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Monitoraggio delle condizioni utilizzando l'unità come sensore

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Gli azionamenti a velocità variabile sono stati utilizzati per oltre mezzo secolo, con il vantaggio principale di ridurre il consumo di energia elettrica. Con l'avanzamento di Industry 4.0 il ruolo del drive passa da quello di un puro processore di potenza a quello di un elemento intelligente del sistema di automazione.

La capacità dell'unità di agire come un sensore intelligente, lo rende una scelta naturale quando si implementa il monitoraggio delle condizioni. In questo articolo presentiamo come questo può essere utilizzato nelle applicazioni di acqua e acque reflue.

Di Norbert Hanigovszki, Jörg Dannehl, Sanjeet Kumar Dwivedi, Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

Anna Hildebrand-Jensen

Anna Hildebrand-Jensen

1. Nuove funzionalità di azionamento per applicazioni in acque e acque reflue
Gli azionamenti a velocità variabile con convertitori di elettronica di potenza sono stati utilizzati per oltre mezzo secolo e oggi oltre il 20% di tutti i motori elettrici sono azionati da azionamenti a velocità variabile. Il motivo principale per l'utilizzo degli azionamenti è la riduzione del consumo di energia.

Tuttavia, ci sono anche altri motivi per l'impiego di azionamenti in applicazioni di acqua e acque reflue, come il controllo del processo (mantenere costante la pressione dell'acqua, evitando così perdite causate da alta pressione), evitare il colpo d'ariete o uno sfruttamento ottimizzato dei pozzi.

Dall'introduzione dei microprocessori per controllare le unità, è stata aggiunta funzionalità aggiuntiva alla funzione originale, che è quella di un processore di potenza. Ad esempio, gli azionamenti sono in grado di eseguire lo sfilacciamento della pompa in applicazioni per acque reflue, sono in grado di controllare diverse pompe in un sistema a cascata in applicazioni di pompaggio dell'acqua o possono by-passare determinate frequenze per evitare risonanze.

L'avanzata di Industry 4.0 ha dato un ulteriore impulso a queste funzioni aggiuntive. Poiché Industry 4.0 si occupa di informazioni e networking, iniziamo a utilizzare le unità come sensori intelligenti e collegati in rete.

2. Industria 4.0 nei sistemi di motori e di azionamento
Industria 4.0 è un termine generico, che suggerisce una quarta rivoluzione industriale che può essere caratterizzata dal collegamento in rete (a seguito della prima rivoluzione industriale - meccanizzazione, seconda - elettrificazione e terza - automazione).

Sebbene il termine sia piuttosto vago, una possibile definizione potrebbe essere "L'industria 4.0 descrive la rete intelligente di persone, cose e sistemi sfruttando tutte le possibilità della digitalizzazione attraverso l'intera catena del valore".

L'impatto di questa tendenza sui sistemi a motore è una migrazione da quella che è nota come "piramide dell'automazione" ai sistemi in rete, vedere la Figura 1 (a sinistra). Ciò significa che i vari elementi del sistema, come motori, azionamenti, sensori e controlli, vengono interconnessi e anche collegati a un cloud - dove i dati vengono archiviati, elaborati, analizzati e vengono prese le decisioni, vedere la Figura 1 (a destra).

Piramide di automazione Fig1 a sinistra. Monitoraggio delle condizioni

Piramide di automazione

Fig1 Sistemi collegati in rete. Diritto di monitoraggio delle condizioni

Sistemi in rete

Figura 1: Industria 4.0 significa passaggio dalla piramide dell'automazione ai sistemi in rete

3. L'azionamento come sensore
Nelle applicazioni con variatori di velocità, la disponibilità di microprocessori nelle opzioni di comunicazione tra bus e bus, combinata con sensori di corrente e tensione, apre nuove opportunità. Inoltre, sensori aggiuntivi (come i sensori di vibrazione e pressione) possono essere collegati all'azionamento quasi senza alcun costo.

Ciò consente all'unità di essere utilizzata come sensore intelligente per il monitoraggio delle condizioni (Figura 2). Le informazioni disponibili offrono vari casi d'uso, ad esempio ottimizzazione del sistema, ottimizzazione dell'efficienza energetica e manutenzione basata sulle condizioni. La prossima sezione esplorerà alcuni esempi di integrazione dei sensori e manutenzione basata sulle condizioni.

Fig2 Guida come sensore. Monitoraggio delle condizioni

Figura 2: guida come sensore

4. Monitoraggio basato sulle condizioni incorporato
Il monitoraggio delle condizioni è una tecnica per monitorare lo stato delle apparecchiature in servizio. A tale scopo, è necessario selezionare i parametri chiave come indicatori per lo sviluppo di guasti. Le condizioni dell'apparecchiatura in genere si deteriorano nel tempo.

La Figura 3 mostra un tipico modello di degrado, noto anche come curva PF. Il punto di guasto funzionale è quando l'apparecchiatura non riesce a fornire la funzione prevista. L'idea della manutenzione basata sulle condizioni è di rilevare il potenziale guasto prima che si verifichi il guasto effettivo.

In questo caso, è possibile pianificare azioni di manutenzione prima del guasto funzionale, con vantaggi quali: riduzione dei tempi di fermo, eliminazione di arresti di produzione imprevisti, ottimizzazione della manutenzione, riduzione dello stock di parti di ricambio e altro.

Fig3 Curva PF. Monitoraggio delle condizioni

Figura 3: curva PF che rappresenta la condizione di un componente fino al fallimento funzionale.

4.1 Monitoraggio del livello di vibrazioni
Numerosi guasti meccanici, ad es. Usura dei cuscinetti, disallineamento dell'albero, squilibri, creano qualche tipo di vibrazione. Pertanto, il monitoraggio delle vibrazioni è stato stabilito come lo stato dell'arte per il monitoraggio di macchine rotanti. Esistono vari metodi che vanno dal semplice monitoraggio di base al monitoraggio altamente sofisticato [3].

Un metodo ampiamente utilizzato è il monitoraggio RMS della velocità di vibrazione [2]. Si basa sul valore RMS del segnale di vibrazione che viene misurato attraverso un sensore di vibrazione. Numerosi guasti meccanici hanno un impatto significativo sull'RMS della vibrazione, ad esempio squilibri, disallineamento dell'albero e allentamento.

Tuttavia, la sfida nelle applicazioni a velocità variabile è la dipendenza della vibrazione dalla velocità effettiva. Le risonanze meccaniche sono esempi tipici. Questi sono sempre presenti e un sistema di monitoraggio deve affrontarli in qualche modo. Spesso i livelli di rilevamento guasti vengono impostati nel caso peggiore per evitare falsi allarmi. Ciò riduce la precisione del rilevamento nelle regioni di velocità in cui non sono presenti risonanze.

Avendo un trasmettitore di vibrazione adatto montato e collegato al convertitore, il convertitore può offrire un monitoraggio avanzato correlando il segnale del trasmettitore con segnali interni al convertitore, ad esempio la velocità o altri segnali rilevanti per l'applicazione.

L'unità è in grado di rilevare in anticipo i guasti e fornire informazioni sui semafori (vedere la Figura 3) sullo stato di integrità del sistema per prevenire guasti funzionali. La manutenzione può essere preparata e programmata in anticipo mentre il sistema può continuare a funzionare fino alla successiva possibile interruzione della manutenzione.

Il livello di vibrazione in condizioni normali e difettose dipende anche dal tipo, dalla posizione e dal montaggio del sensore. Inoltre, varia a seconda dell'applicazione effettiva da monitorare. Pertanto, è richiesto un periodo di apprendimento. Questo può essere fatto in diversi modi. Il primo approccio è l'apprendimento dei normali livelli di vibrazione durante il periodo iniziale di funzionamento.

Ciò significa che l'applicazione funziona normalmente e l'unità apprende la vibrazione in parallelo senza influire sul funzionamento. Quando sono stati raccolti dati sufficienti, l'unità inizia a monitorare la vibrazione. In secondo luogo, l'unità può eseguire una corsa di identificazione. Qui, il convertitore controlla il motore in modo tale da raccogliere dati sufficienti.

La possibilità di utilizzare questo secondo approccio dipende dall'applicazione specifica. Ad esempio, in un sistema di alimentazione dell'acqua la pompa potrebbe non funzionare alla massima velocità al momento della messa in servizio.

È stata creata una configurazione di prova per dimostrare la funzionalità. L'errore nell'ambito di questo test è il disallineamento dell'albero motore. Il disallineamento dell'albero aggiunge un carico meccanico ai cuscinetti e riduce quindi la loro durata. Inoltre, crea vibrazioni che possono portare a effetti secondari nel sistema. Il rilevamento tempestivo di disallineamenti e correzioni può prolungare la durata dei cuscinetti ed evitare tempi di fermo.

La Figura 4 mostra la configurazione di prova con un motore a induzione che aziona una piccola pompa. Un disallineamento angolare può essere creato sollevando leggermente la piastra di base con la maniglia rossa. Un sensore di vibrazione è stato installato sulla piastra di base del motore per illustrare il concetto. Il segnale del sensore analogico 4-20 mA è stato collegato all'ingresso analogico del convertitore.

Configurazione del test Fig4. Monitoraggio delle condizioni

Figura 4: impostazione del test con una piccola pompa azionata da un motore a induzione. Trasmettitore di vibrazioni (nero / arancione) montato sulla piastra di base accanto a un motore.

Misurazione delle vibrazioni Fig5. Monitoraggio delle condizioni

Figura 5: Dati di test (valore di vibrazione RMS in mm / s rispetto alla velocità in RPM) per due scenari: privo di errori (nero, "linea di base") e difettoso (verde, "disallineato").


La Figura 5 mostra un esempio di risultati del test. La vibrazione misurata in mm / s rispetto alla velocità del motore in RMS è mostrata per due scenari. Nel primo scenario il sistema è in buono stato. In questo stato, viene eseguita una misurazione di base. Le soglie di avviso e allarme sono derivate in base alla linea di base misurata. Per lo scenario difettoso, si crea un disallineamento dell'albero sollevando leggermente la piastra di base del motore attraverso la maniglia rossa, vedere la Figura 5. La vibrazione misurata in condizioni difettose è mostrata in verde.

Nell'esempio sopra, il convertitore può rilevare chiaramente questo errore. Per altre applicazioni, i dati di base possono essere molto diversi. In genere, anche in condizioni di salute, la vibrazione dipende dalla velocità. Ci possono anche essere presi in considerazione punti di risonanza durante il monitoraggio. Altri tipi di guasti, ad esempio squilibri, scioltezza, creano schemi diversi.

4.2 Analisi della firma elettrica
Le condizioni del motore e dell'applicazione possono anche essere monitorate attraverso l'analisi della firma elettrica. Questa tecnica è stata oggetto di ricerca per molti anni. I primi studi si sono rivolti a macchine online dirette e successivamente sono state studiate anche applicazioni a velocità variabile [5,6,7]. Con la potenza di elaborazione e la memoria disponibili nelle unità di oggi, queste tecniche possono ora essere integrate nei prodotti come funzionalità del prodotto.

La figura 6 illustra il concetto di base. Gli indicatori delle condizioni di guasto possono essere estratti dalle correnti del motore e dai segnali di tensione. I componenti di frequenza di correnti e tensioni possono essere correlati a guasti del motore o dell'applicazione, ad esempio disallineamento dell'albero o guasti dell'avvolgimento dello statore.

I sensori di corrente e tensione sono comunque componenti essenziali degli azionamenti. Forniscono i segnali necessari per il controllo del motore. Questi segnali possono essere utilizzati a scopo di monitoraggio. Pertanto, non vengono aggiunti costi aggiuntivi per i sensori. L'elaborazione del segnale e le tecniche analitiche svolgono un ruolo importante in questo contesto.

Analisi del segnale elettrico Fig6. Monitoraggio delle condizioni

Figura 6: analisi della firma elettrica

L'azionamento essendo il controller del motore può correlare i valori di monitoraggio, ad esempio armoniche di corrente specifiche, con altre informazioni disponibili all'interno dell'azionamento. Conoscendo, ad esempio, lo stato del controller, l'unità sa quando è possibile eseguire calcoli di spettro significativi. Analogamente al monitoraggio del livello di vibrazione, è possibile eseguire la correlazione dei valori monitorati con la velocità del motore, il carico e altri dati di processo rilevanti (ad es. Pressione nelle tubature dell'acqua) per ottenere informazioni più accurate sui guasti.

4.3 Monitoraggio del carico nelle pompe
Come mostrato nella sezione precedente, gli azionamenti misurano la corrente e la tensione del motore e lo scopo principale è utilizzare queste misurazioni per controllare il motore. La misurazione della corrente e della tensione primaria viene utilizzata per calcolare vari parametri quali potenza del motore, energia, velocità effettiva del motore o coppia. E questi valori possono essere utilizzati per monitorare il carico del motore, ad esempio una pompa.

Nelle applicazioni in cui il carico dipende dalla velocità del motore, la stima della coppia può essere utilizzata per determinare le deviazioni di sovraccarico e di sottocarico. Durante la baseline, l'unità "apprende" la normale distribuzione del carico o l'inviluppo del carico, mostrato nella Figura 7. Come nelle funzioni precedenti, esiste una correlazione con la velocità del motore.

Durante il monitoraggio, l'azionamento può rilevare condizioni di sovraccarico e sottocarico, che possono essere causate nelle applicazioni della pompa da guasti quali: incrostazioni, carteggiatura, girante rotta, usura o altro.

Conclusioni di 5
Il monitoraggio delle condizioni può essere utilizzato per l'implementazione della manutenzione basata sulle condizioni, che è un'evoluzione dalla manutenzione correttiva e preventiva. Ma il monitoraggio delle condizioni si basa sui dati del sensore; e l'installazione di sensori aggiuntivi può essere costosa. Tuttavia, se nell'applicazione sono già utilizzati azionamenti a velocità variabile, essi rappresentano una preziosa fonte di dati che possono essere utilizzati per il monitoraggio delle condizioni, risparmiando spese inutili.

Riferimenti 6:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden
[3] Robert Bond Randall: monitoraggio delle condizioni basato sulle vibrazioni: applicazioni industriali, aerospaziali e automobilistiche
[4] Ifm: istruzioni per l'uso Sensore di vibrazione VKV021, https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk: Macchine elettriche: modellazione, monitoraggio delle condizioni e diagnosi dei guasti, CRC Press, 2013
[6] Howard P. Penrose: diagnostica dei motori elettrici, successo in base alla progettazione; 2nd ed. edizione (2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi, Jorg Dannehl: modellazione e simulazione di guasti di statore e rotore del motore a induzione e loro confronto sperimentale, 2017 IEEE 11th International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives (SDEMPED)

Process Industry Informer

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