Τα μηχανήματα μεταβλητής ταχύτητας και φορτίου (όπως κινητήρες, ρυθμιστές στροφών κ.ά.) είναι συστήματα βιομηχανικού τύπου που υφίστανται φθορά κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Για το λόγο αυτό έχει αναπτυχθεί μια μέθοδος που αναγνωρίζει τους τρόπους λειτουργίας κάθε μηχανήματος, και από τους κραδασμούς του μπορεί να ανιχνεύει αυτόματα αλλαγές στη λειτουργία που εγκυμονούν φθορές.
Γράφει ο κ. Δ. Σουσούνης*
Για να μπορέσουν τα μηχανήματα μεταβλητής ταχύτητας και φορτίου να λειτουργήσουν αποτελεσματικά και μακροχρόνια, απαιτείται οι κραδασμοί τους οποίους παρουσιάζουν να παραμένουν εντός συγκεκριμένων ορίων. Όταν όμως οι στροφές και το φορτίο αλλάζουν συνεχώς, δημιουργούνται ψευδοσυναγερμοί, ενώ πρώιμες βλάβες μπορεί να περνούν απαρατήρητες.
Στα περιστρεφόμενα μηχανήματα, η σοβαρότητα των κραδασμών κρίνεται συνήθως με βάση το πρότυπο ISO 20816 (το διάδοχο του γνωστού ISO 10816). Σύμφωνα με το ISO 20816, η συνολική στάθμη κραδασμών, δηλαδή η τιμή RMS της ταχύτητας (Root Mean Square), συγκρίνεται με σταθερά όρια και κατατάσσεται σε ζώνες, από την ικανοποιητική λειτουργία ως τη μη αποδεκτή. Τα όρια αυτά είναι ένα μέρος ενός ευρύτερου πλαισίου προτύπων για την παρακολούθηση κατάστασης. Τις γενικές αρχές καλύπτει το ISO 17359, ενώ για τους κραδασμούς ειδικότερα (μέτρηση και διάγνωση) υπάρχει το ISO 13373. Στην πράξη, όμως, οι συναγερμοί προστασίας στήνονται σχεδόν πάντα πάνω σε αυτό το όριο της συνολικής στάθμης.
Όταν οι στροφές και το φορτίο μεταβάλλονται, η ίδια λογική χάνει μεγάλο μέρος της αξίας της. Μια αντλία τροφοδοσίας λέβητα με ρυθμιστή στροφών (inverter), ένας συμπιεστής που μετακινείται ανάμεσα σε σημεία λειτουργίας ή οποιοδήποτε μηχάνημα ακολουθεί τη ζήτηση της παραγωγής, προκαλεί κραδασμούς που αλλάζουν μαζί με τις συνθήκες, ακόμη κι όταν το μηχάνημα λειτουργεί σωστά. Ακόμη και με τον καθορισμό ορίων λειτουργίας, δεν είναι δυνατό να ξεχωρίσει η φυσιολογική διακύμανση από μια πραγματική φθορά.
Μεταβολή στροφών και φορτίου
Σε ένα μηχάνημα όπου οι στροφές και το φορτίο αλλάζουν, το συνολικό όριο λειτουργίας είναι υπερβολικά ευμετάβλητο. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ένα μηχάνημα (και συχνά, όσο μεγαλύτερο φορτίο σηκώνει), τόσο πιο έντονοι είναι οι κραδασμοί σε όλο το φάσμα (δηλαδή σε όλο το εύρος των συχνοτήτων). Η συνολική στάθμη ανεβαίνει χωρίς να υπάρχει φθορά. Ένα όριο αρκετά χαμηλό, ώστε να έχει νόημα στις χαμηλές στροφές, παραβιάζεται κάθε φορά που το μηχάνημα απλώς ανεβάζει ταχύτητα. Στην πράξη, αυτό αντιμετωπίζεται με αύξηση του ορίου ή με σίγαση του καναλιού, κάτι που σημαίνει στην ουσία κατάργηση της προστασίας που υποτίθεται ότι πρόσφερε ο συναγερμός.
Από την άλλη, το συνολικό όριο λειτουργίας δεν μπορεί να αποτυπώσει τις πρώιμες βλάβες. Μια βλάβη στο ξεκίνημά της (μια φθορά σε ρουλεμάν, ένα πρόβλημα που μόλις αρχίζει στα δόντια ενός γραναζιού, μια χαλάρωση στα πρώτα της στάδια κ.ά.) συγκεντρώνει την ενέργειά της σε μια στενή περιοχή συχνοτήτων, που καθορίζεται από τη γεωμετρία της ίδιας της βλάβης. Αυτή η κορυφή μπορεί να πολλαπλασιαστεί, ενώ η συνολική RMS (ένα άθροισμα πάνω σε ολόκληρο το φάσμα) σχεδόν δεν μεταβάλλεται (βλέπε σχήμα 1).
Σχήμα 1: Ένα ενιαίο σταθερό όριο συναγερμού αποτυγχάνει με δύο αντίθετους τρόπους σε ένα μηχάνημα μεταβλητής ταχύτητας.
Επάνω: Η συνολική στάθμη (η τιμή RMS της ταχύτητας) ξεπερνά το όριο όταν το υγιές μηχάνημα δουλεύει σε υψηλές στροφές (ψευδοσυναγερμός), ενώ μια βλάβη που εξελίσσεται ανεβάζει ελάχιστα την συγκεκριμένη στάθμη, η οποία μένει κάτω από το όριο και περνά απαρατήρητη.
Κάτω: Στο φάσμα, οι υγιείς κορυφές μετατοπίζονται μαζί με τις στροφές, ενώ η βλάβη εμφανίζεται ως στενή κορυφή την οποία δεν μπορεί να δει η συνολική στάθμη.
Μέθοδος δύο σταδίων
Η μέθοδος που παρουσιάζεται απαντά αντικαθιστώντας το συνολικό όριο με μια διαδικασία δύο σταδίων. Στο πρώτο, αναγνωρίζεται σε ποιον τρόπο λειτουργίας ανήκει η κάθε μέτρηση, ενώ στο δεύτερο, συγκρίνεται το φάσμα της μέτρησης με μια αναφορά (μια αποτύπωση του πώς μοιάζει το υγιές φάσμα σε αυτόν ακριβώς τον τρόπο λειτουργίας), αντί για ένα ενιαίο όριο που αφορά όλο το εύρος λειτουργίας του μηχανήματος.
Στην πράξη, για κάθε μέτρηση υπολογίζεται το φάσμα και οι στροφές του άξονα. Η μέτρηση κατατάσσεται σε έναν τρόπο λειτουργίας, επιλέγεται η αναφορά αυτού του τρόπου λειτουργίας και το φάσμα συγκρίνεται –κορυφή προς κορυφή– με τα όριά της. Αν κάποια κορυφή βρεθεί πάνω από το όριό της, εμφανίζεται έγκαιρα μια ένδειξη, ενώ η συχνότητα στην οποία συνέβη η υπέρβαση δείχνει τον πιθανό τύπο της βλάβης.
Αναγνώριση τρόπων λειτουργίας
Το πρώτο στάδιο ομαδοποιεί τις μετρήσεις ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Δεν χρειάζεται κάποιος μηχανικός να ορίσει «με το χέρι» παράθυρα στροφών ή φορτίου (κάτι δύσκολο να ρυθμιστεί σωστά και να συντηρηθεί όταν τα μηχανήματα είναι δεκάδες). Οι τρόποι λειτουργίας προκύπτουν μόνοι τους από τα ίδια τα δεδομένα.
Η ομαδοποίηση βασίζεται στις στροφές του άξονα (οι οποίες δείχνουν πόσο γρήγορα δουλεύει το μηχάνημα), και η επιλογή αυτή δεν είναι τυχαία. Αν η ομαδοποίηση βασιζόταν σε ένα μέγεθος που επηρεάζεται από την υγεία του μηχανήματος, όπως είναι η συνολική στάθμη κραδασμών, μια βλάβη που εξελίσσεται θα μπορούσε σταδιακά να το παρασύρει, ώσπου η μετατόπιση να ερμηνευτεί ως νέος τρόπος λειτουργίας, κρύβοντας ακριβώς τη φθορά που την προκάλεσε. Με τις στροφές αυτό δεν συμβαίνει, καθώς μια βλάβη αλλάζει το φάσμα μέσα στον τρόπο λειτουργίας χωρίς να το μεταφέρει σε κάποιον καινούργιο τρόπο λειτουργίας.
Οι τρόποι λειτουργίας μαθαίνονται αυτόματα από υγιείς μετρήσεις, την ώρα που το μηχάνημα βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας. Το πόσοι θα είναι, δεν προκαθορίζεται (προκύπτει από τα δεδομένα), και διατηρούνται μόνο τα σταθερά, επαναλαμβανόμενα σημεία λειτουργίας. Ένα στιγμιαίο πέρασμα από μια ενδιάμεση κατάσταση απορρίπτεται, χωρίς να γίνεται τρόπος λειτουργίας. Κάθε τρόπος λειτουργίας αποκτά τη δική του αναφορά, ώστε κάθε μέτρηση να συγκρίνεται πάντα με υγιή δεδομένα από παρόμοιες συνθήκες. Επίσης οι τρόποι λειτουργίας δεν εμφανίζονται στο χειριστή ως ετικέτες.
Ένα όριο για κάθε κορυφή
Στο δεύτερο στάδιο, για κάθε τρόπο λειτουργίας προσδιορίζεται το υγιές φάσμα με λεπτομέρεια και παρακολουθείται η συνολική μορφή του, και όχι ένας μόνο συγκεντρωτικός αριθμός. Η αναφορά κάθε τρόπου λειτουργίας βασίζεται σε ένα ιστορικό υγιών μετρήσεων.
Το μέσο υγιές φάσμα χωρίζεται σε στενά «παράθυρα», ένα γύρω από κάθε κορυφή, και κάθε παράθυρο παίρνει το δικό του όριο συναγερμού (ανάλογα με το πόσο μεταβάλλεται φυσιολογικά η συγκεκριμένη κορυφή στο υγιές ιστορικό).
Πιο συγκεκριμένα, το «παράθυρο» είναι πιο ελαστικό εκεί όπου η κορυφή κυμαίνεται από τη φύση της, και πιο σφιχτό εκεί όπου είναι σταθερή, με μια στάθμη θορύβου κάτω από την οποία δεν μπαίνει όριο. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύνολο ορίων που ακολουθεί το πραγματικό σχήμα του φάσματος –ένα περίγραμμα λίγο πάνω από κάθε κορυφή, αντί για μια επίπεδη οροφή, ίδια σε όλο το φάσμα.
Η ιδέα του ορίου που ακολουθεί το φάσμα δεν είναι καινούρια στην ανάλυση κραδασμών. Τέτοια όρια υπολογίζονται χωριστά για κάθε τρόπο λειτουργίας που έχει αναγνωριστεί αυτόματα. Κι επειδή κάθε τρόπος λειτουργίας καλύπτει ένα στενό μόνο εύρος στροφών, οι κορυφές δεν μετακινούνται αισθητά μέσα του, οπότε τα όρια μένουν σφιχτά, χωρίς να χρειάζεται στροφόμετρο ή άλλο πρόσθετο σήμα από τον άξονα.
Από εκεί και πέρα, κάθε νέα μέτρηση συγκρίνεται κορυφή προς κορυφή με τα όρια του δικού της τρόπου λειτουργίας. Όταν μια κορυφή ξεπεράσει το δικό της όριο ενώ το υπόλοιπο φάσμα μένει στη θέση του (π.χ. μια συχνότητα βλάβης εδράνου που ανεβαίνει), η μέτρηση επισημαίνεται. Κι επειδή κρίνεται η μορφή σε στενή ζώνη, όχι η συνολική ενέργεια, η επισήμανση εμφανίζεται όσο η συνολική RMS είναι ακόμη χαμηλή, εντός των αποδεκτών ορίων.
Μόλις ολοκληρωθεί η αναφορά, «παγώνει», με αποτέλεσμα μια αργή φθορά να μην μπορεί να ανεβάζει σταδιακά τα όρια και να γίνεται εμφανής η μεταβολή που πρέπει να ανιχνεύουν τα συγκεκριμένα όρια. Ύστερα από μια επισκευή, η αναφορά ξαναδιαμορφώνεται από την ημερομηνία που θα ορίσει ο χρήστης και έπειτα, ώστε να αποτυπώνεται πώς είναι το μηχάνημα μετά τη συντήρηση, κι όχι πριν από αυτήν.
Η βαθμίδα Elevated
Η βαθμίδα Elevated είναι η κατάσταση κάτω από τα καθιερωμένα επίπεδα συναγερμού Minor και Major. Η Elevated δεν σημαίνει «σταματήστε το μηχάνημα». Σημαίνει ότι η εικόνα των κραδασμών έχει απομακρυνθεί από το υγιές μοτίβο του συγκεκριμένου τρόπου λειτουργίας, αρκετά ώστε να αξίζει μια επιθεώρηση, όσο η επέμβαση ακόμη έχει χαμηλό κόστος.
Στην πράξη, αυτό αλλάζει την καθημερινότητα του αναλυτή. Αντί να κυνηγά ψευδοσυναγερμούς κάθε φορά που αλλάζουν οι στροφές ή το φορτίο, ή να εντοπίζει τη βλάβη μόνο όταν έχει πια φτάσει σε ζώνη συναγερμού, έχει μπροστά του μια έγκαιρη ένδειξη (που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη συχνότητα) και το χρόνο να κάνει επιθεώρηση στην επόμενη προγραμματισμένη στάση.
Η μέθοδος δεν καταργεί το ISO 20816, αλλά το συμπληρώνει. Τα επίπεδα Minor και Major μένουν ως έχουν, και η Elevated προστίθεται ως μια πιο πρώιμη βαθμίδα κάτω από αυτά.
Συχνότητα υπέρβασης
Μια υπέρβαση εντοπίζεται σε συγκεκριμένη συχνότητα και δεν χάνεται μέσα σε ένα άθροισμα. Αυτό σημαίνει ότι φέρει διαγνωστική πληροφορία που δεν έχει η συνολική στάθμη. Κάθε τύπος βλάβης εκδηλώνεται σε χαρακτηριστικές συχνότητες, οι οποίες μπορούν να υπολογιστούν. Οι βλάβες των ρουλεμάν εμφανίζονται στις χαρακτηριστικές συχνότητες του εξωτερικού και του εσωτερικού δακτυλίου, των στοιχείων κύλισης και του κλωβού, συχνά συνοδευόμενες από πλευρικές ζώνες. Η αζυγοσταθμία και η κακή ευθυγράμμιση εκδηλώνονται στη συχνότητα περιστροφής του άξονα και, στην περίπτωση της κακής ευθυγράμμισης, συχνά στο διπλάσιό της, ενώ η μηχανική χαλάρωση χαρακτηρίζεται από μια σειρά αρμονικών της συχνότητας περιστροφής.
Αντιστοιχίζοντας τη συχνότητα της υπέρβασης σε αυτές τις γνωστές υπογραφές, η μέθοδος δείχνει όχι μόνο ότι κάτι εξελίσσεται, αλλά και τι είναι κατά προσέγγιση αυτό που εξελίσσεται. Καθίσταται έτσι διαγνωστικό εργαλείο, και όχι απλός ανιχνευτής.
Επάνω: Καθώς η συνολική RMS ανεβαίνει προς τις ζώνες συναγερμού Minor και Major, το όριο ανά κορυφή ενεργοποιεί την κατάσταση Elevated δίνοντας μια έγκαιρη προειδοποίηση, ενώ η συνολική στάθμη είναι ακόμη κάτω από το Minor.
Κάτω: Φάσματα στα στάδια «healthy», «elevated» και «minor», σε σύγκριση με το εκμαθημένο όριο ανά κορυφή («baseline»). Καθώς η κατάσταση εξελίσσεται, μια στενή κορυφή ξεπερνά το όριό της δίνοντας μια παρατηρημένη μεταβολή στην εικόνα του φάσματος, πριν ακόμα υπάρξει επιβεβαιωμένη βλάβη.
Αναφορά ανά τρόπο λειτουργίας
Οι δύο αστοχίες που παρουσιάστηκαν στην αρχή δεν είναι δύο ξεχωριστά προβλήματα με δύο ξεχωριστές λύσεις. Οι ψευδοσυναγερμοί που γεννά η αλλαγή των συνθηκών, καθώς και οι πρώιμες βλάβες που χάνονται μέσα σε ένα άθροισμα, είναι το ίδιο πρόβλημα. Ένας μόνο αριθμός, συγκρινόμενος με ένα μόνο όριο, δεν μπορεί να περιγράψει ένα μηχάνημα που κανονικά δουλεύει σε περισσότερες από μία καταστάσεις. Η αύξηση του ορίου για να πάψει η πρώτη αστοχία, επιτείνει τη δεύτερη.
Η μέθοδος που παρατέθηκε παραπάνω απαντά και στις δύο αστοχίες. Αντί για ένα όριο ανά μηχάνημα, η μέθοδος καθορίζει τη σωστή λειτουργία χωριστά για κάθε τρόπο λειτουργίας του μηχανήματος, με βάση τα ίδια του τα δεδομένα και όχι μια τιμή καθορισμένη εκ των προτέρων.
Σε κάθε τρόπο λειτουργίας, η κρίση μετατοπίζεται από τη συνολική ενέργεια στη μορφή του φάσματος σε στενή ζώνη. Κάθε κορυφή συγκρίνεται με τη δική της εκμαθημένη αναφορά, ώστε μια μεταβολή συγκεντρωμένη σε μία συχνότητα να καταγράφεται ως μεταβολή, αντί να χάνεται μέσα σε έναν μέσο όρο.
Η κατάσταση Elevated που προκύπτει στέκεται κάτω από τα επίπεδα Minor και Major του ISO 20816 και έχει διαφορετικό νόημα. Δεν σημαίνει ότι απαιτείται παύση της λειτουργίας του μηχανήματος, αλλά ότι το φάσμα δεν μοιάζει πια με αυτό στο παρελθόν, ενώ η συχνότητα της απόκλισης δείχνει πού να εστιάσει κανείς.
Τίποτα από αυτά δεν αντικαθιστά την αξιολόγηση της συνολικής στάθμης, ούτε φιλοδοξεί να το κάνει. Το όριο στη συνολική στάθμη παραμένει το σωστό εργαλείο για το ερώτημα που απαντά αν οι κραδασμοί ενός μηχανήματος είναι αποδεκτοί σε απόλυτους όρους. Η αναφορά ανά τρόπο λειτουργίας προσθέτει ένα ερώτημα στο οποίο η συνολική στάθμη δεν μπορεί να απαντήσει: αν δηλαδή αυτό το μηχάνημα, σε αυτές τις συνθήκες, μοιάζει ακόμη με τον εαυτό του.
Σε μηχανήματα σταθερών στροφών, το ερώτημα αυτό έχει απαντηθεί εδώ και καιρό, με όρια σε στενές ζώνες. Επεκτείνοντάς το σε μηχανήματα όπου οι στροφές και το φορτίο αλλάζουν, η ίδια έγκαιρη προειδοποίηση, που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη συχνότητα, φτάνει σε μια κατηγορία μηχανημάτων (αντλίες και συμπιεστές με ρυθμιστή στροφών, μηχανήματα που ακολουθούν τη ζήτηση κ.ά.) που καταλαμβάνουν ολοένα μεγαλύτερο μέρος των εγκαταστάσεων. Η εν λόγω κατηγορία μηχανημάτων ήταν ως τώρα η πιο δύσκολη να προστατευθεί σωστά.
*Ο κ. Δημήτρης Σουσούνης είναι μαθηματικός και μηχανικός στην «Αρπεδών Τεχνική ΙΚΕ», όπου ασχολείται με την παρακολούθηση κατάστασης και την προβλεπτική συντήρηση ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού. Εξειδικεύεται στη σχεδίαση και εφαρμογή αριθμητικών μεθόδων σε συστήματα ελέγχου, εκτίμησης κατάστασης και επεξεργασίας σήματος. Είναι απόφοιτος της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του ΕΜΠ, με μεταπτυχιακό στη μαθηματική μοντελοποίηση και υπολογιστική από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας.
