Tecnologias Avançadas de Sensores: Impulsionando Monitoramento de Saúde de Máquinas e Ativos em Sistemas Industriais

Os dados obtidos do monitoramento de equipamentos remotos são críticos para a funcionalidade de qualquer processo industrial. Frequentemente, esses dados são manipulados por um sistema de controle de Supervisão, Controle e Aquisição de Dados (SCADA), muitas vezes via rede Ethernet e TCP/IP sobre topologia de barramento, estrela ou árvore. Sistemas de Internet Industrial das Coisas (IIoT) estão frequentemente aumentando e, em alguns casos, substituindo esses sistemas legados para permitir uma rede sem fio de nós conectados a um gateway que leva de volta à nuvem para processamento de dados e análises mais complexas. 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 equipamentos de planta.

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

Monitoramento de Saúde de Máquinas e Ativos no IIoT

Aplicações remotas de monitoramento de saúde de máquinas e ativos industriais abrangem uma enorme gama de verticais da indústria com uma variedade de tipos de sensores usados em conjunto com protocolos sem fio para alcançar transmissões de dados em tempo real ou quase tempo real. Na arquitetura SCADA mais tradicional, nós de sensor/atuador conectam-se a módulos de I/O industriais — frequentemente controladores lógicos programáveis (CLPs) ou unidades terminais remotas (UTRs). Esses módulos de I/O enviam dados de sensores de e para nós baseados em feedback de computadores de supervisão — frequentemente Interfaces Homem-Máquina (IHM) — que coletam e disseminam dados baseados em entrada humana.

Na Rede de Sensores Sem Fio Industrial (RSSI), vários nós de sensores conectam-se sem fio a um gateway em uma topologia ponto-a-multiponto (PtoM) via banda licenciada/não licenciada e protocolo sem fio particular. Em aplicações industriais, isso pode variar de protocolos específicos da indústria, como WirelessHART, a redes baseadas em celular, a protocolos mais comerciais, como Zigbee. Isso elimina a fiação de módulos de I/O separados encontrados na arquitetura SCADA, comprimindo essa hierarquia para transferências de dados simplificadas de nós de sensores, para um gateway/estação base, para uma plataforma centralizada baseada em nuvem para realizar análises mais complexas.

Aplicações de RSSIs para Monitoramento de Condição de Máquinas

As aplicações de RSSIs para monitoramento de condição de máquinas incluem equipamentos de posicionamento industrial e motores/acionamentos, bem como aplicações de monitoramento de ativos. Motores de indução, por exemplo, são encontrados em uma enorme gama de equipamentos de máquinas, desde máquinas CNC de precisão a grandes guindastes industriais, polias e esteiras transportadoras. Quaisquer falhas nessas máquinas podem degradar a precisão mecânica ou até causar falha e tempo de inatividade da fábrica, diminuindo diretamente o tempo operacional valioso da planta com o custo adicional de tempo de reparo. Algumas falhas mecânicas comuns para motores são: trinca de barras do rotor, falha de curto no enrolamento, variações de entreferro e falhas de rolamento.

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. Medidas 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 particular baseada na amplitude do pico e na frequência em que o pico ocorre. Este método de medição é frequentemente realizado por meio de um transformador de corrente (TC) do tipo grampo.

Além de acelerômetros e sensores de corrente, sensores de temperatura, umidade, pressão e nível são frequentemente aproveitados em RSSIs. Em aplicações de monitoramento de ativos, por exemplo, rastrear o nível de enchimento de tanques para mistura de produtos químicos, alimentos e farmacêuticos é fundamental para garantir que 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. Monitoramento de fluxo de ar ou líquido pode ser realizado usando sensores de pressão e líquidos também em sistemas industriais de filtração de ar ou em sistemas HVAC comerciais. Em instalações de tratamento e gestão de água, filtros exibem diferenciais de pressão nas linhas de influente (entrada) e efluente (saída) onde desempenho e entupimento podem ser rastreados e detectados por sensores de pressão.

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

Visão dos Sensores Comumente Usados

Acelerômetros

Como mencionado anteriormente, acelerômetros são um componente fundamental para monitoramento de equipamentos de máquinas para dados vibracionais. Isso ocorre coletando parâmetros como aceleração, desaceleração e choque a partir de dados de tensão. Isso é transformado em vibrodiagnóstico no domínio do tempo ou da frequência. Na análise de 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 definir “limites de alarme” com a velocidade quadrática média (RMS) da carcaça da máquina (padrão ISO 2372).

A análise de domínio do tempo geralmente tem o revés da incapacidade de detectar falhas mais cedo, pois mais dados precisam ser coletados para notar uma diferença observável; no entanto, 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 potência espectral (ou seja, picos na velocidade de vibração em várias frequências) que permitem melhor isolamento de falhas. Enquanto a análise de domínio do tempo é frequentemente aproveitada para examinar problemas que já são conhecidos ou exibem padrões muito específicos que são buscados, a análise de domínio da frequência permite uma pesquisa mais ampla da operação da máquina onde a identificação de falhas é muito mais aparente. Acelerômetros multi-eixo são particularmente valiosos, pois são capazes de coletar dados nas direções axial e radial. Acelerômetros podem seguir um destes princípios fundamentais: capacitivo, piezoelétrico ou piezoresistivo.

Os mais comumente usados são acelerômetros capacitivos, onde uma massa de prova suspensa por mola se desloca para desequilíbrio sob estresse de aceleração. Esse deslocamento é então registrado por eletrodos com uma mudança na capacitância que finalmente resulta em uma taxa e direção de aceleração. Acelerômetros piezoelétricos também usam uma massa de prova; no entanto, deslocamentos na massa de prova causam tensão de cisalhamento no material piezoelétrico que se traduz diretamente em uma saída elétrica. Similar aos sensores de pressão e nível listados anteriormente, um acelerômetro também pode explorar o princípio piezoresistivo usando uma massa de prova e extensômetros para produzir um resultado de aceleração.

Sensor de Corrente

Aplicações industriais de sensores de corrente podem incluir análise MCSA para equipamentos de máquinas, medição inteligente e aplicações envolvendo fontes de alimentação (ex.: controle de inversor, fontes de alimentação ininterruptas, soldagem, etc.). Sensores de corrente aproveitam um de 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 aproveitaria a lei de Ohm e consiste em um elemento resistivo que atua em série ao condutor que transporta a corrente cujo valor é desejado. Dessa forma, parte da corrente passa pelo elemento, causando uma queda de tensão proporcional à corrente que flui através dele.

Transformadores de corrente (TC) exploram a lei de indução de Faraday. O transformador envolve múltiplos enrolamentos ao redor de um núcleo magnético de alta permeabilidade magnética. O enrolamento primário, ou o condutor que transporta a corrente, pode ser de algumas voltas ou simplesmente uma linha passando pelo núcleo. A CA fluindo 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 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 similar ao ar. A tensão induzida dentro do enrolamento secundário é proporcional à derivada temporal da corrente desejada. Portanto, o enrolamento secundário em uma bobina de Rogowski é terminado com um circuito integrador de amplificador operacional.

Sensores de campo magnético de efeito Hall também são aproveitados em arquitetura de malha aberta ou fechada. O Efeito Hall simplesmente descreve o vetor de tensão perpendicular gerado na presença de uma corrente e campo magnético fluindo através de uma tira de metal. Uma configuração de malha aberta parece similar ao transformador de corrente no sentido de que o condutor que transporta a corrente passa pelo centro de um núcleo magnético de alta permeabilidade magnética. Um sensor de efeito Hall é colocado dentro de uma fenda 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 opõe a corrente no condutor que transporta a corrente para que nenhum campo magnético seja visto no sensor de efeito Hall. O enrolamento secundário é acionado por amplificadores no CI de detecção de corrente e é terminado com uma resistência de carga. A corrente no condutor que transporta a 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, sensores de pressão produzem um sinal de saída de 10 mV onde esse sinal de saída pode ser usado a 3 a 6 metros de equipamentos elétricos sem perda de sinal perceptível. Transdutores de pressão produzem saídas de tensão mais altas (0,5 a 4,5 V) que podem viajar além de 6 metros sem degradação de sinal. Transmissores de pressão oferecem um sinal de saída de corrente de 4 a 20 mA. Sensores de pressão podem vir em várias configurações, incluindo tipo Ponte de Wheatstone/piezoresistivo, capacitivo, eletromagnético, piezoelétrico e óptico.

Este artigo foca no tipo mais comum de sensores de pressão: a configuração tipo ponte/piezoresistiva. Os sensores de pressão mais comuns dependem do efeito piezoresistivo onde a mudança na resistência que ocorre quando um material é deformado correlaciona-se com a pressão sob a qual o material está. Tipicamente, esses sensores têm um diafragma de medição onde o lado do diafragma que enfrenta o gás/líquido (ou seja, fluido hidráulico, água, óleo, etc.) é exposto a uma pressão de “referência” enquanto o outro lado do diafragma é exposto a alta pressão. Neste caso, o diafragma desvia/deforma-se adequadamente e extensômetros medem a diferença de pressão entre cada lado para transduzir essa informação para uma quantidade elétrica pronta para transmissão.

Extensômetros essencialmente atuam como elementos resistivos cuja mudança de resistência é proporcional à quantidade de tensão aplicada sobre eles. Esses extensômetros são do tipo folha colada, fabricados através de processo de deposição por sputtering, ou um extensômetro do tipo difusão, de silício, também conhecido como extensômetro semicondutor, pois é produzido pela difusão de impureza em um diafragma baseado em silício. O extensômetro baseado em folha tem o benefício de suportar pressões mais altas, enquanto o extensômetro baseado em semicondutor oferece maior sensibilidade, sendo frequentemente aproveitado em pressões mais baixas. No entanto, extensômetros de silício são altamente influenciados pela temperatura e, portanto, tendem a ter temperaturas de operação mais baixas que extensômetros de folha.

Sensor de Nível de Líquido

Sensores de nível detectam a quantidade de líquido, pós ou material granular (ex.: pellets) dentro de um recipiente. Não diferente do sensor de pressão, essa medição pode ser realizada de várias maneiras. Esta seção focará no sensor baseado em diafragma hidrostático.

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

P = γ × h

Conclusão

Compreender as tecnologias de sensores subjacentes usadas em aplicações de monitoramento industrial pode oferecer insights para qualquer pessoa envolvida no projeto e desenvolvimento de sistemas industriais. Cada sensor pode aproveitar 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 pode envolver uma estrutura com ou sem fio, onde o 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 na L-com, North Andover, MA. Para mais informações, visite aqui .

Referência

1. Lewis, Joe. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.