Jak může vícesenzorové monitorování majetku zlepšit výkonnost v továrnách a logistice Průmyslu 4.0 a v datových centrech

Monitorování parametrů strojů, jako jsou vibrace a teplota, může v reálném čase poskytovat údaje o výkonu a stavu stroje a poskytnout výrobcům údaje potřebné k plánování proaktivní údržby, snížení prostojů a zvýšení produktivity.

Monitorování vlhkosti a teploty v logistických závodech nebo během přepravy může zlepšit provozní výkon a uchovat zboží, jako jsou vakcíny nebo čerstvé produkty. Pro různé aplikace, včetně podnikových a cloudových datových center, jsou k dispozici systémy monitorování prostředí s kabelovým i bezdrátovým připojením.

Monitorování vibrací může být užitečné pro identifikaci potenciálních problémů strojů dříve, než k nim dojde. Důležitou referencí může být norma Mezinárodní organizace pro standardizaci („International Organization for Standardization“, ISO) 10816. Poskytuje návod pro vyhodnocování mohutnosti vibrací u motorů používaných pro čerpadla, ventilátory, kompresory, převodovky, dmychadla, sušičky, lisy a podobné stroje, které pracují ve frekvenčním rozsahu 10 až 1 000 Hz.

V tomto článku jsou uvedeny některé klíčové aspekty výběru mezi kabelovým a bezdrátovým připojením pro monitorovací systémy a je zde také ukázáno, že použití kabelových a bezdrátových sítí není volbou buď jedno, nebo druhé. Poté se článek zabývá čtyřmi třídami mohutnosti vibrací podle jejich definice v normě ISO 10816. Na závěr jsou zde probrány různé možnosti implementace kabelových i bezdrátových systémů monitorování stavu, včetně použití více senzorů pro monitorování vibrací, teploty a vlhkosti a včetně reprezentativních aplikací.

Společnost Banner Engineering nabízí výběr bran pro monitorování stavu zařízení („equipment health monitoring“, EHM), které umožňují snadný přístup k datům sítě EHM. Průmysloví konstruktéři EHM si mohou vybrat mezi řešeními kabelových bran SNAP ID s místním displejem pro údaje ze senzorů nebo volitelným cloudovým řídicím panelem a bezdrátovými branami CLOUD ID určenými k přímému připojení ke cloudovému řídicímu panelu od této společnosti (obrázek 1). Mezi společné vlastnosti těchto dvou možností patří:

• Řada senzorů pro optimalizaci provozu EHM
• Rychlé nasazení podporované automatickým rozpoznáním připojených senzorů bez dalšího programování
• Snadná dostupnost dat ze senzorů pro seřízení zařízení nebo pro plánování potřebné údržby s cílem minimalizovat prostoje a maximalizovat produktivitu
• Podpora připojení ke cloudu oběma systémy
• K dispozici předkonfigurované řídicí panely, které lze přizpůsobit pro optimální vizualizaci dat

Obrázek 1: Kabelová brána SNAP ID (vlevo) a bezdrátová brána CLOUD ID (vpravo) EHM společnosti Banner mají několik společných vlastností. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Kabelová nebo bezdrátová brána EHM?

Přestože mají brány některé vlastnosti společné, stále jsou mezi kabelovými a bezdrátovými branami EHM zásadní rozdíly. Brána pro monitorování majetku („asset monitoring gateway“, AMG) AMG-SNAP-ID podporuje uvádění do provozu, monitorování a alarmy až pro 20 senzorů a převodníků. Podporuje připojení Modbus a SNAP SIGNAL společnosti Banner, vyhledává jednotlivé senzory nebo převodníky a automaticky detekuje informace o modelu. Uživatelé mohou měnit a přiřazovat ID čísla serverů Modbus a vytvářet a uvádět do provozu vlastní řešení EHM. Připojená zařízení lze seskupovat a alarmům lze individuálně přiřazovat prahové hodnoty. Stav alarmu je viditelný na dotykové obrazovce a podle barvy světla na horní straně krytu.

Pokud je vyžadováno přímé spojení s cloudem, mohou konstruktéři systému EHM využít bránu IIoT DXM1200-X2, která umožňuje připojit až 200 zařízení společnosti Banner i jiných výrobců a poskytovat údaje o výkonu a stavu stroje. Dokáže automaticky detekovat a propojit se s uzly senzorů a dodávat data do cloudového softwaru Banner. Vývojáři si mohou vybrat mezi jednoduchými nebo komplexními programovacími nástroji. Brána IIoT dokáže zpracovávat informace na okraji a poté je odesílat prostřednictvím ethernetové i mobilní sítě k monitorování odkudkoli na světě pomocí intuitivního cloudového řídicího panelu (obrázek 2).

Obrázek 2: Bezdrátové (vlevo) a kabelové (vpravo) brány senzorové sítě IIoT mají několik společných vlastností. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Kabelová a bezdrátová architektura EHM

Kabelová a bezdrátová architektura EHM se vzájemně nevylučují. Kabelové systémy mohou mít bezdrátové prvky a bezdrátové architektury často obsahují kabelové připojení.

Například základní kabelová architektura EHM může zahrnovat několik propojovacích boxů připojených k několika senzorům, jako je 4portový model R50-4M125-M125Q-P a 8portový model R95-8M125-M125Q-P. Sériové datové vysílačky Sure Cross R70SR společnosti Banner, jako je 900MHz model R70SR9MQ a 2,4GHz model R70SR2MQ, mohou rozšířit dosah sítě bez další kabeláže. Mezi vlastnosti těchto vysílaček patří (obrázek 3):

• Sériové rozhraní RS-485
• Podpora hvězdicových a stromových síťových topologií
• Podpora samoopravné automaticky směrované radiofrekvenční sítě s několika přeskoky pro další rozšíření dosahu sítě
• Technologie rozprostřeného spektra s přeskakováním frekvencí („frequency hopping spread spectrum“, FHSS) pro spolehlivé datové přenosy

Obrázek 3: Základní topologie kabelového monitorování majetku (vlevo) s příkladem bezdrátově připojeného clusteru vzdálených senzorů (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Ve velkém závodu může být na velké ploše rozmístěno mnoho systémů včetně následujících:

• Vzduchové kompresory
• Čerpací systémy
• Dopravníkové systémy
• Četné elektromotory a stroje
• Převodovky
• Systémy filtrace vzduchu
• Měření a monitorování hladiny ve skladovacích nádržích

V těchto případech lze výkon systému EHM zlepšit kombinací kabelových a bezdrátových technologií. Výše zmíněná bezdrátová brána IIoT DXM1200-X2 obsahuje kabelové připojení Modbus. Pokud je zapotřebí Ethernet, mohou konstruktéři využít model DXMR90-X1. Zařízení DXMR90-4K může implementovat funkce hlavní/řídicí jednotky IO-Link. Kromě možnosti volby Modbus, Ethernet a IO-Link mohou konstruktéři použít sériové datové vysílačky R709 k zajištění bezdrátového připojení k fyzicky rozptýlenému majetku (obrázek 4).

Obrázek 4: Bezdrátové brány IIoT (vlevo dole) jsou k dispozici s připojením Modbus, Ethernet a IO-Link. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Mohutnost vibrací podle normy ISO 10816

ISO 10816 je důležitou normou pro systémy EHM. Kvantifikuje mohutnost vibrací u strojů, jako jsou elektromotory, čerpadla a generátory. Norma používá efektivní hodnotu („root mean square“, rms) zrychlení, posunutí nebo rychlosti vibrací. Norma ISO 10816 zahrnuje také úvahy o hodnotách špička-špička. Mohutnost vibrací má nejvyšší efektivní hodnotu při měření dvou nebo více parametrů. Norma klasifikuje mohutnost vibrací do čtyř úrovní:

• Dobré vibrace obvykle značí nově zprovozněné strojní zařízení.
• Uspokojivé vibrace indikují oblast neomezeného provozu.
• Neuspokojivé vibrace naznačují potřebu omezit provoz a naplánovat preventivní údržbu.
• Nepřijatelné vibrace naznačují, že stroj je pravděpodobně poškozen.

Obrázek 5: Norma IEC 10816 zahrnuje čtyři kategorie mohutnosti vibrací. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Vibrace a strojové učení

Ani „identické“ stroje nejsou přesnými kopiemi. Zde přichází na řadu strojové učení („machine learning“, ML). Společnost Banner Engineering nabízí VIBE-IQ, softwarový balíček pro monitorování vibrací, který využívá strojové učení ke stanovení jedinečné základní provozní hodnoty vibrací každého stroje. Software ML pak automaticky nastavuje prahové hodnoty pro varování a alarm. Dokáže automatizovat složité výpočty a analýzy EHM. Některé funkce softwaru VIBE-IQ zahrnují:

• Nepřetržité monitorování efektivní rychlosti v rozsahu 10 až 1 000 Hz, efektivního vysokofrekvenčního zrychlení v rozsahu 1 000 až 4 000 Hz a teploty
• Monitorování pouze motorů, které jsou v chodu
• Využívání dat pro analýzu trendů i monitorování v reálném čase k identifikaci podmínek, jako jsou:
  • Špatně seřízené nebo nevyvážené systémy
  • Opotřebované nebo uvolněné součástky
  • Nadměrné opotřebení ložisek
  • Nesprávně namontované nebo poháněné motory
  • Nadměrné teploty
• Proaktivní odesílání výstrah do hostitelské řídicí jednotky nebo cloudu

Vibrace a teplota

Vibrace nejsou jediným vodítkem, že stroj může potřebovat preventivní údržbu. Na potenciální problémy může systém EHM upozornit také rostoucí trend teploty, zejména pokud rostoucí teplota koreluje s rostoucími vibracemi.

Ucelenější obraz o stavu zařízení poskytuje kombinace těchto dvou parametrů. Mohou upozornit obsluhu na různé sady podmínek a poskytnout řadu výhod:

• Vibrace mohou identifikovat mechanické problémy, jako je nesouosost, nevyváženost, opotřebení ložisek atd.
• Zvýšení teploty může identifikovat elektrické problémy, jako je přehřívání vinutí, nebo problémy s mazáním.
• Při detekci anomálního provozu může korelace vibrací mimo pásmo a teploty pomoci identifikovat možné příčiny. Například vzorce vibrací mohou pomoci identifikovat hlavní příčinu.
• Plánování preventivní údržby může být usnadněno monitorováním teploty a vibrací. Postupný nárůst teploty nemusí nutně představovat tak velký problém jako rostoucí vibrace, které mohou vyžadovat okamžitější nápravu.
• Zjistěte, jak zlepšit výběr majetku a jejich využití v dlouhodobějším měřítku pomocí dat ze senzorů, abyste identifikovali potenciální provozní omezení dříve, než se stanou problémem.

Pokud je třeba monitorovat teplotu a vibrace, mohou konstruktéři systému EHM využít senzor QM30VT2 v hliníkovém pouzdře nebo QM30VT2-SS-QP v pouzdře z nerezové oceli, oba od společnosti Banner Engineering. Oba senzory lze připojit k vysílačce Modbus nebo jakékoli síti Modbus jako podřízené zařízení prostřednictvím rozhraní RS-485. Díky malým rozměrům se vejdou i do stísněných míst (obrázek 6). Mezi další vlastnosti patří:

• Vysoce přesné měření teploty a vibrací
• Rozsah měření teploty −40 °C až +105 °C s rozlišením 1 °C a přesností ±3 °C
• Detekce dvouosých vibrací s šířkou pásma až 4 kHz s přesností ±10 % při 25 °C a výchozí vzorkovací frekvencí 20 kHz
• Výstupy pro efektivní rychlost, efektivní vysokofrekvenční zrychlení, špičkovou rychlost a další parametry předem zpracované z vibračních průběhů

Obrázek 6: Senzory dvouosých vibrací a teploty lze namontovat přímo na kryt motoru (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Rozlišování vibračních spektrálních pásem je pokročilá schopnost. Umožňuje uživatelům rozdělit širokopásmovou rychlou Fourierovu transformaci („fast Fourier transformation“, FFT) a získat kromě skalárních dat o frekvenci 10 až 1 000 Hz a 1 000 až 4 000 Hz také efektivní hodnoty rychlosti nebo zrychlení pro užší frekvenční pásma. V závislosti na potřebách uživatelů mohou být frekvence pásem zadány ručně nebo automaticky generovány na základě dynamického nebo statického zadání rychlosti. Spektrální pásmová analýza může pomoci konkrétněji diagnostikovat problémy s rotačními stroji.

Teplota a vlhkost

Monitorování teploty a vlhkosti může být důležité v datových centrech, skladech, čistých prostorách, chladničkách nebo chladicích zařízeních. Senzor teploty a vlhkosti jako např. model DX80N9Q45THA může pomoci:

• Uchovávat zboží, jako jsou čerstvé produkty nebo vakcíny, kde je znalost teploty a vlhkosti zásadní pro dlouhodobou životaschopnost a prevenci znehodnocení
• Chránit zařízení, jako jsou servery a úložná zařízení v datovém centru, kde nadměrná teplota nebo vlhkost může narušovat normální provoz nebo vést k poruchám
• Zlepšit zdraví a bezpečnost lidí ve skladech a dalších závodech, kde vysoká vlhkost může pracovníkům ztěžovat udržení chladu při zvýšených teplotách, což může vést k vyčerpání z horka

Rozsah měření teploty −40 °C až +85 °C s rozlišením 0,1 °C a přesností ±0,6 °C v rozsahu −40 °C až 0 °C, ±0,4 °C v rozsahu 0 °C až +60 °C a ±1,2 °C v rozsahu +60 °C až +85 °C. Čidlo vlhkosti může měřit od 0 % do 100 % relativní vlhkosti s přesností ±2 % při teplotě +25 °C, ±3 % v rozsahu 0 °C až +70 °C a 10 % až 90 % relativní vlhkosti a s přesností ±7 % v rozsahu 0 °C až +70 °C a 0 % až 10 % nebo 90 % až 100 % relativní vlhkosti.

Když je zařízení zapnuté, pracuje v režimu rychlého vzorkování a odesílá data každé dvě sekundy. Po pěti minutách přejde uzel do výchozího režimu a odesílá data v pětiminutových intervalech. Uživatel si může zvolit vzorkovací frekvenci 15 minut nebo 64 sekund.

Modely s 900MHz vysílačkou vysílají při 1 W (30 dBm) nebo 250 mW (24 dB volitelných uživatelem). Režim 250 mW snižuje dosah, ale prodlužuje životnost baterie v aplikacích s krátkým dosahem. U modelů s frekvencí 2,4 GHz je přenosový výkon pevně nastaven na přibližně 65 mW (18 dBm). Při provozu v režimu ukládání se vysílačka vypne, aby se šetřila životnost baterie.

Závěr

Efektivní systémy EHM v továrnách Průmyslu 4.0 monitorují vibrace a teplotu a pomáhají zajistit vysokou úroveň provozuschopnosti. Senzory vlhkosti a teploty mohou také zlepšit provozní výkon datových center a uchovat zboží, jako jsou vakcíny nebo čerstvé produkty, ve skladech a logistických provozech. Tyto systémy mohou ke sledování více parametrů využívat kabelové nebo bezdrátové připojení.