Saúde da máquina e monitoramento de ativos em aplicações industriais:uma visão das tecnologias de sensores

Os dados obtidos com o monitoramento de equipamentos remotos são fundamentais para a funcionalidade de qualquer processo industrial. Frequentemente, esses dados são manipulados por um sistema de controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA), geralmente por meio de uma rede Ethernet e TCP/IP em uma topologia de barramento, estrela ou árvore. Os sistemas industriais de Internet das Coisas (IIoT) geralmente aumentam e, em alguns casos, substituem esses sistemas legados para permitir uma rede sem fio de nós conectados a um gateway que leva de volta à nuvem para processamento e análise de dados mais complexos. Independentemente do uso de tecnologias com ou sem fio, os sensores subjacentes usados ​​nesses processos fornecem a espinha dorsal para os dados necessários para avaliar e analisar os equipamentos da planta.

Este artigo fornece uma visão geral das aplicações de monitoramento de ativos e integridade de máquinas industriais, bem como uma visão geral de algumas das tecnologias de sensores comumente usadas.

Aplicativos de monitoramento de ativos e integridade da máquina na IIoT

Os aplicativos de monitoramento remoto de ativos e integridade de máquinas industriais abrangem uma enorme variedade de verticais da indústria com uma variedade de tipos de sensores usados ​​em conjunto com protocolos sem fio para obter transmissões de dados em tempo real ou quase em tempo real. Na arquitetura SCADA mais tradicional, os nós sensores/atuadores se conectam aos módulos de E/S industriais — geralmente controladores lógicos programáveis ​​(PLCs) ou unidades terminais remotas (RTUs). Esses módulos de E/S enviam dados do sensor de e para os nós com base no feedback dos computadores supervisores – geralmente Interfaces Homem-Máquina (IHM) – coletam e disseminam dados com base na entrada humana.

Na Rede de Sensores Sem Fio Industrial (IWSN), vários nós sensores se conectam sem fio a um gateway em uma topologia ponto a multiponto (PtMP) por meio de uma banda licenciada/não licenciada e um protocolo sem fio específico. Em aplicações industriais, isso pode variar de protocolos específicos do setor, como WirelessHART, a redes baseadas em celular e protocolos mais comerciais, como Zigbee. Isso ignora a fiação de módulos de E/S separados encontrados na arquitetura SCADA, comprimindo essa hierarquia para transferências de dados simplificadas de nós sensores, para um gateway/estação base, para uma plataforma centralizada baseada em nuvem para realizar análises mais complicadas.

As aplicações de IWSNs para monitoramento de condições de máquinas incluem equipamentos de posicionamento industrial e motores/drives, bem como aplicações de monitoramento de ativos (Figura 1). Motores indutivos, por exemplo, são encontrados em uma grande variedade de equipamentos de máquinas, desde máquinas CNC de precisão até grandes guindastes industriais, polias e correias transportadoras. Quaisquer falhas nessas máquinas podem degradar a precisão mecânica ou até mesmo causar uma falha e tempo de inatividade da fábrica, diminuindo diretamente o valioso tempo operacional da planta com o custo adicional do tempo de reparo. Algumas falhas mecânicas comuns para motores são:rachaduras na barra do rotor, falha no enrolamento curto, variações no entreferro e falhas no rolamento.

Os acelerômetros são mais comumente aproveitados para análise de dados de vibração – a maioria das falhas mecânicas em máquinas rotativas leva a um aumento detectável nos níveis de vibração. Medições adicionais incluem Análise de Assinatura de Corrente do Motor (MCSA), onde distorções nas formas de onda de corrente de um motor podem extrapolar a falha específica com base na amplitude do pico e na frequência na qual o pico ocorre. Este método de medição é frequentemente realizado por meio de um transformador de corrente (TC) de encaixe.

Além de acelerômetros e sensores de corrente, sensores de temperatura, umidade, pressão e nível são frequentemente aproveitados em IWSNs. Em aplicações de monitoramento de ativos, por exemplo, rastrear o nível de enchimento do tanque para tanques de mistura de produtos químicos, alimentos e farmacêuticos é fundamental para garantir que os ingredientes sejam colocados em valores precisos. Nesses casos, sensores de pressão podem ser usados ​​ou vários sensores de nível de líquido podem ser usados ​​para medir o nível de enchimento do tanque. O monitoramento de fluxo de ar ou fluxo de líquido pode ser realizado usando sensores de pressão e líquido, bem como em sistemas industriais de filtragem de ar ou em sistemas HVAC comerciais. Nas instalações de tratamento e gerenciamento de água, os filtros exibem diferenciais de pressão nas linhas de afluente (entrada) e efluente (saída) onde o desempenho e o entupimento podem ser rastreados e detectados por sensores de pressão.

Vários princípios fundamentais subjacentes (óptico, eletromagnético, radar, mecânico, ultrassônico, acústico, etc.) podem ser aproveitados para obter o mesmo resultado de detecção. Essa variedade pode ser encontrada para sensores de nível, umidade e temperatura. A escolha da tecnologia é um equilíbrio entre preço, precisão, formato, facilidade de instalação/calibração, taxa de resposta e monitoramento contínuo ou discreto. As próximas seções abordarão alguns dos sensores comumente utilizados em IWSNs.

Uma olhada nos sensores comumente usados

Acelerômetros – Como dito anteriormente, os acelerômetros são um componente fundamental para o monitoramento de equipamentos de máquinas para dados vibracionais. Isso ocorre coletando parâmetros como aceleração, desaceleração e choque dos dados de tensão. Isso é transformado em vibrodiagnóstico no domínio do tempo ou no domínio da frequência. Na análise no domínio do tempo, a coleta e distribuição de amostras de sinal permitem a mudança perceptível no comportamento da máquina ao longo do tempo. Uma forma simples de análise de vibração no domínio do tempo envolve a definição de “limites de alarme” com a velocidade Root Mean Square (RMS) da carcaça da máquina (padrão ISO 2372).

A análise no domínio do tempo geralmente tem o revés da incapacidade de detectar falhas mais cedo, pois mais dados precisam ser coletados para observar uma diferença observável; no entanto, as formas de onda de tempo têm os principais benefícios de classificar um evento que é transitório ou intermitente. No domínio da frequência, as várias falhas produzem diferenças aparentes no conteúdo de energia espectral (ou seja, picos na velocidade de vibração em várias frequências) que permitem um melhor isolamento da falha. Embora a análise no domínio do tempo seja frequentemente utilizada para examinar problemas que já são conhecidos ou exibem padrões muito específicos que são pesquisados, a análise no domínio da frequência permite uma pesquisa mais ampla da operação da máquina, onde a identificação de falhas é muito mais aparente. Os acelerômetros multieixos são particularmente valiosos, pois são capazes de coletar dados nas direções axial e radial. Os acelerômetros podem seguir um desses princípios fundamentais:capacitivo, piezoelétrico ou piezoresistivo.

Os mais comumente usados ​​são os acelerômetros capacitivos, onde uma massa de prova suspensa por mola se desequilibra sob tensão de aceleração. Este deslocamento é então registrado por eletrodos com uma mudança na capacitância que finalmente produz uma taxa de aceleração e direção de aceleração. Acelerômetros piezoelétricos também usam uma massa de prova; no entanto, os deslocamentos na massa de prova causam tensão de cisalhamento no material piezoelétrico que se traduz diretamente em uma saída elétrica. Semelhante aos sensores de pressão e nível listados nos sensores anteriores, um acelerômetro também pode explorar o princípio piezorresistivo usando uma massa de prova e medidores de tensão para obter um resultado de aceleração.

Sensor de corrente – As aplicações industriais de sensores de corrente podem incluir análise MCSA para equipamentos de máquinas, medição inteligente e em aplicações envolvendo fontes de alimentação (por exemplo, controle de inversor, fontes de alimentação ininterruptas, soldagem, etc.). Os sensores de corrente utilizam um dos quatro princípios básicos:lei de Ohm, lei de Faraday, efeito de Faraday ou detecção de campo magnético.

Um sensor de corrente do tipo shunt resistivo alavancaria a lei de Ohm e consiste em um elemento resistivo que atua em série com o condutor portador de corrente cujo valor de corrente é desejado. Dessa forma, parte da corrente passa pelo elemento, causando uma queda de tensão proporcional à corrente que passa por ele.

A Figura 2 ilustra uma visão geral de várias tecnologias de sensores. Os transformadores de corrente (TC) exploram a lei de indução de Faraday. O transformador envolve múltiplos enrolamentos em torno de um núcleo magnético de alta permeabilidade magnética. O enrolamento primário, ou condutor de corrente, pode ser de algumas espiras ou simplesmente uma linha que passa pelo núcleo. A corrente alternada que flui através do enrolamento primário concentra as linhas de fluxo magnético dentro do núcleo, ou concentrador de fluxo, que por sua vez induz uma corrente dentro do enrolamento secundário que é diretamente proporcional à corrente dentro do enrolamento primário, oferecendo uma medição do fluxo de corrente.

Uma bobina de rogowski usa o mesmo princípio, mas com um núcleo com permeabilidade magnética semelhante ao ar. A tensão induzida dentro do enrolamento secundário é proporcional à derivada do tempo da corrente desejada. Portanto, o enrolamento secundário em uma bobina rogowski é terminado com um circuito integrador de amplificador operacional.

Os sensores de campo magnético de efeito Hall também são aproveitados em uma arquitetura de malha aberta ou de malha fechada. O efeito Hall simplesmente descreve o vetor de tensão perpendicular que é gerado na presença de uma corrente e um campo magnético fluindo através de uma tira de metal. Uma configuração de malha aberta é semelhante ao transformador de corrente em que o condutor de corrente passa pelo centro de um núcleo magnético de alta permeabilidade magnética. Um sensor de efeito Hall é colocado dentro de uma lacuna no núcleo, criando uma tensão proporcional à corrente. Essa tensão, no entanto, requer um amplificador, pois a tensão de saída é pequena.

Uma configuração de malha fechada envolve uma bobina de compensação, ou enrolamento secundário, que produz um campo que se opõe à corrente no condutor de corrente, de modo que nenhum campo magnético é visto no sensor de efeito Hall. O enrolamento secundário é acionado por amplificadores no IC de detecção de corrente e é terminado com uma resistência de carga. A corrente no condutor de corrente é proporcional à tensão neste resistor de saída.

Sensor de pressão – O termo sensor de pressão é geralmente usado como um termo abrangente que inclui sensor de pressão, transdutores de pressão e transmissores de pressão. Em geral, os sensores de pressão produzem um sinal de saída de 10 mV, onde esse sinal de saída pode ser usado a 10 a 20 pés da parte elétrica sem perda de sinal perceptível. Os transdutores de pressão produzem saídas de tensão mais alta (0,5 a 4,5 V) que podem percorrer mais de 6 metros sem degradação do sinal. Os transmissores de pressão oferecem um sinal de saída de corrente de 4 a 20 mA. Os sensores de pressão podem ser fornecidos em várias configurações, incluindo Wheatstone Bridge/piezoresistivo, capacitivo, eletromagnético, piezoelétrico e óptico.

Este artigo se concentra no tipo mais comum de sensores de pressão:a configuração tipo ponte/piezoresistiva (Figura 3). Os sensores de pressão mais comuns contam com o efeito piezoresistivo, onde a mudança na resistência que ocorre quando um material é deformado se correlaciona com a pressão sob a qual o material está. Normalmente, esses sensores têm um diafragma de medição onde o lado do diafragma voltado para o gás/líquido (ou seja, fluido hidráulico, água, óleo, etc.) à alta pressão. Nesse caso, o diafragma deflete/deforma de acordo e os medidores de tensão medem a diferença de pressão entre cada um para transduzir essa informação para uma quantidade elétrica pronta para transmissão.

Os strain gages atuam essencialmente como elementos resistivos cuja mudança na resistência é proporcional à quantidade de tensão aplicada sobre eles. Esses strain gages são do tipo folha colada fabricado através de um processo de deposição sputter ou um strain gauge de difusão do tipo silício que também é conhecido como strain gauge de semicondutor, pois é produzido pela difusão de impureza em um diafragma à base de silício. O strain gauge à base de folha tem o benefício de suportar pressões mais altas, enquanto o strain gauge à base de semicondutor oferece uma sensibilidade mais alta, por isso é frequentemente aproveitado em pressões mais baixas. No entanto, os strain gages de silício são altamente influenciados pela temperatura e, portanto, tendem a ter temperaturas operacionais mais baixas do que os strain gages de folha.

Sensor de nível de líquido – Os sensores de nível detectam a quantidade de líquido, pós ou material granular (por exemplo, pellets) dentro de um recipiente. Assim como o sensor de pressão, essa medição pode ser realizada de várias maneiras. A tabela acima lista alguns dos métodos com uma descrição e algumas considerações importantes para cada tipo de sensor de nível. Esta seção se concentrará no sensor hidrostático baseado em diafragma.

O sensor de nível hidrostático, em particular, baseia-se nos mesmos princípios piezoresistivos fundamentais que o sensor tipo ponte encontrado no sensor de pressão. Na verdade, este tipo de sensor de nível de líquido é um sensor de pressão em que o nível de líquido subindo/descendo dentro de um tanque se correlaciona com uma mudança na pressão dentro do diafragma e, assim, mantém uma relação altamente linear com a profundidade do líquido no tanque. Conforme mostrado na equação abaixo, a pressão estática (P) de líquido é equivalente à gravidade específica do líquido (γ) e à altura do líquido ( h ).

P =γ*h

Conclusão

Compreender as tecnologias de sensores subjacentes usadas em aplicações de monitoramento industrial pode oferecer informações para qualquer pessoa envolvida no projeto e desenvolvimento de sistemas industriais. Cada sensor pode alavancar uma variedade de princípios fundamentais, cada um com seus respectivos benefícios e considerações para a aplicação. A coleta e disseminação dos dados adquiridos desses sensores podem envolver um backbone com ou sem fio, onde a IIoT, em particular, tem potencial para análises de dados mais complexas para futuras aplicações industriais.

Este artigo foi escrito por Tinu Oza, gerente de linha de produtos da L-com, North Andover, MA. Para mais informações, visite aqui .

Referência

1. Lewis, Joe. Manual de medição e detecção de nível de sólidos . Momentum Press, 2014.