Monitorización proactiva de salud de maquinaria de planta: Prevenga paradas y aumente fiabilidad

La monitorización de salud o monitorización de condición se ha usado por muchos años en máquinas y plantas donde el coste de una parada es alto. Puede permitir anticipar fallos y programar mantenimiento o reparaciones para la menor pérdida de producción, así como evitar mantenimiento periódico innecesario.

Puede ser tan simple como una persona recorriendo la planta a intervalos regulares con instrumentos portátiles como cámara de imagen térmica y analizador de vibraciones, o puede estar instalada permanentemente para que los datos se recojan remotamente durante un largo periodo, los datos se analicen fuera de línea y se identifiquen tendencias.

Con el uso creciente de dispositivos inteligentes en maquinaria y plantas, que pueden conectarse en red y cuyos datos pueden recogerse remotamente a bajo coste, la posibilidad para monitorización de salud de planta aumenta rápidamente. Hay mucha información disponible en la web dando ideas y ofreciendo productos para monitorización.

En esta publicación, señalaré una gama de técnicas que aprovechan la posición especial del variador de velocidad en la máquina para acceder a datos útiles adicionales.

Seguridad de máquinas en la planta

Generalmente, las técnicas aplicadas necesitan usar sensores de bajo coste y ser razonablemente no invasivas, para evitar altos costes de instalación y riesgo de daño por el proceso de instalación. Sensores simples como sondas térmicas y acelerómetros pueden conectarse a partes accesibles y dar una gran cantidad de datos.

Por ejemplo, un acelerómetro a menudo puede montarse fácilmente en un soporte de rodamiento o carcasa de máquina para medir vibración radial de una máquina rotativa, y puede detectar defectos que causan fuerzas desequilibradas, como partes rotativas rotas, ejes agrietados y acoplamientos desalineados.

Una simple medición de amplitud puede dar 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 rotativas involucradas como en cajas de engranajes o transmisiones por correa.

Monitorización de salud de máquina o planta usando un variador de velocidad

El variador de velocidad está en una posición única en una máquina ya que usualmente proporciona la potencia motriz. Es un dispositivo inteligente estrechamente acoplado a las partes trabajadoras de una máquina a través del motor eléctrico. Contiene información que usa para hacer su trabajo de forma fiable, pero que puede accederse y analizarse a poco o ningún coste. En otras palabras, puede usarse como un conjunto extra de sensores, virtualmente sin coste.

Para empezar, el variador tiene sus propios sensores internos para varias temperaturas internas y la corriente del motor, que el fabricante proporciona para prevenir daño al variador o motor por condiciones anormales. También puede tener un sensor de temperatura de motor conectado. Estos datos están disponibles como parámetros del variador y pueden accederse periódicamente para dar aviso si se acercan a un límite, y analizar tendencias.

En un sistema de control de lazo cerrado como un variador servo, el variador contiene datos sobre las variables de control. Es bastante común, por ejemplo, monitorizar el error de seguimiento en un lazo de control de posición y levantar una bandera si el error supera un umbral – esto podría indicar algún tipo de malfuncionamiento como aumento de rigidez (inminente agarrotamiento, obstrucción o daño) o juego (por desgaste).

Es un pequeño paso pasar de un umbral de alarma simple a monitorizar la tendencia de los datos suavizados y alertar al usuario de una situación en desarrollo que podría resultar en fallo futuro.

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

Medición del par del motor

Medir el par del motor convencionalmente usando un transductor se hace más comúnmente instalando una galga extensométrica o celda de carga en la fijación de la carcasa del motor. Esto requiere un montaje especial del motor si ha de dar una medición sensata de par, y la medición se ve afectada por el momento de inercia del pesado bastidor del motor que reduce la sensibilidad a frecuencias más altas.

Aún más difícil es medir el par dinámico del eje real, ya que esto requiere una galga extensométrica rotativa fijada al eje, con telemetría para pasar los datos al lado fijo. Es una operación cara, y se hace rara vez incluso para una prueba especial. Es improbable que sea una instalación permanente.

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

Una vez apreciamos que los datos de par están disponibles en el variador virtualmente sin coste, así como los datos de velocidad correspondientes, podemos entrar en un nuevo reino para monitorización de máquina y planta. Lo 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 par que libera el variador.

La siguiente lista muestra la información que el variador tiene, o podría tener a coste modesto, todo lo cual puede monitorizarse y correlacionarse para generar información útil sobre la máquina:

Límites simples para par medio o pico

Los datos de par en tiempo real pueden suavizarse para dar un valor medio corriente cuando el variador está activo, o el valor pico puede capturarse en una escala temporal elegida para adaptarse a la aplicación, esto podría ser desde milisegundos a días dependiendo del proceso. Una alarma puede generarse si el valor se mueve fuera de un rango esperado (ej. supera un valor esperado o, menos comúnmente, cae por debajo de un valor esperado).

Tendencias de par

Los mismos datos de par pueden registrarse y analizarse para tendencia en el tiempo o contra cualquier otra variable, con alarmas establecidas para indicar una tendencia no saludable.

Correlaciones simples de par medio con velocidad

En muchos procesos el par depende fuertemente de la velocidad, en un patrón bien definido. Por ejemplo, un ventilador o bomba impulsando fluido a través de un conducto, tubería o bucle fijo, o una red de ellos, tendrá una curva 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 fluido en bomba
• Obstrucción al flujo, ej. filtro o malla bloqueados (para tipo de bomba o ventilador de impulsor, podría aplicarse también a transportador, etc.)
• Acumulación de depósitos en rotor de ventilador o bomba
• Cavitacion en bomba por ingreso de aire, remolino u otros fallos (también causa pulsaciones – ver abajo)

Par alto:

• Agarrotamiento de rotor u otras partes (parcial o total)
• Obstrucción al flujo (tipo bomba de desplazamiento positivo)
• Fuga mayor (tipo bomba o ventilador de impulsor)

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

Los datos de par necesitan estar sujetos a suficiente filtrado paso bajo o promediado para prevenir que efectos dinámicos (par de aceleración) o pulsaciones normales generen falsas alarmas.

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

Correlaciones multi-variable

En procesos más complejos el par dependerá de varias variables, que podrían o no estar disponibles para el variador. Por ejemplo, considere un ventilador impulsando 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 entonces depende de las posiciones de las compuertas.

Si hay datos disponibles sobre el estado de la compuerta, o la caída de presión sobre las compuertas, entonces una correlación multi-variable puede ser posible para permitir esto. La Figura 2 da una ilustración simple del caso con dos ramas de conducto con compuertas.

Otra posibilidad es usar los valores medidos de par y velocidad para deducir el flujo y presión en la bomba o ventilador desde sus curvas características, que podrían entonces compararse con un valor medido desde un transductor. Cualquier discrepancia podría significar que la bomba o ventilador es defectuoso o el transductor es defectuoso.

Análisis dinámico de par

Los datos de par en el variador tienen un ancho de banda amplio y pueden en principio usarse para análisis dinámico. Es bastante común que el ancho de banda de par sea del orden de 1 kHz o más, aunque puede que no sea posible acceder y analizar los datos a tal tasa – el canal de comunicaciones de datos típicamente limita el acceso a datos a un intervalo de muestreo de unos 250 ms.

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

En un sistema de lazo completamente cerrado es posible deducir la función de transferencia y obtener datos precisos de par del eje, de modo que, por ejemplo, inversiones de par de alta frecuencia pueden detectarse. Sin embargo, la medición no necesita ser calibrada con precisión para que comparaciones o análisis de tendencia tengan éxito.

En la práctica, pulsaciones con frecuencias en la región de 100-500 Hz han sido monitorizadas útilmente desde datos de par eléctrico del motor.

Bloques de datos pueden capturarse en tiempo real y someterse a análisis dinámico fuera de línea. El análisis puede ser en el dominio del tiempo, por ejemplo calculando la magnitud de fluctuaciones (amplitud torsional total de vibración, ancho de banda o banda limitada, ej. de partes de máquina rotas o cavitación en bombas) o en el dominio de la frecuencia a través de una transformada de Fourier respecto al tiempo u otra variable como posición. Esto puede permitir detectar cambios en desarrollo, específicamente en el patrón de pulsación de par:

• Amplitud de vibración torsional excesiva, ancho de banda amplio o limitado, ej. de partes de máquina rotas o cavitación en bombas
• Pares pico excesivos que podrían resultar en daño mecánico o desgaste prematuro
• Inversiones de par frecuentes que pueden causar charla de engranajes resultando en desgaste o rotura prematura
• Resonancias torsionales, ej. de acoplamientos sueltos, resultando en picos en el espectro de frecuencia cuya frecuencia es independiente de la velocidad aunque pueden ser estimuladas solo en ciertos rangos de velocidad
• Pulsaciones torsionales, con uno o más ciclos por revolución, ej. de eje agrietado, impulsor o daño de diente de engranaje u otro daño mecánico, con posibilidad de rastrear la fuente en una máquina compleja desde la frecuencia de los picos espectrales, la velocidad, y conocimiento de relaciones de caja de engranajes u otras relaciones de transmisión.

Análisis dinámico de par con correlación de velocidad

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

Puede ser útil generar gráficos compuestos de análisis espectral de vibración con velocidad, que diferenciarán claramente efectos N-por-revolución de efectos de resonancia cuya frecuencia es fija pero puede ser estimulada solo en ciertos rangos de velocidad. Estos se refieren como gráficos en cascada o cascada, y son ampliamente ofrecidos por proveedores de equipos de análisis de vibración.

Precaución – tasas de muestreo y aliasing

Se necesita cuidado en sistemas con pulsaciones de par rápidas. Los datos de par se muestrean a una tasa que puede estar restringida por la capacidad del variador para almacenar o exportar datos a la tasa que se adquieren internamente. La frecuencia de muestreo producirá errores de alias en frecuencias tales 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 necesita mantenerse por encima de unas 3 veces f_d para evitar generar nuevos productos de frecuencia confusos dentro de la región de interés.

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

Análisis de inteligencia artificial

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

La ventaja de este enfoque es que la gente involucrada en el proceso puede entender los datos y trabajar desde la información y condiciones de alarma generadas para desarrollar un diagnóstico para la planta.

Una alternativa es usar algún algoritmo de aprendizaje automático para rastrear todos los datos disponibles y apuntar a deducir 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 dadas arriba son generales basadas en una imagen amplia de una máquina con partes rotativas, acoplamientos y engranajes, o una bomba o un ventilador. Espero que al señalar el acceso especial que el variador da 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.