Toezicht op de gezondheid van fabrieksmachines

Gezondheidsmonitoring of conditiebewaking wordt al vele jaren gebruikt op machines en installaties waar de kosten van een storing hoog zijn. Hiermee kunnen storingen worden geanticipeerd en onderhoud of reparaties worden gepland met het minste productieverlies, en wordt onnodig periodiek onderhoud voorkomen.

Het kan zo simpel zijn als een persoon die met regelmatige tussenpozen door de fabriek toert met draagbare instrumenten zoals een warmtebeeldcamera en een trillingsanalysator, of het kan permanent worden geïnstalleerd zodat gegevens over een lange periode op afstand kunnen worden verzameld, de gegevens geanalyseerd buiten- lijn en trends geïdentificeerd.

Met het toenemende gebruik van intelligente apparaten op machines en installaties, die in een netwerk kunnen worden opgenomen en hun gegevens tegen lage kosten op afstand kunnen worden verzameld, neemt de mogelijkheid voor bewaking van de plantgezondheid snel toe. Er is veel informatie beschikbaar op het web die ideeën geeft en producten aanbiedt voor monitoring.

In deze blogpost zal ik wijzen op een reeks technieken die profiteren van de speciale positie van de variabele snelheidsaandrijving in de machine om toegang te krijgen tot meer nuttige gegevens.

Machineveiligheid op de werkvloer

Over het algemeen moeten de toegepaste technieken goedkope sensoren gebruiken en redelijk niet-invasief zijn, om hoge installatiekosten en het risico op schade door het installatieproces te voorkomen. Eenvoudige sensoren zoals thermische sondes en versnellingsmeters kan worden bevestigd aan toegankelijke delen en geeft een schat aan gegevens.

Een versnellingsmeter kan bijvoorbeeld vaak eenvoudig op een lagersteun of machinebehuizing worden gemonteerd om radiale trillingen van een roterende machine te meten, en kan defecten detecteren die ongebalanceerde krachten veroorzaken, zoals gebroken roterende delen, gebarsten assen en verkeerd uitgelijnde koppelingen.

Een eenvoudige amplitudemeting kan een algemene waarschuwing geven voor potentieel schadelijke defecten, terwijl een diepere frequentieanalyse de aandacht kan vestigen op bepaalde onderdelen, vooral als er verschillende toerentallen zijn zoals bij versnellingsbakken of riemaandrijvingen.

Bewaking van de machine- of fabrieksgezondheid met behulp van een aandrijving met variabele snelheid

De variabele snelheidsaandrijving bevindt zich op een unieke plaats in een machine, omdat deze meestal de aandrijfkracht levert. Het is een intelligent apparaat dat via de elektromotor nauw verbonden is met de werkende delen van een machine. Het bevat informatie die het gebruikt om zijn werk betrouwbaar te doen, maar die tegen weinig of geen kosten kan worden geopend en geanalyseerd. Met andere woorden, het kan vrijwel gratis worden gebruikt als een extra set sensoren.

Om te beginnen heeft de omvormer zijn eigen interne sensoren voor verschillende interne temperaturen en de motorstroom, die door de fabrikant worden geleverd om schade aan de omvormer of motor door abnormale omstandigheden te voorkomen. Er kan ook een motortemperatuursensor op zijn aangesloten. Deze gegevens zijn beschikbaar als aandrijfparameters en kan periodiek worden geopend om een ​​waarschuwing te geven als het een limiet nadert, en om trends te analyseren.

In een gesloten regelsysteem, zoals een servoaandrijving, bevat de aandrijving gegevens met betrekking tot de regelvariabelen. Het is bijvoorbeeld heel gebruikelijk om de volgende fout in een positieregellus te bewaken en een vlag op te heffen als de fout een drempel overschrijdt - dit kan wijzen op een soort storing, zoals verhoogde stijfheid (dreigende inbeslagname, obstructie of schade ) of speling (van slijtage ).

Het is een kleine stap om van een eenvoudige alarmdrempel over te gaan naar het bewaken van de trend van de afgevlakte gegevens en het waarschuwen van de gebruiker voor een zich ontwikkelende situatie die in de toekomst kan leiden tot storingen.

Voor de volgende fout moet er ten minste een astransducer zijn gemonteerd, wat meestal het geval is in precisie-bewegingsbesturingstoepassingen . In alle toepassingen heeft de omvormer echter ook toegang tot een speciale meting die moeilijk te verkrijgen is door externe instrumenten:het motorkoppel.

Motorkoppel meten

Het conventioneel meten van het motorkoppel met behulp van een transducer wordt meestal gedaan door een rekstrookje of loadcel te installeren in de bevestiging van het motorhuis. Dit vereist een speciale motormontage als het een zinvolle meting van het koppel wil geven, en de meting wordt beïnvloed door het traagheidsmoment van het zware motorframe dat de gevoeligheid voor de hogere frequenties vermindert.

Nog moeilijker is om het werkelijke dynamische askoppel te meten , omdat hiervoor een roterende rekstrookje op de as moet worden bevestigd, met telemetrie om de gegevens naar de vaste kant door te geven. Dit is een dure operatie en wordt zelden gedaan, zelfs niet voor een speciale test. Het is onwaarschijnlijk dat het een permanente installatie is.

De omvormer heeft echter interne gegevens voor de koppelproducerende stroom in de motor, die een goede indicatie is voor het askoppel, gratis beschikbaar! De gegevens zijn zelfs beschikbaar wanneer de motor zelf onbereikbaar is, of dit nu diep in een machine is, onder water of in een explosiegevaarlijke omgeving. De nauwkeurigheid van de koppelmeting is het beste in een volledig gesloten-lussysteem, maar zelfs in een eenvoudige open-lusaandrijving zijn de koppelgegevens voor veel doeleinden goed genoeg, behalve bij de laagste snelheden.

Zodra we beseffen dat koppelgegevens vrijwel gratis beschikbaar zijn in de aandrijving, evenals de bijbehorende snelheidsgegevens, kunnen we een nieuw gebied betreden voor machine- en fabrieksbewaking. Het volgende is een scala aan mogelijkheden die we zijn tegengekomen bij Control Techniques.

Lezers kunnen nieuwe ideeën hebben voor bepaalde soorten machines - er is een gedetailleerde kennis van de machine nodig om nieuwe methoden te bedenken voor het gebruik van de koppelgegevens die door de aandrijving worden vrijgegeven.

De volgende lijst toont de informatie die de schijf heeft, of zou kunnen hebben tegen een bescheiden prijs, die allemaal kan worden gecontroleerd en gecorreleerd om nuttige informatie over de machine te genereren:

Eenvoudige limieten voor gemiddeld of piekkoppel

De realtime koppelgegevens kunnen worden afgevlakt om een ​​lopende gemiddelde waarde te geven wanneer de omvormer actief is, of de piekwaarde kan worden vastgelegd op een tijdschaal die is gekozen voor de toepassing, dit kan variëren van milliseconden tot dagen, afhankelijk van het proces. Er kan een alarm worden gegenereerd als de waarde buiten een verwacht bereik komt (d.w.z. het overschrijdt een verwachte waarde of, minder vaak, daalt onder een verwachte waarde).

Trends van koppel

Dezelfde koppelgegevens kunnen worden vastgelegd en geanalyseerd op trend in de tijd of tegen een andere variabele, met alarmen die zijn ingesteld om een ​​ongezonde trend aan te geven.

Eenvoudige correlaties van gemiddeld koppel met snelheid

In veel processen is het koppel sterk afhankelijk van de snelheid, in een welomschreven patroon. Een ventilator of pomp die vloeistof door een vast kanaal, pijp of lus, of een netwerk daarvan, aandrijft, zal bijvoorbeeld een goed gedefinieerde koppel/snelheidscurve hebben. Elke significante afwijking van de normale curve duidt op een verandering die een probleem kan vormen. Enkele voorbeelden zijn:

Laag koppel:

• Gebroken aandrijfriem of andere koppeling
• Vloeistofverlies in pomp
• Obstructie om te stromen, b.v. geblokkeerd filter of scherm (voor een waaiertype pomp of ventilator, kan ook van toepassing zijn op transportband enz.)
• Ophoping van afzettingen op ventilator of pomprotor
• Cavitatie in een pomp door binnendringen van lucht, werveling of andere storingen (veroorzaakt ook pulsaties – zie hieronder)

Hoog koppel:

• Inbeslagname van rotor of andere onderdelen (gedeeltelijk of totaal)
• Obstructie van de stroming (pomp van het positieve verplaatsingstype)
• Grote lekkage (waaiertype van pomp of ventilator)

Er kan een koppel/toerentalprofiel worden opgesteld waarbuiten een alarmtoestand wordt gegenereerd, bijvoorbeeld zoals weergegeven in figuur 1:

De koppelgegevens moeten worden onderworpen aan voldoende laagdoorlaatfiltering of middeling om te voorkomen dat dynamische effecten (acceleratiekoppel) of normale pulsaties valse alarmen genereren.

Andere variabelen kunnen van invloed zijn, bijvoorbeeld een variabele afgiftedruk van een vloeistof, dus tolerantiebanden moeten breed genoeg worden ingesteld om valse alarmen door deze oorzaak te voorkomen.

Multivariabele correlaties

Bij complexere processen is het koppel afhankelijk van verschillende variabelen, die al dan niet beschikbaar zijn voor de omvormer. Overweeg bijvoorbeeld een ventilator die lucht door een systeem van kanalen drijft, waarvan sommige demperregelingen hebben om de lokale luchtstroom te variëren. De koppel/snelheidscurve is dan afhankelijk van de posities van de dempers.

Als er gegevens beschikbaar zijn over de toestand van de demper, of de drukval over de dempers, dan kan een correlatie met meerdere variabelen mogelijk zijn om dit mogelijk te maken. Figuur 2 geeft een eenvoudige illustratie van de behuizing met twee kanaaltakken met dempers.

Een andere mogelijkheid is om de gemeten koppel- en toerentalwaarden te gebruiken om het debiet en de druk bij de pomp of ventilator af te leiden uit hun karakteristieken, die dan kunnen worden vergeleken met een gemeten waarde van een transducer. Elke discrepantie kan betekenen dat de pomp of ventilator defect is of dat de transducer defect is.

Dynamische analyse van koppel

De koppelgegevens in de aandrijving hebben een grote bandbreedte en kunnen in principe worden gebruikt voor dynamische analyse. Het is vrij gebruikelijk dat de koppelbandbreedte in de orde van 1 kHz of meer ligt, hoewel het misschien niet mogelijk is om de gegevens met zo'n hoge snelheid te benaderen en te analyseren - het datacommunicatiekanaal beperkt de gegevenstoegang doorgaans tot ongeveer 250 ms steekproefinterval.

De koppelgegevens hebben betrekking op het elektrische koppel in de motor, dat wordt overgebracht naar de uitgaande as, maar wordt beïnvloed door de traagheid van de motorrotor en de effectieve stijfheid van het motorbesturingsalgoritme. Deze vormen een laagdoorlaatfilter waarvan de kenmerken misschien niet bekend zijn.

In een volledig gesloten systeem is het mogelijk om de overdrachtsfunctie af te leiden en nauwkeurige askoppelgegevens te verkrijgen, zodat bijvoorbeeld hoogfrequente koppelomkeringen kunnen worden gedetecteerd. De meting hoeft echter niet precies te worden gekalibreerd om vergelijkingen of trendanalyses te laten slagen.

In de praktijk zijn pulsaties met frequenties in het bereik van 100 - 500 Hz op nuttige wijze gemeten aan de hand van gegevens over het elektrische motorkoppel.

Gegevensblokken kunnen in realtime worden vastgelegd en offline aan dynamische analyse worden onderworpen. Analyse kan plaatsvinden in het tijdsdomein, bijvoorbeeld door de grootte van fluctuaties te berekenen (totale koppelpulsatie of fluctuatie, effectieve amplitude met of zonder tijdmiddeling, piekwaarden of negatieve piekwaarden) of in het frequentiedomein via een Fourier-transformatie met betrekking tot naar tijd of een andere variabele zoals positie. Dit kan het vervolgens mogelijk maken om zich ontwikkelende veranderingen te detecteren, met name in het patroon van koppelpulsatie:

• Overmatige torsie-algemene trillingsamplitude, breedband of bandbeperkt, b.v. van kapotte machineonderdelen of cavitatie in pompen
• Overmatige piekkoppels die kunnen leiden tot mechanische schade of voortijdige slijtage
• Frequente koppelomkeringen die klapperen van de versnellingen kunnen veroorzaken, resulterend in voortijdige slijtage of breuk
• Torsieresonanties, b.v. van losse koppelingen, resulterend in pieken in het frequentiespectrum waarvan de frequentie onafhankelijk is van de snelheid, hoewel ze bij bepaalde snelheden kunnen worden versterkt
• Torsiepulsaties, met één of meer cycli per omwenteling, b.v. van gescheurde as, waaier of tandwieltandschade of andere mechanische schade, met de mogelijkheid om de bron in een complexe machine te traceren aan de hand van de frequentie van de spectrale pieken, de snelheid en kennis van versnellingsbakken of andere aandrijfverhoudingen.

Dynamische analyse van koppel met snelheidscorrelatie

In sommige van de hierboven gegeven voorbeelden is het duidelijk gunstig om de assnelheid te beschouwen in combinatie met de dynamische analyse van het koppel, omdat pulsaties met betrekking tot de rotatie van de as de rotatiefrequentie hebben (effecten van eenmaal per omwenteling) of een veelvoud daarvan (bijv. een gebarsten as geeft twee keer per omwenteling, waaiers kunnen op N-per-omwenteling staan, tandwieltanden op N of N₁ /N₂ –per-revolutie).

Het kan handig zijn om samengestelde grafieken van trillingsspectraalanalyse met snelheid te genereren, die N-per-revolutie-effecten duidelijk zullen onderscheiden van resonantie-effecten waarvan de frequentie vast is, maar alleen in bepaalde snelheidsbereiken gestimuleerd kan worden. Dit worden cascadeplots of watervalplots genoemd en worden veel aangeboden door leveranciers van apparatuur voor trillingsanalyse.

Let op – bemonsteringsfrequenties en aliasing

Voorzichtigheid is geboden in systemen met snelle koppelpulsen. De koppelgegevens worden bemonsterd met een snelheid die mogelijk wordt beperkt door het vermogen van de omvormer om gegevens op te slaan of te exporteren met de snelheid waarmee deze intern wordt verkregen. De bemonsteringsfrequentie zal aliasfouten produceren bij frequenties zoals (f_s – f_d ) waar f_d is de frequentie-inhoud van de gegevens en f_s is de bemonsteringsfrequentie. f_s moet ongeveer 3 keer boven worden gehouden f_d om te voorkomen dat er verwarrende nieuwe frequentieproducten worden gegenereerd binnen het interessegebied.

Een bijkomend voordeel van cascadeplots is dat aliasproducten duidelijk zichtbaar zijn, hun frequentie daalt naarmate de snelheid toeneemt, terwijl bij echte effecten de frequentie toeneemt of constant blijft.

Kunstmatige intelligentieanalyse

In al het bovenstaande heb ik me geconcentreerd op toepassingen waarbij een fysiek begrip van het proces wordt gebruikt om een ​​verwacht gedrag te definiëren, en de beschikbare gegevens worden gebruikt om de werkelijke werking te vergelijken met de verwachting. Zelfs als de amplitude-schaling onzeker is, zijn de frequenties uniek en kunnen trends worden geïdentificeerd.

Het voordeel van deze aanpak is dat de mensen die bij het proces betrokken zijn de gegevens kunnen begrijpen en vanuit de gegenereerde informatie en alarmcondities kunnen werken om een ​​diagnose voor de plant te ontwikkelen.

Een alternatief is om een ​​of andere vorm van machine learning-algoritme te gebruiken om alle beschikbare gegevens te volgen en de patronen van normaal en abnormaal gedrag af te leiden. Dit is een onderwerp van huidig ​​onderzoek, bijvoorbeeld https://phys.org/news/2016-02-scientist-ai-algorithm-machinery-health.html .

Tot slot

Bovenstaande ideeën zijn algemeen gebaseerd op een breed beeld van een machine met draaiende delen, koppelingen en tandwielen, of een pomp of een ventilator. Ik hoop dat ontwerpers van machines deze ideeën kunnen toepassen op hun eigen specifieke en unieke toepassingen door te wijzen op de speciale toegang die de aandrijving geeft tot enkele waardevolle gegevens, met name de dynamische koppelgegevens.