机器的振动监控与安全测试

发布时间：2017-12-27 来源：控制工程网

　　询问在生产过程中是否存在好的加速度和坏的加速度，可能看起来是很奇怪的问题，但对于很多行业来说是值得考虑的问题。抖动对于鸡尾酒可能是好的，但是对于一套系统或机器来说就不好了。
　　因此，任务是要查明由振振荡及振动引起的加速度是否还能承受，或者该加速度已经太高了，以至于应用场合受到损害而必须停止。
　　振动监控对于机器和系统来说正变得越来越重要，而且它需要相应的安全部件来安全地记录振动、振荡、倾斜角度以及旋转角度。

图1：在风力发电机组的运行过程中，发生在机舱和桅杆上的振荡和振动是重要的物理测量变量。图片来源：TWK

　　具有CANopen安全接口和开关继电器的振动传感器的设计是为了测量频率在0.1Hz到60Hz范围内的动态加速度。带通滤波器可以用来将频率范围细分为子区间，例如频率低于5Hz的加速度可以分析得更加精确，更高的频率不会成为干扰，反之亦然。
　　CANopen安全接口会根据下列配置文件来实现：CiA 301 版本4.2 （应用层）以及EN 50325-5（安全协议）以及CiA 401-1 版本3.1（I/O设备的配置文件 – 第一部分：通用的I/O模块）。使用这个接口，振动传感器可以大面积地进行参数化，在安全通讯和通过该接口进行参数化的过程中需要考虑特定的程序。重要的是不要改变安全相关的参数，并且不要损害安全功能。
　　安全振动传感器运行的参数化
　　进行了参数化以后，可以使用特殊的CANopen对象来写入新的数值，用户可以借此改变参数从而满足特殊需求。然而，对于每个参数变化，还必须传送校验和，这些校验码必须由用户针对每个要变化的参数提前计算出来，以便每个校验码都可以传送到传感器。工作中的传感器参数可以通过这个工具输入进去，校验和出现在显示结果的窗口上。
　　此项计算也可以通过使用内在的计算多项式（CRC-CCITT: x16+x12+x5+1）独立地完成，或者由用户编程设计的计算工具存储在控制系统中。在对传感器做出任何改变之前，对于作为一种传感器锁定机制的有效标识，必须通过在其对象上写入“0”来使其变得无效。
　　在这个情况下，CANopen Safety作为CANopen的对象结构，允许这种安全参数化以及简化处理。不需要特殊的设备程序来完成这些改变。非主观的参数改变不在考虑范围内。
　　在风力发电机组上的振动测试
　　风力发电机组是为了发电而设计的。可是，电并不是简单的从插座里或风力发电机组中出来的。一台风力发电机组是一套由复杂的各种结构部件所组成的系统，需要受到保护，以免受潜在损害。在运行中，发生在机舱和桅杆上的振荡和振动是很重要的物理测量变量。必须要将这些变量记录下来用于保护系统。
　　如果振动过高，整个系统都会受到影响。在桅杆上发生的加速力可能导致裂缝的形成甚至破碎。可能的内部原因包括变速箱或轴承受到的损害都可能会导致出现主轴振动过大的情况。这些振动的频率处于10到50Hz之间。
　　另外，一些外部的影响也可能会引起系统振动。在这些其他因素中，包括转子叶片结冰或损坏等。这些情况不是均匀一致地出现，因此会导致转子不平衡，从而导致整个系统的振动。另一个潜在的问题是不利的风况会导致机舱和桅杆部分的位移过大。其频率通常处于0.2到3Hz之间。作为风力发电机组振动检测的一部分， 必须将这些振动判断出来，在某些极限值被突破时要让控制系统能够及时执行关机动作。

图2：图中显示了一组CANopen SafetyCRC计算示例的屏幕截图。

　　振动传感器与机器安全
　　在传感器作为安全部件的应用场合，实测的加速度值会不断地与极限值进行对比。如果这些值超过极限值，内部的安全继电器会关闭。两个安全开关触点会在系统的安全链路中进行切换，每个触点包含两个串联在一起的独立的继电器。
　　它们的串联方式有助于确保电路可以安全的断开，即便是在某些不顺利的或极端的情况下，例如其中的某个继电器可能卡住的情况。该传感器也可以在更长的一段时间内对振动行为进行监控，确保振动不会超过允许的幅度值。
　　如果振动短暂地超过限值，系统不需要立即停机。对于暂时发生的中等水平和更高水平的振动，如果系统振动值在稍后会再次降低，是可以接受的。只有当系统的大范围振动长时间存在时，安全链路才会被打断。如果用户需要，振动数据可以传送到控制系统中去，来确定系统中存在哪些振动。
　　对具备各自限值的可配置安全开关触点的比较总是反映到过滤器的输出主值上。另一个专用功能是传感器经过设定可以在特定的振动阶段让系统停机。实现该功能需要使用关闭延迟以及振动传感器对受监控的振动的零点交叉进行识别的功能。如果关停的条件预先达到，正的零点交叉是可调整之间的起始点。例如x轴或y轴的分配、瞬时或均方根值这些标准的设定,在具备一些可调节参数的情况下也是可能的。除了CANopen Safety以外，要获得额外的输出值，还有两个模拟量信号可以选择。
　　有时候， 你需要知道两个开关触点的继电器是否仍然可以可靠工作。有可能它有长达数周或数月都没有运行。尽管继电器坚固耐用，电子元件使用寿命长，定期检查它们还是有意义的。要做到这些，通过对象32FD，就可能启动一个持续几秒钟的自测试过程。根据传输到该目标上的数值的不同，开关触点1或2或者两者同时被测试。然而，在测试过程中传感器仍然处于工作状态，因此控制系统仍然可以看到所有当前的振动数据。
　　即便开关触点是在安全链路中，自测试也可以用来检查它们是否会真的断开，这样用户就可以从振动传感器的角度来检查继电器的状态，并可以读取该开关的状态。顺带说一下，这可以随时进行，不仅仅是在自我测试过程中。因此控制系统可以检测出安全链路中的哪个设备被触发了，这很重要。
　　振动传感器有助于确保应用程序处于安全的掌控之下，以最大限度地减少干扰加速造成的损害。（作者：Achim Albertini）