Choisir les bons capteurs pour la surveillance conditionnelle
Les pannes imprévues des équipements constituent une source coûteuse et frustrante d’interruptions de la production. Les systèmes de surveillance conditionnelle éliminent ce problème en fournissant des informations en temps réel sur l’état des équipements.
Cela nécessite de mesurer des paramètres tels que les vibrations, la température et l’état de l’huile afin de détecter les signes d’une éventuelle défaillance à venir. Les programmes de surveillance conditionnelle efficaces combinent différentes technologies pour détecter les défaillances. Un seul capteur ne suffit pas à couvrir tous les types possibles de défaillance des machines.
Ce guide présente un aperçu de certaines des technologies de capteurs et approches de mise en réseau les plus courantes pour concevoir et déployer un programme efficace de surveillance conditionnelle.
Qu’est-ce que la surveillance basée sur l’état ?
La surveillance basée sur l’état implique que les techniciens suivent les équipements en mesurant des données de fonctionnement telles que les vibrations, la chaleur ou la qualité de l’huile. Cela permet de déterminer si les machines fonctionnent dans les limites de référence de sécurité. Cela signifie également que les réparations sont effectuées plus efficacement, uniquement lorsque les données dépassent une limite définie.
Cette approche diffère légèrement de la maintenance prédictive. La surveillance basée sur l’état examine l’état actuel d’une machine. La maintenance prédictive utilise des modèles pour prévoir les dates exactes de défaillance. Mais les deux méthodes utilisent les mêmes réseaux de données de base.
Comment associer les capteurs aux modes de défaillance
La courbe P-F montre la fenêtre entre la première détection d’un défaut et la défaillance finale de l’équipement [1]. Les signaux à haute fréquence apparaissent en premier sur cette chronologie.
Associer l’outil aux modes de défaillance signifie déterminer quel signal apparaît le plus tôt. Les fissures sous la surface produisent des ondes ultrasonores des semaines avant l’apparition de toute signature thermique. Une fréquence de capteur inadaptée entraîne une alerte qui arrive trop tard.
Principaux types de capteurs pour la surveillance conditionnelle
La sélection d’outils de suivi spécifiques nécessite de comprendre leurs limites physiques et leurs applications cibles. Cela comprend notamment les capteurs de vibrations, de température, à ultrasons et d’émissions acoustiques.
Capteurs de vibrations
- La surveillance industrielle des vibrations suit les mouvements des machines afin de détecter les défauts.
- Les techniciens utilisent un accéléromètre piézoélectrique pour capter les hautes fréquences, généralement efficace jusqu’à 10-14 kHz. Ces dispositifs permettent de détecter précocement les fissures des roulements.
- Les capteurs de vitesse surveillent les fréquences moyennes de 10 Hz à 1 kHz. Ce spectre permet de détecter le déséquilibre et le désalignement de l’arbre.
- Les ingénieurs utilisent les normes ISO 20816 pour évaluer la sévérité des vibrations [2]. Des pics à des fréquences spécifiques révèlent la fréquence précise du défaut du roulement, qui indique l’usure de la piste.
Capteurs de température et imagerie thermique
- Les variations de température de surface sont souvent des signes d’une augmentation du frottement ou de la résistance électrique.
- Les capteurs infrarouges fixes et les caméras d’imagerie thermique utilisées périodiquement détectent ces signatures thermiques sans toucher les composants. Ils révèlent les défauts d’isolation et les conduites de refroidissement obstruées.
- Un capteur thermique ne détecte un défaut qu’après que la chaleur s’est propagée jusqu’au boîtier extérieur. Le suivi thermique se situe plus loin sur la courbe P-F que les méthodes acoustiques.
Capteurs ultrasoniques
- La surveillance ultrasonique sans contact détecte les ondes sonores à haute fréquence entre 20 kHz et 100 kHz. Ces fréquences ultrasoniques ne se propagent pas très loin, il est donc facile de localiser précisément la source du défaut.
- Les capteurs aériens détectent les turbulences de gaz provenant de fuites de vide. À l’intérieur d’un boîtier, les sondes de contact enregistrent les ondes sonores dues à la fatigue du métal. Ces capteurs alertent les équipes avant que des changements de vibrations physiques ne se produisent.
Analyse de l’huile et comptage des particules
- Les capteurs de fluide en ligne assurent une analyse continue de l’huile en comptant les minuscules particules d’usure et en mesurant l’humidité.
- Cette approche surveille l’état de la lubrification interne des boîtes de vitesses. Les compteurs optiques de particules classent la propreté du fluide selon la norme ISO 4406, qui code les niveaux de contamination en fonction du nombre de particules par millilitre à trois seuils de taille : ≥4 µm, ≥6 µm, et ≥14 µm [3].
- Les capteurs chimiques vérifient la dégradation de l’huile. Ces outils révèlent les dommages aux dents des engrenages avant que le défaut ne provoque des vibrations structurelles.
Analyse de la signature du courant moteur (MCSA)
- Les techniciens utilisent l’analyse de la signature du courant moteur (MCSA) pour évaluer les équipements en analysant les champs magnétiques. Des pinces ampèremétriques se fixent à l’intérieur des armoires électriques. Cette étape élimine le besoin d’installer du matériel sur le moteur.
- Cette technologie de surveillance de l’état détecte les fissures des barres du rotor en contrôlant les bandes latérales du courant. Une signature de défaut unique apparaît lorsque les variations de charge modifient le courant du moteur. La MCSA signale les problèmes électriques et les déséquilibres mécaniques.
Capteurs d’émission acoustique
- Les dispositifs d’émission acoustique détectent les ondes de contrainte générées par les microfissures.
- Ces capteurs fonctionnent à des fréquences élevées comprises entre 100 kHz et 1 MHz. Ils surveillent les machines lentes pour lesquelles les accéléromètres standard ne fournissent pas un signal suffisamment puissant.
- Ces outils surveillent l’état des grues et des roulements à rouleaux lents fonctionnant à moins de 10 tr/min. Le capteur capte l’énergie provenant des changements structurels. Cela permet de signaler immédiatement les dommages avant que les pièces ne se séparent.
- Des recherches ont montré que les techniques d’émission acoustique peuvent détecter des fissures sous la surface des roulements aussi petites que 0,5 mm [4].
Réseaux de capteurs filaires vs sans fil
Le choix d’un réseau nécessite de trouver un équilibre entre les coûts d’installation et les débits de données. Les réseaux filaires sont fiables et fournissent des flux de données brutes ininterrompus, sans interférence de signal. Ils conviennent particulièrement aux équipements critiques, comme les turbines à grande vitesse, qui pourraient présenter un danger s’ils manquaient un cycle de données.
Les réseaux sans fil sont nettement moins coûteux et plus rapides à installer, car vous n’avez pas besoin de faire passer des câbles dans toute votre usine. Les capteurs alimentés par batterie transmettent les données à des intervalles prédéfinis. Les réseaux sans fil constituent une bonne solution pour les machines secondaires, mais l’autonomie des batteries impose de transmettre les données moins fréquemment.
Surveillance continue vs surveillance basée sur des tournées
Le suivi continu maintient les capteurs fixés en permanence aux machines pour diffuser les données en temps réel. Cette méthode convient particulièrement aux machines critiques où les défaillances se développent rapidement. Elle élimine également les angles morts entre les inspections effectuées par les techniciens.
Le suivi basé sur des tournées utilise des collecteurs de données portables. Un technicien suit un itinéraire défini dans l’usine une fois par mois pour recueillir des données. Cette méthode réduit les coûts initiaux des équipements mais peut facilement passer à côté de pannes imprévues qui surviennent entre les inspections.
Critères de sélection des capteurs
Les équipes de fiabilité doivent vérifier les quatre domaines suivants avant d’acheter des capteurs de surveillance conditionnelle :
- Criticité des machines - Installez des capteurs permanents, continus et à haute fréquence sur les machines dont l’arrêt interrompt les lignes de production.
- Principaux modes de défaillance - Adaptez le dispositif à la signature de défaillance attendue. Utilisez des accéléromètres pour les roulements et des sondes thermiques pour les circuits électriques.
- Environnement local - Choisissez des boîtiers de capteurs avec des indices IP appropriés pour résister à une chaleur élevée, à l’humidité ou aux produits chimiques.
- Capacités de traitement des données - Vérifiez que les réseaux peuvent gérer des fichiers volumineux, ou si les dispositifs locaux doivent utiliser le traitement en périphérie pour compresser les données.
Pièges courants lors de la sélection des capteurs
Le déploiement de capteurs de surveillance conditionnelle sans planification peut entraîner des problèmes de données, notamment les suivants :
- Acheter des capteurs basse fréquence pour des machines à grande vitesse, ce qui élimine les signatures précoces de défaillance
- Installer des unités sans fil sans vérifier les interférences radio locales dans l’usine
- Négliger le coût des éléments supplémentaires tels que les câbles de capteurs et les batteries de remplacement
- Acheter des sondes de laboratoire fragiles pour des zones industrielles lourdes où des chocs peuvent survenir
- Oublier d’adapter les dimensions des filetages aux trous existants des machines, ce qui retarde l’installation
Connectivité des systèmes et ordres de travail
Les signaux collectés doivent pouvoir circuler sans entrave vers le réseau de l’usine. Les technologies modernes de surveillance de l’état des équipements utilisent un traitement en périphérie pour filtrer les données brutes directement dans l’atelier. Cette étape locale permet de compresser les fichiers volumineux avant d’envoyer des résumés vers un stockage dans le cloud.
Le paquet de données final doit être intégré au système de GMAO (Gestion de la maintenance assistée par ordinateur) de l’usine. La connexion de ces systèmes garantit qu’une alerte déclenche automatiquement la création d’un bon de travail de maintenance. Les équipes chargées de la fiabilité qui synchronisent leur planification des stocks avec EU Automation peuvent s’assurer de disposer des pièces nécessaires avec des délais de livraison courts avant que la machine ne nécessite une intervention.
Conclusion
Choisir les bons capteurs lors de la mise en œuvre d’une surveillance basée sur l’état permet de détecter efficacement les défaillances à un stade précoce. Il est important de savoir qu’aucun type de capteur ne couvre à lui seul tous les modes de défaillance possibles. Cela signifie qu’une combinaison de différents capteurs constitue la meilleure option.
Les responsables d’usine doivent transmettre les données des capteurs directement au système de gestion des ordres de travail. Cela garantit que lorsqu’un capteur identifie un problème potentiel, l’équipe dispose déjà des données nécessaires pour intervenir avant qu’une défaillance ne se produise.
EU Automation fournit des composants de détection et du matériel industriel aux équipes qui développent des systèmes de surveillance de l’état reposant sur plusieurs capteurs. Cela contribue au fonctionnement continu et à la maintenance des systèmes de suivi critiques.
Références
[1] Smith, R. (2019). Improving maintenance by adopting a P-F curve methodology. InTech, ISA.
