Supervisión del estado de la maquinaria de la planta

Supervisión de la salud o el monitoreo de condición se ha utilizado durante muchos años en máquinas y plantas donde el costo de una interrupción es alto. Puede permitir anticipar fallas y programar mantenimientos o reparaciones para la menor pérdida de producción, además de evitar mantenimientos periódicos innecesarios.

Puede ser tan simple como que una persona recorra la planta a intervalos regulares con instrumentos portátiles, como una cámara termográfica y un analizador de vibraciones, o puede instalarse de forma permanente para que los datos puedan recopilarse de forma remota durante un largo período, los datos se analizan fuera de la red. línea y tendencias identificadas.

Con el uso cada vez mayor de dispositivos inteligentes en la maquinaria y la planta, que pueden conectarse en red y sus datos recopilados de forma remota a bajo costo, la posibilidad de monitorear la salud de la planta está aumentando rápidamente. Hay mucha información disponible en la web que da ideas y ofrece productos para monitorear.

En esta publicación de blog, señalaré una variedad de técnicas que aprovechan la posición especial del controlador de velocidad variable. en la máquina para acceder a más datos útiles.

Seguridad de las máquinas en el taller

En términos generales, las técnicas aplicadas deben utilizar sensores de bajo costo y ser razonablemente no invasivas, para evitar altos costos de instalación y el riesgo de daños por el proceso de instalación. Sensores simples como sondas térmicas y acelerómetros se puede adjuntar a partes accesibles y proporcionar una gran cantidad de datos.

Por ejemplo, a menudo se puede montar fácilmente un acelerómetro en el soporte de un rodamiento o en la carcasa de la máquina para medir la vibración radial de una máquina giratoria, y puede detectar defectos que provocan fuerzas desequilibradas, como piezas giratorias rotas, ejes agrietados y acoplamientos desalineados.

Una simple medición de amplitud puede brindar una advertencia general de defectos potencialmente dañinos, mientras que un análisis de frecuencia más profundo puede enfocar la atención en partes particulares, especialmente si hay diferentes velocidades de rotación involucradas, como en cajas de cambios o transmisiones por correa.

Monitorización del estado de la máquina o la planta mediante un variador de velocidad

El accionamiento de velocidad variable se encuentra en una posición única en una máquina, ya que normalmente proporciona la fuerza motriz. Es un dispositivo inteligente que está íntimamente acoplado a las partes de trabajo de una máquina a través del motor eléctrico. Contiene información que utiliza para hacer su trabajo de manera confiable, pero a la que se puede acceder y analizar a un costo mínimo o gratuito. En otras palabras, se puede usar como un conjunto adicional de sensores, prácticamente sin costo alguno.

Para empezar, el variador tiene sus propios sensores internos para varias temperaturas internas y la corriente del motor, que proporciona el fabricante para evitar daños al variador o al motor debido a condiciones anormales. También puede tener conectado un sensor de temperatura del motor. Estos datos están disponibles como parámetros de conducción y se puede acceder periódicamente para dar una advertencia si se está acercando a un límite y para analizar tendencias.

En un sistema de control de bucle cerrado, como un servoaccionamiento, el accionamiento contiene datos sobre las variables de control. Es bastante común, por ejemplo, monitorear el siguiente error en un lazo de control de posición y levantar una bandera si el error excede un umbral; esto podría indicar algún tipo de mal funcionamiento, como una mayor rigidez (agarrotamiento, obstrucción o daño inminentes ) o contragolpe (por desgaste ).

Es un pequeño paso pasar de un simple umbral de alarma a monitorear la tendencia de los datos suavizados y alertar al usuario sobre una situación en desarrollo que podría resultar en una falla futura.

Para el error de seguimiento tiene que haber instalado al menos un transductor de eje, lo que tiende a ser el caso en aplicaciones de control de movimiento de precisión . Sin embargo, en todas las aplicaciones, el variador también tiene acceso a una medida especial que es difícil de obtener con instrumentación externa:el par motor.

Medición del par motor

Para medir el par motor de forma convencional con un transductor, lo más habitual es instalar una galga extensométrica o una célula de carga en la fijación de la carcasa del motor. Esto requiere un montaje de motor especial si se va a dar una medición sensible del par, y la medición se ve afectada por el momento de inercia de la estructura pesada del motor que reduce la sensibilidad a las frecuencias más altas.

Aún más difícil es medir el par dinámico del eje real , ya que esto requiere que se fije al eje una galga extensiométrica giratoria, con telemetría para pasar los datos al lado fijo. Esta es una operación costosa y rara vez se realiza incluso para una prueba especial. Es poco probable que sea una instalación permanente.

Sin embargo, el variador tiene datos internos para la corriente que produce el par en el motor, que es un buen indicador del par del eje, ¡disponible sin costo! Los datos están disponibles incluso cuando el motor mismo es inaccesible, ya sea en el interior de una máquina o bajo el agua o en un área peligrosa. La precisión de la medición del par es mejor en un sistema de lazo completamente cerrado, pero incluso en un variador de lazo abierto simple, los datos del par son lo suficientemente buenos para muchos propósitos, excepto a las velocidades más bajas.

Una vez que apreciamos que los datos de par están disponibles en el variador prácticamente sin costo, así como los datos de velocidad correspondientes, podemos ingresar a un nuevo reino para el monitoreo de máquinas y plantas. La siguiente es una gama de posibilidades que hemos encontrado en Control Techniques.

Los lectores pueden tener nuevas ideas para tipos particulares de máquinas:se necesita un conocimiento detallado de la máquina para inventar nuevos métodos para usar los datos de torque que libera el variador.

La siguiente lista muestra la información que tiene el disco, o que podría tener a un costo moderado, todo lo cual se puede monitorear y correlacionar para generar información útil sobre la máquina:

Límites simples para par medio o pico

Los datos de par en tiempo real se pueden suavizar para dar un valor promedio móvil cuando la unidad está activa, o el valor máximo se puede capturar en una escala de tiempo elegida para adaptarse a la aplicación, esto puede ser desde milisegundos hasta días, según el proceso. Se puede generar una alarma si el valor se mueve fuera de un rango esperado (es decir, excede un valor esperado o, con menor frecuencia, cae por debajo de un valor esperado).

Tendencias de par

Los mismos datos de torsión se pueden registrar y analizar para detectar tendencias a lo largo del tiempo o frente a cualquier otra variable, con alarmas configuradas para indicar una tendencia no saludable.

Correlaciones simples de par promedio con velocidad

En muchos procesos, el par depende en gran medida de la velocidad, en un patrón bien definido. Por ejemplo, un ventilador o una bomba que impulsa un fluido a través de un conducto, tubería o circuito fijo, o una red de ellos, tendrá una curva de par/velocidad bien definida. Cualquier desviación significativa de la curva normal indica un cambio que podría representar un problema. Algunos ejemplos son:

Par bajo:

• Correa de transmisión rota u otro acoplamiento
• Pérdida de líquido en la bomba
• Obstrucción al flujo, p. filtro o pantalla bloqueados (para un tipo de bomba o ventilador de impulsor, podría aplicarse también a un transportador, etc.)
• Acumulación de depósitos en el ventilador o el rotor de la bomba
• Cavitación en una bomba debido a la entrada de aire, remolinos u otras fallas (también causa pulsaciones, ver más abajo)

Alto par:

• Incautación del rotor u otras partes (parcial o total)
• Obstrucción del flujo (tipo de bomba de desplazamiento positivo)
• Fuga importante (tipo impulsor de bomba o ventilador)

Se puede establecer un perfil de par/velocidad fuera del cual se genera un estado de alarma, por ejemplo como se muestra en la Figura 1:

Los datos de torsión deben estar sujetos a un filtrado de paso bajo o un promedio suficientes para evitar que los efectos dinámicos (par de aceleración) o las pulsaciones normales generen falsas alarmas.

Otras variables pueden tener un impacto, por ejemplo, una presión de suministro variable de un fluido, por lo que las bandas de tolerancia deben establecerse lo suficientemente amplias para evitar falsas alarmas por esta causa.

Correlaciones multivariables

En procesos más complejos, el par dependerá de varias variables, que pueden o no estar disponibles para el variador. Por ejemplo, considere un ventilador que conduce aire a través de un sistema de conductos, algunos de los cuales tienen controles de compuerta para variar el flujo de aire local. La curva par/velocidad depende entonces de las posiciones de los amortiguadores.

Si hay datos disponibles sobre el estado del amortiguador, o la caída de presión sobre los amortiguadores, es posible que exista una correlación de múltiples variables para permitir esto. La figura 2 muestra una ilustración simple del caso con dos ramales de conducto con compuertas.

Otra posibilidad es utilizar los valores medidos de par y velocidad para deducir el flujo y la presión en la bomba o el ventilador a partir de sus curvas características, que luego podrían compararse con un valor medido de un transductor. Cualquier discrepancia podría significar que la bomba o el ventilador están defectuosos o que el transductor está defectuoso.

Análisis dinámico del par

Los datos de par en el accionamiento tienen un ancho de banda amplio y, en principio, se pueden utilizar para análisis dinámicos. Es bastante común que el ancho de banda del par sea del orden de 1 kHz o más, aunque es posible que no sea posible acceder y analizar los datos a una velocidad tan alta:el canal de comunicaciones de datos normalmente limita el acceso a los datos a alrededor de 250 intervalo de muestreo de ms.

Los datos de par se relacionan con el par eléctrico en el motor, que se transmite al eje de salida pero está influenciado por la inercia del rotor del motor y la rigidez efectiva del algoritmo de control del motor. Estos forman un filtro de paso bajo cuyas características pueden no ser conocidas.

En un sistema de bucle completamente cerrado, es posible deducir la función de transferencia y obtener datos precisos del par del eje, de modo que, por ejemplo, se puedan detectar inversiones de par de alta frecuencia. Sin embargo, no es necesario calibrar con precisión la medición para que las comparaciones o el análisis de tendencias sean exitosos.

En la práctica, las pulsaciones con frecuencias en la región de 100 a 500 Hz se han monitoreado de manera útil a partir de los datos de par eléctrico del motor.

Los bloques de datos pueden capturarse en tiempo real y someterse a un análisis dinámico fuera de línea. El análisis puede ser en el dominio del tiempo, por ejemplo, calculando la magnitud de las fluctuaciones (pulsación o fluctuación del par general, amplitud r.m.s. con o sin promedio de tiempo, valores máximos o valores negativos máximos) o en el dominio de la frecuencia a través de una transformada de Fourier con respecto a al tiempo o alguna otra variable como la posición. Esto puede permitir detectar cambios en desarrollo, específicamente en el patrón de pulsación del par:

• Amplitud de vibración general torsional excesiva, de banda ancha o de banda limitada, p. por piezas rotas de máquinas o cavitación en bombas
• Pares máximos excesivos que pueden provocar daños mecánicos o desgaste prematuro
• Frecuentes inversiones de torsión que pueden causar vibraciones en los engranajes y provocar un desgaste o rotura prematuros
• Resonancias torsionales, p. debido a acoplamientos débiles, lo que da como resultado picos en el espectro de frecuencia cuya frecuencia es independiente de la velocidad, aunque pueden aumentar a ciertas velocidades
• Pulsaciones de torsión, con uno o más ciclos por revolución, p. de eje agrietado, impulsor o daño de diente de engranaje u otro daño mecánico, con la posibilidad de rastrear la fuente en una máquina compleja a partir de la frecuencia de los picos espectrales, la velocidad y el conocimiento de la caja de cambios u otras relaciones de transmisión.

Análisis dinámico de par con correlación de velocidad

En algunos de los ejemplos dados anteriormente, es claramente beneficioso considerar la velocidad del eje junto con el análisis dinámico del par, porque las pulsaciones relacionadas con la rotación del eje estarán en la frecuencia rotacional (efectos de una vez por revolución) o en un múltiplo de él (por ejemplo, un eje agrietado da dos veces por revolución, los impulsores pueden estar en N por revolución, los dientes de engranaje en N o N₁ /N₂ –por revolución).

Puede ser útil generar gráficas compuestas de análisis espectral de vibración con velocidad, lo que diferenciará claramente los efectos de N por revolución de los efectos de resonancia cuya frecuencia es fija pero puede estimularse solo en ciertos rangos de velocidad. Estos se denominan diagramas en cascada o diagramas en cascada, y los proveedores de equipos de análisis de vibraciones los ofrecen ampliamente.

Precaución:tasas de muestreo y aliasing

Es necesario tener cuidado en los sistemas con pulsaciones de par rápidas. Los datos de par se muestrean a una velocidad que puede estar restringida por la capacidad del variador para almacenar o exportar datos a la velocidad con la que se adquieren internamente. La frecuencia de muestreo producirá errores de alias en frecuencias como (f_s – f_d ) donde f_d es el contenido de frecuencia de los datos y f_s es la frecuencia de muestreo. f_s debe mantenerse por encima de aproximadamente 3 veces f_d para evitar generar nuevos productos de frecuencia confusos dentro de la región de interés.

Un beneficio adicional de los diagramas en cascada es que los productos de alias son claramente visibles, su frecuencia disminuye a medida que aumenta la velocidad, mientras que con los efectos genuinos la frecuencia aumenta o permanece constante.

Análisis de inteligencia artificial

En todo lo anterior, me he concentrado en aplicaciones en las que se usa una comprensión física del proceso para definir un comportamiento esperado, y los datos disponibles se usan para comparar la operación real con la expectativa. Incluso si la escala de amplitud es incierta, las frecuencias son únicas y se pueden identificar tendencias.

La ventaja de este enfoque es que las personas involucradas en el proceso pueden comprender los datos y trabajar a partir de la información y las condiciones de alarma generadas para desarrollar un diagnóstico para la planta.

Una alternativa es utilizar algún tipo de algoritmo de aprendizaje automático para rastrear todos los datos disponibles y apuntar a deducir los patrones de comportamiento normal y anormal. Este es un tema de investigación actual, por ejemplo https://phys.org/news/2016-02-scientist-ai-algorithm-machinery-health.html .

En conclusión

Las ideas anteriores son generales y se basan en una imagen amplia de una máquina con piezas giratorias, acoplamientos y engranajes, o una bomba o un ventilador. Espero que al señalar el acceso especial que brinda el variador a algunos datos valiosos, especialmente los datos de par dinámico, los diseñadores de máquinas podrán aplicar estas ideas a sus propias aplicaciones específicas y únicas.