Cum poate monitorizarea activelor cu senzori multipli să îmbunătățească performanța în fabricile și logistica din Industria 4.0 și în centrele de date

Monitorizarea parametrilor utilajelor, precum vibrațiile și temperatura, poate furniza date în timp real cu privire la performanța și sănătatea utilajelor și poate oferi producătorilor datele necesare pentru a planifica întreținerea proactivă, a reduce timpii morți și a îmbunătăți productivitatea.

Monitorizarea umidității și a temperaturii în instalațiile logistice sau în timpul transportului poate îmbunătăți performanța operațională și poate conserva bunuri precum vaccinurile sau produsele proaspete. Sunt disponibile sisteme de monitorizare a mediului cu conectivitate cu fir și fără fir pentru a îndeplini cerințele diferitelor aplicații, inclusiv ale centrelor de date pentru întreprinderi și cloud.

Monitorizarea vibrațiilor poate fi benefică pentru identificarea potențialelor probleme ale utilajelor înainte ca acestea să apară. Standardul 10816 al Organizației Internaționale pentru Standardizare (ISO) poate fi o referință importantă. Acesta oferă îndrumări pentru evaluarea severității vibrațiilor la motoarele utilizate pentru pompe, ventilatoare, compresoare, cutii de viteze, suflante, uscătoare, prese și dispozitive similare care funcționează în gama de frecvențe de la 10 la 1000 Hz.

Acest articol prezintă câteva considerente cheie pentru alegerea dintre conectivitate cu fir și fără fir pentru sistemele de monitorizare și modul în care utilizarea rețelelor cu fir și fără fir nu este o alegere de tip ori/ori. Apoi, analizează cele patru clase de severitate a vibrațiilor, așa cum sunt definite în ISO 10816. Se încheie cu discuții despre diferite opțiuni de implementare a sistemelor de monitorizare a stării cu și fără fir, inclusiv utilizarea mai multor senzori pentru monitorizarea vibrațiilor, temperaturii, umidității și aplicațiilor reprezentative.

Banner Engineering oferă o gamă de gateway-uri de monitorizare a stării echipamentelor (EHM) care oferă acces ușor la datele rețelei EHM. Proiectanții de EHM industriale pot alege între soluțiile de gateway cu fir SNAP ID ale companiei, cu un afișaj local pentru citirile senzorilor sau un tablou de bord Cloud opțional și gateway-urile wireless CLOUD ID concepute pentru conectare directă la un tablou de bord Cloud (Figura 1). Caracteristicile comune ale acestor două opțiuni includ:

• O gamă de senzori din care se poate alege pentru optimizarea funcționării EHM
• Implementare rapidă susținută de recunoașterea automată a senzorilor conectați fără programare suplimentară
• Datele senzorilor sunt disponibile imediat pentru ajustarea echipamentelor sau pentru programarea întreținerii necesare, pentru a minimiza timpii morți și a maximiza productivitatea
• Suport pentru conectivitate în cloud de la ambele sisteme
• Tablouri de bord preconfigurate disponibile și personalizabile pentru vizualizarea optimă a datelor

Figura 1: Gateway-urile EHM SNAP ID cu fir (stânga) și CLOUD ID fără fir (dreapta) de la Banner au câteva caracteristici comune. (Sursa imaginii: DigiKey)

Gateway EHM cu fir sau fără fir?

Deși au unele caracteristici comune, există diferențe esențiale între gateway-urile EHM cu fir și fără fir. Gateway-ul de monitorizare a activelor AMG-SNAP-ID (AMG) acceptă punerea în funcțiune, monitorizarea și alarmele pentru până la 20 de senzori și convertoare. Acesta acceptă conectivitatea Modbus și SNAP SIGNAL de la Banner și caută senzori sau convertoare individuale, detectând automat informațiile despre model. Utilizatorii pot modifica și atribui numere de identificare a serverului Modbus pentru a construi și pune în funcțiune soluții EHM personalizate. Dispozitivele conectate pot fi grupate, iar alarmelor li se pot atribui praguri individuale. Starea alarmei este vizibilă pe ecranul tactil și prin culoarea luminii de pe partea superioară a carcasei.

Atunci când este necesar să se ajungă direct la cloud, proiectanții de sisteme EHM pot folosi gateway-ul IIoT DXM1200-X2 pentru a conecta până la 200 de dispozitive atât de la Banner, cât și de la terți, pentru a furniza date privind performanța și starea utilajelor. Acesta se poate conecta și poate detecta automat nodurile de senzori și poate furniza date software-ului cloud de la Banner. Dezvoltatorii pot alege între instrumente de programare simple sau complexe. Gateway-ul IIoT poate procesa informațiile la periferie și apoi le poate trimite prin rețele Ethernet și celulare pentru a fi monitorizate oriunde în lume, cu ajutorul unui tablou de bord cloud intuitiv (Figura 2).

Figura 2: Gateway-urile rețelelor de senzori IIoT fără fir (stânga) și cu fir (dreapta) includ mai multe caracteristici comune. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Arhitecturi EHM cu fir și fără fir

Arhitecturile EHM cu fir și fără fir nu se exclud reciproc. Sistemele cu fir pot avea elemente fără fir, iar arhitecturile fără fir includ adesea conectivitate cu fir.

De exemplu, o arhitectură EHM de bază cu fir poate include mai multe cutii de joncțiune conectate la mai mulți senzori, cum ar fi R50-4M125-M125Q-P cu 4 porturi și R95-8M125-M125Q-P cu 8 porturi. Radiourile de date seriale Sure Cross R70SR de la Banner, precum R70SR9MQ de 900 MHz și R70SR2MQ de 2,4 GHz, pot extinde raza rețelei fără cabluri suplimentare. Caracteristicile acestor radiouri includ (Figura 3):

• Interfață serială RS-485
• Suport pentru topologii de rețea în stea și tip arbore
• Suport pentru autovindecare, rețea de radiofrecvență cu rutare automată cu salturi multiple pentru a extinde și mai mult raza rețelei
• Tehnologie FHSS (spectru împrăștiat cu salt de frecvență) pentru transmisii sigure de date

Figura 3: Topologia de bază a monitorizării activelor prin cablu (stânga) cu un exemplu de grup de senzori la distanță conectați fără fir (dreapta). (Sursa imaginii: DigiKey)

Într-o instalație mare, mai multe sisteme pot fi răspândite pe o suprafață largă, inclusiv:

• Compresoare de aer
• Sisteme de pompare
• Sisteme de benzi transportoare
• Numeroase motoare electrice și utilaje
• Cutii de viteze
• Sisteme de filtrare a aerului
• Măsurarea și monitorizarea nivelului în rezervoarele de depozitare

În aceste cazuri, performanța sistemului EHM poate fi îmbunătățită prin combinarea tehnologiilor cu fir și fără fir. Gateway-ul IIoT fără fir DXM1200-X2 menționat mai sus include conectivitate Modbus cu fir. Dacă este nevoie de Ethernet, proiectanții pot utiliza DXMR90-X1. DXMR90-4K poate implementa funcții de master/controler IO-Link. Pe lângă alegerea Modbus, Ethernet și IO-Link, proiectanții pot utiliza radiourile de date seriale R709 pentru a oferi conectivitate fără fir la active dispersate fizic (Figura 4).

Figura 4: Gateway-urile fără fir IIoT (stânga jos) sunt disponibile cu conectivitate Modbus, Ethernet și IO-Link. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

ISO 10816 privind severitatea vibrațiilor

ISO 10816 este un standard important pentru sistemele EHM. Acesta cuantifică severitatea vibrațiilor pentru utilaje precum motoare electrice, pompe și generatoare. Standardul utilizează valoarea medie pătratică (rms) a accelerației, deplasării sau vitezei de vibrație. ISO 10816 include, de asemenea, considerente pentru valorile de la vârf la vârf. Severitatea vibrațiilor are cea mai mare valoare rms atunci când se măsoară doi sau mai mulți parametri. Standardul clasifică severitatea vibrațiilor în patru niveluri:

• Bun indică, de obicei, utilaje puse recent în funcțiune.
• Vibrațiile satisfăcătoare indică zona de funcționare nerestricționată.
• Vibrațiile nesatisfăcătoare indică necesitatea de a restricționa funcționarea și de a programa întreținerea preventivă.
• Vibrațiile inacceptabile indică probabilitatea deteriorării utilajelor.

Figura 5: IEC 10816 include patru categorii de severitate a vibrațiilor. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Vibrații și învățare automată

Nici măcar utilajele „identice” nu sunt replici exacte. Aici intervine învățarea automată (ML). Banner Engineering oferă VIBE-IQ, un pachet software de monitorizare a vibrațiilor care utilizează învățarea automată (ML) pentru a stabili o valoare de referință unică pentru vibrațiile fiecărui utilaj. Software-ul ML stabilește apoi automat pragurile de avertizare și de alarmă. Acesta poate automatiza calculele și analizele EHM complexe. Unele caracteristici ale VIBE-IQ includ:

• Monitorizarea continuă a vitezei rms de la 10 la 1000 Hz, a accelerației rms de înaltă frecvență de la 1000 la 4000 Hz și a temperaturii
• Monitorizează numai motoarele care sunt în funcțiune
• Utilizează datele pentru analiza tendințelor, precum și pentru monitorizarea în timp real pentru identificarea condițiilor precum:
  • Sisteme nealiniate sau dezechilibrate
  • Componente uzate sau slăbite
  • Uzura excesivă a rulmenților
  • Motoare montate sau acționate necorespunzător
  • Condiții de supratemperatură
• Trimite în mod proactiv alerte către controlerul gazdă sau către cloud

Vibrații și temperatură

Vibrațiile nu sunt singurul indiciu că un utilaj ar putea avea nevoie de întreținere preventivă. O tendință de creștere a temperaturii poate, de asemenea, să alerteze sistemul EHM cu privire la probleme potențiale, în special atunci când creșterea temperaturii este corelată cu creșterea vibrațiilor.

Combinarea celor doi parametri oferă o imagine mai detaliată a stării echipamentului. Aceștia pot alerta operatorii cu privire la diferite seturi de condiții și pot oferi beneficii multiple:

• Vibrațiile pot identifica probleme mecanice precum alinieri incorecte, dezechilibre, uzura rulmenților etc.
• Creșterea temperaturii poate identifica probleme electrice precum supraîncălzirea înfășurărilor sau probleme de lubrifiere.
• La detectarea funcționării anormale, corelarea vibrațiilor în afara benzii și a temperaturii poate ajuta la identificarea cauzelor posibile. De exemplu, modelele de vibrații pot ajuta la identificarea cauzei principale.
• Planificarea întreținerii preventive poate fi facilitată prin monitorizarea temperaturii și a vibrațiilor. O creștere treptată a temperaturii nu este neapărat o problemă la fel de mare ca și creșterea vibrațiilor, care poate necesita o corecție mai rapidă.
• Aflați cum să îmbunătățiți selectarea și utilizarea activelor pe termen lung utilizând datele senzorilor pentru a identifica eventualele limitări de funcționare înainte ca acestea să devină probleme.

Atunci când temperatura și vibrațiile trebuie monitorizate, proiectanții de sisteme EHM pot utiliza senzorul QM30VT2 într-o carcasă din aluminiu sau QM30VT2-SS-QP într-o carcasă din oțel inoxidabil, ambii de la Banner Engineering. Ambii senzori se pot conecta la un radio Modbus sau la orice rețea Modbus ca dispozitiv slave prin RS-485. Factorul lor de formă mic le permite să se potrivească în locuri înguste (Figura 6). Alte caracteristici includ:

• Măsurători de înaltă precizie ale temperaturii și vibrațiilor
• Interval de măsurare a temperaturii de la -40 °C la +105 °C, cu o rezoluție de 1 °C și o precizie de ±3 °C
• Detectează vibrații pe două axe cu o lățime de bandă de până la 4 kHz cu o precizie de ±10% la 25 °C și o frecvență de eșantionare implicită de 20 kHz
• Ieșiri pentru viteza rms, accelerația rms de înaltă frecvență, viteza maximă și alți parametri preprocesați din formele de undă ale vibrațiilor

Figura 6: Senzorii de temperatură și vibrații pe două axe pot fi montați direct pe carcasa motorului (dreapta). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Formarea benzilor spectrale ale vibrațiilor este o capacitate avansată. Aceasta permite utilizatorilor să divizeze transformarea rapidă Fourier (FFT) de bandă largă pentru a obține date privind viteza sau accelerația rms pentru benzi de frecvență mai înguste, pe lângă datele scalare de la 10 la 1000 Hz și de la 1000 la 4000 Hz. În funcție de cerințele utilizatorilor, frecvențele de bandă pot fi introduse manual sau generate automat pe baza unei intrări de viteză dinamică sau statică. Analiza benzilor spectrale poate ajuta în special la diagnosticarea problemelor utilajelor rotative.

Temperatura și umiditatea

Monitorizarea temperaturii și umidității poate fi importantă în centrele de date, depozite, camere sterile, frigidere sau răcitoare. Un senzor de temperatură și umiditate precum DX80N9Q45THA poate ajuta la:

• Păstrarea bunurilor precum produse proaspete sau vaccinuri în cazul cărora cunoașterea temperaturii și umidității este esențială pentru viabilitatea pe termen lung și prevenirea deteriorării
• Protejarea echipamentelor precum serverele și dispozitivele de stocare într-un centru de date unde temperatura sau umiditatea excesive pot interfera cu funcționarea normală sau pot duce la defecțiuni
• Îmbunătățirea sănătății și siguranței persoanelor din depozite și alte instalații în care umiditatea ridicată poate îngreuna reducerea temperaturii lucrătorilor în temperaturi ridicate, ceea ce poate duce la epuizare termică

Interval de măsurare a temperaturii de la -40 °C la +85 °C cu o rezoluție de 0,1 °C și o precizie de ±0,6 °C de la -40 °C la 0 °C, ±0,4 °C de la 0 °C la +60 °C și ±1,2 °C de la +60 °C la +85 °C. Senzorul de umiditate poate măsura de la 0% la 100% RH cu o precizie de ±2% la +25 °C, ±3% de la 0 °C la +70 °C și 10% la 90% RH și ±7% de la 0 °C la +70 °C și 0% la 10% sau 90% la 100% RH.

Când unitatea este pornită, aceasta funcționează în modul de eșantionare rapidă și trimite date la fiecare două secunde. După cinci minute, nodul intră în modul implicit și trimite date la intervale de cinci minute. Utilizatorul poate selecta rate de eșantionare de 15 minute sau 64 de secunde.

Modelele cu radiouri de 900 MHz transmit la 1 W (30 dBm) sau 250 mW (24 dB selectabil de către utilizator). Modul de 250 mW reduce raza de acțiune, dar îmbunătățește durata de viață a bateriei în aplicațiile cu rază scurtă de acțiune. Pentru modelele de 2,4 GHz, puterea de transmisie este fixată la aproximativ 65 mW (18 dBm). Atunci când funcționează în modul de stocare, radioul este oprit pentru a economisi bateria.

Concluzie

Sistemele EHM eficiente din fabricile Industriei 4.0 monitorizează vibrațiile și temperatura pentru a ajuta la asigurarea unor niveluri ridicate de timp de funcționare. De asemenea, senzorii de umiditate și temperatură pot să îmbunătățească performanța operațională a centrelor de date și să conserve bunuri precum vaccinurile sau produsele proaspete în operațiunile de depozitare și logistică. Aceste sisteme pot utiliza conectivitate cu fir sau fără fir pentru a monitoriza mai mulți parametri.