El usable para la salud de la máquina: monitoreo de condición

El monitoreo basado en la condición (CbM) es el equivalente de la industria 4.0 de los dispositivos portátiles de fitness. Con la explosión de la conectividad llega la oportunidad de mirar el mundo físico como nunca antes y ver los procesos físicos en acción, en tiempo real, con gran detalle. En los sistemas industriales, uno de los procesos que es importante que entendamos es el proceso de envejecimiento de los equipos y maquinarias. Esto es importante en varios mercados de petróleo y gas, generación de energía eólica y control de procesos industriales, donde los costos de los equipos son altos y el tiempo de inactividad es costoso.

El tiempo de inactividad no planificado puede costar miles de dólares por hora. Un estudio de 2017 encontró que las empresas reportaron un costo promedio de $2 millones debido solo al tiempo de inactividad, y que el tiempo de inactividad no planificado es mucho más costoso que el mantenimiento planificado porque una máquina debe estar fuera de línea mientras se diagnostica, las piezas se hacen a pedido y se realizan reparaciones.

Variables como el tiempo de operación, las variaciones en las cargas y los entornos operativos, y los eventos adversos afectan la operación continua de las máquinas dentro de las especificaciones y la vida útil esperada de las máquinas. El monitoreo basado en condiciones tiene como objetivo cuantificar estos impactos, proporcionar alertas cuando se necesita atención inmediata y predecir con precisión cuándo se necesitará una intervención.

Cada máquina es diferente y cada máquina envejecerá de manera diferente, aunque el proceso de envejecimiento suele ser lento e imperceptible. Si no buscamos activamente signos de cambios sutiles con el tiempo, el envejecimiento puede hacerse evidente con el tiempo. Entonces, de repente, hay una falla catastrófica que significa que la máquina está fuera de línea y necesita reparación. Los usuarios finales requieren un aviso previo de falla para que puedan planificar el tiempo de inactividad con mucha anticipación. También buscan indicadores de cambios más sutiles en la maquinaria que puedan afectar la calidad de su producto final, como el papel y la hoja de metal.

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La necesidad de una indicación temprana del desgaste de la máquina y de información sobre la calidad de salida de la máquina impulsa la necesidad de una detección más sensible y ubicua. Los tipos de medición también están aumentando, con modalidades de detección como la temperatura y la vibración que se complementan con mediciones acústicas, de corriente del motor y de voltaje. Estos sistemas de medición se combinan para proporcionar una visión más global del estado del equipo. Esto da como resultado un aumento en el número de canales de medición por máquina. Las mediciones individuales a menudo deben estar bien sincronizadas para mostrar las relaciones, por ejemplo, entre las mediciones de vibración de los ejes x, y y z. Esta necesidad de sincronización aumenta aún más la complejidad de los sistemas.

Debido a la mayor difusión de nudos y modalidades de medición, las rutinas de inspección y medición manuales, basadas en recursos manuales, ya no pueden seguir el ritmo. Los sistemas deben poder implementarse en la fábrica o en un sitio remoto, con conectividad utilizando la infraestructura cableada existente o sistemas inalámbricos robustos y seguros. Los sensores y colectores voluminosos y costosos deben ser más pequeños, más baratos y más eficientes energéticamente para adaptarse a estos entornos.

Figura 1. Inspección manual de equipos utilizando sensores piezoeléctricos y registrador de mano.

Las nuevas soluciones de precisión a nivel de componente y subsistema con mayores niveles de integración permiten a los constructores de sistemas realizar este futuro de mayor detección ahora.

Obtén detalles

Para obtener la señal más temprana posible de desgaste de la máquina, debe mirar hacia el futuro. En el campo del análisis de monitoreo de condición, esto se logra buscando los cambios más pequeños en el sistema, ya sea la temperatura del sistema, la vibración o la firma acústica. La detección de estos pequeños cambios requiere sensores y sistemas de adquisición de datos que puedan ver claramente los pequeños cambios en los niveles de detección más bajos, incluso a niveles altos de vibración o temperatura. Esto requiere cadenas de señal con un rango dinámico extremadamente alto, es decir, sistemas con un rendimiento de ruido muy bajo y al mismo tiempo ser capaces de manejar grandes variaciones de nivel de señal. Por ejemplo, para detectar el inicio del desgaste en una bomba alternativa, puede ser necesario detectar un cambio de menos de 1/10mi un mm desde la posición final del pistón, donde el pistón se mueve hasta 300 mm en total. Para asegurarnos de que podamos ver este cambio, el ruido del sistema debe ser inferior a este en al menos un factor de 10. Esto eleva el nivel de detección a 1:300 000, o 109 dB, y requiere sistemas de datos de 18 bits o más precisos. adquisición.

Otra consideración es la necesidad de lograr el ancho de banda de interés. Los ejes motrices y muchos sistemas de engranajes se caracterizan por vibraciones a frecuencias relativamente bajas, con frecuencias cercanas a la velocidad de rotación del eje o pequeños múltiplos de la misma. Sin embargo, hay otros componentes en los sistemas con características de mayor frecuencia. Para detectar cambios de desgaste en componentes con características de mayor frecuencia, como cojinetes de bolas y aceite, la detección debe poder lograr una alta resolución y un alto rango dinámico a frecuencias superiores a 10 kHz y hasta 80 kHz.

Figura 2. Firma de frecuencia de vibración típica.

Las especificaciones del sistema del sensor deben incluir un alto rango dinámico (DR), así como una distorsión armónica total (THD) muy baja para resolver estas características de dominio de frecuencia en el perfil de vibración del sistema. En estos sistemas, se utilizan los últimos convertidores sigma-delta (Σ-Δ) de amplia precisión para realizar la etapa de conversión de analógico a digital. Hay convertidores de analógico a digital de alta precisión que cumplen con los requisitos clave de estos sistemas. Los convertidores de esta categoría se especifican con un mejor rango dinámico y THD (normalmente +108 dB DR y -120 dB THD), logrados en un ancho de banda de CC de al menos 80 kHz, combinado con funciones fáciles de usar. Los búferes de precarga de entrada analógica, los filtros digitales incorporados y la sincronización de interfaz para la coincidencia de fase multicanal hacen que estos componentes clave para construir los sistemas de adquisición de datos CbM más avanzados. Las funciones de escalado de energía permiten ajustar el mismo hardware físico para cumplir con límites de energía específicos, donde el rango dinámico o el ancho de banda se pueden intercambiar por energía general. Y proporcione precisión de CC, así como un ancho de banda más amplio para permitir que los canales de entrada satisfagan las necesidades de temperatura, presión y otros sensores de CC o ancho de banda bajo en la misma plataforma.La forma, que simplifica la arquitectura general y la complejidad del sistema. monitoreo de condición: una plataforma para todos los tipos de sensores CbM.

Muestreo simultáneo

En los sistemas CbM, se utiliza el muestreo simultáneo para garantizar que se conserven las relaciones de fase entre los conjuntos de datos en el dominio del tiempo. Por ejemplo, cuando se utilizan dos sensores de vibración dispuestos ortogonalmente, esto permite detectar la dirección y la amplitud de los fasores de vibración. Idealmente, el retardo de fase en cada ruta de entrada del sensor debe coincidir y seguir la temperatura.

Para los sistemas CbM que requieren aún más flexibilidad en su diseño para una gama más amplia de frecuencia de muestreo, ancho de banda o requisitos de escalado de potencia, los productos ADC SAR también son adecuados. Estos dispositivos ofrecen alto rango dinámico y THD, y velocidades de datos de hasta 2 MSPS, y también incorporan funciones fáciles de usar que reducen el consumo de energía de la cadena de señales, reducen la complejidad de la cadena de señales y permiten una mayor densidad de canales. Los convertidores con modos de impedancia de entrada más alta amplían la gama de amplificadores de precisión de baja potencia que pueden controlar estos ADC directamente, sin dejar de lograr un rendimiento óptimo.

Para permitir a los constructores sistemas de las densidades de canal más altas que se pueden lograr en nodos de adquisición más densos o distribuidos, y velocidad de comercialización, cadena de señal de μModule® Se están desarrollando productos con niveles de integración más altos que nunca.

Estos dispositivos μModule combinan los componentes clave comúnmente utilizados en los diseños de cadena de señales de adquisición de datos en un factor de forma similar a un circuito integrado (IC).

Figura 3. Representación 3D del ensamblaje del µModule.

El enfoque de μModule cambia la carga de diseño de la selección, optimización y diseño de componentes analógicos y de señal mixta del diseñador al dispositivo, lo que reduce el diseño general del sistema y el tiempo de depuración y, al mismo tiempo, mejora el tiempo de comercialización. Alojados en gabinetes diminutos, los dispositivos μModule son ideales para sistemas de distribución de bajo número de canales, sistemas CbM compactos o sistemas de rack de mayor número de canales.

Sensores

Proporcionar un alto rango dinámico, un ancho de banda más amplio, una mayor eficiencia energética y mayores densidades de canal en la parte de adquisición de datos de la cadena de señal solo resuelve parte del desafío del diseño del sistema para los sistemas CbM. Los sensores de vibración piezoeléctricos tradicionales con electrónica integrada (IEPE) son grandes, voluminosos y costosos, y generalmente funcionan con rieles de voltaje mucho más altos que el sistema de adquisición de datos. Los sensores piezoeléctricos comunes usan un solo suministro de -24 V, que consume más de 2 mA, y están alojados en gabinetes de metal pesado. Dado que los suministros del sensor generalmente los proporciona el módulo de adquisición de datos, la mayor densidad de canales en el paquete se convierte en un problema de densidad de potencia y un problema de densidad de componentes. Agregando a esto la necesidad de nodos de adquisición inalámbricos alimentados por batería, el sensor de vibración piezoeléctrico tradicional ya no cumple con los requisitos de estas cadenas de señal.

Los sensores de vibración e inercia MEMS ahora cumplen con los requisitos de estos sistemas. Los últimos dispositivos MEMS de alto ancho de banda tienen un rendimiento ideal de ruido y ancho de banda para aplicaciones CbM y logran este rendimiento en pequeños paquetes montados en la superficie con niveles de potencia 20 veces más bajos que los sensores IEPE comparables. El tamaño pequeño y el perfil de potencia de estos sensores MEMS permiten el desarrollo de sistemas multieje de batería muy pequeña para el monitoreo de condición permanente y continuo.

Energía y Conectividad

Detectar y convertir la temperatura, la vibración o el ruido de la máquina en información digital es una parte integral de la tarea de monitoreo, pero estos datos no brindan una imagen completa. Los sistemas de monitoreo de condiciones de construcción requieren una cuidadosa atención a todos los componentes de señal analógica, digital y mixta del diseño. Lograr un bajo ruido en la cadena de adquisición de datos no solo requiere sensores de bajo ruido y componentes de conversión de analógico a digital, sino también un diseño de fuente de alimentación de bajo ruido. Lograr un bajo consumo de energía en el sistema también requiere componentes de energía que obtengan energía de manera eficiente de la batería o del cableado de campo sin aumentar la complejidad del diseño.

Figura 4. Diagrama de bloques que muestra los subbloques de una cadena típica de señal de adquisición de datos de precisión.

Los requisitos de conectividad dependerán del entorno de aplicación particular. Muchas instalaciones industriales ya cuentan con un amplio cableado para el control de procesos o la detección ambiental, como la temperatura. Sin embargo, es posible que gran parte de esta infraestructura actual no pueda manejar las grandes cantidades de datos sin procesar, o velocidades de datos, que se requieren para el monitoreo profundo basado en condiciones.

Un enfoque es mejorar la capacidad del cableado existente agregando más datos de una manera que no interfiera con las funciones existentes. Por ejemplo, HART® La tecnología se utiliza para agregar información de diagnóstico en forma digital además de la omnipresente interfaz analógica de 4 mA a 20 mA. De manera similar, Industrial Ethernet agrega determinismo y control en tiempo real donde ya existen cables Ethernet, lo que permite una latencia conocida en las aplicaciones de control, así como un mayor ancho de banda cuando se requieren datos de vibración o FFT, como permitir múltiples nodos en cada conexión.

Otro enfoque es transferir la información de forma inalámbrica. En entornos industriales, se requiere una red inalámbrica robusta y segura. Los últimos productos de radio de malla inteligente son chips inalámbricos precertificados y módulos de PCB, que permiten una comunicación de baja potencia y una confiabilidad de datos > 99,999 %, incluso en entornos de RF hostiles y que cambian dinámicamente. Para el monitoreo basado en condiciones, esto significa que se garantiza que las fallas o los eventos transitorios se informarán al host y se tratarán lo más rápido posible.

El futuro de CbM

El monitoreo basado en la condición es una necesidad absoluta para los equipos que requieren mucho capital, como los de energía, petróleo y gas, donde el tiempo de inactividad tiene un impacto directo en los costos de producción. También se está volviendo cada vez más importante en la fábrica, donde se puede utilizar como un enfoque proactivo para el mantenimiento de la máquina, pero también como una forma de garantizar que las máquinas produzcan productos de manera constante en el funcionamiento normal. A medida que el valor de estas capacidades de monitoreo se vuelva más evidente, esta tecnología comenzará a aplicarse a más y más máquinas que usamos todos los días. , y automóviles, y tal vez en lavadoras e incluso pequeños electrodomésticos.

Los fabricantes de componentes del sistema integrarán el sensor, o incluso todo el canal, en el componente. Los motores vendrán con sensores de vibración y corriente incluidos, y lo mismo puede ser cierto para los cojinetes y las cajas de engranajes. Habrá nodos de sensores autónomos que enviarán una señal a su dispositivo móvil. ¡Implemente uno en la puerta de su garaje para que pueda advertirle antes de que su automóvil se quede atascado adentro!

Para satisfacer la creciente necesidad de detección en estas diversas situaciones, los fabricantes de equipos deberán adoptar un enfoque de plataforma, en el que un conjunto de plataformas más pequeñas pueda satisfacer un conjunto más diverso de necesidades. Los canales de medición deberán manejar diferentes tipos de sensores para que el equipo del rack pueda reasignarse a diferentes combinaciones de sensores. En equipos más pequeños, los sistemas deberán adaptarse a diferentes perfiles de energía para que el mismo nodo de monitoreo pueda usarse en una lavadora o una herramienta alimentada por batería.

Conclusión

El monitoreo basado en la condición tiene como objetivo cuantificar el estado de salud de las máquinas mediante la detección de varios parámetros medibles dentro de las máquinas. Al aumentar la precisión y la sensibilidad de estas mediciones, así como al reducir el tamaño, el peso y la potencia del equipo de monitoreo, el gerente de la planta puede implementar esto. detección en el taller.

La fábrica ahora tiene un monitor de salud, un rastreador de actividad física, que brinda nuevos niveles de información sobre las operaciones de la fábrica. Los gerentes de planta pueden recibir alertas sobre cambios menores en la operación del motor para tomar decisiones informadas tempranas con esta información.

Los costos de mantenimiento se pueden reducir significativamente programando el mantenimiento por adelantado y solo programándolo para las máquinas que más lo necesitan. Las tarifas de los técnicos fuera de horario y de guardia se pueden reducir a cero.

Los costos de equipo pueden reducirse debido a la naturaleza más controlada de la planta. La detección temprana y el reemplazo de componentes desgastados protegen la salud general de la máquina. Un monitoreo más cercano reduce la ocurrencia de fallas catastróficas. La vida útil del equipo se puede extender porque las máquinas se manejan cuidadosamente hasta el final de su vida útil.

Se puede reducir el costo de producción del producto terminado en la fábrica. Con información sobre el estado de la máquina, se puede controlar el sufrimiento de la máquina. La calidad de salida del producto final es más consistente de un lote a otro. Se reduce la ocurrencia de paradas. máquina fuera de límites o repentina. Como resultado, se reducen la repetición de trabajos y el desperdicio de productos.

Cómo ayudan los dispositivos analógicos a resolver este problema

Analog Devices, Inc. entiende (ADI) las necesidades de detección y medición de los clientes finales que buscan maximizar la eficiencia y la vida útil de sus equipos instalados, o proporcionar estas soluciones de medición y análisis a sus usuarios finales.

Las tareas de detección y medición requeridas por CbM se pueden resolver con la oferta de tecnología combinada disponible de ADI, a nivel de componente, como la mayoría de los clientes saben, pero ahora también a niveles más altos de integración con dispositivos μ Módulo de cadena de señal y productos μ Módulos de potencia, que habilitar. prototipos más rápidos o diseño de productos viables para los productos de nuestros clientes.

ADI puede proporcionar toda la cadena de señal, desde sensores MEMS de baja potencia, convertidores de datos de alto rendimiento y eficiencia energética, hasta conectividad inalámbrica y soluciones de administración de energía. La tecnología ADI continúa brindando las mejores opciones de rendimiento para los sistemas centrales basados ​​en rack, al mismo tiempo que satisface las necesidades de los nodos de monitoreo distribuido. El mundo analógico es el lugar de nacimiento de los datos, y Analog Devices siempre ha estado a la vanguardia en dar sentido a este mundo para convertirlo en información real, significativa y útil.

Para obtener más información sobre las soluciones de monitoreo de condición de Analog Devices, visite analog.com/cbm.

Para obtener más detalles, consulte el artículo "Elegir el velocímetro adecuado para el mantenimiento predictivo".

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