A placa de monitoramento de vibração IS200VVIBH1C é um componente central de monitoramento e proteção de vibração dentro do sistema de controle de turbina GE Mark VI. Atuando como o “estetoscópio” do sistema, ele foi projetado especificamente para adquirir, processar e analisar vários sinais de vibração e posição de peças críticas de máquinas de turbinas (como rolamentos, munhões de eixo e colares de impulso). Esta placa se conecta através de placas terminais TVIB ou DVIB a até 14 tipos compatíveis de sondas Bently Nevada® (incluindo sondas de proximidade, sensores de velocidade, acelerômetros, transdutores sísmicos e sondas Keyphasor®), permitindo monitoramento contínuo e de alta precisão do status operacional da turbina. Sua principal missão é prevenir danos ao equipamento e garantir a operação segura e estável de grandes máquinas rotativas, detectando vibrações mecânicas anormais e mudanças de posição e emitindo alarmes oportunos ou até mesmo sinais de disparo. Seja para turbinas a gás ou a vapor, o VVIB oferece uma solução completa que vai desde proteção básica até análise avançada de vibração.
2. Funções essenciais e princípios detalhados
A funcionalidade do IS200VVIBH1C vai muito além da simples aquisição de sinal. Ele incorpora algoritmos complexos de processamento de sinais e lógica de proteção multicamadas, com seus princípios profundamente integrados à tecnologia de sensores, processamento digital de sinais e engenharia de sistemas de controle.
2.1 Aquisição e digitalização de sinal multicanal
Isso forma a base para todas as funções avançadas. O VVIB atua como um sistema de aquisição de dados multicanal de alto desempenho.
Princípio Técnico:
Interface e Expansão: Uma única placa de processador IS200VVIBH1C pode se conectar simultaneamente a duas placas terminais TVIB, expandindo assim o total de canais de monitoramento para 26. Cada placa terminal TVIB fornece 13 canais: 8 para medição de vibração, 4 para medição de posição e 1 dedicado ao sinal Keyphasor. Este projeto fornece amplas interfaces para monitorar rotores grandes e com vários rolamentos.
Condicionamento de sinal e fonte de alimentação: A placa terminal TVIB não apenas fornece pontos de terminação de sinal, mas também fornece a energia de excitação de -28 V CC necessária para sondas ativas (como os Proximitores necessários para sondas de proximidade). Nos sistemas TMR (Triple Modular Redundant), a alimentação é tornada redundante através de um circuito de diodo de alta seleção, garantindo que uma única falha na fonte de alimentação não afete o monitoramento. Amplificadores buffer na placa terminal fornecem condicionamento preliminar dos sinais analógicos brutos das pontas de prova, garantindo a integridade do sinal após transmissão de longa distância.
Conversão analógico-digital de alta precisão: Os sinais analógicos condicionados são transmitidos para a placa IS200VVIBH1C por meio de cabos blindados. A placa IS200VVIBH1C emprega um conversor A/D de aproximação sucessiva de 16 bits (com resolução efetiva de 14 bits) para amostrar todos esses canais de entrada em alta velocidade e simultaneamente. A taxa de amostragem é ajustada dinamicamente com base no número de canais configurados: um modo de varredura rápida de 4,6 kHz é usado quando 8 ou menos canais de vibração estão ativos, enquanto a taxa cai para 2,3 kHz para mais de 8 canais para equilibrar a carga de processamento. Essa técnica de amostragem simultânea garante que todos os dados do canal sejam capturados no mesmo instante, estabelecendo uma base crucial para análise de fase subsequente e detecção precisa de picos.
2.2 Cálculo dos parâmetros de vibração e posição
Os algoritmos principais do IS200VVIBH1C processam os sinais brutos digitalizados através de uma série de etapas para extrair valores de engenharia fisicamente significativos.
Princípio Técnico:
Cálculo e filtragem pico a pico: Para sinais de vibração (canais 1 a 8), o IS200VVIBH1C usa uma janela de tempo de 160 milissegundos para capturar a faixa dinâmica do sinal. Dentro desta janela, o firmware rastreia continuamente os valores máximo (Vmax) e mínimo (Vmin) do sinal, calculando sua diferença como o valor bruto pico a pico (Vpp). Para melhorar a relação sinal-ruído e atingir faixas de frequência específicas, o sinal também passa por filtros digitais configuráveis. O tipo de filtro ( FilterType ) pode ser selecionado com base no tipo de sensor, incluindo Nenhum, Passa-baixa, Passa-alta ou Passa-banda. Para transdutores sísmicos e de velocidade, filtros com atenuação acentuada de até 8 pólos podem ser configurados para moldar com precisão a resposta de frequência.
Extração de componente CC de intervalo/posição: Para sondas de proximidade, o sinal de saída contém um componente CC (representando o intervalo ou posição média) e um componente CA (representando vibração). O IS200VVIBH1C usa um filtro passa-baixa de segunda ordem com uma frequência de corte de 8 Hz para extrair suavemente o componente DC para funções de monitoramento de posição, como posição axial do rotor, expansão diferencial e excentricidade.
Escala da unidade de engenharia: Os valores de tensão calculados (seja AC Vpp ou DC Vgap) são convertidos em unidades de engenharia fisicamente significativas usando fatores de escala configurados pelo usuário (VIB_Scale) e deslocamentos (ScaleOff), por exemplo, mils para deslocamento e polegadas/segundo (pol/s) para velocidade. Isto permite que a lógica de controle e os operadores interpretem diretamente as medições.
2.3 Processamento Keyphasor e Medição de Velocidade
O Canal 13 foi projetado especificamente para processar o sinal Keyphasor, que é a base da análise avançada de vibração.
Princípio Técnico:
Princípio do Keyphasor: O Keyphasor é normalmente uma sonda de proximidade direcionada a uma chaveta ou entalhe no eixo. Cada vez que o rasgo de chaveta passa pela sonda, a lacuna muda abruptamente, gerando um sinal de pulso. Este pulso marca o ponto de fase de referência para cada revolução do rotor.
Detecção de pulso e cálculo de velocidade: O IS200VVIBH1C emprega um circuito comparador de hardware com histerese ajustável por software para capturar com precisão a borda ascendente de cada pulso Keyphasor. Esses pulsos são alimentados em um FPGA (Field-Programmable Gate Array), onde contadores internos medem com precisão o intervalo de tempo entre pulsos consecutivos. O firmware usa esse intervalo para calcular diretamente a velocidade instantânea do rotor (RPM). Em velocidades muito baixas, onde o comparador de hardware se torna não confiável, o código de tempo de execução analisa o próprio sinal de gap no canal 13 ( GAP13_KPH1 ) para contar os pulsos, garantindo uma medição precisa da velocidade em toda a faixa operacional.
2.4 Análise avançada de vibração (filtros 1X, 2X e de rastreamento)
O IS200VVIBH1C vai além do simples monitoramento geral de vibração, capaz de decompor o vetor de vibração para fornecer informações de nível de diagnóstico.
Princípio Técnico:
Modulação e Filtragem: O sinal de vibração bruto (por exemplo, do canal 1) é multiplicado por sinais de referência seno e cosseno derivados do sinal Keyphasor (em 1X ou 2X velocidade de operação). Este processo “converte para baixo” o componente de vibração na frequência 1X (ou 2X) para um nível DC, enquanto outros componentes de frequência são “convertidos para cima” para frequências mais altas.
Extração de vetor: Os sinais multiplicados passam por um filtro passa-baixa de 4 pólos com frequência de corte extremamente baixa (0,25 Hz), que remove todo o ruído de alta frequência, emitindo, em última análise, dois sinais DC representando as partes em fase (real) e quadratura (imaginária) do vetor de vibração 1X.
Cálculo de magnitude e fase: A magnitude de pico (Vib1Xy) da vibração 1X é obtida calculando a raiz quadrada da soma dos quadrados das partes real e imaginária. O ângulo de fase (Vib1xPHy) do vetor de vibração em relação ao pulso Keyphasor é obtido calculando o arco tangente da razão entre a parte imaginária e a parte real. Esta informação de fase é crucial para determinar a orientação do desequilíbrio ou desalinhamento do rotor.
Análise de componentes de vibração 1X e 2X: Esta função determina a magnitude e a fase dos componentes de vibração sincronizados com (1X) ou duas vezes (2X) a velocidade de operação. Seu núcleo é a tecnologia de demodulação síncrona (amplificação com bloqueio de fase).
Filtros de rastreamento: Esta função foi projetada para aplicações como turbinas a gás da série LM que usam acelerômetros. Seu princípio é semelhante à análise 1X/2X, mas em vez de travar na frequência do Keyphasor, ele pode rastrear dinamicamente três sinais de velocidade independentes ( LM_RPM_A, B, C ) fornecidos pelo controlador, desmodulando a amplitude de vibração ( LMVibxA, B, C ) nessas três velocidades específicas em tempo real. Isto é extremamente útil para monitorar unidades de múltiplos eixos ou comportamento de vibração ao passar por velocidades críticas.
2.5 Proteção multicamadas e verificação de limites
Todos os dados processados servem, em última análise, a função de proteção.
Princípio Técnico:
Configurabilidade: os usuários podem ativar ( SysLimxEnable ), definir o valor limite ( SysLimitx ), selecionar o tipo de verificação (maior que ou igual a ou menor ou igual a, SysLimxType ) e decidir se deve travar ( SysLimxLatch ) para cada bloco de limite. A função de travamento significa que, uma vez acionado, o estado do alarme permanecerá até ser redefinido manualmente, garantindo que condições anormais não sejam ignoradas.
Aplicação: Esses limites são utilizados para acionar diferentes níveis de alarmes (Warning) e disparos perigosos (Trip). Por exemplo, um valor de vibração que exceda o Limite1 pode desencadear um alarme de aviso para alertar o pessoal de manutenção, enquanto que exceder o Limite2 superior iniciará diretamente um disparo da unidade para encerramento de emergência.
Verificação de limite do sistema: Cada canal de vibração e posição é equipado com dois blocos de limite do sistema totalmente configuráveis.
Lógica de falha inteligente: O sistema incorpora lógica de intertravamento inteligente. Por exemplo, se for detectada uma falha na sonda com base no componente CC (por exemplo, circuito aberto ou em curto), o sistema pode inibir o disparo por vibração com base no componente CA, evitando um falso desligamento causado pela própria falha do sensor.
3. Especificações e interface de hardware
Capacidade de Canal: Suporta até 2 placas de terminal TVIB, totalizando 26 canais de monitoramento.
Compatibilidade da sonda: Suporta totalmente sondas de proximidade, velocidade, acelerômetro, sísmica e Keyphasor Bently Nevada.
Amostragem de Sinal: Conversor A/D de 16 bits, com taxas de amostragem de até 4,6 kHz (amostragem simultânea).
Fonte de alimentação: Fornece alimentação redundante de -28 V CC para Proximitores nas placas terminais.
Interface Física: Comunica-se com o controlador no rack VME e nas placas de terminais por meio de conectores tipo 'D' de 37 pinos com fixadores de travamento.
Interface de saída: A placa terminal TVIBH2A fornece conectores BNC para rotear sinais armazenados em buffer diretamente para equipamentos portáteis de aquisição de dados ou um sistema de monitoramento permanente Bently Nevada 3500, permitindo replicação de dados e análise avançada.
4. Diagnóstico e Manutenção
O IS200VVIBH1C possui recursos robustos de autodiagnóstico e diagnóstico do sistema.
Diagnóstico de hardware: Monitora continuamente os níveis de calibração do conversor A/D para garantir a precisão da medição; verifica os chips de identificação da placa terminal para evitar configuração incorreta de hardware; monitora sinais de entrada para condições fora do limite (circuito aberto ou curto).
Indicação de status: Fornece informações de status intuitivas por meio de LEDs no painel frontal para alimentação, status on-line, links de comunicação, alarmes de diagnóstico e avisos de temperatura excessiva.
Diagnóstico de software: Todos os status de limite do sistema e informações de falha da sonda estão disponíveis para o controlador Mark VI por meio de variáveis como L3DIAG_VVIB e podem ser exibidos e registrados no WorkstationST, facilitando a solução de problemas e a análise de dados históricos.
