Monitoramento da saúde do maquinário da fábrica

Monitoramento de integridade ou monitoramento de condição tem sido usado por muitos anos em máquinas e instalações onde o custo de uma interrupção é alto. Ele pode permitir a antecipação de falhas e a programação de manutenções ou reparos para a menor perda de produção, além de evitar manutenções periódicas desnecessárias.

Pode ser tão simples como uma pessoa visitando a planta em intervalos regulares com instrumentos portáteis, como uma câmera termográfica e analisador de vibração, ou pode ser instalado permanentemente para que os dados possam ser coletados remotamente por um longo período, os dados analisados linha e tendências identificadas.

Com o crescente uso de dispositivos inteligentes em máquinas e plantas, que podem ser conectados em rede e seus dados coletados remotamente a baixo custo, a possibilidade de monitoramento da saúde das plantas está aumentando rapidamente. Há muita informação disponível na web dando ideias e oferecendo produtos para monitoramento.

Nesta postagem do blog, mostrarei uma variedade de técnicas que aproveitam a posição especial do drive de velocidade variável na máquina para acessar outros dados úteis.

Segurança da máquina no chão de fábrica

De um modo geral, as técnicas aplicadas precisam utilizar sensores de baixo custo e ser razoavelmente não invasivas, de modo a evitar altos custos de instalação e o risco de danos decorrentes do processo de instalação. Sensores simples, como sondas térmicas e acelerômetros pode ser anexado a peças acessíveis e fornecer uma riqueza de dados.

Por exemplo, um acelerômetro pode ser facilmente montado em um suporte de rolamento ou carcaça de máquina para medir a vibração radial de uma máquina rotativa e pode detectar defeitos que causam forças desequilibradas, como peças rotativas quebradas, eixos rachados e acoplamentos desalinhados.

Uma simples medição de amplitude pode dar um aviso geral de defeitos potencialmente prejudiciais, enquanto uma análise de frequência mais profunda pode focar a atenção em peças específicas, especialmente se houver diferentes velocidades de rotação envolvidas, como em caixas de engrenagens ou correias.

Monitoramento da saúde da máquina ou planta usando um inversor de velocidade variável

O variador de velocidade encontra-se numa posição única numa máquina, uma vez que normalmente fornece a força motriz. É um dispositivo inteligente que está intimamente acoplado às partes de trabalho de uma máquina através do motor elétrico. Ele contém informações que ele usa para fazer seu trabalho de forma confiável, mas que pode ser acessada e analisada com pouco ou nenhum custo. Em outras palavras, ele pode ser usado como um conjunto extra de sensores, praticamente sem custo.

Para começar, o inversor possui seus próprios sensores internos para várias temperaturas internas e a corrente do motor, que são fornecidos pelo fabricante para evitar danos ao inversor ou motor devido a condições anormais. Também pode ter um sensor de temperatura do motor conectado. Esses dados estão disponíveis como parâmetros de unidade e pode ser acessado periodicamente para avisar se estiver se aproximando de um limite e para analisar tendências.

Em um sistema de controle de malha fechada, como um servoconversor, o inversor contém dados referentes às variáveis ​​de controle. É bastante comum, por exemplo, monitorar o seguinte erro em uma malha de controle de posição e acionar um sinalizador se o erro exceder um limite - isso pode indicar algum tipo de mau funcionamento, como aumento da rigidez (impedimento, obstrução ou dano ) ou reação (de desgaste ).



É um pequeno passo para passar de um simples limite de alarme para monitorar a tendência dos dados suavizados e alertar o usuário para uma situação em desenvolvimento que pode resultar em falha futura.

Para o seguinte erro, deve haver pelo menos um transdutor de eixo instalado, o que tende a ser o caso em aplicações de controle de movimento de precisão . Em todas as aplicações, no entanto, o drive também tem acesso a uma medição especial que é difícil de obter por instrumentação externa – o torque do motor.

Medição do torque do motor

Para medir o torque do motor convencionalmente usando um transdutor é mais comumente feito pela instalação de um strain gage ou célula de carga na fixação da carcaça do motor. Isso requer uma montagem especial do motor para fornecer uma medição sensível do torque, e a medição é afetada pelo momento de inércia da carcaça pesada do motor, o que reduz a sensibilidade às frequências mais altas.

Ainda mais difícil é medir o torque dinâmico do eixo real , pois isso requer que um extensômetro rotativo seja fixado ao eixo, com telemetria para passar os dados para o lado fixo. Esta é uma operação cara e raramente é feita, mesmo para um teste especial. É improvável que seja uma instalação permanente.

O drive, no entanto, possui dados internos para a corrente de produção de torque no motor, que é um bom proxy para o torque do eixo, disponível gratuitamente! Os dados estão disponíveis mesmo quando o próprio motor está inacessível, seja no interior de uma máquina ou debaixo d'água ou em uma área perigosa. A precisão da medição de torque é melhor em um sistema de malha totalmente fechada, mas mesmo em um inversor de malha aberta simples os dados de torque são bons o suficiente para muitas finalidades, exceto nas velocidades mais baixas.

Uma vez que reconhecemos que os dados de torque estão disponíveis no drive praticamente sem custo, bem como os dados de velocidade correspondentes, podemos entrar em um novo domínio para o monitoramento de máquinas e instalações. A seguir está uma gama de possibilidades que encontramos na Control Techniques.

Os leitores podem ter novas ideias para tipos específicos de máquinas – é preciso um conhecimento detalhado da máquina para inventar novos métodos para usar os dados de torque que são liberados pelo inversor.

A lista a seguir mostra as informações que a unidade possui, ou poderia ter a um custo modesto, todas as quais podem ser monitoradas e correlacionadas para gerar informações úteis sobre a máquina:

Limites simples para torque médio ou de pico

Os dados de torque em tempo real podem ser suavizados para fornecer um valor médio de operação quando o inversor está ativo ou o valor de pico pode ser capturado em uma escala de tempo escolhida para se adequar à aplicação, podendo variar de milissegundos a dias, dependendo do processo. Um alarme pode ser gerado se o valor sair de um intervalo esperado (ou seja, exceder um valor esperado ou, menos comumente, ficar abaixo de um valor esperado).

Tendências de torque

Os mesmos dados de torque podem ser registrados e analisados ​​quanto à tendência ao longo do tempo ou em relação a qualquer outra variável, com alarmes definidos para indicar uma tendência não saudável.

Correlações simples de torque médio com velocidade

Em muitos processos o torque é fortemente dependente da velocidade, em um padrão bem definido. Por exemplo, um ventilador ou bomba conduzindo fluido através de um duto fixo, tubulação ou loop, ou uma rede deles, terá uma curva de torque/velocidade bem definida. Qualquer desvio significativo da curva normal indica uma mudança que pode representar um problema. Alguns exemplos são:

Baixo torque:

• Correia de transmissão quebrada ou outro acoplamento
• Perda de fluido na bomba
• Obstrução ao fluxo, por ex. filtro ou tela bloqueado (para um tipo de impulsor de bomba ou ventilador, pode ser aplicado também ao transportador etc.)
• Acúmulo de depósitos no rotor do ventilador ou da bomba
• Cavitação em uma bomba devido à entrada de ar, redemoinho ou outras falhas (também causa pulsações – veja abaixo)

Torque alto:

• Apreensão do rotor ou outras partes (parcial ou total)
• Obstrução ao fluxo (tipo de bomba de deslocamento positivo)
• Vazamento importante (tipo impulsor de bomba ou ventilador)

Um perfil de torque/velocidade pode ser estabelecido fora do qual um estado de alarme é gerado, por exemplo, conforme mostrado na Figura 1:



Os dados de torque precisam estar sujeitos a filtragem passa-baixa suficiente ou média para evitar que efeitos dinâmicos (torque de aceleração) ou pulsações normais gerem falsos alarmes.

Outras variáveis ​​podem ter um impacto, por exemplo, uma pressão de entrega variável de um fluido, portanto, as faixas de tolerância devem ser definidas com largura suficiente para evitar alarmes falsos dessa causa.

Correlações multivariáveis

Em processos mais complexos, o torque dependerá de diversas variáveis, que podem ou não estar disponíveis para o inversor. Por exemplo, considere um ventilador conduzindo o ar através de um sistema de dutos, alguns dos quais possuem controles de amortecedor para variar o fluxo de ar local. A curva torque/velocidade depende então das posições dos amortecedores.

Se houver dados disponíveis sobre o estado do amortecedor ou a queda de pressão sobre os amortecedores, uma correlação multivariável pode ser possível para permitir isso. A Figura 2 mostra uma ilustração simples do caso com duas ramificações de dutos com amortecedores.

Outra possibilidade é usar os valores medidos de torque e velocidade para deduzir a vazão e a pressão na bomba ou no ventilador de suas curvas características, que podem ser comparadas com um valor medido de um transdutor. Qualquer discrepância pode significar que a bomba ou o ventilador estão com defeito ou o transdutor está com defeito.

Análise dinâmica de torque

Os dados de torque no drive possuem uma ampla largura de banda e podem, em princípio, ser usados ​​para análise dinâmica. É bastante comum que a largura de banda de torque seja da ordem de 1 kHz ou mais, embora possa não ser possível acessar e analisar os dados em uma taxa tão alta – o canal de comunicação de dados normalmente limita o acesso aos dados a cerca de 250 intervalo de amostra ms.

Os dados de torque referem-se ao torque elétrico no motor, que é transmitido ao eixo de saída, mas influenciado pela inércia do rotor do motor e pela rigidez efetiva do algoritmo de controle do motor. Estes formam um filtro passa-baixa cujas características podem não ser conhecidas.

Em um sistema de malha totalmente fechada, é possível deduzir a função de transferência e obter dados precisos de torque do eixo, de modo que, por exemplo, reversões de torque de alta frequência possam ser detectadas. No entanto, a medição não precisa ser calibrada com precisão para que as comparações ou a análise de tendências sejam bem-sucedidas.

Na prática, pulsações com frequências na região de 100 – 500 Hz foram monitoradas de maneira útil a partir de dados de torque elétrico do motor.

Blocos de dados podem ser capturados em tempo real e submetidos a análises dinâmicas off-line. A análise pode ser no domínio do tempo, por exemplo, calculando a magnitude das flutuações (pulsação ou flutuação de torque geral, amplitude r.m.s. com ou sem média de tempo, valores de pico ou valores de pico negativos) ou no domínio da frequência através de uma transformada de Fourier em relação ao tempo ou alguma outra variável, como a posição. Isso pode permitir que mudanças em desenvolvimento sejam detectadas, especificamente no padrão de pulsação de torque:

• Amplitude de vibração geral de torção excessiva, banda larga ou banda limitada, por exemplo de peças de máquinas quebradas ou cavitação em bombas
• Torques de pico excessivos que podem resultar em danos mecânicos ou desgaste prematuro
• Reversões de torque frequentes que podem causar vibração na engrenagem, resultando em desgaste prematuro ou quebra
• Ressonâncias de torção, por exemplo de acoplamentos frouxos, resultando em picos no espectro de frequência cuja frequência é independente da velocidade, embora possam ser aprimorados em determinadas velocidades
• Pulsações de torção, com um ou mais ciclos por revolução, por exemplo de rachaduras no eixo, rotor ou dente da engrenagem ou outros danos mecânicos, com a possibilidade de rastrear a fonte em uma máquina complexa a partir da frequência dos picos espectrais, da velocidade e do conhecimento da caixa de engrenagens ou de outras relações de acionamento.

Análise dinâmica de torque com correlação de velocidade

Em alguns dos exemplos dados acima, é claramente benéfico considerar a velocidade do eixo em conjunto com a análise dinâmica do torque, porque as pulsações relacionadas à rotação do eixo estarão na frequência rotacional (efeitos de uma vez por rotação) ou um múltiplo dele (por exemplo, um eixo rachado dá duas vezes por revolução, os impulsores podem estar em N por revolução, os dentes da engrenagem em N ou N₁ /N₂ –por revolução).

Pode ser útil gerar gráficos compostos de análise espectral de vibração com velocidade, o que diferenciará claramente os efeitos N-por-revolução dos efeitos de ressonância cuja frequência é fixa, mas pode ser estimulada apenas em determinadas faixas de velocidade. Estes são chamados de parcelas em cascata ou parcelas em cascata e são amplamente oferecidos por fornecedores de equipamentos de análise de vibração.

Cuidado – taxas de amostragem e aliasing

É necessário cuidado em sistemas com pulsações de torque rápidas. Os dados de torque são amostrados em uma taxa que pode ser restringida pela capacidade do inversor de armazenar ou exportar dados na taxa em que são adquiridos internamente. A frequência de amostragem produzirá erros de alias em frequências como (f_s – f_d ) onde f_d é o conteúdo de frequência dos dados e f_s é a frequência de amostragem. f_s precisa ser mantido acima de cerca de 3 vezes f_d para evitar a geração de novos produtos de frequência confusos dentro da região de interesse.

Um benefício adicional dos gráficos em cascata é que os produtos de alias são claramente visíveis, sua frequência caindo à medida que a velocidade aumenta, enquanto com efeitos genuínos a frequência aumenta ou permanece constante.

Análise de inteligência artificial

Em todos os itens acima, concentrei-me em aplicações em que uma compreensão física do processo é usada para definir um comportamento esperado e os dados disponíveis são usados ​​para comparar a operação real com a expectativa. Mesmo que a escala de amplitude seja incerta, as frequências são únicas e as tendências podem ser identificadas.

A vantagem dessa abordagem é que as pessoas envolvidas no processo podem entender os dados e trabalhar a partir das informações e condições de alarme geradas para desenvolver um diagnóstico para a planta.

Uma alternativa é usar alguma forma de algoritmo de aprendizado de máquina para rastrear todos os dados disponíveis e ter como objetivo deduzir os padrões de comportamento normal e anormal. Este é um assunto de pesquisa atual, por exemplo https://phys.org/news/2016-02-scientist-ai-algorithm-machinery-health.html .

Em conclusão

As idéias dadas acima são gerais baseadas em uma imagem ampla de uma máquina com peças giratórias, acoplamentos e engrenagens, ou uma bomba ou um ventilador. Espero que, destacando o acesso especial que o drive dá a alguns dados valiosos, especialmente os dados de torque dinâmico, os projetistas de máquinas possam aplicar essas idéias em suas próprias aplicações específicas e exclusivas.