Giám sát rung động và bảo trì dự đoán cho máy nén, tuabin: bảo vệ máy, cảm biến, API 670, thay bộ giám sát cũ

Giám sát rung động trên máy nén và tuabin làm hai việc. Bảo vệ máy (machinery protection) theo dõi liên tục rung trục, vị trí dọc trục và tốc độ, rồi dừng máy (trip) qua relay khi một giá trị vượt ngưỡng đặt; giám sát tình trạng (condition monitoring) dùng chính các tín hiệu đó, thêm phổ và pha, lưu xu hướng để lên kế hoạch bảo trì trước khi hư hỏng phát triển tới mức dừng máy. Trên các bộ giám sát như Dynamix 1444 của Rockwell hay 3500 của Bently Nevada, một hệ làm cả hai việc, nên thay một bộ giám sát cũ là đụng cùng lúc tới logic dừng máy, hệ điều khiển và đội bảo trì.

Các chiến lược bảo trì: điều gì khởi động công việc

Sổ tay O&M Best Practices Guide, Release 3.0 (2010) của Chương trình Quản lý Năng lượng Liên bang Mỹ (FEMP) mô tả bốn cách làm:

Bảo trì dự đoán dựa vào tình trạng thực tế của máy chứ không theo một lịch định trước. Wikipedia xem bảo trì dự đoán là bảo trì theo tình trạng (condition-based maintenance), trong đó thời điểm làm việc được chọn theo ước tính mức suy giảm của thiết bị, còn việc giám sát được thực hiện định kỳ (offline) hoặc liên tục (online). Hai thuật ngữ này chồng lấn nhau, nên hình dưới đặt chúng cạnh nhau.

Phân tích rung động là một trong nhiều kỹ thuật bảo trì dự đoán, bên cạnh đo hồng ngoại, phân tích âm thanh và phân tích dầu (Wikipedia). FEMP liệt kê các lỗi trên thiết bị quay mà nó giúp chẩn đoán, như mất cân bằng, lệch trục (misalignment), cọ xát rotor (rotor rub) và hỏng ổ đỡ, đồng thời lưu ý rằng phân tích phổ rung cần người được đào tạo cả về kỹ thuật lẫn về chính cái máy đó.

Bảo vệ máy và giám sát tình trạng

Bently Nevada mô tả hệ 3500 là bảo vệ máy bằng cách dừng máy để tránh hư hỏng, và cùng với phần mềm System 1 thì cung cấp thông tin giám sát tình trạng cho chương trình bảo trì chủ động. Emerson phân biệt theo tốc độ hư hỏng: bảo vệ theo API 670 dành cho hư hỏng nhanh và nguy hiểm, như ổ đỡ sắp hỏng hay vượt tốc sau khi khớp nối gãy, còn giám sát dự đoán hợp với sự suy giảm diễn ra trong nhiều giờ, nhiều ngày hay nhiều tháng. Emerson cũng cho biết bảo vệ thường chỉ dành cho máy lớn, đắt tiền.

Tiêu chuẩn: API 670 và bộ ISO 20816

API Standard 670, Machinery Protection Systems, đặt các yêu cầu tối thiểu cho một hệ bảo vệ máy: phần cứng, lắp đặt, tài liệu và thử nghiệm. Emerson mô tả nó là một đặc tả mua hàng (purchasing specification) áp dụng được cho mọi máy quay, bao gồm rung trục hướng kính, rung vỏ máy, vị trí dọc trục, tốc độ và các nhiệt độ quan trọng, và lưu ý rằng không sản phẩm nào có thể được chứng nhận theo API 670: áp dụng hay không là quyết định của người dùng cuối (end user). Trang của Emerson, cập nhật năm 2025, cho biết ấn bản hiện hành là ấn bản thứ sáu, phát hành ngày 07/07/2025. Rockwell ghi rằng Dynamix 1444 được thiết kế theo các mục liên quan của ấn bản thứ 5, và một hệ có đáp ứng hay không còn tùy linh kiện được cung cấp, các tùy chọn được yêu cầu và cấu hình lắp đặt. Vì vậy đặc tả kỹ thuật nên ghi rõ ấn bản và các tùy chọn cần có.

ISO 20816, Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration (đo và đánh giá rung động máy):

• ISO 20816-1:2016, hướng dẫn chung. Quy trình đo và đánh giá rung khi giám sát vận hành và khi nghiệm thu, kèm hướng dẫn đặt giới hạn vận hành. Phần này áp dụng cho rung trục hướng kính tuyệt đối và tương đối, không áp dụng cho rung trục theo phương dọc trục và rung xoắn.
• ISO 20816-2:2017 (Sửa đổi 1:2024). Tuabin khí, tuabin hơi và máy phát trên bờ công suất trên 40 MW, dùng ổ đỡ màng dầu (fluid-film bearing), tốc độ định mức 1 500, 1 800, 3 000 hoặc 3 600 vòng/phút.
• ISO 20816-3:2022. Máy công nghiệp trên 15 kW chạy từ 120 đến 30 000 vòng/phút, gồm máy nén quay, tuabin hơi và máy phát tới 40 MW, tuabin khí công nghiệp tới 3 MW. Máy nén quay thể tích (rotary positive displacement) như máy nén trục vít nằm ngoài phạm vi, và phần này không bao gồm chẩn đoán tình trạng bánh răng hay ổ lăn. ISO ghi ISO 10816-3:2009 đã bị hủy bỏ và được thay bằng phần này, nên những đặc tả cũ còn dẫn ISO 10816-3 là đang dẫn một tài liệu đã hủy.

ISO 17359:2018 đưa ra hướng dẫn chung để lập một chương trình giám sát tình trạng. Bài này không nêu giá trị vùng hay ngưỡng rung nào: các con số đó nằm trong tiêu chuẩn và tài liệu của nhà chế tạo máy.

Cảm biến trên một máy nén hoặc tuabin

Đầu dò tiệm cận (proximity probe, đầu dò dòng xoáy). Trường điện từ xoay chiều của đầu dò tạo ra dòng xoáy nhỏ trên bề mặt trục, và bộ driver đi kèm (Bently Nevada gọi là Proximitor) xuất ra điện áp tỷ lệ với khoảng cách từ đầu dò tới trục. Đầu dò gắn trên thân ổ đỡ nên thấy trục dịch chuyển bên trong ổ: nó đo rung của trục so với ổ đỡ, và cùng tín hiệu đó còn cho vị trí trung bình của trục. Khe hở (gap) được chỉnh về giữa vùng tuyến tính. Bently Nevada dùng loại đầu dò này để đo rung và vị trí rotor trên máy có ổ đỡ trượt (ổ màng dầu).

• Cặp X/Y. Hai đầu dò ở mỗi ổ đỡ, lệch nhau 90° và lệch ±45° so với phương thẳng đứng, tránh mặt ghép của thân ổ. Ghép hai tín hiệu lại sẽ thấy quỹ đạo (orbit), tức đường đi của tâm trục.
• Vị trí dọc trục (thrust). Đầu dò đặt theo phương dọc trục đo vị trí dọc trục của rotor, một trong các phép đo API 670 liệt kê.
• Tham chiếu pha. Một đầu dò nhìn vào rãnh trên trục cho một xung mỗi vòng quay, làm mốc cho pha, tốc độ và định thời; Bently Nevada gọi nó là Keyphasor.

Cảm biến trên vỏ máy. Gia tốc kế và cảm biến vận tốc gắn trên thân ổ đỡ đo rung của vỏ; Bently Nevada dùng chúng cho máy có ổ lăn. Trước khi có đầu dò tiệm cận, người ta dùng cảm biến vận tốc gắn trên vỏ ổ đỡ để đo rung vỏ. Biên độ rung có thể biểu diễn theo chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc; FEMP cho rằng chọn đại lượng nào tùy tốc độ và thiết kế của máy. Cảm biến của chính Rockwell gồm dòng đầu dò dòng xoáy 1442 và gia tốc kế 1443.

Bộ giám sát đo những gì

• Mức tổng (overall). Một giá trị dải rộng cho mỗi kênh, như RMS hoặc peak; ISO 20816 đánh giá rung dải rộng.
• Phổ (FFT). Tín hiệu được tách theo tần số để người phân tích có kinh nghiệm lần ra chi tiết gây rung (FEMP).
• Biên độ và pha 1X, các bậc (order). Rung ở tốc độ quay và các bội số của nó, pha đo so với xung tham chiếu mỗi vòng.
• Vị trí. Vị trí dọc trục, độ lệch tâm (eccentricity), giãn nở tương đối (differential expansion) và khe hở đầu dò, tức phần tĩnh của tín hiệu đầu dò.
• Tốc độ, lấy từ đầu dò tham chiếu pha hoặc ngõ vào tachometer.
• Dữ liệu quá độ (transient). Dynamix 1444 có bộ đệm dữ liệu quá độ và dữ liệu alarm trong module để xem lại sau sự kiện.

Rockwell Dynamix 1444, dòng XM và Bently Nevada 3500

Dynamix 1444 được Rockwell mô tả là bộ giám sát đa dụng cho cả bảo vệ máy lẫn giám sát tình trạng. Module chính 1444-DYN04-01RA có bốn kênh đo, hai ngõ vào tachometer và một relay, nhận được hệ đầu dò dòng xoáy, gia tốc kế ICP, cảm biến vận tốc và tín hiệu điện áp. Các module mở rộng thêm bộ xử lý tín hiệu tachometer, bốn relay cho mỗi module relay và ngõ ra 4–20 mA. Module là một adapter EtherNet/IP có hai cổng, đi được mạng thẳng, hình sao hoặc vòng Device Level Ring (DLR); Rockwell khuyến nghị DLR cho ứng dụng bảo vệ máy. Module không làm được ring supervisor, nên trên vòng phải có một bộ điều khiển hỗ trợ DLR hoặc một bộ 1783-ETAP đảm nhận vai trò này. Cấu hình làm trong Studio 5000 Logix Designer qua Add-On Profile của module.

Dòng XM (Bulletin 1440). Tài liệu thông số hiện hành (1440-TD001H, 12/2025) gồm module hai kênh XM-124 trên DeviceNet có ngõ ra 4–20 mA và relay, module tốc độ XM-220, các module relay XM-441 và XM-442, và module XM DYN nối với ControlLogix qua một adapter ControlNet. Rockwell ghi rằng XM-124 gom phần lớn chức năng của XM-120 tới XM-123, và đo được vị trí dọc trục một kênh ở mức cơ bản như XM-320.

Trạng thái vòng đời trên trang của Rockwell, đọc ngày 02/11/2026:

Các trang sản phẩm của Rockwell đều kèm một lưu ý chung rằng thông tin có thể chưa đầy đủ hoặc chưa chính xác, nên khi đặt hàng hãy tra từng mã trên trang tra cứu Product Lifecycle Status của Rockwell. Emonitor (Bulletin 9309) là phần mềm giám sát tình trạng của Rockwell để lưu xu hướng, vẽ đồ thị và báo alarm, dùng với các bộ giám sát dòng 1444 và 1440 và máy thu thập dữ liệu cầm tay Dynamix 2500.

Bently Nevada 3500 là hệ dạng rack giám sát liên tục online, có module relay với logic AND/OR cấu hình được, gateway truyền thông Modbus và Ethernet, và giao diện dữ liệu quá độ nối tới System 1. Theo tài liệu lịch sử của ASME, bộ giám sát 3300 ra đời năm 1988, hệ 3500 năm 1994.

Nối bộ giám sát vào hệ điều khiển

Bộ giám sát có hai đầu ra, và nên thiết kế, thử nghiệm riêng từng đầu ra.

1. Đường dừng máy (trip). Ở cả ba dòng sản phẩm, lệnh bảo vệ đi ra khỏi bộ giám sát dưới dạng tiếp điểm relay đi dây tới logic dừng máy. Rockwell cũng mô tả module relay của 1444 có thể báo alarm hoặc đưa máy về trạng thái an toàn nếu module chính không còn đáp ứng đúng.
2. Đường dữ liệu. Giá trị đo, trạng thái alarm và tình trạng module đi tới PLC hoặc DCS: EtherNet/IP với Dynamix 1444, DeviceNet hoặc ControlNet với XM, gateway Modbus với 3500, hoặc ngõ ra 4–20 mA đi dây cứng. Từ đó chúng lên HMI, hệ alarm và historian. Phổ và dạng sóng đi tới phần mềm giám sát tình trạng (Emonitor, System 1).

Alarm rung đi vào hệ alarm của nhà máy nên cũng cần được hợp lý hóa (rationalization) như mọi alarm khác (ISA-18.2). Về mạng vòng, xem DLR hay PRP; bộ giám sát nối mạng cũng là một thiết bị cần đưa vào việc tăng cường bảo mật PLC và OT.

Thay bộ giám sát cũ: danh mục cần kiểm

Dịch vụ giám sát rung động của TDL thay các bộ giám sát Bently Nevada 3300 đã lỗi thời bằng module giám sát của Rockwell Automation, nối với cảm biến hiện hữu khi còn dùng được, kèm phần mềm Emonitor và tích hợp với hệ điều khiển và HMI của nhà máy, trên bờ và ngoài khơi. Các trang dự án: tại Nhà máy xử lý khí Dinh Cố (2015), module XM trên DeviceNet, cảm biến rung và Emonitor cho máy nén khí K-1011A/B/C/D; tại Nhà máy đường Thành Thành Công Tây Ninh (2016), hệ Bently Nevada 3300 của hai tổ tuabin được thay bằng module XM trên DeviceNet và Emonitor; trên máy nén LP của Vietsovpetro (2018), hệ điều khiển Siemens S5 và hệ giám sát rung Bently Nevada 3300 được thay bằng ControlLogix, HMI PanelView và hệ giám sát rung Rockwell Automation.

Những việc cần chốt trước đợt dừng máy:

• Danh sách kênh. Máy, ổ đỡ, loại và model cảm biến, X, Y, dọc trục hay tham chiếu pha, kênh trên bộ giám sát, ngưỡng alarm và ngưỡng dừng máy, thời gian trễ, relay. Lấy ngưỡng từ tài liệu của nhà chế tạo máy và từ bộ giám sát cũ; mọi thay đổi phải được chủ máy đồng ý.
• Cảm biến dùng lại. So từng hệ đầu dò (đầu dò, cáp nối dài, driver) và cảm biến trên vỏ với các loại ngõ vào trong tài liệu thông số của bộ giám sát mới. Ghi lại điện áp khe hở và mức tổng trước khi dừng máy để làm mốc so sánh.
• Logic dừng máy. Với từng relay dừng máy: alarm nào kích nó, có biểu quyết (voting) giữa các kênh không, trạng thái bình thường là có điện hay mất điện, và nó đi vào ngõ vào nào của logic dừng máy. Viết sẵn quy trình bypass trong lúc chuyển đổi.
• Mạng. Giao thức, khả năng hỗ trợ của bộ điều khiển (vòng DLR cần một supervisor), danh sách tag cho HMI và historian.
• Hiện trường. Đối chiếu phân vùng nguy hiểm cháy nổ và vị trí đặt tủ với các chứng nhận ghi trong tài liệu thông số của module.
• Vòng đời. Trạng thái của từng mã hàng mới ngay tại ngày đặt hàng.
• Thử nghiệm và bàn giao. Mô phỏng từng kênh từ phía cảm biến, thử từng relay tới tận ngõ vào dừng máy, ghi lại ngưỡng sau cùng (as-left), và sao lưu cấu hình bộ giám sát cùng với bản backup bộ điều khiển (FactoryTalk AssetCentre backup tự động). Chốt luôn ai sẽ đọc phổ rung sau bàn giao.

Xem thêm hỗ trợ sự cố và bảo trì và checklist bảo trì định kỳ.