Hoe machineconditiemonitoring continue fabrieksoperaties garandeert

In 1901 werd een octrooi uitgegeven aan Ransom E. Olds voor het idee van een continu bewegende montagelijn, die hij gebruikte om de eerste Oldsmobile-voertuigen te bouwen. In 1913 verbeterde Henry Ford het concept door bewegende transportbanden toe te voegen en met deze twee innovaties ging de tijd die nodig was om een auto te monteren van 1½ dag naar 1½ uur. De moderne montagefabriek was geboren.

Tijdens de volgende vier decennia werd het idee van een bewegende productielijn overgenomen door talloze industrieën, van radio's tot scheermessen, klokken tot wiegjes, nagels tot kranten. Tijdens de Tweede Wereldoorlog bouwde de VS 300.000 vliegtuigen met behulp van bewegende productielijnen. Het idee werd de ruggengraat van de productie over de hele wereld en blijft de primaire manier om producten aan massa-marked te leveren.

De tools en machines die gebruikt worden om het montagewerk te doen, zijn het meest kritieke deel van elke lijn. In de jaren '50 werd de betrouwbaarheid van fabrieksapparatuur een belangrijk deel van de operaties. Als een enkele machine stopte met werken, zou de hele lijn stilvallen totdat reparaties konden worden gemaakt. Stilstaande machines en monteurs verlaagden de efficiëntie en beïnvloedden de kosten. Onderhoud werd belangrijk.

Tijdens de tweede helft van de 20e eeuw bestond de meeste fabrieksonderhoud uit geplande periodieke onderhoud. Dit verbeterde de betrouwbaarheid en levensduur van de machines, maar deed niets om fabrieksoperators te helpen voorspellen en vermijden van apparatuurstoringen of ongeplande downtime. De afgelopen twintig jaar is machineconditiemonitoring een belangrijk deel van fabrieksoperaties geworden. Soms aangeduid als Slimme Fabriek, Industriële IoT (IIoT), of Industrie 4.0, voegen fabrieken sensoren en analytische systemen toe die de gezondheid van de productieapparatuur in de gaten houden.

Conditiemonitoring is het proces van het uitrusten van apparatuur met sensoren die significante parametrische veranderingen kunnen identificeren die wijzen op een komende fout of storing. Deze systemen zoeken naar twee dingen. Eerst: Werkt de machine buiten zijn ontwerpparameters, wat een snelle reactie vereist? Tweede: Wat zijn de lange-termijn trends van kritische parameters voor het voorspellen wanneer de machine onderhoud, reparatie of vervanging nodig zal hebben.

Fabriekselectromotoren

Een van de meest alomtegenwoordige machines in fabrieken is de electromotor. Er wordt geschat dat er 300 miljoen motoren draaien in productiefaciliteiten over de hele wereld vandaag. Ze leveren de kracht om producten in een fabriek te fabriceren, monteren en te verplaatsen. De storing van een enkele motor kan een productielijn tot stilstand brengen, met kosten van $10.000s per uur. Conditiemonitoring sensoren en analytics geven een vroege waarschuwing van problemen. Het snel aanpakken van deze problemen resulteert in lagere onderhoudskosten, minder storingen in processtroom, en verbeterde veiligheid voor de apparatuuroperators.

De gezondheid van elke motor kan bepaald worden door het monitoren van drie operationele parameters:

• Trilling — gemeten met een versnellingsmeter.

• Temperatuur — gemeten met een contact-type temperatuursensor.

• Stroom — gemeten met een inductieve of shunt-type stroomsensor.

Versnellingsmeters leveren data over de mechanische gezondheid van de motor. Temperatuursensoren leveren data over zowel mechanische als elektrische gezondheid, en stroomsensoren kijken naar de elektrische gezondheid. Sensoren kunnen ook data leveren over de conditie van apparatuur en tools die aan de motor gekoppeld zijn.

Versnellingsmeters

Alle draaiende motoren hebben een anker dat door lagers opgehangen is en draait met verschillende snelheden. De ankers zijn gebalanceerd zodat ze niet trillen tijdens het draaien. Echter, een ongebalanceerd of beschadigd anker creëert trilling die de lagers kan beïnvloeden. Als de trillingen op resonerende frequenties van andere apparatuur die aan de motor gekoppeld is, kan de schade ernstig en snel zijn. Trillingsfrequentie van een motor komt overeen met de motor RPM en varieert typisch van een paar Hz tot 4 kHz. Versnellingsmeters zijn geschikt om deze trillingen te meten.

Versnellingsmeters worden ook gebruikt als contactmicrofoons die luisteren naar hoogfrequente ruis (piep) van lagers waar smering is uitgeput. Deze frequenties variëren van 5kHz tot 15kHz. Piezo-elektrische versnellingsmeters werken goed omdat ze een brede frequentierespons hebben die beide frequentiebereiken met een enkel apparaat dekt.

Typisch wordt een Fast Fourier Transform (FFT) gebruikt om het signaal te analyseren. De FFT-data toont elk frequentieband van trilling en zijn intensiteit. Figuur 2 geeft de natuurlijke trillingsfrequenties en amplituden van een typische motor aan.

Nieuwe motoren hebben natuurlijke trillingsfrequenties die worden vastgelegd en gebruikt als baseline om later in de levensduur van de motor met genomen data te vergelijken. Als deze metingen in hetzelfde bereik blijven als de oorspronkelijke data, is de motor in goede gezondheid. Als frequenties of intensiteiten beginnen te verschuiven met de tijd, is het een indicatie van slijtage in delen van de motor en kan een storing onmiddellijk zijn. Reparaties kunnen daarom gepland worden voordat een storing optreedt. Dit elimineert catastrofale lijnstilstanden en verbetert de productie-efficiëntie.

Figuur 3 toont de model 8911 trillingssensor van TE Connectivity Sensors Business Unit. Het bevat een piezo-elektrische versnellingsmeter en een microcontroller die een FFT-conversie uitvoert naar een formaat dat klanten nodig hebben. Bovendien is deze sensor batterijgevoed en stuurt de data draadloos over LoRa-frequenties. Dit elimineert harde bedrading. De sensor kan eenvoudig aan een gemonteerd worden met een lijm, montagebout of een magnetische basis. Zonder bedrading en eenvoudige montage kan de sensor van out-of-the-box naar volledige operatie in een heel korte periode en tegen zeer lage kosten gaan.

Temperatuursensoren

De twee delen van een motor die het meest beïnvloed worden door hoge temperaturen zijn lagers en statorwikkelingen. Om effectief te zijn, moeten sensoren die deze parameters meten in intiem fysiek contact zijn met de motoronderdelen van belang, dus unieke ontwerpen zijn meestal vereist voor motorapplicaties.

In bedrijf lopen motorlagers typisch tussen 60° – 70°C (140° – 160°F). Als ze correct geladen en gesmeerd zijn, kunnen lagers een extreem lange levensduur hebben. Het meest voorkomende probleem treedt op wanneer smeermiddelen verdwijnen door lekkages of falen door omgevingsoververhitting. Deze falenmodi kunnen zich over vrij lange bedrijfsperiodes voordoen — 1000en uren. Naarmate smeermiddel wordt uitgeput, begint de lagertemperatuur te stijgen en kan dit gemakkelijk worden bijgehouden met een temperatuursensor en analytische software.

Figuur 4 toont een veer-geladen NTC of RTD-type temperatuursensor die ontworpen is om in direct contact te zijn met een outer lagerring. Deze montage biedt de meest nauwkeurige temperatuurmeteringen. De lagerbehuizing moet features hebben die erin ontworpen zijn om de temperatuursensor te accommoderen en nabijke toegang tot het lager te bieden.

Temperatuursensoren worden ook gebruikt om de temperatuur van stator elektrische wikkelingen te meten. Dit zijn de spoelen die de magnetische velden genereren om de rotatie van het anker voort te stuwen. Als deze wikkelingen beschadigd worden door impact of corrosie, neemt de weerstand van de draad toe, en hun vermogen om stroom te geleiden neemt af. Dit zorgt ervoor dat de betrokken draden opwarmen. Ze kunnen temperaturen bereiken die isolatie laten smelten en zelfs een brand veroorzaken.

Figuren 5a en 5b tonen temperatuursensoren (TE Connectivity Sensors Business Unit) die in statorwikkelingen op een motor worden ingebouwd. De sensoren worden een permanent deel van het apparaat.

Net als bij de trillingssensoren wordt de initiële bedrijfstemperatuur gemeten en vastgelegd. Naarmate de tijd voorbijgaat, worden de temperaturen periodiek genomen en vergeleken met de baseline. Als de temperaturen beginnen af te wijken van het normale, is het een indicatie van mechanische problemen voor de lagers of elektrische problemen voor de statorwikkelingen. Opnieuw kan onderhoud gepland worden voordat een grote storing optreedt, wat een onverwachte lijnstilstand voorkomt.

Stroomsensoren

Terwijl trillings- en temperatuursensoren de fysieke gezondheid van een motor kunnen rapporteren, kan een stroomsensor de elektrische gezondheid controleren. Stroomsensoren komen in twee basisconfiguraties: shunt of inductieve ontwerpen. Elk heeft voor- en nadelen. De hoeveelheid stroom die een motor trekt, wordt beïnvloed door veel dingen: de aangelegde spanning, de motortoer, de belasting op de motoras, en de conditie van de ankerborstels. Out-of-range stromen kunnen signaleren aan spanningsproblemen, kortsluitingen in de stator- of ankerwikkelingen, versleten borstels, of problemen met aangehechte tooling.

Een shunt stroomsensor is een zeer lage waarde stroomweerstand in serie geplaatst met de elektrische voedingslijn naar de motor. De spanning die over de weerstand ontstaat, is evenredig met de stroom die erdoor vloeit. Met behulp van de wet van Ohm (I = E/R) en de waarden van spanning en weerstand, kan de stroom berekend worden. Shunts worden gebruikt waar zeer hoge nauwkeurigheid vereist is of voor hoge-frequentie borstelloze motoren. Figuur 6 toont het schema voor een shunt-sensor.

Inductieve stroomsensoren gebruiken een hoge permeabiliteitsring om de stroomdraad. Stroom door de draad induceert een magnetisch veld in de ring (Bin). Een Hall-effect sensor ingesloten in de ring meet het magnetische veld, en via een versterker en spoel om de ring gewonden, induceert een omgekeerd magnetisch veld (BF) om Bin tegen te werken. De spanning die nodig is om het BF-veld te creëren, is het uitgangssignaal. Het netto effect van de twee magnetische velden zal verschijnen als een nulveld bij de Hall-sensor. Hoe hoger de stroomdoorlaat in de voedingsdraad, hoe hoger de BF-spanning moet zijn. (Zie Figuur 7)

Buiten de motor

Vaak kan apparatuur die aan de motor gekoppeld is, ook voor gezondheid worden gemonitord. Figuur 8 toont een voorbeeld van een freesmachine die een multi-gefreesde draaiende snijder gebruikt om een vlak oppervlak in een werkstuk te machine. De conditie van het draaiende snijgereedschap is heel belangrijk voor de kwaliteit van de snijoperatie. Hoe scherper de frezen op de snijder, hoe preciezer de snede, en hoe beter het oppervlak op het afgewerkte werk. Als elk frees een snede maakt, neemt de motorstroom toe om het benodigde vermogen te leveren. Scherpe frezen vereisen minder vermogen om het metaal te snijden. Dope frezen vereisen meer vermogen.

Door de motorstroom voor deze freesmachine te monitoren, is het mogelijk om te bepalen welke van de frezen op het snijgereedschap scherp zijn en welke dof zijn en geschärpt moeten worden.

De bijdragen van conditiemonitoring aan de IIoT

Vanaf de uitvinding van de productielijn en de industriële revolutie die het creëerde, zijn er talrijke technische innovaties geweest die vooruitgang in de productie hebben gedreven. Fabrieken hebben gemiddelde productiviteitswinsten van 2,8% per jaar ervaren de afgelopen 70 jaar. Technologieën zoals krachtgereedschappen, injectiegieten, pick & place apparatuur, automatische testen, en robotica hebben alle bijgedragen. Vandaag wordt machineconditiemonitoring aan de mix toegevoegd. Succesvolle conditiemonitoring begint met sensoren op fabriekmachines die constant data rapporteren over hun gezondheid en operatie. Door real-time analytics te gebruiken, kunnen fabrieksoperators probleemgebieden identificeren en de nodige reparaties en onderhoud plannen zonder te wachten op catastrofale storingen. Dit zal productiviteitswinsten leveren aan de productie. Het begint allemaal met sensoren, echter.

Dit artikel is geschreven door Pete Smith, Sr. Manager, Sales and Marketing Support, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Zwitserland/Berwyn, PA). Voor meer informatie, contacteer Mr. Smith op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft JavaScript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .