek parametru sprawności maszyny – mówi dr hab. inż. Maciej Sułowicz, prof. PK, dziekan Wydziału Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej Politechniki Krakowskiej, który kierował pracami zespołu nad systemem CageLab.

Urządzenie zbiera sygnały diagnostyczne, a następnie przetwarza je w celu wydobycia ewentualnych symptomów uszkodzeń silnika. Po dokonanej analizie użytkownik otrzymuje informację o parametrach oraz wykresy ilustrujące zmierzone sygnały. – System, poza wiedzą specjalistyczną, dostarcza użytkownikowi informację o stanie maszyny jak i proponowanym czasie kolejnego przeglądu lub ewentualnej konieczności naprawy. Wszystkie informacje generowane są dla użytkownika w formie przystępnego raportu PDF – tłumaczy dr hab. inż. Maciej Sułowicz, prof. PK.

CageLab czyli dwie strategie kontroli silnika

Sednem rozwiązania jest wyrafinowana analiza prądu stojana pobieranego przez silnik. System wyszukuje w nim charakterystyczne „wstęgi boczne” w widmie częstotliwościowym, które są sygnaturą uszkodzeń klatki wirnika. To właśnie przerwy w prętach klatki lub pęknięcia pierścieni zwierających są jednymi z najczęstszych i najtrudniejszych do wykrycia usterek, prowadzących często do katastrofalnych w skutkach uszkodzeń.

Trzon systemu stanowi dedykowane oprogramowanie zainstalowane na komputerze, który wraz z kartą pomiarową i zestawem precyzyjnych sond pomiarowych - cęgów Fluke’a oraz elastycznych cewek Rogowskiego - został zabudowany w mobilnej, pyło- i wodoodpornej “walizie przemysłowej”. Zestaw wyposażono we własny akumulator, dzięki czemu diagnostykę można prowadzić w dowolnym miejscu na terenie zakładu, bez uciążliwego szukania gniazda zasilającego 230V na obiekcie.

System oferuje dwie komplementarne ścieżki diagnostyczne. Pierwsza - diagnostyka w stanie ustalonym - to „badanie kontrolne” w trakcie normalnej pracy. Rejestruje prąd przez zaledwie 40 sekund i na podstawie wyliczonego wskaźnika diagnostycznego RFI (Rotor Fault Index) z analizy widma generuje ocenę stanu silnika, prezentowaną w intuicyjnych kolorach: od zielonego (stan dobry), przez żółty (początek problemu), po czerwony (wykryte poważne uszkodzenie). – W przypadku poprawnie wyznaczonych harmonicznych poślizgowych do oceny aplikacja zwraca dane: poziom sygnału w decybelach, wartość skuteczną prądu oraz jednoznaczną ocenę stanu wirnika – czytamy w instrukcji obsługi opracowanej przez zespół pod kierownictwem dr hab. inż. Macieja Sułowicza, prof. PK.

Druga metoda to diagnostyka podczas rozruchu. Ta technika pozwala na analizę zarejestrowanego prąd w momencie startu silnika. Poszukuje się fluktuacji w przetworzonym sygnale, które są do zaobserwowania w przypadku wystąpienia uszkodzenia klatki wirnika. Na podstawie tej analizy wyznaczany jest współczynnik DRFI (Dynamic Rotor Fault Index), który równie precyzyjnie klasyfikuje stan maszyny. Jest to szczególnie przydatna metoda w przypadku diagnozowania uszkodzeń klatki rozruchowej w silnikach dwuklatkowych.

Jak podkreślają twórcy CageLab, pomiar jest całkowicie bezinwazyjny. – Sondy podłącza się bez konieczności wyłączania maszyny z ruchu i ingerencji w jej pracę. Wyjątkiem jest diagnostyka podczas rozruchu, ale w takim przypadku to operator systemu decyduje o jej przeprowadzeniu i jest w stanie dostosować czas ewentualnej przerwy, więc nie generuje to dodatkowych kosztów związanych z przestojem pracy – mówi mgr inż. Jakub Zielonka, członek zespołu projektowego z Katedry Infotroniki i Cyberbezpieczeństwa na Wydziale Inżynierii Komputerowej i Elektrycznej PK.

Autorska aplikacja do prostej diagnostyki i planowania remontu maszyn

Ogromnym atutem CageLab jest system zarządzania danymi. Autorska aplikacja sterująca urządzeniem nie tylko wyświetla surowe przebiegi, ale przede wszystkim interpretuje wyniki i generuje przejrzysty raport w formacie PDF. Użytkownik otrzymuje również rekomendację dotyczącą terminu następnego przeglądu lub konieczności planowanego remontu.

Z perspektywy pracowników technicznych zajmujących się konserwacją silników kluczowa jest wbudowana w system baza danych. Pozwala gromadzić wszystkie parametry parku maszynowego (określanego przez ID silnika) oraz historię wszystkich pomiarów. – Posiadanie archiwum danych dotyczących silnika jest bardzo istotnym elementem w kontekście skutecznej diagnostyki – mówi mgr inż. Jakub Zielonka.

Od laboratoriów Wydziału Inżyneirii Elektrycznej i Komputerowej Politechniki do praktycznego wykorzystania w przemyśle

Przed wdrożeniem system przeszedł rygorystyczne testy – zarówno na stanowiskach laboratoryjnych Politechniki Krakowskiej, jak i w warunkach przemysłowych. W laboratorium PK badano silniki z precyzyjnie wywołanymi uszkodzeniami – od jednego przerwanego pręta po dwa. Jak wynika z opracowania, wskaźnik RFI rósł proporcjonalnie do skali uszkodzeń (od 0,755 dla wirnika zdrowego do 1,139 przy dwóch uszkodzonych prętach sąsiadujących ze sobą).

Testy przemysłowe zostały przeprowadzone w Zakładzie Maszyn Elektrycznych EMIT S.A. na silniku napędzającym kluczowy kompresor gazu (o mocy 3,1 MW, prądzie 380 A i małym poślizgu). – Dzięki analizie widmowej udało się precyzyjnie wychwycić wstęgi boczne w prądzie stojana. Współczynnik RFI wyznaczony przez moduł detekcji uszkodzeń osiągnął wartość 1,46, co według algorytmu wskazywało już na początkowe stadium degradacji klatki wirnika – mówi mgr inż. Jakub Zielonka.

Celem projektu unijnego, dzięki któremu powstał CageLab, było umożliwienie realizowania przez Zakład Maszyn Elektrycznych EMIT S.A. prac badawczo-rozwojowych zmierzających do określenia prawidłowych parametrów technicznych oraz parametrów pracy energooszczędnych, innowacyjnych maszyn elektrycznych dużych mocy od 50 kW do 6 MW. Wartość projektu przekroczyła 30 milionów zł. Ponad 7,5 miliona stanowiło dofinansowanie z Unii Europejskiej ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

– Współpraca z Wydziałem Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Politechniki Krakowskiej przełożyła się na poprawę jakości produktów firmy sprzedawanych w Polsce i innych krajach oraz przygotowanie nowych usług w zakresie badań diagnostycznych maszyn elektrycznych, co znacznie poszerzyło ofertę firmy – czytamy w opinii na temat urządzenia przygotowanej przez Zakład Maszyn Elektrycznych EMIT S.A.

Naukowcy WIEiK PK podkreślają, że choć system został przygotowany z myślą o konkretnym odbiorcy, to takie urządzenie – po indywidualnie wprowadzonych modyfikacjach – może być łatwo wdrożone także w innym przedsiębiorstwach i zakładach przemysłowych, które chcą wprowadzić do stosowania w swoim zakładzie bezinwazyjne metody diagnostyczne dla maszyn elektrycznych.

Projekt realizował zespół ekspercki Politechniki Krakowskiej: dr hab. inż. Maciej Sułowicz, prof. PK, dr inż. Arkadiusz Duda, mgr inż. Mirosław Czechowski, mgr inż. Jakub Zielonka, mgr inż. Jarosław Tulicki, mgr inż. Dariusz Cholewa oraz mgr inż. Ewa Biały.

źródło: Politechnika Krakowska