Sensores Avançados de Vibração para IIoT: Capacitando a Manutenção Preditiva e a Confiabilidade dos Ativos

A análise de vibração é uma tecnologia fundamental no mundo em constante evolução do IIoT e da manutenção preditiva.

Ela pode ser a tecnologia-chave para avaliar a saúde de ativos rotativos na indústria e fornecer à sua organização um alerta precoce de deterioração e iminente falha de ativos.

Ela impulsiona a alta disponibilidade dos ativos ao longo de todo o ciclo de vida.

Mas do que se trata exatamente?

Fundamentos da Vibração

De forma simples, a vibração é a oscilação ou movimento de um ativo ou componente para frente e para trás a partir de sua posição de repouso.

Pense em um pêndulo solto de seu ponto mais alto. Ele oscilará para frente e para trás até que toda a energia de vibração se dissipe, retornando então à sua posição de repouso.

A única diferença com seus ativos é que a vibração só para quando a energia rotacional do ativo cessa. A fonte primária de energia — geralmente o motor — deve parar para que a vibração cesse.

Mas um fenômeno tão simples como a vibração pode lhe dizer o que está errado em seus ativos?

Sim!

Parâmetros de vibração medidos, como amplitude, RMS e período, permitem calcular e visualizar as forças mecânicas, rotacionais e de atrito que ocorrem em seus ativos.

As forças dentro do ativo ou equipamento causam vibração e isso é tipicamente medido na carcaça do rolamento. As forças vêm dos elementos rotativos no ativo, como rotores, engrenagens, eixos, rolamentos e impulsores.

Nem todas as forças e vibrações são más notícias.

Mas quando são, usamos a Transformada Rápida de Fourier (FFT) para visualizá-las nos domínios do tempo e espectral.

É aqui que podemos ver suas frequências e amplitudes individuais — em aceleração ou velocidade — e relacionar seus padrões a falhas específicas do ativo.

Que Tipos de Falhas Ela Pode Detectar?

Existem muitas falhas potenciais que a análise de vibração pode detectar. Aqui estão apenas algumas:

• Rolamentos desgastados
• Cavitação em bombas
• Desalinhamento entre ativos
• Desgaste de dentes de engrenagens
• Trincas estruturais nas fundações dos ativos
• Falta de lubrificação
• Correias de transmissão desgastadas
• Ressonância

Alguma dessas já causou tempo de inatividade significativo ou dores de cabeça em sua planta?

Apostamos que sim!

Os benefícios da análise de vibração e da manutenção baseada em condição em geral são bem conhecidos:

• Maior disponibilidade de ativos
• Aumento da produção
• Menos tempo de inatividade não planejado
• Redução de custos de manutenção e do ciclo de vida
• Otimização de recursos humanos
• Redução de PMs invasivas (revisões e substituições de componentes)
• Melhoria no planejamento e agendamento da manutenção
• Melhor previsão de peças de reposição
• Informações para análise de causa raiz e eliminação de defeitos

A análise de vibração é uma tecnologia de manutenção preditiva madura e é usada em praticamente todas as indústrias que se possa imaginar. É a tecnologia preditiva de referência em verticais como óleo e gás, alimentos e bebidas, papel e celulose, siderurgia, automotiva, mineração, aviação, nuclear, químicas e muitas outras.

E quanto ao processo de monitoramento de condição e análise de vibração?

Análise de Vibração

O processo de monitoramento de condição é direto e pode ser dividido em três partes: detecção, diagnóstico e prognóstico. Vamos examiná-las:

Detecção — Seja coletando dados manualmente a cada quatro semanas ou por hora com um sistema "online", os dados podem ser tendenciados. O que você está realmente tendenciando é a severidade da vibração na carcaça do rolamento.

Primeiro, é uma prática recomendada estabelecer níveis de base para todos os seus ativos. Isso permite conhecer seus níveis operacionais normais — assumindo que estão em boas condições inicialmente.

Uma vez que a vibração ultrapassa um nível de alarme pré-definido (em mm/s ou Gs, por exemplo), é hora de investigar mais a fundo. Existem normas internacionais que podem ajudar a configurar seus níveis de alarme, como a série ISO 10816.

Diagnóstico — A pergunta aqui é: o que há de errado com a máquina?

Agora, embora você esteja medindo a vibração no rolamento, isso não significa que a função de força do defeito seja resultado de um rolamento defeituoso. Podem ser uma multitude de causas. Veja aqui algumas razões típicas para desgaste de rolamentos que você pode detectar com análise de vibração:

• Desgaste do rolamento devido a desalinhamento
• Desgaste do rolamento devido a "soft foot" (pé mole)
• Desgaste do rolamento devido a desbalanceamento
• Desgaste do rolamento devido a folga

E como encontrá-las?

Anteriormente vimos como sinais complexos de vibração podem ser visualizados no domínio do tempo ou no domínio da frequência. É aqui que a análise é realizada. Ambos os domínios contêm informações valiosas para diagnosticar falhas comuns de equipamentos. O domínio do tempo mostra a severidade da vibração contra o tempo. Isso é útil para diagnosticar falhas em rolamentos, cavitação, desbalanceamento, vibração de batimento e danos em dentes de engrenagens. O domínio da frequência mostra as frequências individuais que compõem a vibração complexa. É particularmente bom para diagnosticar falhas em rolamentos, além de folga, desbalanceamento, desalinhamento, problemas em correias, falta de lubrificação, pé mole e muito mais.

Prognóstico — Esta é a pergunta mais difícil de todas. Quanto tempo durará antes de falhar?

As máquinas são frequentemente complexas e exibem comportamento mecânico complexo. Não há duas iguais.

Estimar quanto tempo um motor ou bomba durará uma vez detectado um defeito é muito desafiador. Mas pode ser baseado na inclinação da tendência de vibração. Quão rápido a severidade da vibração está subindo ao longo do tempo? Uma vez detectada uma falha incipiente, você pode realizar medições de vibração mais regulares — especialmente em ativos críticos. Também pode estimar a vida útil restante se tiver dados de falhas anteriores ou um bom entendimento da curva P-F (Falha Potencial – Falha) específica para o equipamento. A fase de prognóstico é difícil, mas se você tiver bons dados e conhecimento do equipamento, pode reduzir o risco de uma falha inesperada.

A chave aqui é gastar seu tempo focando nos problemas comuns encontrados em equipamentos rotativos. Os que já mencionamos — desalinhamento, desgaste de rolamentos, folga e desbalanceamento — são os mais comuns. Não gaste muito tempo em questões exóticas e raras.

Imagine que você está dirigindo seu carro. Gradualmente, ao longo de várias semanas, ele começa a tremer cada vez mais conforme você acelera pelas marchas. A severidade da vibração aumentou. Você o leva à oficina, e eles vão procurar os problemas comuns. Coisas como desbalanceamento de rodas ou pressão baixa dos pneus. Eles não desmontariam a caixa de câmbio para procurar dentes de engrenagem ausentes ou engrenagens excêntricas.

Isso é o que o monitoramento de condição é sobre: focar nos problemas comuns.

E diagnosticá-los com precisão e rapidez.

Sensores de Vibração Sem Fio

Os sensores de vibração mudaram muito.

Ficaram para trás (ou estão indo) os acelerômetros pesados, com cabos, alimentados externamente, de eixo único do passado. Hoje em dia, é mais provável ver sensores de vibração sem fio, Bluetooth, alimentados por bateria, de 3 eixos. Agora eles têm a capacidade de serem registradores de dados, de "acordar" e gravar quando certos limites de vibração são ultrapassados, têm níveis de alarme ISO embutidos, e muitos também podem registrar a temperatura do ativo.

Os provedores tradicionais maiores de monitoramento de condição estão mudando suas linhas de produtos e modelos de negócios à medida que entramos na era da Indústria 4.0, e há muitos novos entrantes mais jovens no mercado desafiando o status quo e rompendo velhos modelos de negócios.

Análise de Vibração: O Antes e o Depois

Então, sabemos que o monitoramento de condição — e mais especificamente a análise de vibração — mudou, certo?

Mas vamos ver como mudou em termos práticos.

Antes — o trabalho manual era a ordem do dia. Primeiro, permissões podem ser necessárias para acessar alguns ativos devido a riscos de segurança. Na maioria das plantas globais, isso são 15 a 30 minutos do seu tempo perdidos. De volta ao escritório, um técnico precisaria baixar uma "rota" para seu coletor de dados. Ele então sairia e caminharia pela planta com um acelerômetro com cabo e um coletor de dados (geralmente pesado!). O técnico visitaria apenas máquinas de alta criticidade e mediria cada eixo (X, Y, Z) em cada rolamento individualmente. Poderia gastar 5 a 15 minutos em cada máquina. Com os pés cansados, voltaria ao escritório e faria o upload dos dados para um software proprietário em um computador autônomo. Isso significava que os dados residiam apenas naquele computador e apenas pessoas com acesso podiam visualizá-los.

Nada na nuvem.

Esperançosamente, não esqueceriam de assinar o término da permissão de segurança também.

O analista de vibração então vasculharia toneladas de dados, analisaria os dados manualmente e atualizaria sua planilha Excel ou documento Word. Feito isso, enviaria por e-mail suas recomendações e relatórios a planejadores e supervisores de manutenção.

E torcia para o melhor!

Após 4 semanas, repetiriam este ciclo novamente.

(4 semanas sempre foi o ciclo padrão para a maioria dos analistas de vibração coletarem dados. Nunca se pensou muito no porquê.)

Mas as coisas estão mudando agora…

Depois — Todo o processo agora é muito mais automatizado.

Sem permissões de segurança, e pouco ou nenhum caminhar!

Sensores de vibração sem fio de três eixos são instalados permanentemente no ativo (com ímã, cola ou pinos) e a bateria pode precisar de substituição a cada três anos ou mais. Os dados são enviados para um dispositivo gateway montado localmente, conectado ao sinal Wi-Fi da planta. O gateway envia os dados para um software baseado em nuvem que qualquer pessoa com login pode acessar de qualquer lugar do mundo. Em vez de dados coletados a cada 4 semanas, é configurável — frequentemente para até a cada 60 segundos, se necessário.

Ainda existe a opção de fazer upload manual dos dados dos sensores sem fio com um dispositivo conectado via Bluetooth, como um tablet ou celular. O benefício aqui é que um técnico pode caminhar e realizar uma inspeção visual do ativo ao mesmo tempo, se necessário, além de tirar fotos e fazer anotações de inspeção.

O sensor pode até ser "móvel" e movido temporariamente para outros ativos para troubleshooting.

Níveis de alarme podem ser definidos segundo normas ISO ou configurados para ativos individuais. Quando alarmes são ultrapassados, e-mails automatizados são enviados às partes interessadas-chave para alertar sobre problemas iminentes ou a necessidade de análise de vibração ou análise de causa raiz.

Dadas as economias de escala, muitos mais ativos podem ser monitorados do que no modelo tradicional, não apenas ativos críticos.

A análise manual dos dados ainda é comum, mas à medida que avançamos na transformação digital da Indústria 4.0 e do IIoT, avançamos mais em direção à manutenção preditiva, aprendizado de máquina e algoritmos desempenhando um papel chave na análise.

Vamos agora ver uma categorização simples de dois tipos de sensores: sensores de varredura e sensores de triagem.

Sensores de Varredura (Scanning Sensors)

Estes são os sensores de vibração mais caros, adequados aos ativos críticos de uma empresa. Estes sensores tipicamente contêm autodiagnóstico e validação de medição de vibração. Eles têm um grau de inteligência e realizam um alto volume de processamento de dados. Isso porque, após a validação dos dados, eles enviam as informações dos domínios do tempo e frequência para o gateway e software baseado em nuvem para análise adicional. Você normalmente não iria ao custo de instalar estes em ativos de baixa criticidade e utilidades. Eles também frequentemente têm sensores de temperatura embutidos para que a temperatura de longo prazo possa ser tendenciada junto com a vibração.

Sensores de Triagem (Screening Sensors)

Estes sensores são de custo muito menor e aplicados a ativos de baixa criticidade e utilidades. Mas são bem adequados à abordagem IIoT. Eles frequentemente registram apenas valores globais de vibração e pico de vibração — ou seja, não as informações dos domínios do tempo e frequência. Isso transfere um baixo volume de dados. Mas a chave é que, dado o baixo custo, podem ser usados em muitos mais ativos do que sensores de varredura. Eles capturarão dados nos ativos que são frequentemente negligenciados e ignorados — mas cuja falha ainda pode causar perdas de produção, custos desperdiçados e dores de cabeça organizacionais.

Qual é o Fluxo de Trabalho?

Embora estejamos avançando rapidamente na transformação digital e IIoT, o fluxo de trabalho de monitoramento de vibração é essencialmente o mesmo. O que mudou é que menos tempo é desperdiçado em análises desnecessárias, e os custos reduziram significativamente. Aqui está o fluxo de trabalho típico que vemos hoje:

Este fluxo de trabalho simples permitirá que você foque seus recursos onde eles são necessários.

Obtenha um retorno maior para seu investimento!

A grande economia de custos vem da coleta automatizada de dados e da filtragem de ativos saudáveis. É aqui que empresas modernas, intensivas em ativos e operacionalmente eficientes estão obtendo ganhos significativos em sua jornada rumo à excelência, conectividade e internet industrial das coisas.

Seja competitivo.

E faça parte dessa jornada moderna, orientada por dados, rumo a menores custos, menores riscos e maior desempenho de ativos e negócios.

Leia a seguir: Guia completo sobre IIoT na Manutenção