Supervisión de activos y estado de la máquina en aplicaciones industriales:una mirada a las tecnologías de sensores

Los datos obtenidos del monitoreo de equipos remotos son críticos para la funcionalidad de cualquier proceso industrial. A menudo, estos datos son manejados por un sistema de control de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA), a menudo a través de una red Ethernet y TCP/IP sobre una topología de bus, estrella o árbol. Los sistemas de Internet industrial de las cosas (IIoT) 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 conduce de regreso a la nube para un procesamiento y análisis de datos más complejos. Independientemente del uso de tecnologías alámbricas o inalámbricas, los sensores subyacentes utilizados en estos procesos proporcionan la columna vertebral de los datos necesarios para evaluar y analizar los equipos de la planta.

Este artículo proporciona una vista panorámica del estado de las máquinas industriales y las aplicaciones de monitoreo de activos, así como una descripción general de algunas de las tecnologías de sensores más utilizadas.

Aplicaciones de monitoreo de activos y estado de la máquina en el IIoT

Las aplicaciones remotas de monitoreo de activos y estado de máquinas industriales abarcan una amplia gama de verticales de la industria con una variedad de tipos de sensores que se utilizan junto con protocolos inalámbricos para lograr transmisiones de datos en tiempo real o casi en tiempo real. En la arquitectura SCADA más tradicional, los nodos de sensor/actuador se conectan a módulos de E/S industriales, a menudo controladores lógicos programables (PLC) o unidades terminales remotas (RTU). Estos módulos de E/S envían datos de sensores hacia y desde los nodos en función de los comentarios de las computadoras de supervisión, a menudo interfaces hombre-máquina (HMI), recopilan y difunden datos en función de la entrada humana.

En la Red Industrial de Sensores Inalámbricos (IWSN), varios nodos de sensores se conectan de forma inalámbrica a una puerta de enlace en una topología de punto a multipunto (PtMP) a través de una banda con licencia/sin licencia y un protocolo inalámbrico particular. En aplicaciones industriales, esto puede variar desde protocolos específicos de la industria, como WirelessHART, redes basadas en celulares, hasta protocolos más comerciales, como Zigbee. Esto evita el cableado de los módulos de E/S separados que se encuentran en la arquitectura SCADA, comprimiendo esta jerarquía para simplificar las transferencias de datos desde los nodos sensores, a una puerta de enlace/estación base, a una plataforma centralizada basada en la nube para realizar análisis más complicados.

Las aplicaciones de las IWSN para el monitoreo del estado de las máquinas incluyen equipos de posicionamiento industrial y motores/variadores, así como aplicaciones de monitoreo de activos (Figura 1). Los motores inductivos, por ejemplo, se encuentran en una amplia gama de equipos de máquinas, desde máquinas CNC de precisión hasta grandes grúas industriales, poleas y cintas transportadoras. Cualquier falla en estas máquinas puede degradar la precisión mecánica o incluso causar una falla y tiempo de inactividad de la fábrica, lo que reduce directamente el valioso tiempo operativo de la planta con el costo adicional del tiempo de reparación. Algunas fallas mecánicas comunes de los motores son:grietas en la barra del rotor, fallas en devanados cortos, variaciones del entrehierro y fallas en los cojinetes.

Los acelerómetros se aprovechan más comúnmente para el análisis de datos de vibración:la mayoría de las fallas mecánicas en las máquinas rotativas conducen a un aumento detectable en los niveles de vibración. Las mediciones adicionales incluyen el análisis de firma de corriente del motor (MCSA), donde las distorsiones en las formas de onda de corriente de un motor pueden extrapolar la falla particular en función de la amplitud del pico y la frecuencia en la que se produce el pico. Este método de medición a menudo se logra por medio de un transformador de corriente (CT) con clip.

Aparte de los acelerómetros y los sensores de corriente, los sensores de temperatura, humedad, presión y nivel se aprovechan a menudo en las IWSN. En las aplicaciones de monitoreo de activos, por ejemplo, el seguimiento del nivel de llenado del tanque para tanques de mezcla de productos químicos, alimentos y productos farmacéuticos es fundamental para garantizar que los ingredientes se introduzcan en valores precisos. En estos casos, se pueden usar sensores de presión o varios sensores de nivel de líquido para medir el nivel de llenado del tanque. El monitoreo del flujo de aire o líquido se puede lograr utilizando sensores de presión y de líquido, así como en sistemas industriales de filtración de aire o en sistemas HVAC comerciales. En las instalaciones de gestión y tratamiento de agua, los filtros muestran diferenciales de presión en las líneas de afluente (entrada) y efluente (salida) donde los sensores de presión pueden rastrear y detectar el rendimiento y la obstrucción.

Se pueden aprovechar varios principios fundamentales subyacentes (ópticos, electromagnéticos, de radar, mecánicos, ultrasónicos, acústicos, etc.) para lograr el mismo resultado de detección. Esta variedad se puede encontrar para sensores de nivel, humedad y temperatura. La elección de la tecnología es un equilibrio entre precio, precisión, factor de forma, facilidad de instalación/calibración, tasa de respuesta y monitoreo continuo o discreto. Las siguientes secciones abordarán algunos de los sensores comúnmente aprovechados en las IWSN.

Una mirada a los sensores de uso común

Acelerómetros – Como se indicó anteriormente, los acelerómetros son un componente fundamental para el monitoreo de equipos de máquinas en busca de datos vibratorios. Esto ocurre mediante la recopilación de parámetros como la aceleración, la desaceleración y el impacto de los datos de voltaje. Esto se convierte en vibrodiagnóstico en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. En el análisis en el dominio del tiempo, la recopilación y distribución de muestras de señales permiten un cambio notable en el comportamiento de la máquina a lo largo del tiempo. Una forma sencilla de análisis de vibraciones en el dominio del tiempo consiste en definir "límites de alarma" con la velocidad de la raíz cuadrática media (RMS) de la carcasa de la máquina (norma ISO 2372).

El análisis en el dominio del tiempo generalmente tiene el inconveniente de la incapacidad de detectar fallas antes, ya que se deben recopilar más datos para notar una diferencia observable; sin embargo, las formas de onda de tiempo tienen los principales beneficios de clasificar un evento que es transitorio o intermitente. En el dominio de la frecuencia, las diversas fallas producen diferencias aparentes en el contenido de energía espectral (es decir, picos en la velocidad de vibración a varias frecuencias) que permiten un mejor aislamiento de fallas. Si bien el análisis en el dominio del tiempo a menudo se aprovecha para examinar problemas que ya se conocen o exhiben patrones muy específicos que se buscan, el análisis en el dominio de la frecuencia permite una encuesta más amplia de la operación de la máquina donde la identificación de fallas es mucho más evidente. Los acelerómetros de varios ejes son particularmente valiosos, ya que pueden recopilar datos en las direcciones axial y radial. Los acelerómetros pueden seguir uno de estos principios fundamentales:capacitivos, piezoeléctricos o piezoresistivos.

Los más utilizados son los acelerómetros capacitivos en los que una masa de prueba suspendida por resorte se desequilibra bajo tensión de aceleración. Luego, este desplazamiento se registra mediante electrodos con un cambio en la capacitancia que finalmente produce una tasa de aceleración y una dirección de aceleración. Los acelerómetros piezoeléctricos también usan una masa de prueba; sin embargo, los cambios en la masa de prueba provocan un esfuerzo cortante en el material piezoeléctrico que se traduce directamente en una salida eléctrica. Al igual que los sensores de presión y nivel enumerados en los sensores anteriores, un acelerómetro también puede explotar el principio piezorresistivo utilizando una masa de prueba y galgas extensométricas para producir un resultado de aceleración.

Sensor de corriente – Las aplicaciones industriales de sensores de corriente pueden incluir análisis MCSA para equipos de máquinas, medición inteligente y en aplicaciones que involucran fuentes de alimentación (por ejemplo, control de inversores, fuentes de alimentación ininterrumpida, soldadura, etc.). Los sensores de corriente aprovechan uno de los cuatro principios básicos:la ley de Ohm, la ley de Faraday, el efecto de Faraday o la detección de campo magnético.

Un sensor de corriente de tipo derivación resistivo aprovecharía la ley de Ohm y consta de un elemento resistivo que actúa en serie con el conductor portador de corriente cuyo valor de corriente se desea. De esta forma, parte de la corriente atraviesa el elemento, provocando una caída de tensión proporcional a la corriente que circula por él.

La Figura 2 ilustra una descripción general de varias tecnologías de sensores. Los transformadores de corriente (CT) aprovechan la ley de inducción de Faraday. El transformador involucra múltiples devanados alrededor de un núcleo magnético de alta permeabilidad magnética. El devanado primario, o conductor de corriente, puede tener unas pocas vueltas o simplemente una línea que pasa por el núcleo. La CA que fluye a través del devanado primario concentra las líneas de flujo magnético dentro del núcleo, o concentrador de flujo, que a su vez induce una corriente dentro del devanado secundario que es directamente proporcional a la corriente dentro del devanado primario, ofreciendo una medida del flujo de corriente.

Una bobina Rogowski utiliza el mismo principio, pero con un núcleo con una permeabilidad magnética similar al aire. El voltaje inducido dentro del devanado secundario es proporcional a la derivada del tiempo de la corriente deseada. Por lo tanto, el devanado secundario en una bobina rogowski termina con un circuito integrador de amplificador operacional.

Los sensores de campo magnético de efecto Hall también se aprovechan en una arquitectura de bucle abierto o de bucle cerrado. El efecto Hall simplemente describe el vector de voltaje perpendicular que se genera en presencia de una corriente y un campo magnético que fluye a través de una tira de metal. Una configuración de bucle abierto se parece al transformador de corriente en que el conductor que lleva la corriente pasa por el centro de un núcleo magnético de alta permeabilidad magnética. Se coloca un sensor de efecto Hall dentro de un espacio en el núcleo, creando un voltaje que es proporcional a la corriente. Este voltaje, sin embargo, requiere un amplificador, ya que el voltaje de salida es pequeño.

En cambio, una configuración de bucle cerrado implica una bobina de compensación, o devanado secundario, que produce un campo que se opone a la corriente en el conductor que lleva corriente, de modo que no se ve ningún campo magnético en el sensor de efecto Hall. El devanado secundario es impulsado por amplificadores en el IC de detección de corriente y termina con una resistencia de carga. La corriente en el conductor que lleva corriente es proporcional al voltaje en esta resistencia de salida.

Sensor de presión – El término sensor de presión generalmente se usa como un término global que incluye sensor de presión, transductores de presión y transmisores de presión. En general, los sensores de presión producen una señal de salida de 10 mV donde esta señal de salida se puede usar a una distancia de 10 a 20 pies de la red eléctrica sin una pérdida de señal notable. Los transductores de presión producen salidas de mayor voltaje (0,5 a 4,5 V) que pueden viajar más de 20 pies sin degradación de la señal. Los transmisores de presión ofrecen una señal de salida de corriente de 4 a 20 mA. Los sensores de presión pueden venir en varias configuraciones, incluido el tipo puente de Wheatstone/piezoresistivo, capacitivo, electromagnético, piezoeléctrico y óptico.

Este artículo se centra en el tipo más común de sensores de presión:la configuración tipo puente/piezoresistiva (Figura 3). Los sensores de presión más comunes se basan en el efecto piezorresistivo donde el cambio en la resistencia que ocurre cuando un material se deforma se correlaciona con la presión bajo la que se encuentra el material. Por lo general, estos sensores tienen un diafragma de medición donde el lado del diafragma que mira hacia el gas/líquido (es decir, fluido hidráulico, agua, aceite, etc.) está expuesto a una presión de "referencia" mientras que el otro lado del diafragma está expuesto. a alta presión. En este caso, el diafragma se desvía/deforma en consecuencia y los medidores de tensión miden la diferencia de presión entre cada uno para traducir esta información a una cantidad eléctrica lista para la transmisión.

Los medidores de tensión actúan esencialmente como elementos resistivos cuyo cambio en la resistencia es proporcional a la cantidad de tensión que se les aplica. Estas galgas extensométricas son del tipo de lámina adherida fabricada a través de un proceso de deposición por pulverización catódica o una galga extensiométrica de tipo silicio de difusión que también se conoce como galga extensiométrica de semiconductores, ya que se produce al difundir impurezas en un diafragma basado en silicio. El medidor de tensión basado en lámina tiene la ventaja de soportar presiones más altas, mientras que el medidor de tensión basado en semiconductores ofrece una mayor sensibilidad, por lo que a menudo se aprovecha a presiones más bajas. Sin embargo, las galgas extensométricas de silicio están muy influenciadas por la temperatura y, por lo tanto, tienden a tener temperaturas de funcionamiento más bajas que las galgas extensométricas de lámina.

Sensor de nivel de líquido – Los sensores de nivel detectan la cantidad de líquido, polvo o material granular (por ejemplo, gránulos) dentro de un contenedor. Al igual que el sensor de presión, esta medición se puede lograr de varias maneras. La tabla anterior enumera algunos de los métodos con una descripción y algunas consideraciones importantes para cada tipo de sensor de nivel. Esta sección se centrará en el sensor hidrostático basado en diafragma.

El sensor de nivel hidrostático, en particular, se basa en los mismos principios piezorresistivos fundamentales que el sensor de tipo puente que se encuentra en el sensor de presión. De hecho, este tipo de sensor de nivel de líquido es un sensor de presión en el que el nivel ascendente/descendente del líquido dentro de un tanque se correlaciona con un cambio en la presión dentro del diafragma y, por lo tanto, mantiene una relación altamente lineal con la profundidad del líquido en el tanque. Como se muestra en la siguiente ecuación, la presión estática (P) de líquido es equivalente a la gravedad específica del líquido (γ) y la altura del líquido ( h ).

P =γ*h

Conclusión

Comprender las tecnologías de sensores subyacentes que se utilizan en las aplicaciones de monitoreo industrial puede ofrecer información a cualquier persona involucrada en el diseño y desarrollo de sistemas industriales. Cada sensor puede aprovechar una variedad de principios fundamentales, cada uno de los cuales tiene sus propios beneficios y consideraciones para la aplicación. La recopilación y difusión de los datos adquiridos de estos sensores puede involucrar una red troncal cableada o inalámbrica donde IIoT en particular tiene el potencial para análisis de datos más complejos para futuras aplicaciones industriales.

Este artículo fue escrito por Tinu Oza, gerente de línea de productos en L-com, North Andover, MA. Para obtener más información, visite aquí .

Referencia

1. Lewis, José. Manual de medición y detección de nivel de sólidos . Prensa de impulso, 2014.