مراقبة الحالة

مراقبة الحالة ( CM ) هي عملية رصد أحد معايير حالة الآلات (كالاهتزاز، ودرجة الحرارة، إلخ) لتحديد أي تغيير جوهري يُشير إلى عطل مُحتمل. وهي عنصر أساسي في الصيانة التنبؤية . تُمكّن مراقبة الحالة من جدولة الصيانة، أو اتخاذ إجراءات أخرى لمنع الأضرار اللاحقة وتجنب عواقبها. تتميز مراقبة الحالة بميزة فريدة، وهي إمكانية معالجة الظروف التي قد تُقصر العمر الافتراضي للآلة قبل أن تتطور إلى عطل كبير. تُستخدم تقنيات مراقبة الحالة عادةً على المعدات الدوارة، والأنظمة المساعدة، والآلات الأخرى مثل المعدات التي تعمل بالسيور (كالضواغط، والمضخات ، والمحركات الكهربائية ، ومحركات الاحتراق الداخلي، والمكابس)، بينما يُستخدم الفحص الدوري باستخدام تقنيات الاختبار غير المُتلف (NDT) وتقييم صلاحية الخدمة (FFS) ^{[ 1 ]} للمعدات الثابتة في المصانع، مثل غلايات البخار ، والأنابيب ، والمبادلات الحرارية .

تتضمن القائمة التالية أهم تقنيات مراقبة الحالة المطبقة في القطاعين الصناعي والنقل:

• نظرة عامة على مراقبة الحالة ^{[ 2 ]}
• تحليل وتشخيص الاهتزازات ^{[ 3 ]}
• تحليل مواد التشحيم ^{[ 4 ]}
• الانبعاث الصوتي ^{[ 5 ]}
• التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء ^{[ 6 ]}
• الموجات فوق الصوتية ^{[ 7 ]}
• مستشعرات حالة الزيت
• مراقبة حالة المحرك وتحليل توقيع تيار المحرك (MCSA)
• أنظمة الجهد والتيار القائمة على النماذج (أنظمة MBVI)

يتم توحيد معظم تقنيات إدارة التغيير من قبل المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) والجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) . ^{[ 8 ]}

المعدات الدوارة هي مصطلح شامل في الصناعة يشمل علب التروس والآلات الترددية والطاردة المركزية.

إن أكثر الطرق شيوعاً في دراسة الآلات الدوارة هي تحليل الاهتزازات . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

يمكن إجراء قياسات على أغلفة محامل الآلات باستخدام مقاييس التسارع (محولات الطاقة الزلزالية أو الكهروإجهادية) لقياس اهتزازات الغلاف، وعلى الغالبية العظمى من الآلات الحساسة، باستخدام محولات التيار الدوامي التي تراقب الأعمدة الدوارة مباشرةً لقياس الإزاحة القطرية (والمحورية) للعمود. ويمكن مقارنة مستوى الاهتزاز بالقيم المرجعية التاريخية، مثل عمليات بدء التشغيل والإيقاف السابقة، وفي بعض الحالات بالمعايير المعتمدة، مثل تغيرات الأحمال، لتقييم شدة الاهتزاز. كما تحدد الشركات المصنعة للآلات وقطع الغيار حدود الاهتزاز بناءً على تصميم الآلة أو الأجزاء الداخلية، مثل ترددات أعطال المحامل.

يُعدّ تفسير إشارة الاهتزاز المُستَحصَلة إجراءً مُعقّدًا يتطلّب تدريبًا وخبرةً مُتخصّصين. ^{[ 13 ]} ويُسهّل استخدام التقنيات الحديثة هذه العملية، إذ تُوفّر غالبية تحليلات البيانات تلقائيًا، وتُقدّم معلوماتٍ بدلًا من البيانات الخام. ومن التقنيات الشائعة فحص الترددات الفردية الموجودة في الإشارة. تُشير هذه الترددات إلى مُكوّنات ميكانيكية مُحدّدة (مثل الأجزاء المُختلفة التي تُشكّل محملًا دوّارًا ) أو إلى أعطال مُحدّدة (مثل عدم توازن العمود أو عدم محاذاته). ومن خلال فحص هذه الترددات وتوافقياتها، يُمكن لأخصائي الصيانة المُستمرة غالبًا تحديد موقع المُشكلة ونوعها، وأحيانًا السبب الجذري أيضًا. على سبيل المثال، غالبًا ما يكون الاهتزاز العالي عند التردد المُناسب لسرعة الدوران ناتجًا عن عدم توازن مُتبقّي، ويتمّ تصحيحه عن طريق مُوازنة الآلة. من ناحية أخرى، يُظهر المحمل الدوّار المُتدهور عادةً إشارات اهتزاز عند ترددات مُحدّدة تزداد شدتها مع تآكله. تستطيع أجهزة التحليل المتخصصة اكتشاف هذا التآكل قبل أسابيع أو حتى أشهر من حدوث العطل، مما يوفر إنذارًا كافيًا لتحديد موعد الاستبدال قبل حدوث عطل قد يتسبب في توقف طويل الأمد. إلى جانب جميع أجهزة الاستشعار وتحليل البيانات، من المهم الأخذ في الاعتبار أن أكثر من 80% من جميع المعدات الميكانيكية المعقدة تتعطل بشكل عرضي ودون أي علاقة بفترة دورة حياتها. ^{[ 14 ]}

تستخدم معظم أجهزة تحليل الاهتزازات اليوم تحويل فورييه السريع (FFT) ^{[ 15 ]} ، وهو حالة خاصة من تحويل فورييه المنفصل المعمم ، حيث يحول إشارة الاهتزاز من تمثيلها في المجال الزمني إلى تمثيلها المكافئ في المجال الترددي . مع ذلك، يُعد تحليل التردد (الذي يُسمى أحيانًا التحليل الطيفي أو تحليل بصمة الاهتزاز) جانبًا واحدًا فقط من جوانب تفسير المعلومات الواردة في إشارة الاهتزاز. ويكون تحليل التردد مفيدًا بشكل خاص في الآلات التي تستخدم محامل العناصر الدوارة، والتي غالبًا ما يكون سبب فشلها الرئيسي هو تدهور هذه المحامل، والذي عادةً ما يُظهر زيادة في الترددات المميزة المرتبطة بهندسة المحامل وبنيتها. بحسب نوع الآلة، وأعطالها الشائعة، وأنواع المحامل المستخدمة، وسرعات الدوران، وعوامل أخرى، قد يستخدم أخصائي الصيانة أدوات تشخيصية إضافية، مثل فحص إشارة المجال الزمني، وعلاقة الطور بين مكونات الاهتزاز وعلامة التوقيت على عمود الآلة (المعروفة غالبًا باسم " محدد الطور الرئيسي ")، والاتجاهات التاريخية لمستويات الاهتزاز، وشكل الاهتزاز، والعديد من جوانب الإشارة الأخرى، بالإضافة إلى معلومات أخرى من العملية مثل الحمل، ودرجات حرارة المحامل، ومعدلات التدفق، ومواضع الصمامات، والضغوط، وذلك لتوفير تشخيص دقيق. وينطبق هذا بشكل خاص على الآلات التي تستخدم محامل سائلة بدلًا من محامل العناصر الدوارة . ولتمكينهم من النظر إلى هذه البيانات بشكل مبسط، اعتمد محللو الاهتزاز أو مهندسو تشخيص الآلات عددًا من المخططات الرياضية لعرض مشاكل الآلة وخصائص تشغيلها، وتشمل هذه المخططات مخطط بود ، ومخطط الشلال ، والمخطط القطبي ، ومخطط قاعدة زمن المدار، وغيرها.

أصبحت أجهزة جمع وتحليل البيانات المحمولة شائعة الاستخدام في الآلات غير الحرجة أو آلات موازنة المصانع التي لا يُمكن تبرير استخدام أجهزة قياس الاهتزازات الدائمة المتصلة بالشبكة فيها اقتصاديًا. يستطيع الفني جمع عينات البيانات من عدد من الآلات، ثم تحميلها إلى جهاز كمبيوتر حيث يقوم المحلل (وأحيانًا الذكاء الاصطناعي) بفحصها بحثًا عن تغييرات تُشير إلى أعطال أو احتمالية حدوثها. أما بالنسبة للآلات الأكبر حجمًا والأكثر أهمية، حيث تكون آثار السلامة، وانقطاعات الإنتاج (ما يُسمى "وقت التوقف")، وقطع الغيار، وتكاليف الأعطال الأخرى كبيرة (يتم تحديدها بناءً على مؤشر الأهمية)، فيُستخدم عادةً نظام مراقبة دائم بدلًا من الاعتماد على جمع البيانات بشكل دوري باستخدام أجهزة محمولة. ومع ذلك، فإن أساليب وأدوات التشخيص المتاحة في كلا النهجين متطابقة عمومًا.

في الآونة الأخيرة، تم تطبيق أنظمة مراقبة الحالة عبر الإنترنت أيضًا على الصناعات التحويلية الثقيلة مثل المياه والصلب والنفط والغاز واللب والورق والتعدين والبتروكيماويات وتوليد طاقة الرياح.

يُعدّ رصد الأداء تقنيةً أقل شيوعًا لمراقبة حالة المعدات. يُمكن تطبيقها على الآلات الدوّارة كالمضخات والتوربينات، بالإضافة إلى المعدات الثابتة كالغلايات والمبادلات الحرارية. تتطلب هذه التقنية قياساتٍ للكميات الفيزيائية: درجة الحرارة، والضغط، والتدفق، والسرعة، والإزاحة، وذلك بحسب نوع المعدات. نادرًا ما تكون الدقة المطلقة ضرورية، ولكن البيانات القابلة للتكرار مطلوبة. عادةً ما تكون هناك حاجة إلى أجهزة اختبار مُعايرة، ولكن تم تحقيق بعض النجاح في المصانع التي تستخدم أنظمة التحكم الموزعة (DCS). غالبًا ما يرتبط تحليل الأداء ارتباطًا وثيقًا بكفاءة الطاقة، ولذلك يُستخدم منذ فترة طويلة في محطات توليد الطاقة البخارية. في بعض الحالات، يُمكن حساب الوقت الأمثل لإجراء الصيانة اللازمة لاستعادة الأداء المتدهور.

أنظمة الجهد والتيار القائمة على النماذج (أنظمة MBVI): هي تقنية تستخدم المعلومات المتاحة من إشارات التيار والجهد عبر جميع الأطوار الثلاثة في آنٍ واحد. تستطيع هذه الأنظمة تحديد العديد من الظواهر نفسها التي تُلاحظ في التقنيات التقليدية، والتي تغطي المجالات الكهربائية والميكانيكية والتشغيلية. تعمل هذه الأنظمة وفقًا للخطوط الموضحة في الشكل 6 أدناه، حيث تقيس كلاً من التيار والجهد أثناء تشغيل المحرك، ثم تُنشئ تلقائيًا نموذجًا رياضيًا للعلاقة بينهما. بتطبيق هذا النموذج على الجهد المقاس، يتم حساب تيار مُنمذج ومقارنته بالتيار المقاس فعليًا. تمثل الانحرافات بين التيار المقاس والتيار المُنمذج عيوبًا في المحرك ونظام المعدات المُدارة، والتي يمكن تحليلها باستخدام مزيج من متجه بارك لتبسيط التيارات ثلاثية الأطوار إلى طورين متعامدين (D&Q)، وتحليل فورييه للحصول على مخطط كثافة القدرة الطيفية ، والتقييم الخوارزمي للطيف الناتج لتحديد الأعطال أو أنماط الفشل المحددة. صُممت هذه الأنظمة للتركيب الدائم كحل لمراقبة حالة المعدات، وليس كجهاز قياس تشخيصي قصير الأجل، ويمكن دمج مخرجاتها في أنظمة المصنع العادية. وبفضل اتصالها الدائم، يتم تسجيل الاتجاهات التاريخية تلقائيًا.

تشمل مخرجات هذه الأجهزة شاشات عرض أحادية، وشاشات عرض ضوئية توضح حالة تشغيل المعدات بشكل عام، بالإضافة إلى تشخيص مجموعة من المشكلات الميكانيكية والكهربائية والتشغيلية، ورسوم بيانية توضح تغير هذه المعايير بمرور الوقت. يتميز هذا النوع من الأجهزة بسهولة استخدامه من قبل مشغلي وصيانة المصانع العاديين دون الحاجة إلى تفسير متخصص للأطياف، مع إمكانية الوصول إلى الرسوم البيانية الطيفية عند الطلب. تشمل الأعطال التي يمكن اكتشافها مجموعة من المشكلات الميكانيكية مثل عدم التوازن، وعدم المحاذاة، ومشاكل المحامل في المحرك والمعدات المُدارة، بالإضافة إلى المشكلات الكهربائية مثل انهيار العزل، وارتخاء ملفات الجزء الثابت، ومشاكل فتحات الدوار، وعدم توازن التيار أو الجهد، والتشوه التوافقي. ولأن هذه الأنظمة تقيس كلاً من التيار والجهد، فإنها تراقب الطاقة أيضاً، وتستطيع تحديد المشكلات الناتجة عن ظروف التشغيل غير العادية، وتحديد أسباب انخفاض الكفاءة. نظرًا لأن الأنظمة القائمة على النماذج لا تفحص سوى الفرق بين التيارات الفعلية والمتوقعة، فإنها تُصفّي بفعالية جميع الإشارات الكهربائية العادية التي تظهر بوضوح في تحليل طيف تيار المحرك التقليدي (MCSA)، مما يُبقي على مجموعة أبسط بكثير من الإشارات للتحليل. ولأن هذه الأنظمة تعتمد على العلاقة بين الجهد والتيار، فإنها تُناسب الأنظمة التي تعمل بالعكس حيث قد يكون جهد الإدخال بتردد متغير وقد يكون هناك شكل موجي مشوّش غني بالمكونات التوافقية. تُصفّي الأنظمة القائمة على النماذج بفعالية كل هذا التشويش في إشارة الجهد من إشارة التيار الناتجة، ولا تُبقي إلا على العيوب الأساسية. إن سهولة استخدام هذا النوع من المعدات وانخفاض تكلفته يجعلانها مناسبة للمعدات منخفضة التكلفة والأهمية. ^{[ 16 ]}

• غالبًا ما تُعتبر عمليات الفحص البصري عنصرًا أساسيًا في مراقبة حالة المعدات، إلا أن هذا لا يصح إلا إذا أمكن قياس نتائج الفحص أو تقييمها وفقًا لمجموعة موثقة من الإرشادات. ولكي تُعتبر هذه الفحوصات جزءًا من مراقبة الحالة، يجب تجميع النتائج والظروف السائدة وقت الفحص لإجراء تحليل مقارن مع القياسات السابقة واللاحقة. ولا يُمكن اعتبار مجرد الفحص البصري لجزء من الأنابيب بحثًا عن الشقوق أو التسريبات مراقبةً للحالة ما لم تتوفر معايير قابلة للقياس تدعم الفحص، وتُجرى مقارنة نسبية مع عمليات الفحص السابقة. أما الفحص الذي يُجرى بمعزل عن عمليات الفحص السابقة فيُعتبر تقييمًا للحالة، بينما تتطلب أنشطة مراقبة الحالة إجراء تحليل مقارن مع البيانات السابقة، وتقديم تقارير عن اتجاهات هذه المقارنة.
• يمكن الكشف عن اختلافات طفيفة في درجة الحرارة على سطح ما من خلال الفحص البصري والاختبار غير المتلف باستخدام التصوير الحراري . تشير الحرارة إلى وجود خلل في المكونات، وخاصةً تدهور التوصيلات الكهربائية. كما يمكن تطبيق التصوير الحراري بنجاح على المحامل عالية السرعة، ووصلات السوائل، وبكرات النقل، والتراكمات الداخلية لخزانات التخزين . ^{[ 17 ]}
• يُمكن للمجهر الإلكتروني الماسح التقاط صورة لعينة مُختارة بعناية من الحطام المُعلق في زيت التشحيم (مأخوذة من مرشحات أو كاشفات رقائق مغناطيسية). ثم تكشف الأجهزة عن العناصر الموجودة، ونسبها، وحجمها، وشكلها. وباستخدام هذه الطريقة، يُمكن تحديد موقع العطل، وآلية حدوثه الميكانيكي، والوقت اللازم لحدوثه. يُطلق على هذه العملية اسم تحليل حطام التآكل (WDA).
• يمكن استخدام التحليل الطيفي للزيت، الذي يختبر تركيبه الكيميائي، للتنبؤ بأنماط الأعطال. على سبيل المثال، يشير ارتفاع محتوى السيليكون والألومنيوم إلى تلوث الزيت بالأوساخ أو الشوائب (سيليكات الألومنيوم)، وما إلى ذلك، بينما يشير ارتفاع مستويات الحديد إلى تآكل المكونات. تعطي العناصر، كلٌ على حدة، مؤشرات جيدة، ولكن عند استخدامها معًا، يمكنها تحديد أنماط الأعطال بدقة عالية. فعلى سبيل المثال، في محركات الاحتراق الداخلي، يشير وجود الحديد (في بطانة الأسطوانة)، والألومنيوم (في المكبس)، والكروم (في حلقات المكبس) إلى تآكل الجزء العلوي من الأسطوانة. ^{[ 18 ]}
• يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية في التطبيقات الميكانيكية عالية السرعة ومنخفضة السرعة، وفي حالات السوائل ذات الضغط العالي. تقيس أجهزة قياس الموجات فوق الصوتية الرقمية إشارات عالية التردد من المحامل، وتعرض النتيجة بوحدة ديسيبل لكل ميكروفولت (dBuV). تُتابع هذه القيمة بمرور الوقت، وتُستخدم للتنبؤ بزيادة الاحتكاك، والتآكل، والصدمات، وغيرها من عيوب المحامل. كما تُستخدم قيمة dBuV لتحديد الفترات المناسبة لإعادة التشحيم. يُعدّ رصد الموجات فوق الصوتية، عند تطبيقه بشكل صحيح، تقنيةً مكمّلةً ممتازةً لتحليل الاهتزازات.

تتيح سماعات الرأس للبشر الاستماع إلى الموجات فوق الصوتية أيضًا. يشير صوت الطنين الحاد في المحامل إلى وجود عيوب في أسطح التلامس، وعند حدوث انسدادات جزئية في السوائل ذات الضغط العالي، يتسبب الفتح في إصدار كمية كبيرة من الضوضاء فوق الصوتية. تُستخدم الموجات فوق الصوتية في طريقة نبض الصدمة ^{[ 19 ]} لمراقبة الحالة.

• تحليل الأداء هو عملية تحديد الكفاءة الفيزيائية أو الأداء أو الحالة من خلال مقارنة المعايير الفعلية بنموذج مثالي. وعادةً ما يكون التدهور هو سبب اختلاف القراءات. تُعد المضخات الطاردة المركزية، بعد المحركات، من أكثر الآلات شيوعًا. لطالما استُخدمت مراقبة الحالة من خلال اختبار بسيط للضغط والتدفق بالقرب من نقطة التشغيل باستخدام قياسات قابلة للتكرار، ولكن يمكن اعتمادها على نطاق أوسع. يمكن استخدام امتداد لهذه الطريقة لحساب أفضل وقت لإجراء صيانة شاملة للمضخة بناءً على موازنة تكلفة الصيانة مع زيادة استهلاك الطاقة الناتج عن تآكل المضخة. كما تُراقب توربينات الغاز المستخدمة في الطائرات بشكل شائع باستخدام تقنيات تحليل الأداء، حيث يقوم مصنّعو المعدات الأصلية، مثل شركة رولز رويس، بمراقبة أساطيل كاملة من محركات الطائرات بشكل دوري بموجب اتفاقيات خدمة طويلة الأجل أو باقات رعاية شاملة.
• تستطيع أجهزة استشعار حطام التآكل رصد جزيئات التآكل الحديدية وغير الحديدية في زيت التشحيم، مما يوفر معلومات قيّمة حول حالة الآلات المقاسة. ومن خلال إنشاء ومراقبة نمط الحطام المتولد، يُمكن اكتشاف الأعطال قبل حدوث عطل كارثي في ​​المعدات الدوارة، مثل علب التروس والتوربينات وغيرها.

يُستخدم مؤشر الأهمية غالبًا لتحديد درجة مراقبة حالة آلة معينة، مع الأخذ في الاعتبار غرض الآلة، ووجود آلات احتياطية (أي في حال تعطل الآلة، هل توجد آلة بديلة يمكنها تولي المهمة)، وتكلفة الإصلاح، وتأثيرات التوقف عن العمل، وقضايا الصحة والسلامة والبيئة، وعدد من العوامل الرئيسية الأخرى. يصنف مؤشر الأهمية جميع الآلات في إحدى ثلاث فئات:

1. الآلات الحيوية - هي الآلات التي تُعدّ أساسية للمصنع أو العملية، والتي لا يمكن تشغيلها بدونها. تشمل هذه الآلات توربينات البخار أو الغاز في محطات توليد الطاقة، ومضخات تصدير النفط الخام في منصات النفط، ووحدة التكسير في مصافي النفط. ونظرًا لأهمية هذه الآلات في صميم العملية، فمن الضروري مراقبة حالتها بشكل كامل وفوري لتسجيل أكبر قدر ممكن من البيانات منها باستمرار، بغض النظر عن التكلفة، وغالبًا ما يُشترط ذلك في وثائق تأمين المصنع. تُؤخذ قياسات مثل الأحمال، والضغوط، ودرجات الحرارة، واهتزازات الغلاف وإزاحته، والإزاحة المحورية والشعاعية للعمود، والسرعة، والتمدد التفاضلي، كلما أمكن ذلك. تُغذّى هذه القيم عادةً إلى برنامج إدارة الآلات، القادر على تحليل البيانات التاريخية وتزويد المشغلين بمعلومات مثل بيانات الأداء، بل وحتى التنبؤ بالأعطال وتشخيصها قبل حدوثها.
2. الآلات الأساسية - هي الوحدات التي تُشكّل جزءًا رئيسيًا من العملية، ولكن في حال حدوث عطل، تستمر العملية. وتندرج الوحدات الاحتياطية (إن وُجدت) ضمن هذا النطاق. كما يُعدّ اختبار هذه الوحدات والتحكم بها أمرًا ضروريًا للحفاظ على خطط بديلة في حال تعطل الآلات الأساسية.
3. الآلات ذات الأغراض العامة أو آلات توازن المصنع - هذه هي الآلات التي تشكل الجزء المتبقي من المصنع ويتم مراقبتها عادةً باستخدام جهاز تجميع بيانات محمول باليد كما ذكر سابقًا لإنشاء صورة دورية عن حالة الآلة.

• اهتزازات التشغيل الآلي
• طريقة النبضة الصدمية
• أنظمة مراقبة الصحة والاستخدام