Scegliere i sensori giusti per il monitoraggio basato sulle condizioni
I guasti imprevisti delle apparecchiature sono una fonte costosa e frustrante di interruzioni della produzione. I sistemi di monitoraggio basato sulle condizioni eliminano questo problema fornendo informazioni in tempo reale sulle condizioni delle apparecchiature.
È necessario misurare parametri quali vibrazioni, temperatura e condizioni dell’olio per rilevare segnali di un potenziale guasto imminente. I programmi di monitoraggio basato sulle condizioni di successo combinano diverse tecnologie per individuare i guasti. Un singolo sensore non è sufficiente a coprire tutti i possibili tipi di guasto delle macchine.
Questa guida fornisce una panoramica di alcune delle tecnologie di rilevamento e degli approcci di rete più comuni per progettare e implementare un programma efficace di monitoraggio basato sulle condizioni.
Che cos'è il monitoraggio basato sulle condizioni?
Il monitoraggio basato sulle condizioni prevede che i tecnici tengano sotto controllo le apparecchiature misurando dati operativi come vibrazioni, calore o qualità dell'olio. Ciò permette di capire se i macchinari stanno funzionando entro limiti di riferimento sicuri. Significa inoltre che le riparazioni vengono effettuate in modo più efficiente, solo quando i dati rilevati superano un limite prestabilito.
Questo approccio differisce leggermente dalla manutenzione predittiva. Il monitoraggio basato sulle condizioni considera lo stato attuale di un macchinario. La manutenzione predittiva utilizza modelli per prevedere le date esatte dei guasti. Tuttavia, entrambi i metodi utilizzano le stesse reti di dati di base.
Come abbinare i sensori alle modalità di guasto
La curva P-F mostra la finestra temporale tra il primo rilevamento di un guasto e il cedimento finale dell'asset [1]. I segnali ad alta frequenza compaiono per primi lungo questa linea temporale.
Abbinare lo strumento alle modalità di guasto significa individuare quale segnale compare per primo. Le cricche subsuperficiali producono onde ultrasoniche settimane prima che compaiano eventuali segnali termici. Una frequenza errata del sensore fa sì che l'allarme arrivi troppo tardi.
Tipi principali di sensori per il monitoraggio basato sulle condizioni
La selezione di strumenti di monitoraggio specifici richiede la comprensione dei loro limiti fisici e delle applicazioni di destinazione. Ciò include sensori di vibrazione, temperatura, ultrasuoni, emissioni acustiche e altro ancora.
Sensori di vibrazione
- Il monitoraggio industriale delle vibrazioni rileva il movimento delle macchine per individuare difetti.
- I tecnici utilizzano un accelerometro piezoelettrico per rilevare le alte frequenze, generalmente efficace fino a 10-14 kHz. Questi dispositivi individuano precocemente le cricche nei cuscinetti.
- I sensori di velocità rilevano le frequenze medie da 10 Hz a 1 kHz. Questo spettro rileva squilibri e disallineamenti dell'albero.
- Gli ingegneri utilizzano gli standard ISO 20816 per valutare la gravità delle vibrazioni [2]. I picchi a frequenze specifiche rivelano la precisa frequenza del difetto del cuscinetto, che indica l'usura della pista.
Sensori di temperatura e termografia
- Le variazioni della temperatura superficiale sono spesso segnali di un aumento dell'attrito o della resistenza elettrica.
- I sensori a infrarossi fissi e le termocamere utilizzate periodicamente rilevano queste firme termiche senza entrare in contatto con i componenti. Evidenziano guasti dell'isolamento e linee di raffreddamento ostruite.
- Un sensore termico rileva un guasto solo dopo che il calore si è trasferito all'involucro esterno. Il monitoraggio termico si trova più avanti lungo la curva P-F rispetto ai metodi acustici.
Sensori a ultrasuoni
- Il monitoraggio a ultrasuoni senza contatto rileva onde sonore ad alta frequenza comprese tra 20 kHz e 100 kHz. Queste frequenze ultrasoniche non si propagano molto lontano, quindi è facile individuare la fonte del guasto.
- I sensori aerei rilevano la turbolenza del gas causata da perdite di vuoto. All'interno di un alloggiamento, le sonde a contatto registrano le onde sonore generate dalla fatica del metallo. Questi sensori avvisano i team prima che si verifichino cambiamenti nelle vibrazioni fisiche.
Analisi dell’olio e conteggio delle particelle
- I sensori di fluidi in linea forniscono un’analisi continua dell’olio contando minuscole particelle di usura e misurando l’umidità.
- Questo approccio monitora lo stato della lubrificazione interna nei riduttori. I contatori ottici di particelle classificano la pulizia del fluido utilizzando lo standard ISO 4406, che codifica i livelli di contaminazione in base al numero di particelle per millilitro a tre soglie dimensionali: ≥4 µm, ≥6 µm, e ≥14 µm [3].
- I sensori chimici verificano il degrado dell’olio. Questi strumenti rilevano i danni ai denti degli ingranaggi prima che il guasto provochi vibrazioni strutturali.
Analisi della firma di corrente del motore (MCSA)
- I tecnici utilizzano l’analisi della firma di corrente del motore (MCSA) per valutare le apparecchiature attraverso la lettura dei campi magnetici. Le pinze amperometriche vengono collegate all’interno dei quadri elettrici. Questo passaggio elimina la necessità di installare dispositivi direttamente sul motore.
- Questa tecnologia di monitoraggio delle condizioni rileva le cricche nelle barre del rotore controllando le bande laterali della corrente. Una firma di guasto specifica compare quando le variazioni del carico modificano la corrente del motore. L’MCSA segnala problemi elettrici e squilibri meccanici.
Sensori di emissione acustica
- I dispositivi di emissione acustica rilevano le onde di sollecitazione generate da microfessurazioni.
- Questi sensori operano ad alte frequenze comprese tra 100 kHz e 1 MHz. Monitorano macchinari a bassa velocità in cui gli accelerometri standard non dispongono di un'intensità di segnale sufficiente.
- Questi strumenti monitorano lo stato delle gru e dei cuscinetti a rulli a bassa velocità che operano al di sotto di 10 RPM. Il sensore rileva l'energia derivante dagli spostamenti strutturali. Ciò consente una notifica immediata dei danni prima che i componenti si separino.
- La ricerca ha dimostrato che le tecniche di emissione acustica possono rilevare cricche subsuperficiali nei cuscinetti di dimensioni fino a 0.5 mm [4].
Reti di sensori cablate vs wireless
La scelta di una rete richiede di bilanciare i costi di installazione con la velocità di trasmissione dei dati. Le reti cablate sono affidabili e forniscono flussi continui di dati grezzi senza interferenze di segnale. Sono ideali per apparecchiature critiche, come le turbine ad alta velocità, che potrebbero diventare pericolose se perdessero un ciclo di dati.
Le reti wireless sono significativamente meno costose e più rapide da installare, poiché non è necessario posare cavi in tutto lo stabilimento. I sensori alimentati a batteria trasmettono i dati a intervalli prestabiliti. Le reti wireless sono una buona soluzione per i macchinari secondari, ma la durata della batteria implica la necessità di trasmettere con minore frequenza.
Monitoraggio continuo vs basato su percorsi
Il monitoraggio continuo mantiene i sensori permanentemente collegati alle macchine per la trasmissione dei dati in tempo reale. Questo metodo è particolarmente adatto ai macchinari critici, nei quali i guasti possono svilupparsi rapidamente. Elimina inoltre i punti ciechi tra un’ispezione tecnica e l’altra.
Il monitoraggio basato su percorsi utilizza dispositivi portatili per la raccolta dei dati. Una volta al mese, un tecnico segue un percorso prestabilito all’interno dello stabilimento per raccogliere i dati. Questo metodo riduce i costi iniziali delle apparecchiature, ma può facilmente non rilevare guasti imprevisti che si verificano tra un’ispezione e l’altra.
Criteri di selezione dei sensori
I team di affidabilità devono verificare le seguenti quattro aree prima di acquistare sensori per il monitoraggio basato sulle condizioni:
- Criticità della macchina - Installare sensori permanenti, continui e ad alta frequenza sui macchinari il cui arresto blocca le linee di produzione.
- Principali modalità di guasto - Abbinare il dispositivo alla firma di guasto prevista. Utilizzare accelerometri per i cuscinetti e sonde termiche per i circuiti elettrici.
- Ambiente locale - Scegliere involucri per sensori con gradi di protezione IP adeguati per resistere a temperature elevate, umidità o sostanze chimiche.
- Capacità di gestione dei dati - Verificare che le reti siano in grado di gestire file di grandi dimensioni, oppure se i dispositivi locali debbano utilizzare l'elaborazione edge per comprimere i dati.
Errori comuni nella selezione dei sensori
L'installazione di sensori per il monitoraggio basato sulle condizioni senza un piano può causare problemi con i dati, tra cui i seguenti:
- Acquistare sensori a bassa frequenza per macchinari ad alta velocità, impedendo di rilevare i segnali precoci di guasto
- Installare unità wireless senza verificare le interferenze radio locali nello stabilimento
- Trascurare il costo di elementi aggiuntivi come i cavi dei sensori e le batterie di ricambio
- Acquistare delicate sonde da laboratorio per aree industriali pesanti in cui possono verificarsi urti
- Dimenticare di far corrispondere le dimensioni delle filettature ai fori esistenti sulle macchine, ritardando l'installazione.
Connettività dei sistemi e ordini di lavoro
I segnali raccolti necessitano di un percorso chiaro verso la rete dello stabilimento. La moderna tecnologia di monitoraggio delle condizioni utilizza l’elaborazione terminale per filtrare i dati grezzi direttamente in officina. Questa fase locale comprime i file di grandi dimensioni prima di inviare i riepiloghi all’archivio cloud.
Il pacchetto dati finale deve integrarsi con il sistema CMMS principale dello stabilimento. Il collegamento tra questi sistemi garantisce che un allarme generi automaticamente un ordine di intervento di manutenzione. I team addetti all’affidabilità, sincronizzando la pianificazione delle scorte con EU Automation, possono assicurarsi la disponibilità dei componenti con tempi di consegna brevi prima che la macchina richieda un intervento.
Conclusione
La scelta dei sensori giusti nell'applicazione del monitoraggio basato sulle condizioni consente di rilevare efficacemente i guasti in anticipo. È importante sapere che nessun singolo tipo di sensore copre ogni possibile modalità di guasto. Ciò significa che una combinazione di sensori diversi è l'opzione migliore.
I responsabili degli impianti dovrebbero inviare i dati dei sensori direttamente al sistema degli ordini di lavoro. Questo garantisce che, quando un sensore identifica un potenziale problema, il team disponga già dei dati necessari per intervenire prima che si verifichi un guasto.
EU Automation fornisce componenti di rilevamento e hardware industriale per i team che realizzano sistemi di monitoraggio delle condizioni multisensore. Ciò contribuisce al funzionamento continuo e alla manutenzione dei sistemi di monitoraggio critici.
Riferimenti
[1] Smith, R. (2019). Improving maintenance by adopting a P-F curve methodology. InTech, ISA.
