iVP3 -
интеллектуальный вибродатчик

и системы раннего обнаружения дефектов на его основе

Зачем это нужно?

Крупные  промышленные предприятия, эксплуатирующие роторное оборудование и заинтересованные во внедрении передовых систем оптимизации жизненного цикла, сталкиваются со следующими проблемами:

  • Высокая стоимость имеющихся на рынке систем, делающая экономически нецелесообразным оснащение до 70% процентов парка роторного оборудования стационарными системами, которые потенциально могли бы быть ими оснащены при условии существенного снижения стоимости этих систем, что при нынешней архитектуре их построения невозможно.
  • Высокая стоимость «входа», приводящая к тому, что предприятия не могут сделать пилотное внедрение систем с целью получения значимой информации о целесообразности широкомасштабного применения систем подобного класса на предприятии.
  • Моральное устаревание систем еще до ввода в эксплуатацию
  • Высокая стоимость жизненного цикла этих систем.

Устранение перечисленных недостатков могло бы, по нашим оценкам, увеличить емкость рынка систем раннего обнаружения дефектов роторного оборудования на порядок. Сейчас в годовом выражении Российский рынок оценивается нами в величину порядка 5-7 млрд. руб.

Что мы предлагаем?

IVP3 - интеллектуальный вибродатчик

Нашей фирмой ООО «НПП ВартПро» разработан подход, позволяющий устранить все недостатки существующих на рынке систем и дать рынку бюджетную ультрасовременную систему, построенную с учетом самых последних достижений в сфере цифровизации.

Система состоит из трех компонентов:

  • Интеллектуальный датчик вибрации iVP3
  • Облачная система iVPCloud
  • Средство построения пользовательских интерфейсов iVPScada.

iVP3 — это единственный нестандартный аппаратный компонент в канале вибрации. Общий вид датчика показан на рисунке.

Размеры

По габаритам датчик не отличается от обычного промышленного пъезоэлектрического датчика и имеет идентичные присоединительные размеры.

Высокопроизводительный цифровой процессор

Датчик снабжен высокопроизводительным цифровым процессором BlackFin. Это позволяет осуществлять не только оцифровку, но и глубокую цифровую обработку сигнала. Реализована цифровая фильтрация в системных и пользовательских полосах, интегрирование сигнала, вычисление большого набора детекторов (СКЗ, пик, размах), выделение огибающей, спектральная обработка.

Неограниченное количество измерений

В датчике производится расчет конфигурируемых пользователем диагностических признаков дефектов, число которых практически неограниченно.

Интерфейсы и защита

Датчик оснащен интерфейсом Ethernet PoE тип A. Поддерживаются протоколы http, udp, tcp, mqtt. Работа по публичным каналам связи осуществляется по защищенному соединению (TLS v1.2). При взаимодействии с облаком поддерживается аутентификация и авторизация каждого датчика. Датчик имеет взрывозащищенное исполнение (1Exd).

Синхронизация

Датчики могут синхронизировать взятие отсчетов с точностью в пределах нескольких микросекунд, что позволяет реализовывать диагностику по фазовым характеристикам в различных точках агрегата без использования отметчика оборотов.

iVP3

Общий вид датчика (проект)

преимущества

Типовые компоненты

Радикально сократить номенклатуру нетиповых компонентов на объекте. Для сбора информации с датчика не нужно никаких специализированных устройств, кроме него самого. Эти устройства (элементы промышленных ЛВС) широко доступны на рынке, обладают высокой надежностью и низкой ценой. Имеется большой выбор альтернативных поставщиков.

Простота обслуживания

Радикально упростить обслуживание системы. Это смогут сделать специалисты АйТи подразделения предприятия. Никакие специальные знания и навыки, помимо тех, которыми обладают эти специалисты, не требуется.

Сокращение трафика

Существенно сократить трафик по сети. По самым консервативным подсчетам, можно ужать трафик на два порядка. Объяснение этой особенности будет дано в описании сервиса iVPCloud.

Сокращение затрат

Существенно упростить интеграцию данных в существующие у эксплуатанта системы в случае, если у него возникнет желание не использовать облачные компоненты нашего решения.
Получить легко-, а в случае применения облака — неограниченно масштабируемое решение без необходимости несения дополнительных капитальных затрат.
Существенно сэкономить на проектных, монтажных и пусконаладочных работах. В случае облачного развертывания вся пусконаладка выполняется дистанционно.

IVP3 Smart Vibration Sensor

Вибродатчик iVP3

iVPCloud

Несмотря на то, что iVP3 спроектирован таким образом, чтобы сделать его применение эффективным по традиционной схеме (on-premise, когда вся инфраструктура верхнего уровня развертывается на физических мощностях эксплуатанта), настоящая мощь этого этого устройства проявляется при его применении в сочетании с iVPCloud.

IVPCloud представляет собой систему, построенную с использованием стандартных компонентов любой современной облачной инфраструктуры, а именно:
IoT сервисы, такие, как:

  • Pub Sub Broker service (Брокер подписок и публикаций)
  • Device Shadow (Цифровой двойник устройства)
  • Device provisioning (Обновление программного обеспечения, тестирование обновлений)

IAM service (идентификация и контроль доступа):

  • noSQL database (высокопроизводительное хранилище данных)
  • Serverless (динамическое выделение вычислительной мощности, лямбда-функции)

API Gateway (шлюзы для создания точек доступа к данным)

Возможность интеграции с другими сервисами облака при их наличии — системы оповещения, балансировщики нагрузки, мониторинг отказов, средства машинного обучения, и многое, многое другое.

сервисы позволяют:

Применить технологию push подъема информации с датчиков.
Во всех без исключения системах диагностики применяется технология pull (так устроены все основные промышленные протоколы). Ведущее устройство непрерывно опрашивает ведомые и забирает с них текущую информацию. Большинство агрегатов работают в стационарном режиме и с ними ничего не происходит, однако данные собираются с периодичностью раз в секунду-две и складываются в архив. Результат — нагрузка на сеть, пухнущие архивы с пустой, никому не нужной информацией. Более того, в случае с вибрационными измерениями очень часто собираются осциллограммы. С одной измерительной точки за одну секунду приходится поднимать до 30000 отсчетов!!
В нашей системе датчик может самостоятельно анализировать необходимость передачи данных. Видя проблему, он при помощи протокола mqtt публикует данные в соответствующий топик IoT брокера. И далее эти данные поступают на сервисы, подписанные на эту информацию. Такой подход РАДИКАЛЬНО сокращает нагрузку на сеть и на вычислительные ресурсы. Данные передаются только тогда, когда в них есть значимая информация, и только тем, кому эта информация требуется.

Применить самую современную многоуровневую систему идентификации, авторизации и контроля доступа, исключив тем самым несанкционированный доступ к данным.

Осуществлять распределенную обработку результатов измерений на нескольких уровнях, дополнительно ужимая объемы хранилищ и увеличивая информативность данных.
Это свойство исключительно полезно и обладает целым спектром вариантов использования. Вот типичный пример: в конвенциальной диагностической системе диагностирование осуществляется исполнением программ на сервере, собирающем данные. Любое изменение алгоритмов, не говоря уже о расширении функционала самой программы, требует вмешательства специалистов поставщика системы. Это долго и дорого, и, кроме того, чревато внесением ошибок, которые могут потенциально привести к отказу всей системы. Кроме того, расширение возможностей ограничено аппаратными ресурсами сервера и не всегда возможно в принципе.
В предлагаемой нами системе каждый алгоритм (или группа алгоритмов) — это лямбда функция, запускаемая правилом, входящим в сервис IoT, привязанным к топикам брокера, содержащим необходимые ей данные. Облако запускает столько лямбда функций, сколько требуется. Результат работы этих функций может помещаться в базу данных, републиковаться в другие топики брокера, могут отправляться оповещения при помощи сервисов нотификации облака. Это дает гибкость, неограниченные возможности наращивания функционала, исключается возможность отказа сервиса в целом, клиент получает новые возможности в реальном времени, ничего по месту обновлять не нужно.

Платить только за ресурсы, которые необходимы.
При установке аппаратного обеспечения у себя клиент должен закладывать резервы на развитие. Кроме того, эти расходы надо нести СРАЗУ. В случае с облачными бессерверными технологиями клиент платит только за используемую в данный момент вычислительную мощность. В итого он, во-первых, платит меньше. И, во-вторых, платеж растягивается на весь срок эксплуатации системы, снижая чистую текущую стоимость затрат и увеличивая финансовые показатели проекта.

Иметь возможность неограниченно наращивать систему, не опасаясь, что сетевых и/или вычислительных ресурсов не хватит.

Всегда пользоваться самыми последними возможностями системы, без необходимости обновлений программного обеспечения. Все, что нужно для использования системы — это браузер на самой скромной с точки зрения ресурсов машине.

Легко интегрировать свои корпоративные информационные системы с данными, поставляемыми данной системой.

IVP3 Smart Vibration Sensor. Dimensions

Вибродатчик iVP3. Размеры

iVPScada

Обычная SCADA представляет собой программный продукт, состоящий из двух частей — исполнительная среда и среда конфигурирования. Исполнительная среда — это монолитное ПО, исполняющееся на мощностях заказчика и выполняющее все основные функции, присущие верхнему уровню системы управления:

  • Сбор информации с оконечных устройств и/или обмен информацией между узлами
  • Нормализация и обработка информации
  • Предоставление интерфейса управления
  • Ведение журнала событий
  • Построение трендов
  • Отображение мнемосхем с измеряемыми параметрами процесса
  • Архивирование и логирование данных

Среда конфигурирования используется для настройки исполнительной среды на работу с конкретным аппаратным обеспечением и объектом управления/контроля.
Данный подход обладает рядом серьезных недостатков, как то:

  • Необходимость закупки и установки на рабочие станции специализированного системного и прикладного ПО.
  • Трудности, возникающие при обновлении данного ПО с целью устранения багов и добавления дополнительного функционала.
  • Высокая вероятность отказа всей системы при отказе какой-либо из подсистем. Например, необработанная ошибка в подсистеме визуализации трендов может привести к падению всей системы.
  • Высокая латентность при увеличении информационного масштаба. Система начинает ощутимо «тормозить».

В iVPScada применен иной подход. Все основные функции исполнительной подсистемы выполняются в облаке. Причем вся работа организована в виде взаимодействия микросервисов. На клиентском рабочем месте работает только визуализация, использующая в качестве среды обычный браузер. Интерфейсы выполнены в виде элементов управления, подписанных на обновления сервисов. Подсистема конфигурирования позволяет сконфигурировать работу микросервисов, используя SDK и/или API компонентов облака.

Все обновления происходят автоматически, клиент всегда работает с самими последними версиями микросервисов
Отказ любого микросервиса никак не отражается на работе остальных. Система гораздо надежнее
Система неограниченно масштабируема, вычислительная мощность выделяется динамически
Нет проблемы устаревания аппаратного обеспечения
Количество рабочих мест и их расположение произвольно.
Система надежно защищена от несанкционированного доступа
Отказ аппаратных средств/потеря данных практически невозможна, но даже в случае возникновения нештатного события оно устраняется в считанные минуты.

Сравнение с конкурентами

В таблице ниже мы привели сравнение как с датчиками, так и с системами вибромониторинга и диагностики. Это сделано для того, чтобы продемонстрировать, что датчик имеет стоимость канала на уровне самых бюджетных датчиков. При этом он обеспечивает функционал специализированных систем, у которых стоимость канала, без учета программного обеспечения верхнего уровня, на порядок выше.

Кроме того, в процессе выбора того или иного решения зачастую не принимаются во внимание следующие важные моменты:

  1. Установка датчика со встроенной либо выносной электроникой, осуществляющего функцию детектирования (скажем, вычисления СКЗ и передачи сигнала, пропорционального его значению), уничтожает всю содержащуюся в сигнале диагностическую информацию, которую можно было бы использовать для раннего обнаружения дефектов.
  2. Получение с датчиков информации требует оцифровки аналогового сигнала, а значит, покупки, помимо датчика, устройств, осуществляющих эту операцию. Даже самые бюджетные устройства добавляют к цене канала порядка 3-5 тысяч рублей. Однако во многих случаях для приема сигнала задействуются дорогие аналоговые входа САУ (10-15 тысяч на канал), которых всегда не хватает и которые можно было бы использовать для других целей.
  3. Многие датчики с цифровым выходом также требуют дополнительного специализированного устройства под каждый канал или группу каналов. Скажем, интерфейс RS-485 имеет ограничения на длину отводов от шины порядка метра, в то время как типовые решения предусматривают прокладку кабелей от датчиков до шкафа на расстоянии десятков, а то и сотен метров, что делает их объединение в шину в этом шкафу невозможным.
  4. Большинство датчиков с цифровым выходом также передают рассчитываемые в самом датчике детекторы и не предназначены для сбора диагностической информации, не говоря уже об обработке в самом датчике.

Всех этих недостатков лишен iVP3. Даже в случае, если клиент не считает целесообразным раннюю диагностику оборудования, ограничиваясь измерением общего уровня вибрации, применение iVP3 позволит получить выигрыш, по сравнению с самыми дешевыми решениями на рынке. Более того, если впоследствии диагностика все же понадобится, ничего переоснащать не придется – достаточно просто поставить соответствующее программное обеспечение верхнего уровня.

Если же клиенту требуется диагностическое решение, то iVP3 дает очевидно существенную экономию, по сравнению со специализированными комплексами, при том, что некоторые из его возможностей, например, высокоточная синхронизация любого числа измерений, недоступна даже и для этих систем.



Наличие согласующих устройств,

вторичных приборов

Поддержка протоколов IoT

Синхронизация каналов

без отметчика

Встроенное вычисление диагностических признаков с передачей по Modbus TCP/IP

Питание PoE

Взрыво-безопасное исполнение

Цифровой выход

Цифровая обработка в реальном времени

Спектральная обработка с передачей результатов по Modbus TCP/IP

Размеры датчика

Ethernet, Modbus TCP/IP

Стоимость

(в расчете на измерительный канал), тыс. ₽

iVP3

не нужны

да

возможна

да

да

да

да

да

да

h43, Ø25

да

20 - 30

Вибробит 300

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

да

да

да

не применимо

да

 120 -150

Bently Nevada 3300

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

180 - 200

IFM

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

100 - 130

B&K

нужны

да

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

200 - 300

SPM

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

150 - 200

PCB

нужны

нет

нет

нет

нет

да

нет

нет

нет

h42, Ø17

нет

15 - 20

ИВД-3

не нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

нет

нет

h65, Ø47

нет

40 - 50

ВК-310

не нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h58, Ø40

нет

20 - 30

ВК-312,

ВК-315

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h38, Ø21

нет

20 - 25

VTV122

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h63, Ø22

нет

30 - 30

DVA цифровой

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

да

да

нет

h43, Ø39 либо

h60 Ø23

нет

20 - 25

МВ-43

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h45, Ø22

нет

30 - 40



Наличие согласующих устройств,

вторичных приборов

Поддержка протоколов IoT

Синхронизация каналов

без отметчика

Встроенное вычисление диагностических признаков с передачей по Modbus TCP/IP

Питание PoE

Взрыво-безопасное исполнение

Цифровой выход

Цифровая обработка в реальном времени

Спектральная обработка с передачей результатов по Modbus TCP/IP

Размеры датчика

Ethernet, Modbus TCP/IP

Стоимость

(в расчете на измерительный канал), тыс. у.е.

iVP3

не нужны

да

возможна

да

да

да

да

да

да

h43, Ø25

да

0,3 - 0,4

Вибробит 300

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

да

да

да

не применимо

да

 1,7-2,1

Bently Nevada 3300

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

2,5-2,7

IFM

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

1,4-1,8

B&K

нужны

да

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

2,7-4,1

SPM

нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

да

да

не применимо

да

2,1-2,7

PCB

нужны

нет

нет

нет

нет

да

нет

нет

нет

h42, Ø17

нет

0,2-0,4

ИВД-3

не нужны

нет

нет

нет

нет

да

да

нет

нет

h65, Ø47

нет

0,5-0,7

ВК-310

не нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h58, Ø40

нет

0,3-0,4

ВК-312,

ВК-315

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h38, Ø21

нет

0,3-0,4

VTV122

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h63, Ø22

нет

0,4

DVA цифровой

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

да

да

нет

h43, Ø39 либо

h60 Ø23

нет

0,3-0,4

МВ-43

нужны

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

нет

h45, Ø22

нет

0,4-0,5