Tecnologías avanzadas de sensores: Impulsando la monitorización de salud de máquinas y activos en sistemas industriales

Los datos obtenidos de monitorizar equipos remotos son críticos para la funcionalidad de cualquier proceso industrial. A menudo, estos datos se gestionan mediante un sistema de control SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) a través de red Ethernet y TCP/IP sobre topologías bus, estrella o árbol. Los sistemas IIoT (Industrial Internet of Things) a menudo aumentan y en algunos casos reemplazan estos sistemas heredados para permitir una red inalámbrica de nodos conectados a una puerta de enlace que lleva a la nube para procesamiento y analíticas más complejas. Independientemente del uso de tecnologías cableadas o inalámbricas, los sensores subyacentes proporcionan la columna vertebral de los datos necesarios para evaluar y analizar equipos de planta.

Este artículo ofrece una visión panorámica de aplicaciones de monitorización de salud de máquinas y activos industriales, así como una visión general de algunas tecnologías de sensores comúnmente usadas.

Aplicaciones de monitorización de salud de máquinas y activos en IIoT

Las aplicaciones remotas de monitorización de salud de máquinas y activos abarcan una enorme gama de verticales industriales con variedad de tipos de sensores usados junto con protocolos inalámbricos para lograr transmisiones de datos en tiempo real o cuasi tiempo real. En la arquitectura SCADA tradicional, los nodos sensor/actuador conectan a módulos de E/S industriales —a menudo PLCs (controladores lógicos programables) o RTUs (unidades terminales remotas). Estos módulos envían datos de sensores hacia y desde nodos basándose en retroalimentación de computadoras de supervisión —a menudo HMIs (Interfaces Hombre-Máquina)— que recopilan y difunden datos según entrada humana.

En la Red Inalámbrica de Sensores Industriales (IWSN), varios nodos sensor se conectan inalámbricamente a una puerta de enlace en topología punto-a-multipunto (PtMP) vía banda licenciada/no licenciada y protocolo inalámbrico particular. En aplicaciones industriales, esto varía desde protocolos específicos como WirelessHART, a redes celulares, a protocolos comerciales como Zigbee. Esto evita el cableado de módulos E/S separados de la arquitectura SCADA, comprimiendo la jerarquía a transferencias simplificadas: nodos sensor → puerta de enlace/estación base → plataforma centralizada en nube para analíticas complejas.

Las aplicaciones de IWSN para monitorización de condición de máquinas incluyen equipos de posicionamiento industrial y motores/accionamientos, así como aplicaciones de monitorización de activos (Figura 1). Los motores de inducción se encuentran en una enorme gama de equipos, desde máquinas CNC de precisión hasta grúas industriales grandes, poleas y cintas transportadoras. Cualquier fallo en estas máquinas puede degradar la precisión mecánica o causar fallo y parada de fábrica, reduciendo directamente tiempo operativo valioso con coste adicional de reparación. Fallos mecánicos comunes en motores: rotura de barras del rotor, fallo de cortocircuito en devanados, variaciones de entrehierro, fallos de rodamientos.

Los acelerómetros son los más usados para análisis de datos de vibración —la mayoría de fallos mecánicos en máquinas rotativas provocan aumento detectable en niveles de vibración. Mediciones adicionales incluyen Análisis de Firma de Corriente de Motor (MCSA) donde distorsiones en formas de onda de corriente de un motor pueden extrapolar el fallo particular basándose en amplitud del pico y frecuencia. Este método suele lograrse mediante transformador de corriente tipo pinza (CT).

Además de acelerómetros y sensores de corriente, sensores de temperatura, humedad, presión y nivel se aprovechan a menudo en IWSN. En aplicaciones de monitorización de activos, por ejemplo, rastrear el nivel de llenado de tanques de mezcla para químicos, alimentos y farmacéuticos es fundamental para asegurar que los ingredientes se añaden en valores precisos. Sensores de presión o sensores de nivel de líquido miden el nivel de llenado. Monitorización de flujo de aire o líquido puede lograrse con sensores de presión y líquido en sistemas de filtración de aire industriales o HVAC comerciales. En instalaciones de tratamiento y gestión de agua, los filtros exhiben diferenciales de presión en líneas de influente (entrada) y efluente (salida) donde rendimiento y obstrucción pueden rastrearse y detectarse con sensores de presión.

Varios principios fundamentales (óptico, electromagnético, radar, mecánico, ultrasónico, acústico, etc.) pueden aprovecharse para lograr el mismo resultado de sensado. Esta variedad existe para sensores de nivel, humedad y temperatura. La elección de tecnología es un equilibrio entre precio, precisión, factor de forma, facilidad de instalación/calibración, tasa de respuesta y monitorización continua o discreta. Las siguientes secciones tocarán algunos sensores comúnmente usados en IWSN.

Vistazo a sensores comúnmente usados

Acelerómetros

Como se dijo, los acelerómetros son componente clave para monitorizar equipos de máquina para datos vibracionales. Recogen parámetros como aceleración, deceleración y choque a partir de datos de voltaje, convertidos en vibrodiagnósticos en dominio temporal o frecuencial. En análisis temporal, la recopilación y distribución de muestras de señal permiten notar cambio observable en comportamiento de máquina. Una forma simple implica definir “límites de alarma” con velocidad RMS de la carcasa (norma ISO 2372).

El análisis temporal tiene el inconveniente de no detectar fallos temprano, pues se necesitan más datos; sin embargo, las formas de onda temporales clasifican eventos transitorios o intermitentes. En dominio frecuencial, los diversos fallos producen diferencias aparentes en contenido de potencia espectral (picos de velocidad de vibración en varias frecuencias) que permiten mejor aislamiento de fallos. Mientras el análisis temporal se usa para examinar problemas ya conocidos o con patrones muy específicos, el análisis frecuencial permite un sondeo más amplio donde identificar fallos es más evidente. Los acelerómetros multi-eje son particularmente valiosos, pues recogen datos en direcciones axial y radial. Pueden seguir principios: capacitivo, piezoeléctrico o piezoresistivo.

Los más comunes son acelerómetros capacitivos donde una masa de prueba suspendida por muelle se desequilibra bajo estrés de aceleración. Este desplazamiento registran electrodos con cambio de capacitancia que produce tasa y dirección de aceleración. Los piezoeléctricos también usan masa de prueba; cambios en ella causan esfuerzo de cizalla en material piezoeléctrico que se traduce directamente en salida eléctrica. Similar a sensores de presión y nivel, un acelerómetro también puede explotar principio piezoresistivo con masa de prueba y galgas extensométricas para obtener resultado de aceleración.

Sensor de corriente

Aplicaciones industriales de sensores de corriente incluyen análisis MCSA para equipos de máquina, medición inteligente y aplicaciones con fuentes de alimentación (control de inversores, SAI, soldadura, etc.). Los sensores de corriente aprovechan uno de cuatro principios básicos: ley de Ohm, ley de Faraday, efecto Faraday o detección de campo magnético.

Un sensor de corriente tipo shunt resistivo aprovecha la ley de Ohm y consiste en un elemento resistivo en serie con el conductor que lleva la corriente cuyo valor se desea. Parte de la corriente pasa por el elemento, causando caída de voltaje proporcional a la corriente.

La Figura 2 ilustra visión general de varias tecnologías de sensores. Los transformadores de corriente (CT) explotan la ley de inducción de Faraday. El transformador implica múltiples devanados alrededor de núcleo magnético de alta permeabilidad. El devanado primario, o conductor que lleva la corriente, puede ser de pocas vueltas o simplemente una línea que pasa por el núcleo. La CA que fluye por el primario concentra líneas de flujo magnético dentro del núcleo, induciendo corriente en el devanado secundario directamente proporcional a la del primario, ofreciendo medición del flujo de corriente.

Una bobina de Rogowski usa el mismo principio, pero con núcleo de permeabilidad magnética similar al aire. El voltaje inducido en el secundario es proporcional a la derivada temporal de la corriente deseada; por eso el secundario termina en circuito integrador con amplificador operacional.

Sensores de efecto Hall también se usan en arquitectura de lazo abierto o cerrado. El efecto Hall describe el vector de voltaje perpendicular generado en presencia de corriente y campo magnético a través de tira metálica. Configuración de lazo abierto parece al transformador de corriente: conductor pasa por centro de núcleo magnético de alta permeabilidad. Sensor Hall en hueco del núcleo crea voltaje proporcional a la corriente; requiere amplificador pues salida es pequeña.

Configuración de lazo cerrado involucra bobina de compensación (devanado secundario) que produce campo opuesto a la corriente en el conductor para que no haya campo magnético en sensor Hall. El secundario es impulsado por amplificadores en IC de sensado de corriente y termina con resistencia de carga. La corriente en el conductor es proporcional al voltaje en esta resistencia de salida.

Sensor de presión

El término sensor de presión se usa generalmente como término genérico que incluye sensores, transductores y transmisores de presión. En general, sensores de presión producen señal de 10 mV usable a 10-20 pies sin pérdida notable. Transductores producen salidas de voltaje más altas (0,5-4,5 V) que viajan más de 20 pies sin degradación. Transmisores ofrecen señal de corriente 4-20 mA. Los sensores de presión vienen en configuraciones: puente de Wheatstone/piezoresistivo, capacitivo, electromagnético, piezoeléctrico, óptico.

Este artículo se centra en el tipo más común: configuración puente/piezoresistiva (Figura 3). Los sensores de presión más comunes se basan en efecto piezoresistivo donde el cambio de resistencia al deformarse un material correlaciona con la presión. Típicamente tienen diafragma de medición donde el lado expuesto al gas/líquido (fluido hidráulico, agua, aceite, etc.) está expuesto a presión “de referencia” mientras el otro lado está expuesto a alta presión. El diafragma se desvía/deforma y galgas extensométricas miden la diferencia de presión para transducirla a cantidad eléctrica lista para transmisión.

Las galgas extensométricas actúan como elementos resistivos cuyo cambio de resistencia es proporcional a la tensión aplicada. Son tipo foil unido (proceso de deposición por sputtering) o tipo difusión, silicio (galga semiconductora), producida difundiendo impurezas en diafragma de silicio. La galga foil soporta mayores presiones; la semiconductora ofrece mayor sensibilidad, usada a menores presiones. Sin embargo, galgas de silicio son muy influenciadas por temperatura, tendiendo a tener rangos de operación más bajos que galgas foil.

Sensor de nivel de líquido

Los sensores de nivel detectan cantidad de líquido, polvos o material granular (p.ej., pellets) en un contenedor. Al igual que sensor de presión, esta medición puede lograrse de diversas formas. La tabla anterior lista métodos con descripción y consideraciones mayores. Esta sección se centrará en sensor hidrostático basado en diafragma.

El sensor de nivel hidrostático, en particular, se basa en los mismos principios piezoresistivos fundamentales que el sensor tipo puente en sensor de presión. De hecho, este tipo de sensor de nivel es un sensor de presión donde el nivel ascendente/descendente de líquido en un tanque correlaciona con cambio de presión en el diafragma, manteniendo relación altamente lineal con la profundidad del líquido. Como muestra la ecuación, la presión estática (P) del líquido equivale a gravedad específica del líquido (γ) por altura del líquido (h).

P = γ × h

Conclusión

Entender las tecnologías de sensores subyacentes usadas en monitorización industrial ofrece insight para cualquiera involucrado en diseño y desarrollo de sistemas industriales. Cada sensor puede aprovechar variedad de principios fundamentales, cada uno con sus beneficios y consideraciones. La recopilación y difusión de datos de estos sensores puede involucrar backbone cableado o inalámbrico donde IIoT tiene potencial para analíticas de datos más complejas en futuras aplicaciones industriales.

Este artículo fue escrito por Tinu Oza, Product Line Manager en L-com, North Andover, MA. Para más información, visite aquí .

Referencia

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