Weidmueller u-sense vibration inteligentni monitoring postrojenja i prediktivno održavanje bazirano na IIoT senzoru vibracija
Monitoring stanja pojedinačne mašine, procesa ili čitavog postrojenja nikada nije bio lakše izvodljiv nego sa današnjom tehnologijom senzora., koji mogu obezbediti veliki broj neophodnih informacija. Ova činjenica omogućava otkrivanje potencijalnih grešaka i kvarova u ranoj fazi, optimizaciju procesa, planiranje aktivnosti održavanja pa čak i kreiranje novih poslovnih modela. Međutim, da bismo postigli ove ciljeve, neophodno je da senzori budu integrisani i povezani na „Industrial Internet of Things“ – IIoT, bilo da se radi o novom ili već postojećem postrojenju. Na taj način, podaci o stanju mašine se automatski prosleđuju, procesuiraju i čuvaju i na osnovu tih podataka, dobijemo poruke upozorenja o potencijalnom problemu u radu mašine, što nam daje dovoljno vremena za adekvatnu reakciju.
photo: Weidmueller
Senzori integrisani u IIoT lako komunciraju sa ostatkom sistema, pružaju brzi transfer potrebnih podataka koje tada možemo čuvati i analizirati i tako obezbediti određene benefite za kompletno postrojenje :
- Smanjenje troškova izbegavanjem aktivnosti održavanja kada nema potrebe za istim
- Veća pouzdanost zahvaljujuči ranom otkrivanju potencijalnih kvarova ili znakova istrošenosti mašine
- Povećana efikasnost ciljanom optimizacijom proizvodnog procesa
- Veća fleksibilnost zahvaljujući funkciji daljinskog monitoringa
- Lak pristup neophodnim podacima o radu postrojenja
- U slučaju da merena vrednost senzora prekorači određene limite, održavanje može dobiti poruku upozorenja
- Prikupljeni podaci pružaju mogućnost rutinskog održavanja i pregleda mašina što znači da se aktivnosti održavanja, kao i mere koje je potrebno preduzeti, mogu planirati unapred što čuva vreme i resurse
- Beleženje i čuvanje podataka o svim događajima u postrojenju, kreiranje dokumentacije i izveštaja
- Olakšavanje dijagnostike kvarova
Akvizicija podataka, koja obuhvata i podatke sa IIoT integrisanih senzora (poput Weidmueller u-sense vibration) predstavlja prvi korak u pravilnoj primeni IIoT kao dela Industrije 4.0, čiji je cilj da prikupljanjem podataka sa najnižih nivoa automatizacije, obezbedi dodatnu vrednost :
illustration: Weidmueller
– Monitoring stanja mašine na osnovu merenja vibracija
U svakom postrojenju sa velikim brojem motora, dešava se da tim održavanja primeti da motor ne radi „glatko“ kao ranije ili proizvodi veću buku. Prva posledica istrošenosti određenih mehaničkih delova motora ili defekta su u najvećem broju slučajeva, povećane vibracije. Čak i jako malo povećana sila trenja ili disbalans pri rotaciji rotora menja način rada motora i izaziva povećane vibracije. Senzor vibracija Weidmueller u-sense registruje čak i najmanje promene u vibracijama, tokom rada motora. U slučaju da se podaci o vibracijama koje senzor pruža proveravaju redovno, problemi se mogu na vreme otkloniti, pre nego što izazovu veću štetu na samom motoru.
photo: Weidmueller
Primeri problema koji se mogu javiti su :
- Popuštanje mehaničkih spojeva
- Disbalans pri rotaciji
- Istrošenost ležajeva motora
- Istrošenost spojnica ili zupčanika
- Problem u položaju motora
– Princip i benefiti monitoringa stanja mašina merenjem vibracija
Vibracije su efikasan način indikacije grešaka ili nepravilnog rada motora. Sa IIoT senzorom, Weidmueller u-sense, možemo čak i primetiti tendenciju ka neizbežnom kvaru ili oštećenju mehaničkih delova čak i par meseci unapred, što daje mogućnost za blagovremenu reakciju i izbegavanje situacije da mašina prestane sa radom i blokira celokupnu proizvodnju. Smanjenje rizika od iznenadnog prekida rada postrojenja je od esencijalne važnosti za bilo koju proizvodnju i osnovni je cilj prediktivnog održavanja.
Poseban značajnu ulogu IIoT senzori imaju kod mašina u stalnom radu npr.kompresora, konvejera, pumpi, ventilatora gde kvar jedne od mašina može zaustaviti proizvodnju na neko vreme, što izaziva novčane gubitke ili kašnjenje u rokovima. Ovo predstavlja najvažniji argument, zašto IIoT integrisani senzori postaju neizostavni deo svakog postrojenja.
Takođe, uz IIoT senzore, poput u-sense senzora vibracija za kontrolu stanja motora, proizvođači mašina mogu razviti čitav spektar novih usluga koje mogu pružati, a vezanih sa daljinskim održavanjem mašina i servisom istih.
Primer – Prikazano stanje mašine od trenutka puštanja u rad do trenutka kvara. illustration: Weidmueller
Kao što je napomenuto ranije, prvo upozorenje će se pojaviti nedeljama ili čak mesecima ranije od procenjenog trenutka kvara i totalnog zastoja mašine.
– Prosta analiza vibracija (pojasevi) – Broadband analysis
U najjednostavnijem slučaju, u skladu sa standardom ISO 10-816-3 širokopojasna analiza obuhvata analize vibracija na frekvencijama od 10Hz do 1000 Hz. Indikator predstavlja efektivna brzina vibracija v.rms (obično u mm/s) a standard propisuje radijalno merenje vibracija.
Prikazana brzina vibracija tokom perioda konstantnog rada mašine (nivo upozorenja i nivo alarma). illustration: Weidmueller
Za sve mašine snaga od 15kW do 50MW, čije su brzine obrtanja od 120 o/min do 15000o/min (što je i u najećem broju slučajeva opseg brzina u većini industrija), standard ISO 10-816-3 definiše granične vrednosti vibracija u (mm/s) za stanja A, B, C, D, počevši od stanja A-nova mašina, tek puštena u rad, do stanja D -mašina sa oštećenim delovima. Tipične granične vrednosti zavise od snage mašine, tako da imamo 2 grupe 15kW-300kW i 300kW do 50MW.
Prikaz matrica vibracija. illustration: Weidmueller
-Spektralna analiza vibracija
Spektralna analiza vibracija je detaljnija od Broadband analize jer posmatra amplitudu vibracija kao funkciju frekvencije vibracija. Niski opseg frekvencija do 100Hz sadrži fundamentalnu frekvenciju i harmonike, a vibracije u niskom opsegu obično ukazuju na probleme poput disbalansa, otpuštanja mehaničkih delova, ili odstupanja u poravnanju. Vibracije u pojasu visokih frekvencija obično su indikator problema sa ležajevima motora.
Primer spektralne analize. illustration: Weidmueller
– Weidmueller u-sense – IIoT rešenje
Weidmueller rešenje za merenje vibracija, analizu stanja mašine i prediktivno održavanje sastoji se od 3 komponente :
- Pametni senzor sa baterijom u sebi koji ne zahteva bilo kakvo ožičenje (postoji i verzija sa kablovskim povezivanjem), koji služi za merenje vibracija i temperature ciljanog objekta. Merenje vibracija motora je diskontinualno u diskretnim vremenskim intervalima od 10 minuta ili 60minuta. Uz takav način rada, procenjeni vek trajanja litijumske baterije jeste 2 godine. Postoji mogućnost skraćenja intervala merenja na 1 sekundu, ali to podrazumeva i skraćenje radnog veka baterije na 2-3 meseca. Prenos podataka sa senzora vrši se uz pomoć Bluetooth Low Energy 5.0 protokola. Koristeći brzu Furijevu transformaciju (FFT) može napraviti i spektar ubrzanja vibracija do 3300Hz. Merenja se obavljaju po sve 3 ose.
- Weidmueller IoT Gateway – osigurava sigurnu transmisiju podataka od senzora na cloud. Takođe omogućava prikupljanje i obradu podataka koje senzor izmeri na samoj mašini. Treba biti lociran u blizini senzora. Ako se nalazi izvan upravljačkog ormana, treba biti smešten u kutiji koja je izrađena u određenom stepenu IP zaštite, u zavisnosti od sredine. Zahvaljujući 4G tehnologiji, Weidmueller IoT gateway ne zavisi od lokalne mreže i može biti smešten bilo gde. Jedan IoT gateway može podržati maksimalno osam senzora vibracija.
Komponente i arhitektura sistema. illustration: Weidmueller
- Komunikacija sa cloud servisom može biti ostvarena kroz LAN ili LTE, kao i jednostavnim RS485 interfejsom predviđenim za lokalne sisteme.
Otvorena platforma Node-RED je fabrički integrisana za obradu podataka u GW30 gateway-u. Ovo omogućava programiranje aplikacija u samoj firmi, dok postojeće funkcije u velikoj Node-RED zajednici takođe mogu biti korišćene. Uređaji na terenu se pristupaju i kontrolišu korišćenjem globalno uspostavljenih protokola kao što su MQTT (putem LAN-a ili LTE-a), Modbus RTU/TCP (putem serijskih interfejsa/LAN-a), OPC UA ili RFC1006.
Ovo olakšava povezivanje sa postojećim sistemima i povećava fleksibilnost sistema. Bilo koja ciljna platforma može se koristiti za dalju obradu podataka. Nema zahteva za korišćenjem određenog IT ili oblak sistema. Ovo sprečava zavisnost od pojedinačnih pružalaca usluga.
– Sajber bezbednost
Korišćenje IoT povećava ranjivost sistema i izloženost sajber napadima. Stoga, sajber bezbednost predstavlja jako važan aspekt u cilju prevencije od napada, potencijalne ugroženosti kompletnog sistema gubitka ili krađe značajnih podataka.
S jedne strane, odgovornost za sajber bezbednost leži na krajnjem korisniku, operatorima koji moraju proći treninge za sajber bezbednost tokom rada sa IIoT komponentama i IT timu krajnjeg korisnika.
Međutim, Weidmueller kao proizvođač u-sense IIoT sistema monitoringa vibracija i prediktivnog održavanja podržava sajber bezbednost, sledećim ugrađenim mehanizmima :
- Pokretanje senzora moguće samo kroz zvanični i odobreni softver
- Updejt firmvera senzora moguć samo kroz zvanični i odobreni softver
- Veza između senzora i gejtveja je osigurana PIN-om
- Enkriptovana Bluetooth komunikacija između senzora i gejtveja
- Pristup gejtveju moguć samo ovlašćenim osobama sa svojim kredencijalima
- Kontrola pristupa cloud-u
– Weidmueller u-sense vibration u različitim aplikacijama
Jedna od osnovnih benefita je mogućnost instalacije u-sense vibration senzora u već postojeća postrojenja (kao retrofit opcija), kao i u nova postrojenja gde preventivno održavanje može doneti dodatnu vrednost. Kao jedan od primera implementacije izdvajamo prisustvo Weidmueller u-sense vibration u našoj proizvodnji u postrojenju za galvanizaciju.
Korisnički interfejs u Weidmueller proizvodnji, odeljenje galvanizacije. illustration: Weidmueller
Na slici se može videti spektralna analiza vibracija, kao i efektivna brzina vibracija po x,y i z osi.
Sem trenutnih vrednosti, na korisničkom interfejsu moguće je pristupiti i vrednostima u prošlosti( npr.u poslednjih 90 dana). U slučaju predviđenog problema na motoru, tj.kritične promene vrednosti vibracija, alarm se generišei šalje putem email-a odeljenju održavanja za svaki motor pojedinačno prema unapred zadatim vrednostima, bilo da se radi o pumpi, kompresoru ili ventilatoru.
Kontakt:
Weidmüller Interface GmbH & Co. KG Beograd-Zvezdara
Ustanička 189, III sprat, lokal 7a, 11050 Beograd, Srbija
Phone/fax: +381 11 288 5274 Mobile: +381 69 100 1070
E-mail: Zoran.Rabrenovic@weidmueller.com
Sa pozadinom u električnom inženjeringu i dugom istorijom rada u stručnim časopisima, on se fokusira na ključnom sadržaju magazina Mehatronika i stoji iza brojnih inicijativa.