Bí Mật Đằng Sau Hiệu Suất Tuabin Gió: Peakanalyzer GfM và Sức Mạnh Từ Công Nghệ Beckhoff

Trong lĩnh vực tự động hóa, việc giám sát và bảo trì tình trạng của các thiết bị đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu suất của hệ thống máy móc phức tạp. Đặc biệt, trong ngành năng lượng gió, nơi mà các tuabin gió hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, việc theo dõi và chẩn đoán rung động của hộp số và các thành phần khác là yếu tố quan trọng để phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và ngăn ngừa hỏng hóc. Hiểu được điều này, GfM và Beckhoff đã bắt nhau tạo ra  hệ thống giám sát rung động tự động, Peakanalyzer. Bài viết này sẽ đi sâu vào cách thức Peakanalyzer hoạt động và lợi ích của hệ thống này trong việc giám sát tuabin gió.

I/ Tìm hiểu hệ thống Peakanalyzer

Được thành lập từ năm 1999 tại Berlin, GfM (Gesellschaft für Maschinendiagnose mbH) là một trong những đơn vị tiên phong trong lĩnh vực cung cấp các giải pháp chẩn đoán rung động cho các bộ phận bánh răng được lắp trên ổ trục con lăn. Với mục tiêu tự động hóa quy trình chẩn đoán, GfM đã phát triển Peakanalyzer, một thiết bị được thiết kế để chẩn đoán rung động tự động. 

1. Về GfM và Triết Lý Phát Triển Peakanalyzer

Peakanalyzer GfM không chỉ đơn thuần là một phần mềm phân tích rung động thông thường. Nó được thiết kế để ứng dụng trong chẩn đoán rung động cao cấp, hoàn toàn tự động, với khả năng kết nối đồng thời lên đến 32 điểm đo và 32 kênh bổ sung cho các biến số quy trình chậm hơn (1 kHz). 

Hệ thống này sử dụng công nghệ điều khiển CX5020 Embedded PCl và EtherCAT EL3632 của Beckhoff, giúp giám sát toàn diện tình trạng rung động của tua-bin gió với độ một cách toàn diện và chi tiết. Nhờ đó, việc phát hiện sớm các lỗi như hư hỏng vòng bi, lệch trục hoặc hỏng hóc hộp số có thể được thực hiện, giúp giảm chi phí bảo trì và tối ưu hóa hiệu suất vận hành. Ngoài ra, hệ thống có thể phân tích dữ liệu rung động theo thời gian thực, cung cấp báo cáo chi tiết về tình trạng hoạt động của tua-bin, giúp các kỹ sư nhanh chóng đưa ra quyết định bảo trì. Với khả năng mở rộng linh hoạt, Peakanalyzer có thể được sử dụng không chỉ trong ngành năng lượng gió mà còn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao, như máy nghiền, hệ thống băng tải, và các hệ thống truyền động an toàn như cáp treo. 

2. Các Tính Năng Ưu Việt Của Phần Mềm Phân Tích GfM Peakanalyzer

1. Phân Tích Bậc Sóng (Order Analysis) Thông Qua Lấy Mẫu Lại (Re-sampling)

Tính năng này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống truyền động có tốc độ thay đổi, chẳng hạn như trong tuabin gió. Bằng cách lấy mẫu lại tín hiệu rung động theo tốc độ quay, Peakanalyzer có thể xác định chính xác các thành phần tần số liên quan đến từng bộ phận cụ thể, giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn mà các phương pháp phân tích truyền thống có thể bỏ sót.

2. Phân Tích Mức Độ Quan Trọng Rung Động (DVS - Drive Vibration Significance)

DVS analysis là một công cụ mạnh mẽ giúp tự động xác định các phổ tần số quan trọng nhất trong tín hiệu rung động. Điều này cho phép các kỹ sư và chuyên gia tập trung vào các vấn đề có khả năng gây ra hư hỏng hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống, từ đó đưa ra các quyết định bảo trì kịp thời và hiệu quả, tối ưu hóa chi phí và thời gian ngừng hoạt động.

3. Giám Sát Giá Trị Đặc Trưng (Characteristic Value Monitoring)

Hệ thống có khả năng theo dõi các giá trị đặc trưng của rung động theo thời gian, bao gồm các thông số như RMS, giá trị đỉnh, hệ số nhọn (kurtosis), và nhiều thông số khác. Việc theo dõi sự thay đổi của các giá trị này theo thời gian là một chỉ số quan trọng để phát hiện sớm các dấu hiệu suy giảm hiệu suất hoặc hư hỏng tiềm ẩn ở các bộ phận quan trọng như ổ lăn và bánh răng.

Bảng báo động của Peakanalyzer

4. Thu Thập Dữ Liệu Theo Ngưỡng Kích Hoạt (Triggered Data Acquisition)

Tính năng này cho phép hệ thống tự động thu thập dữ liệu chi tiết khi các thông số rung động vượt quá một ngưỡng cài đặt trước. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc ghi lại chính xác các chính xác thời điểm và điều kiện xảy ra sự cố, cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc phân tích nguyên nhân gốc rễ và đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

3. Khả Năng Mở Rộng I/O Linh Hoạt Của Peakanalyzer

Một trong những ưu điểm nổi bật của Peakanalyzer GfM là khả năng mở rộng và tùy biến cao, cho phép hệ thống đáp ứng mọi yêu cầu ứng dụng cụ thể của khách hàng. Theo chia sẻ của Christian Reinke, nhà phát triển phần mềm của GfM, kiến trúc module của hệ thống I/O EtherCAT mang đến sự linh hoạt vượt trội trong việc bổ sung các giao diện khác nhau khi cần thiết.

Ví dụ, để đáp ứng các nhu cầu đo lường đa dạng, Peakanalyzer có thể được tích hợp với nhiều loại terminal EtherCAT khác nhau:

• EL5151: Giao diện bộ mã hóa gia tăng này cho phép đo tốc độ quay một cách cực kỳ chính xác, ngay cả với các xung không cách đều nhau trên mỗi vòng quay, rất hữu ích trong việc phân tích động học của các bộ phận chuyển động.
• EL3702: Terminal đầu vào analog với chức năng oversampling là lựa chọn lý tưởng để ghi lại các chuyển động dao động thông qua các cảm biến dịch chuyển điện cảm, đặc biệt phù hợp cho việc giám sát các ổ lăn chuyển động chậm và phát hiện các vấn đề liên quan đến độ rung lắc.
• EL1002: Các terminal đầu vào số này được sử dụng để kích hoạt các quá trình đo lường theo các sự kiện hoặc tín hiệu bên ngoài, đảm bảo việc thu thập dữ liệu chính xác tại thời điểm quan trọng.
• EL2004: Các terminal đầu ra số được sử dụng để báo hiệu các giá trị đặc trưng vượt ngưỡng hoặc các cảnh báo về tham số quy trình, giúp người vận hành nhận biết sớm các vấn đề tiềm ẩn.
• EL3702/EL3742: Các terminal đầu vào analog này cho phép tích hợp các biến số quy trình quan trọng khác vào hệ thống chẩn đoán, chẳng hạn như công suất, tốc độ gió và mô-men xoắn (dưới dạng tín hiệu điện áp ±10 V hoặc dòng điện 0 đến 20 mA), cung cấp một cái nhìn toàn diện về hoạt động của hệ thống.
• EL3356-0010: Các bộ phân tích cảm biến lực eXtreme Fast Control (XFC) này được thiết kế đặc biệt cho các điểm đo mô-men xoắn, mang lại khả năng đo lường chính xác và tốc độ cao.
• EL3202-0010: Các terminal đầu vào PT100 có độ chính xác cao được sử dụng để đo nhiệt độ tại các vị trí quan trọng trong hệ thống, cung cấp thông tin bổ sung hữu ích cho việc đánh giá tình trạng hoạt động và phát hiện các vấn đề liên quan đến nhiệt độ.

Khả năng mở rộng linh hoạt này đảm bảo rằng Peakanalyzer GfM có thể được tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu đo lường và giám sát đa dạng trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, không chỉ riêng ngành điện gió.

II/ Ưu Điểm Vượt Trội Từ Công Nghệ Điều Khiển Dựa Trên PC Của Beckhoff

Việc tích hợp công nghệ điều khiển dựa trên PC của Beckhoff mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho giải pháp Peakanalyzer GfM:

1. Kiến Trúc Module Linh Hoạt và Khả Năng Mở Rộng Cao

Kiến trúc module cho phép các nhà tích hợp hệ thống tùy chỉnh các giải pháp chẩn đoán theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng. Khả năng mở rộng linh hoạt giúp hệ thống dễ dàng thích ứng với sự phát triển và thay đổi của hệ thống cơ khí trong tương lai.

2. Hiệu Quả Chi Phí và Tính Sẵn Có Toàn Cầu

Công nghệ Beckhoff dựa trên một hệ thống mở, có khả năng lập trình linh hoạt và sử dụng các phụ tùng thay thế có sẵn trên toàn cầu. Điều này giúp giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì dài hạn, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho người dùng.

3. Kết Nối I/O Phân Tán Dễ Dàng Với EtherCAT

Bus trường EtherCAT tốc độ cao và tính năng đồng bộ hóa phân tán (distributed clock) cho phép kết nối các module I/O phân tán một cách dễ dàng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc sử dụng cáp mạng CAT6 tiêu chuẩn giúp giảm chi phí lắp đặt và bảo trì, đồng thời tăng tính ổn định của hệ thống.

4. Công Nghệ XFC (eXtreme Fast Control) Cho Phản Ứng Siêu Nhanh

Công nghệ XFC  dựa trên một kiến trúc điều khiển và truyền thông tối ưu hóa, bao gồm máy tính công nghiệp tiên tiến, các terminal I/O cực nhanh với đặc tính thời gian thực mở rộng, hệ thống Ethernet tốc độ cao EtherCAT và phần mềm tự động hóa và điều khiển dựa trên Windows. Với công nghệ này, thời gian cập nhật/chu kỳ I/O có thể đạt dưới 100 µs. Điều này mở ra các tùy chọn tối ưu hóa quy trình mới cho các nhà thiết kế máy móc và tích hợp hệ thống, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích rung động, điều mà các giải pháp điều khiển truyền thống khó có thể đạt được do những hạn chế về mặt kỹ thuật.

5. Linh Hoạt Với Số Lượng Kênh Đầu Vào Lớn và Tốc Độ Lấy Mẫu Cao

Dựa trên khả năng giao tiếp hiệu suất cao của bus trường EtherCAT, phần mềm có thể phân tích lên đến 32 kênh đầu vào, mang lại sự linh hoạt cao cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hơn nữa, tốc độ lấy mẫu kênh cao vẫn có thể đạt được ngay cả với thời gian chu kỳ bus thấp hơn nhờ vào chức năng oversampling của cảm biến gia tốc và module đầu vào oversampling.

III. Ứng Dụng Peakanalyzer Vào Hệ Thống Tuabin Gió

Trong ứng dụng giám sát tua-bin gió, Peakanalyzer được lắp đặt trong nacelle, có thể đặt trong tủ điều khiển hoặc vỏ bảo vệ riêng. Đây là một giải pháp tiên tiến giúp giám sát toàn bộ dây chuyền truyền động của tua-bin gió, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và tối ưu hóa quá trình bảo trì.

Hệ thống sử dụng 8 cảm biến gia tốc IEPE để thu thập dữ liệu rung động tại các vị trí quan trọng:
🔹 Vòng bi chính: 1 cảm biến gia tốc.
🔹 Máy phát điện: 2 cảm biến gia tốc.
🔹 Hộp số: 5 cảm biến gia tốc.

Ngoài ra, Peakanalyzer còn có thể giám sát nền móng tua-bin gió thông qua 2 kênh bổ sung, giúp phát hiện tình trạng lỏng lẻo của kết cấu.

Dữ liệu thô từ các cảm biến được xử lý trực tiếp bởi Beckhoff CX5020 Embedded PC tích hợp EL3632, đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống cũng có thể tích hợp vào cấu trúc truyền thông hiện có, kết nối qua LAN trong nacelle, VPN, truyền thông không dây, cáp quang hoặc DSL, giúp truy cập dữ liệu linh hoạt và giám sát từ xa hiệu quả.

IV. Các Thành Phần Cốt Lõi Tạo Nên Sức Mạnh Peakanalyzer

1.  Beckhoff CX5020: Nền Tảng Thu Thập và Xử Lý Dữ Liệu

DIN Rail Mounted Embedded PC CX5020 thực hiện việc thu thập, đo lường và đệm dữ liệu dựa trên phần mềm TwinCAT3. Thông tin sau đó được truyền qua giao thức ADS (một giao thức giao tiếp trong TwinCAT) đến phần mềm phân tích độc quyền của GfM để xử lý sâu hơn .Kiến trúc này cho phép điều khiển PLC trực tiếp và đơn giản hóa việc phát triển phần mềm, vì các cấu hình hệ thống khác nhau với số lượng kênh và loại terminal khác nhau chỉ cần được phân biệt trong phần mềm của GfM. Khả năng truy cập từ xa cũng được hỗ trợ, thông qua ứng dụng .NET trên Embedded PC giao tiếp với phần mềm cấu hình và đánh giá trên máy tính mạng tương ứng qua giao thức TCP/IP.

2. Các Module Giám Sát Tình Trạng Hoạt Động (Condition Monitoring Modules)

Các module giám sát tình trạng hoạt động đóng vai trò là thiết bị I/O thiết yếu trong hệ thống Peakanalyzer. Dữ liệu cảm biến để giám sát hệ thống truyền động được ghi lại với độ chính xác cao thông qua các terminal đầu vào tốc độ cao hai kênh và được truyền qua bus trường EtherCAT đến phần mềm.

1. Thu Thập Tín Hiệu IEPE Với Tốc Độ Lấy Mẫu Cao

Yếu tố then chốt để triển khai hệ thống giám sát rung động cao cấp là khả năng thu thập tín hiệu từ cảm biến IEPE với tốc độ lấy mẫu 50 kHz. Một yếu tố quan trọng khác là dải tần số lấy mẫu rất rộng, từ 1 Hz đến 1 kHz, cho phép thiết bị đo đồng thời cả rung động tần số thấp và tần số cao. Để có được tín hiệu bao chất lượng cao cho việc phát hiện hư hỏng ổ lăn và bánh răng, tất cả các kênh gần như chỉ đo ở tần số xung nhịp 50 kHz. Đặc biệt trong ngành điện gió, chế độ 0.1 đến 10 Hz cũng được sử dụng để ghi lại các giá trị đặc trưng theo tiêu chuẩn VDI 3834.

2. Đồng Bộ Hóa Phân Tán (Distributed Clock)

Các yếu tố quan trọng đối với quá trình điều khiển là: thời gian phản hồi tối thiểu, thu thập giá trị thực tế xác định và xuất giá trị đặt tương ứng xác định. Thời điểm giao tiếp và tính toán xảy ra trong khoảng thời gian đó không quan trọng, miễn là kết quả có sẵn ở đơn vị đầu ra kịp thời cho lần xuất tiếp theo. Điều này có nghĩa là độ chính xác về thời gian là cần thiết ở các thành phần I/O, nhưng không phải ở bộ phận giao tiếp hoặc tính toán.

Trong một vòng điều khiển thông thường, việc thu thập giá trị thực tế xảy ra tại một thời điểm nhất định (thành phần đầu vào), kết quả được truyền đến hệ thống điều khiển (thành phần giao tiếp), phản hồi được tính toán (thành phần điều khiển), kết quả được truyền đến module xuất giá trị đặt (thành phần đầu ra) và được đưa ra quy trình (hệ thống được điều khiển).

Do đó, các xung nhịp EtherCAT phân tán đại diện cho một công nghệ XFC cơ bản và là một thành phần chung của giao tiếp EtherCAT. Tất cả các thiết bị EtherCAT đều có xung nhịp cục bộ riêng, được tự động và liên tục đồng bộ hóa với tất cả các xung nhịp khác thông qua giao tiếp EtherCAT. Sự khác biệt về thời gian chạy giao tiếp được bù đắp, do đó độ lệch tối đa giữa tất cả các xung nhịp thường nhỏ hơn 100 nanosecond.

3. Dấu Thời Gian (Timestamp/Multi Timestamp)

Dữ liệu quy trình thường được truyền ở định dạng dữ liệu tương ứng của nó. Do đó, tính thời gian liên quan của bản ghi quy trình vốn có trong chu kỳ giao tiếp mà trong đó bản ghi được truyền. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là độ phân giải và độ chính xác về thời gian bị giới hạn ở chu kỳ giao tiếp.

Các loại dữ liệu được đánh dấu thời gian chứa một dấu thời gian ngoài dữ liệu người dùng của chúng. Dấu thời gian này - tự nhiên được biểu thị bằng thời gian hệ thống phổ biến - cho phép cung cấp thông tin thời gian với độ chính xác cao hơn đáng kể cho bản ghi quy trình. Dấu thời gian có thể được sử dụng cho cả đầu vào và đầu ra. Bằng cách này, có thể xác định, ví dụ, thời điểm chính xác mà một đầu ra sẽ được chuyển đổi. Nhiệm vụ chuyển đổi được thực hiện độc lập với chu kỳ bus. Trong khi các terminal dấu thời gian có thể thực hiện một nhiệm vụ chuyển đổi hoặc sự kiện chuyển đổi trên mỗi chu kỳ bus, các terminal đa dấu thời gian có thể thực hiện tới 32 nhiệm vụ chuyển đổi hoặc sự kiện chuyển đổi trên mỗi chu kỳ.

4. Lấy Mẫu Vượt Tần Số (Oversampling)

Khái niệm oversampling là các tín hiệu đầu vào được lấy mẫu vượt tần số với một bội số nguyên có thể điều chỉnh (hệ số oversampling: n) của thời gian chu kỳ bus (n microcycle trên mỗi chu kỳ bus). Đối với mỗi microcycle, module đầu vào tạo ra một khối dữ liệu quy trình được truyền đồng loạt trong chu kỳ bus tiếp theo. Đây là cách Peakanalyzer có thể hỗ trợ việc ghi và đánh giá rung động chính xác như vậy. Hệ số oversampling mô tả số lượng mẫu trong một chu kỳ giao tiếp và do đó là bội số của một. Tốc độ lấy mẫu 200 kHz có thể đạt được ngay cả với thời gian chu kỳ giao tiếp vừa phải.

Tài liệu tham khảo: 

https://www.beckhoff.com/media/downloads/application-reports-downloads/2015/pcc_special_wind_2015_gfm_e.pdf

https://www.eprmagazine.com/green-zone/high-end-vibration-analysis-in-wind-turbines/

https://maschinendiagnose.de/peakanalyzer-en.htm