Basic Dynamic Signal Acquisition and Analysis for Machine Condition Monitoring

Agenda

• Nozioni fondamentali per il monitoraggio di macchine• Monitoraggio vibrazionale (verifica dello stato dei macchinari)

• Misure addizionali e risultati• Nozioni di base

Definizione di monitoraggio di macchina

• Raccolta di informazioni meccaniche ed elettrichedella macchina per analizzare i requisiti per la manutenzione predittiva

- Gestione dei tempi morti– Analisi predittiva dei guasti– Costi operativi e di manutenzione più bassi

• Raccolta di informazioni interne al processo– Analisi di processi statici come la temperatura– Analisi di processi dinamici come le vibrazioni

Sorgenti di eccitazioni vibrazionali

Slot Frequency / EM related

Motor

Couplings

Gears

Journal (Fluid Film) Bearings

Blade Pass / Fluid Related

Rolling ElementBearings

Alignment

Unbalance

MechanicalResonances

Bent ShaftMechanicalLooseness

Sam Shea rma nNationa l Instruments

Raccolta dei segnali

Accelerometer

Accelerometer

Accel X

Bearing

Accel Y

Bearing Mount

Acquisizione vibrazionale• Vantaggi degli accelerometri

– Ampio range dinamico – Ritornano direttamente un segnale proporzionale all’ accelerazione

• Velocità e spostamento sono calcolabili come misura indiretta– Robustezza, ampio campo frequenziale, condizionamento built-in– Cons: sensibili alla temperatura, al montaggio, cattiva risposta in

bassa frequenza

• Atri trasduttori comuni per MCM con segnali dinamici– Sonde di velocità– Sonde di spostamento – Tachimetri

Dinamica delle vibrazioni

• Metodologie di misura– Statiche

• Analisi dei livelli• Andamenti temporali• Sogliatura ed allarmi

– Dinamiche• FFT (Fast Fourier Transform)• Analisi in ottave• Analisi deli ordini

Monitoraggio del livello di vibrazione quadratico medio (RMS)• RMS della vibrazione

– La somma di tutte le frequenze di vibrazioni

– Analisi: andamento temporale ed allarmi che indicano guasti imminenti

• Acquisizione dell’ RMS della vibrazione via– I/O Distribuito– PLC– Schede di acquisizione dati

Misura dinamica delle vibrazioni• Analisi dinamica: definizione di parametri (signature) vibrazionali e del concetto di “forzante”

• Necessità: elevata frequenza di campionamento• Strumenti di analisi a disposizione

– FFT (Fast Fourier Transform)– Analisi delle armoniche– Analisi in ottave– Spettro degli ordini

Elaborazione del segnale = trasformazione

• L’ analisi spettrale permette di superare la complessità di lettura nel dominio del tempo

Time Domain

Power Spectrum

Blade PassMotor EM

ForceRotation

Segnali dinamici• Come si caratterizza il più semplice segnale dinamico?

– Frequenza• Pochi Hz a 45 KHz

– Ampiezza• 60 dB a 120 dB

– Fase• Critica nell’ analisi di segnali coerenti Sinusoide

Soluzioni DSA – le ultime novità• NI 4472

– 8 canali di ingresso (SE/PDI)– PXI e cPCI/PXI– 24-bit A/D, 110 dB dynamic range– Campionamento da 1 kHz a 102.4 kHz– Condizionamento ICP attivabile via

software– Connessione diretta via SMB– Campionamento simultaneo– Filtri Anti Alias– Sincronizzazione multi scheda e multi

chassis

DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Frequency (Hz)

Filte

r Res

pons

e(dB

)

Bessel, Fc=15 kHzBessel, Fc=22.5 kHzBessel, Fc=30kHzDSA Digital Filter

Signal Bandwidth

FNyquistNI 4472 at

102.4 kS/sec FNyquist150 kS/sec

Analog Bessel Filter attenuates signals in band of interest

Elementi di un sistema MCMAcquisizione

HW

Macchina

Trasduttori

Measurement & Automation SW

PCI/PXI/

CompactPCIPC

Demo Recap: caratterizzazione delle vibrazioni• Caratterizzazioni tipiche delle vibrazioni

– RMS del livello vibrazionale– Elaborazioni e rappresentazioni nel

• Dominio del tempo• Dominio della frequenza • Dominio degli ordini

• Misure collaterali di interesse– Potenza – Variabili di processo (temperatura , pressione, portata)– Registrazione di sequenze di eventi

Le funzioni di Analisi di Misura in LabVIEWOttimale per misure audio e vibrazionali standard

• Single tone • Analisi in frequenza

– Spettro di potenza, spettro della FFT (Mag-Phase)• Risposta in frequenza• Analisi di distorsione

– THD, THD+Noise, SINAD

Order Analysis ToolsetFondamentale per misure su macchine rotanti

• Estrazione ed analisi degli ordini passo-passo

• Impostazione dei livelli di energia per la selezione degli ordini personalizzabile dall’utente

• Elaborazione di segnali tachimetrici• Start-up kit

Sound and Vibration Toolset

• Analisi in ottave• Misura del livello sonoro

– SPL, Leq• Curve di pesatura (A,B,C, custom)• Waterfall display• Zoom FFT• Integrazione di segnali

accelerometrici– Velocità, spostamento

• Supporto per analisi multi-canale(WDT)

Per misure specifiche di segnali audio e vibrazionali

Configurazioni usuali • PXIPC embeddedNodi remoti

• SCXI™Supporto per una vastagamma di schede DAQ

• SCCPiccolo spazio di occupazione

• FieldPointLivelli RMS

Analisi della potenza elettrica

• I motori restituiscono variazioni del carico sottoforma di variazioni dell’andamento del segnale elettrico

• Facilità di acquisizione grazie a sonde di corrente

Waterfall Plot, www.wavespectrum.ca

• Performance– Potere computazionale (vedi caso dell’estrazione e dell’ analisi degli ordini)– Velocità del bus del pc (trasferimento dati ed immagazinamento)– Integrazione in reti (comunicazione con CMMS, etc.)

• Costo– I PC fanno uso di tecnologie commerciali

• Integrazione– Strumentazione plug-in e software testati e certificati– Flessibilità nella personalizzabilità dei sistemi di misura verso i CMMS

• Strumenti di sviluppo– LabVIEW assicura tempi di sviluppo e di installazione veloci– LabVIEW permette la personalizzazione di tutte le applicazioni

Vantaggi delle piattaforme Computer-Based

Sommario• Presentazione odierna

– Elementi di Machine Condition Monitoring System– Acquisizioni di segnali vibrazionali statici e dinamici– L’ Analisi vibrazionale come strumento di comparazione e valutazione dello stato

della macchina• Caratteristiche strumentali necessarie

– Larghezza di banda con filtri anti-aliasing, range dinamico, simultaneous sampling– Software per l’analisi dello spettro di armonica.etc.– Strumenti per l’immagazzinamento e la presentazione dei dati

• Le perfomance di un sistema strumentale basato su computer

Tutte le presentazioni NIDays su ni.com/italy!

Inserire l’Infocode:itnid03presper scaricare le presentazioni!

Il servizio sarà disponibile da metà

marzo.

Vibration Sensor References

• IMI sensors (PCB), www.imi-sensors.com• Endevco, www.endevco.com• Kistler, www.kistler.com• Metrix, www.metrix1.com• CEC Vibration, www.cecvp.com• Wilcoxon, www.wilcoxon.com• Sensotec, www.sensotec.com

Current and Voltage References• Smith Research - http://www.srt-inc.com/• Ohio Semitronics - http://www.ohiosemitronics.com/• AEMC - http://www.aemc.com/• Flexcore - http://www.flex-core.com/• Load Controls - http://www.loadcontrols.com/• NK Technologies - http://nktechnologies.com/• Riley Corporation - http://www.rilsen.com/• LEM - http://www.lem.com/• Fluke – www.fluke.com• CR Magnetics – www.crmagnetics.com• Texas Meter and Device – www.texasmeter.com

Approfondimenti

• Vibration Institute• Reliability Web• American Society of Mechanical Engineers• ISA• Turbo Machinery Lab