MAKİNA TİTREŞİMLERİ [VİBRASYON]-SÜREKLİ İZLEME SİSTEMLERİ [MONİTÖRÜ] R.Kubilay KÖSE ÖZET Makina titreşimleri, sabit sürekli izleme sistemleri, akıllı sensörler ve elde taşınan cihazlar ile ölçülebilir. Kritik makinaların titreşimlerinin sürekli izlenmesi bir zorunluluktur. Çünkü, o makina bir arıza nedeni ile durduğunda üretim duracaktır. Ya da, hattaki tüm ürün işe yaramaz hale gelecektir, hurdaya ayrılacaktır. Ya da, küçük bir arıza hızla büyüyerek büyük hasarlar oluşturacaktır. Türbin, kompresör, kimi işletmelerde fanlar pompalar bu kapsamda izlenecek makinalara örnek olarak sunulabilir. Kritik makinaların el tipi cihazlar ile ayda bir haftada bir gibi aralıklarla ölçümü, ancak yokluk ve imkansızlık içinde yada konu bilinmiyor ise yapılmaktadır. Türbin gibi kritik makinaların satışında, alıcı özellikle istemediği sürece, satıcı Sürekli Titreşim İzleme düzeneğini teklifine katmamaktadır. Sürekli Titreşim İzlemenin değişik uygulama metotları vardır. Karar verecek teknik kadro öncelikle tercihini ve ihtiyacını açıkça ortaya koymalıdır. Titreşim verisi, statik rakama kolayca indirgenebilen bir veri değildir. Bunun için çeşitli metotlar uygulanır. 1. SÜREKLİ TİTREŞİM İZLEME SİSTEMLERİ Makina Titreşimi Sürekli İzleme Sistemleri kendi içinde ikiye bölünür. 1- Set edilen sınır aşılınca uyarma/durdurma (Shut Down / Trip) monitörleri 2- Sürekli Makina Sağlığı izleme monitörleri 1.1 Uyarma / durdurma monitörleri Titreşim sensöründen gelen tek rakama indirgenmiş verinin sürekli izlendiği sistemdir. Durduğunda, prosesin durmasına neden olacak ve/yada bir arızanın domino etkisi ile daha büyük ve daha maliyetli arızalara ve hasarlara neden olacağı makinaların izlenmesinde tercih edilir. Literatürde Shut-Down/Trip Ettirme sistemi olarak geçmektedir. Her sensörden gelen titreşim rakamı canlı olarak sürekli izlenir. Belirlenen set değerlerinin aşılması durumunda rölelerin aktive edilmesi ile sesli
ışıklı uyarı ya da makinanın durdurulması amacı ile kullanılır. Tüm Türbinlerde standart olarak bulunmalıdır Arıza Uyarısını Alındığı an Teşhis Süresi Makina ömrü Parça Onarım Temini Süresi Zaman ekseni Duruş Devreye Giriş Şekil 1. Uyarma/Durdurma sistemi süreci Her kanal ile sürekli titreşim rakamı izlenir. Monitör üzerinde her kanalın kendi elektronik düzeneği ve kendi sensörü mevcuttur. Bu nedenle, o kanala ait okunan değer sürekli görüntülenebilir. - İki adet alarm sınırı set edilebilir. (Uyarı sınırı, Arıza sınırı) - İki adet röle çıkışı bulunur. Alarm sınırı geçilince bu röleler aktive edilerek, sesli-ışıklı uyarılar verilebilir, makina durdurulabilir. Kimi monitörlerde 4-20 ma çıkış özelliği vardır. Bu çıkış, bir yazıcı (recorder) ile kaydedilebilir, bir PLC ye aktarılarak merkezi kontrol ekranına titreşim değeri gönderilebilir. Ancak, bu sistemler, sadece titreşim değerinin artışı bilgisini verir. Nedeni hakkında bilgi vermez. Çünkü toplam titreşim tek bir rakama dönüştürülür. {Bir benzetimle, pazardan çeşitli kilolarda elma, armut, muz, üzüm gibi meyveler aldığımızı ve bunları bir fileye koyduğumuzu düşünelim. Titreşim sadece tek rakamla ölçülmesi, bu filenin toplam ağırlığı olacaktır. Bu veri, ne file içindeki meyvelerin cinsini ne de onların ağırlıkları vermez. Sadece toplam şu ağırlıkta meyve var diyebilir.} Uyarma/Durdurma Monitörleri, kullanılan sensöre bağımlı olarak kendi içinde 2 ye bölünür. 1- Akselerometre sensörü ile izleme 2- Proximity sensörü ile izleme
1.1.1. Akselerometre sensörü ile izleme: Standart bir frekans aralığındaki (ISO Normunda 10 Hz 1000 Hz) toplam titreşimin tek rakama dönüştürülerek izlendiği sistemdir. Sensör tipine göre, ölçüm birimi Hız [mm/san], yada İvme [G s], olabilir. Montajı kolaydır. Makina çalışırken monte edilebilir. Akselerometre, makina üzerine saplama ile monte edilir. Sabit sensör takip edilecek öncelikli arızaya göre yatay yada dikey konumda, yatağa en yakın yere sabitlenir. Mevcut makinalara bu tip uygulamalarda, üzerinde saplama yuvası olan, sarı malzemeden yapılma 15-20 mm çap 10-15 mm yükseklikte bir disk Loctite 330 metal yapıştırıcı ile yapıştırılır. Akselerometre bu diske bağlanır. Kendi içinde 2 ye bölünür. 1- Sensör makina yanında bulunan bir monitöre bağlanır. Titreşim bu monitörle izlenir, set değerleri aşılınca röleler çekilerek sesli ışıklı uyarı alınır yada o makina durdurulur. Sensör Monitör RÖLE ÇIKIŞLARI Vibrasyon sensörü ile veri monitöre gönderilir. Şekil 2. Titreşimi sürekli ölçen, alarm sınırları geçilince Röle ile çıkış veren monitör örneği 2-4-20 ma çıkış veren Sensör, işletmede mevcut merkezi izleme sistemine PLC ile direk bağlanabilir. Bu durumda, birinci seçenekteki monitöre gerek kalmaz. Bu yatırım maliyetini düşürür.
4-20 ma sinyal PLC yada Recorder SCADA Şekil 3. 4-20 ma çıkışının PLC yada Recorder a bağlantı şeması 1.1.2. Proximity sensörü ile izleme Kaymalı yataklı makinaların izlenmesinde uygulanır. Proximity ucundaki manyetik alan kullanılarak, mil ile olan deplasman-mesafe ölçülür. Bu tür sensörler ABD de kullanılan API 670 standartlarında Türbinler için bir mecburiyettir. Çok eski yıllardan bugüne kullanılan bir metottur. Sensör ucu ile mil arasındaki salınım arttığında, makinanın durdurulması amaçlanır. Kaleme benzer şekildeki Proximity sensörleri sadece kaymalı yataklı uygulamalarda, bir yatakta radyal yönde 90 derece açı ile iki adet takılarak kullanılır. Şekil 4. İki Proximity sensör 90 derecede montaj örneği Montaj yerleri, makina imalatı aşamasında hazırlanmalıdır. Sonradan makina yatağı üzerine modifikasyon yaparak montajı oldukça zor ve maliyetlidir. Bu nedenle, Türbin gibi kaymalı yataklı, kritik makina alımlarında Proximity sensörü takılacak yerin hazır olması istenmelidir.
1.1.3. Mekanik Vibrasyon Switch i Direk makina üzerine monte edilir. Bir besleme ihtiyacı yoktur. İçlerinde bulunan mekanik düzen, bu bir bilya olabilir, titreşim artınca düşer. Bu şekilde kontak sağlanarak makina durdurulur. Sürekli izleme çıkışı yoktur.eski bir metottur. Uzun süre aktive olmadığında korozyon nedeni ile sistem kilitlenir ve çalışmaz hale gelebilir. Günümüzün elektronik teknolojisi sonucu gelişen akselerometreler nedeni ile artık kullanım azalmıştır.. 2. SÜREKLİ MAKİNA SAĞLIĞI İZLEME MONİTÖRLERİ Uyarma/Durdurma monitörlerinden farkı, veri rakam yerine analiz grafikleri ile izlenir. Gelen veri nedeni ile makina durdurulmaz, önce Analiz edilir, analiz sonucu, gerekli görülür ise makina durdurulur. Arıza makina çalışma şartlarında, makina durmadan önce teşhis edilir. Tıpkı bir doktorun insanı canlı muayene etmesi gibi. {Uyarma/Durdurma Monitörleri maddesinde bahsedilen file örneğinde, bu sistemle o filede, hangi meyveden kaç kilo olduğu belirlenir} Uyarma/Durdurma sistemi ile durdurulan makinada, bakımcı otopsi benzeri uygulama ile arızayı belirlemeye ve onu onararak tekrar yaşama döndürmeye çalışır. Bunun içinde operatör olması gerekir. Her seferinde ameliyat yapmak zorundadır. Makina Sağlığı İzleme sistemi ise, teşhisin makina canlı iken yapılmasına yada canlı iken kaydedilen analiz grafikleri ile yapılmasına, bu suret ile teşhis süresinin kısalmasına yardımcı olur. Teşhis süresini kısaltır. Arıza kaynağının kesin belirlenmesini sağlar. Şekil 5. Kayış tahrikli fan
Şekil 5 de yer alan makinada çıkabilecek sorunlar, - Fanda ve/yada Kasnakta Balanssızlık, - Fan Rulmanlarında arıza, - Kayış kasnak ayarsızlığı ve Kayış problemi - Motorda elektriksel sorunlar - Motor ve/yada Kasnakta Balanssızlık - Motor Rulmanlarında arıza Bu sorunlar, rakamla titreşim izlendiğinde ayırt edilemez. Uyarma/Durdurma sistemi alarm verdiğinde yada makinayı durdurduğunda, bakımcı kendi sezgileri ile sorunu anlamaya ve çözmeye çalışır. Sürekli Makina Sağlığı İzleme Monitörü, her sorunu kendi içinde trend eğrileri ile takip eder. Şekil 6. FFT spektrum grafiğinin dalgaformu grafiğinden türetilmesi Her arıza farklı frekansda kendini gösterir. FFT Spektrum bu ayırımı yapar. Bir örnekleme olarak, müziğin notalarının ayrılması şeklinde algılanabilir.
Frekans Bandları Trendleri {Bu şekilde seçilen 12 frekans bandı aralığına ait rakamsal değer trendi izlenir} Alt Harmonik 1X 2X Rulman Rulman Dişli Rulman Genlik 1xRPM 2xRPM 10-20xRPM 10.5 mm/s Balanssızlık Trendi 3.5 mm/s Rulman Trendi Alarm Periyod (Gün) Periyod (Gün) Şekil 7. Frekans bandının alt bandlara bölünmesi ve bu bölümlerin rakamla trendinin izlenmesi Olası arıza frekansları kendi içinde alt rakamlara çevrilir ve bu verilerin trendi izlenir. Şekil 8. Her arıza bölgesi için kendi içinde alarm değerleri belirlenir.
Uyarma/Durdurma sistemleri geniş frekans aralığının tümünü rakama çevirir. Bu durumda, kimi arıza nedenleri {Balanssızlık gibi} toplam değere daha fazla katkı verirken, kimi arıza kaynakları {rulman arızası gibi} ise göreceli olarak daha az katkıda bulunur. Bu nedenle uyarma/durdurma sistemleri çok genel bir bilgi verir ve bir kısım arızaların önüne geçilebilmesine yardımcı olmaz. Ancak arızalar çıktıktan sonra duyarlılık gösterebilir. Bu bir işletmeci için yeterli olabilir. Ancak Sistem neden Trip etmiştir? Bir bakımcı için durum içinden çıkılması çok zor açmazlarla dolu olabilir. 6 5 A1 - Exhaust Fan #1 EXFAN#1 -B1H INBOARD BEARING #1 - HORIZONTAL FAULT Trend Display of Overall Value PK Velocity in mm/sec 4 3 2 ALERT 1 0 0 30 60 90 120 Days: 03-Ağu-93 To 30-Kas-93 Date: 01-Eyl-93 Time: 20:49:51 Ampl: 1.054 Şekil 9, Genel ölçüm trendi izlenerek arızaların ancak bir kısmı algılanır. Şekil 9 daki trend grafiğinde görüldüğü üzere genel değerde, eğilimi az bir artış görülmekte, ancak alarm ve arıza sınırı geçmediği için uyarı vermemektedir. Aynı noktanın, Makina Sağlığı İzleme sisteminde, arıza kaynaklarına yönelik alt parametreler ile izlenmesinde, arıza nedeni şekil 10 da yer aldığı gibi ayırt edilebilmektedir.
Amplitude (Mixed Units) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 A1 - Exhaust Fan #1 EXFAN#1 -B1H INBOARD BEARING #1 - HORIZONTAL = High Freq Band G-s = Bearing Band 2 mm/sec = Bearing Band 1 mm/sec = Looseness Band mm/sec = Misalign Band mm/sec 0.5 = Imbalance band mm/sec 0 0 30 60 90 120 Days: 03-Ağu-93 To 30-Ara-93 = Overall Value mm/sec Şekil 10, Arıza bölgelerinin kendi içinde trendlerinin izlenmesi, genel değere yansımayan arıza artışlarının belirlenmesini sağlar. PK Velocity in mm/sec Max Amp 3.28 A2 - Blower #1(Inner Race Fault) BLWR#1 -B2A BLOWER BEARING #2 - AXIAL 10-Ara-96 21:14:30 19-Kas-96 21:21:35 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 30-Ara-96 14:41:59 28-Ara-96 19:48:28 24-Eki-96 18:43:17 0 40 80 120 160 200 240 Frequency in kcpm 25-Eyl-96 17:16:07 Şekil 11, Periyodik kaydedilen FFT spektrum grafikleri karşılaştırması
Artış olduğunda, periyodik kaydedilen FFT Spektrum grafikleri karşılaştırılarak, değişken ve o değişkene neden olabilecek problem belirlenir. Bu yaklaşımda amaç, teşhis süresini öne almak, arıza oluşmadan arıza kaynağının belirlenerek, onarım faaliyetini planlamak, gerekli yedek parça ve o konuda uzman işgücünü bir araya getirerek arıza büyümeden önüne geçmektir. Bakımcı sorunu, verilerin analiz sonucu yapılan teşhise göre çözümler, Arıza Uyarısını Alındığı an Teşhis Süresi Makina ömrü Parça Onarım Temini Süresi Duruş Zaman ekseni Devreye Giriş Şekil 12, Sürekli makina sağlığı izleme süreci 2.1 Sürekli Makina Sağlığı İzleme Sistem Düzeni Genelde, her yatağa 1 vibrasyon sensörü (ICP akselerometre) yataklar üzerine saplama ile sabitlenir. Bu sensörlerin kablosu bir bağlantı kutusuna bağlanır. Bağlantı kutusu izleme monitörüne bağlanır. Şekil 13. Makine yataklarına sabit sensör montajı, örneği Şekil 14. Akselerometre
Sürekli Makina Sağlığı İzleme Monitörü, aynı anda bir yada iki sensörden gelen veriyi çözümler. Önünde yer alan tarayıcı (Mux), belirli sırada, sistemine göre dakikada yada saniyede bir başka bir sensöre sistemi bağlar. Bu şekilde saniyeler içinde birden fazla kanaldan gelen sinyaller işlenebilir. Titreşim analiz grafikleri kaydedilir. Parametre trendleri izlenir. Şekil 15. Network ortamında, izleme monitörleri işlenmiş bilgiyi ana terminale taşır. Buna benzer bir sistem seçiminde, monitörün aynı noktayı ikince kez ne kadar süre sonra ölçebildiği araştırılmalıdır. Aynı noktaya tekrar ölçüm sırası kimi monitörlerde saniyeler içinde gelmekte iken kimi monitörlerde bu 15 dakikayı bulabilmektedir. Kritik bir makinanın 15 dakikada bir ölçümle izlenmesi düşünülemez. Şekil.16. Trende ve Spektrum grafiklerini içeren Örnek monitör ekranları.. 2.2. Akıllı sensörde biriken bilginin alınması
Sürekli izleme sistemlerinin kurulum maliyetinin yüksek olması nedeni ile Akıllı Sensörler tercih edilebilecek uygulamadır. Sensör sürekli ölçümlerini yaparak FIFO ilk giren ilk çıkar mantığında, veriyi hafızasına yazar. Belirli aralıklar ile ya da uyarı verdiğinde, akıllı sensör yanına gidilerek yada uzaktan bağlanılarak veriler hafızadan çekilir ve analiz edilir. FFT Spektrum ve Dalgaformu grafikleri ile analiz yapılmasına imkan tanır. Şekil 17. Akıllı sensör örneği Akıllı sensörler, kablo montaj maliyetlerinden büyük oranda tasarruf edinilmesini sağlar. Sürekli izleme sistemlerinde, maliyetin en büyük oranı, kullanılan bağlantı kabloları ve montajda kullanılan Konduit ve Kablo Tacıyıcıları ile bunların montaj işçiğidir. Akıllı sensörden röle çıkışı alınarak, izlenen kriterlerde bir artış olduğu alarm sınırı geçildiği uyarı, merkezi kontrol ekranına gönderilebilir yada ışıklı /sesli uyarı düzenleri aktive edilebilir. 3. SONUÇ Kritik makinalar, işletmenin kalbi konumdaki makinalar, durduklarında işletmenin durmasına neden olan makinalar, Sürekli Titreşim İzleme sistemleri ile takip edilmelidir. Sürekli çalışan işletmelerde, üretim kayıplarının önüne bu şekilde geçilecek, daha ucuza daha kaliteli ve daha fazla ürün üretetilebilecek, sonuç olarak işletme daha çok kâr edebilecektir. Özellikle, Elektrik Üretim Tesislerinde, Türbinler ve Besleme Suyu Pompaları, teşhisin önceden yapılabileceği Sürekli Makina Sağlığı İzleme Sistemleri ile takip edilmelidir. Varsa mevcut uyarma/durdurma sistemleri geliştirilmelidir. KAYNAKLAR 1. Crawford, Arthur R., The Simplified Handbook of Vibration Analysis, Vol 1 & 2, 1992 CSI Computational Systems Inc 2. Wowk, Victor, Mechinery Vibration, Measurement and Analysis, 1991 McGraw Hill ISBN 0-07-071936-5
3. Emerson Process Management / CSI Division-USA, Çeşitli Teknik dökümanları 4. TOPAZ Ltd Şti Çeşitli teknik dökümanları