Il monitor di prossimità 3500/40M è un modulo di protezione e monitoraggio delle condizioni dei macchinari a quattro canali ad alte prestazioni sviluppato da Baker Hughes con il marchio Bently Nevada, progettato specificamente per il sistema di monitoraggio dei macchinari serie 3500. La sua funzione principale è quella di accettare segnali grezzi dai trasduttori di prossimità Bently Nevada (come i sensori a correnti parassite), eseguire un condizionamento, un calcolo e un'analisi precisi del segnale e, infine, convertirli in parametri chiave che riflettono lo stato della macchina, che vengono continuamente confrontati con setpoint di allarme programmabili dall'utente per ottenere una protezione continua e una diagnosi precoce dei guasti per i macchinari critici.
Il monitor è rinomato per la sua flessibilità, alta precisione e alta affidabilità. Gli utenti possono configurare ciascun canale in modo indipendente tramite il software di configurazione rack 3500 per eseguire diverse funzioni di monitoraggio, tra cui vibrazione radiale, eccentricità, REBAM (monitoraggio dell'attività del cuscinetto rotante), posizione di spinta ed espansione differenziale. Il modulo è configurato e gestito in Coppie di Canali; I canali 1 e 2 formano una coppia, mentre i canali 3 e 4 formano un'altra coppia. Ciascuna coppia di canali può eseguire una funzione di monitoraggio, consentendo a un singolo modulo 3500/40M di supportare contemporaneamente due diverse applicazioni di monitoraggio.
2. Caratteristiche principali e principi funzionali dettagliati
2.1 Funzione principale: condizionamento del segnale e generazione di parametri
Il 3500/40M non è semplicemente un ripetitore di segnale; è un sofisticato centro di elaborazione del segnale. Il suo flusso di lavoro principale è il seguente:
Ingresso segnale e alimentazione: il modulo accetta segnali di tensione analogici grezzi da un massimo di quattro trasduttori di prossimità. Allo stesso tempo, il pannello frontale fornisce un connettore coassiale di uscita del trasduttore bufferizzato per ciascun canale, che è protetto da cortocircuiti e può fornire circa ~24 Vca di alimentazione del trasduttore per alimentare direttamente i prossimità, semplificando il cablaggio del sistema.
Condizionamento e filtraggio del segnale: il segnale grezzo in ingresso contiene ricche informazioni dinamiche della macchina ma è anche mescolato con vari rumori. Il 3500/40M incorpora un potente processore di segnale digitale e banchi di filtri programmabili dall'utente per condizionare con precisione il segnale.
Calcolo dei valori statici: i segnali condizionati vengono utilizzati per calcolare vari parametri noti come valori statici. Questi valori sono le misurazioni che riflettono lo stato della macchina e costituiscono la base per le decisioni sugli allarmi. A seconda della configurazione del canale vengono generati diversi valori statici. Ad esempio, un canale configurato per la vibrazione radiale può generare più valori statici tra cui Diretto (intervallo), Ampiezza 1X, Fase 1X, Ampiezza 2X, Fase 2X, Ampiezza non 1X e Ampiezza Smax, che descrivono la condizione di vibrazione del rotore da diverse dimensioni.
Decisione e output dell'allarme: gli utenti possono impostare setpoint di avviso per ciascun valore statico attivo e selezionare due valori statici qualsiasi tra i più critici per impostare setpoint di pericolo. Il monitor confronta continuamente i valori statici calcolati in tempo reale con questi setpoint. In caso di superamento, il modulo, in base alla logica di ritardo dell'allarme configurata, attiva le corrispondenti uscite di allarme, pilotando sistemi di allarme o di arresto esterni tramite moduli relè, ottenendo così la protezione del macchinario.
2.2 Principi di funzionamento dettagliati per ciascuna funzione di monitoraggio
a) Vibrazione radiale
Principio: misura lo spostamento delle vibrazioni dell'albero rispetto all'alloggiamento del cuscinetto utilizzando due sensori a correnti parassite montati a 90 gradi l'uno dall'altro. Questo è un parametro chiave per valutare il bilanciamento del rotore, l'allineamento e i difetti di sfregamento nella fase iniziale.
Elaborazione del segnale:
Filtro diretto: programmabile dall'utente, fornisce una risposta in frequenza a banda larga da 4 Hz a 4000 Hz o da 1 Hz a 600 Hz, catturando il livello di vibrazione complessivo.
Filtro gap: un filtro passa-alto (~3 dB a 0,09 Hz) utilizzato per estrarre e monitorare la tensione gap media (gap CC) del trasduttore. Questa tensione è direttamente correlata alla posizione media dell'albero all'interno del cuscinetto e può essere utilizzata per monitorare processi lenti come i cambiamenti nello spessore del film d'olio.
Filtri vettoriali 1X e 2X: utilizzano filtri passa banda Q costanti ad alto Q (fattore di qualità) per estrarre con precisione i componenti di vibrazione sincroni con la velocità di funzionamento (1X) e con il doppio della velocità di funzionamento (2X). La loro reiezione della banda di arresto arriva fino a ~57,7 dB, isolando efficacemente le interferenze da altre frequenze, consentendo un calcolo preciso di ampiezza e fase per il bilanciamento dinamico e l'analisi dell'allineamento.
Filtro Not 1X: un filtro notch a Q costante utilizzato per respingere la componente 1X, estraendo in tal modo le componenti di vibrazione non sincrone (ad es. oscillazioni subsincrone, vortici d'olio).
Filtro Smax: identifica la componente di frequenza con l'ampiezza massima all'interno di un intervallo di frequenza compreso tra 0,125 e 15,8 volte la velocità di funzionamento, aiutando a identificare importanti problemi di vibrazione non sincrona.
b) Posizione di spinta
Principio: utilizza uno o più trasduttori di prossimità per misurare la posizione del collare reggispinta, monitorando il movimento assiale del rotore in macchinari rotanti (ad esempio turbine a vapore, compressori centrifughi) per evitare il contatto tra giranti e componenti fissi.
Elaborazione del segnale: utilizza principalmente il filtro diretto (~3 dB a 1,2 Hz) e il filtro gap (~3 dB a 0,41 Hz), concentrandosi sullo spostamento assiale che cambia lentamente e sulla tensione gap media.
c) Espansione differenziale
Principio: Misura la differenza di dilatazione termica tra il rotore della macchina e l'involucro (parte stazionaria). Fondamentale per turbine di grandi dimensioni e altre apparecchiature con processi di avvio/spegnimento lenti per prevenire collisioni interne dovute all'espansione differenziale.
Elaborazione del segnale: simile a Thrust Position, utilizza filtri diretti e gap a bassa frequenza per monitorare il lento processo di espansione. La sua sensibilità di ingresso è generalmente inferiore (0,394 mV/μm) per consentire la misurazione dello spostamento su un ampio intervallo.
d) Eccentricità
Principio: misura la curvatura dell'albero (eccentricità meccanica) o la flessione temporanea dovuta a riscaldamento non uniforme (eccentricità termica) a basse velocità, in particolare durante il funzionamento dell'ingranaggio di rotazione.
Elaborazione del segnale: utilizza il filtro diretto (~3 dB a 15,6 Hz) e il filtro Gap (~3 dB a 0,41 Hz) per catturare l'arco dell'albero statico o dinamico lento a basse velocità.
e) REBAM (Monitoraggio dell'attività dei cuscinetti volventi)
Principio: Progettato specificatamente per monitorare i danni in fase iniziale nei cuscinetti volventi. Rileva i difetti dei cuscinetti analizzando l'energia di vibrazione attorno alle frequenze di guasto caratteristiche (ad esempio, frequenza di passaggio della sfera sulla pista esterna (BPFO), frequenza di passaggio della sfera sulla pista interna (BPFI), frequenza di rotazione della sfera (BSF)).
Elaborazione del segnale: questa è una delle modalità di elaborazione più complesse, che coinvolge un set dedicato di filtri:
Spike Filter: un filtro passa-alto programmabile (da 0,152 a 8678 Hz) utilizzato per estrarre segnali di impatto ad alta frequenza.
Filtro elemento: un filtro passa banda programmabile la cui frequenza centrale viene calcolata in base ai parametri del cuscinetto immessi dall'utente (ad esempio, BPFO), utilizzato per monitorare direttamente la frequenza di guasto di componenti specifici del cuscinetto.
Filtro rotore: un filtro passa-basso programmabile (da 0,108 a 2221 Hz).
L'uso combinato di questi filtri isola in modo efficace le informazioni caratteristiche sui guasti dei cuscinetti dai segnali di vibrazione complessi, generando vari valori statici tra cui Spike, Elemento, Rotore, Diretto, Gap, Ampiezza 1X e Fase 1X per una valutazione completa della salute dei cuscinetti.
2.3 Funzione di tracciamento e stepping del filtro
Per i filtri che dipendono dalla velocità di funzionamento (ad esempio, filtri vettoriali 1X, 2X), il 3500/40M dispone di una funzione avanzata di tracciamento/passo del filtro. Quando il modulo riceve un segnale di velocità Keyphasor valido, i filtri possono passare automaticamente tra i set di filtri predefiniti in base alle variazioni della velocità effettiva dell'albero. Per esempio:
Condizione iniziale: utilizza il set di filtri nominali configurato per la velocità nominale.
Diminuzione della velocità: passa al set di filtri inferiore ottimizzato per le basse velocità quando la velocità attuale dell'albero ≤ 0,9 x (velocità nominale dell'albero).
Aumento della velocità (da basso): ritorna al set di filtri nominali quando la velocità attuale dell'albero ≥ 0,95 x (velocità nominale dell'albero).
Aumento della velocità (dalla nominale): passa al set di filtri superiore ottimizzato per velocità elevate quando la velocità attuale dell'albero ≥ 1,1 x (velocità nominale dell'albero).
Diminuzione della velocità (dall'alto): torna al set di filtri nominali quando la velocità dell'albero attuale è ≤ 1,05 x (velocità nominale dell'albero).
Errore del segnale di velocità: in caso di perdita di un segnale di velocità valido, il modulo utilizza automaticamente il set di filtri nominali, garantendo la continuità del monitoraggio.
Questa funzione garantisce che durante l'avvio della macchina, l'arresto per inerzia o le fluttuazioni di velocità, i filtri funzionino sempre entro l'intervallo di risposta in frequenza ottimale, garantendo una misurazione accurata dei componenti delle vibrazioni.
2.4 Precisione e prestazioni
Il 3500/40M offre una precisione di misura eccezionale. A +25°C, per la maggior parte delle misurazioni Dirette, Gap, 1X e 2X, la precisione tipica è entro ±0,33% del fondo scala, con un massimo di ±1% del fondo scala. La precisione di fase per il filtro vettoriale 1X arriva fino a un errore massimo di 3 gradi. Questo elevato livello di precisione fornisce una base dati affidabile per una diagnosi precisa dei guasti e decisioni affidabili in materia di protezione.
2.5 Allarmi e Ritardi
Setpoint di allarme: i setpoint di avviso e pericolo per ciascun valore statico possono essere regolati tramite software dallo 0 al 100% del fondo scala. La precisione delle soglie di allarme stesse rientra nel ±0,13% del valore desiderato.
Ritardi allarme: per evitare falsi allarmi, gli utenti possono programmare ritardi di allarme.
Per parametri come Vibrazione radiale e Spinta, i ritardi di avviso possono essere impostati da 1 a 60 secondi (a intervalli di 1 secondo) e i ritardi di pericolo possono essere 0,1 secondi o da 1 a 60 secondi (a intervalli di 0,5 secondi).
Per REBAM, l'intervallo di ritardo è più ampio, da un valore minimo calcolato fino a 400 secondi, tenendo conto della natura potenzialmente intermittente dei segnali di guasto dei cuscinetti.
3. Caratteristiche hardware e opzioni di configurazione
Struttura del modulo: segue l'architettura del modulo 3500 standard, composta da un modulo monitor principale a tutta altezza (installato nella parte anteriore del rack) e un modulo I/O corrispondente (installato nella parte posteriore del rack).
Tipi di moduli I/O: sono disponibili tre opzioni chiave di moduli I/O per soddisfare le diverse esigenze di installazione e ambientali:
Modulo I/O con terminazione interna: tutto il cablaggio viene effettuato tramite le morsettiere integrate del modulo, offrendo una struttura compatta.
Modulo I/O con terminazioni esterne: si collega tramite cavi a blocchi di terminazione esterni separati, facilitando la manutenzione e l'isolamento in ambienti difficili.
Modulo I/O con barriere interne: integra barriere di sicurezza intrinseca, consentendo l'utilizzo del monitor in aree pericolose (ad es. Classe I, Divisione 2/Zona 2) senza barriere esterne discrete. Questa è la chiave per ottenere certificazioni per aree pericolose come ATEX, IECEx e cNRTLus.
Indicazione di stato: il pannello frontale fornisce più indicatori LED, tra cui OK (funzionamento normale), TX/RX (comunicazione tra moduli) e Bypass (modalità bypass attiva), consentendo una rapida diagnostica sul campo dello stato del modulo.
4. Idoneità ambientale, certificazioni e applicazioni
Limiti ambientali: ampio intervallo di temperature operative, da -30°C a +65°C se utilizzato con moduli I/O di terminazione interna/esterna e da 0°C a +65°C se utilizzato con il modulo I/O a barriera interna.
Certificazioni di conformità: il modulo è conforme a numerosi standard internazionali, tra cui FCC, direttiva EMC, direttiva sulla bassa tensione, direttiva RoHS e possiede certificazioni marine da DNV GL e ABS, nonché certificazioni per aree pericolose come ATEX, IECEx e cNRTLus.
Scenari applicativi: Il 3500/40M è una pietra angolare per la protezione delle apparecchiature rotanti critiche in tutti i settori, ampiamente utilizzato in:
Produzione di energia: turbine a vapore, turbine a gas, generatori, turbine idroelettriche.
Petrolio e gas: compressori per tubazioni, turbine a gas, gruppi di pompe.
Industrie chimiche e di processo: compressori vari di grandi dimensioni, turbomacchine.
Sistemi di propulsione marina.
