Hvordan overvågning af aktiver med flere sensorer kan forbedre ydeevnen i Industri 4.0-fabrikker og -logistik og i datacentre

Overvågning af maskiner for parametre som vibrationer og temperatur kan give realtidsdata om maskinens ydeevne og sundhed og give producenterne de data, der er nødvendige for at planlægge proaktiv vedligeholdelse, reducere nedetid og forbedre produktiviteten.

Overvågning af luftfugtighed og temperatur i logistikfaciliteter eller under transport kan forbedre den operationelle ydeevne og bevare varer som vacciner eller friske produkter. Der findes miljøovervågningssystemer med kablet og trådløs forbindelse, som passer til forskellige anvendelser, herunder virksomheds- og cloud-datacentre.

Overvågning af vibrationer kan være en fordel, når man skal identificere potentielle maskinproblemer, før de opstår. International Organization for Standardization (ISO) 10816 kan være en vigtig reference. Den giver vejledning til evaluering af vibrationsstyrken i motorer, der bruges til pumper, ventilatorer, kompressorer, gearkasser, blæsere, tørretumblere, presseværktøjer og lignende maskiner, der arbejder i frekvensområdet 10 til 1000 Hz.

Denne artikel præsenterer nogle vigtige overvejelser i forbindelse med valget mellem kablet og trådløs forbindelse til overvågningssystemer, og hvordan brug af kablet og trådløst netværk ikke er et enten/eller-valg. Derefter undersøges de fire klasser af vibrationsstyrke som defineret i ISO 10816. Den slutter med at diskutere forskellige muligheder for at implementere både kablede og trådløse tilstandsovervågningssystemer, herunder brug af flere sensorer til overvågning af vibrationer, temperatur, fugtighed og repræsentative applikationer.

Banner Engineering tilbyder et udvalg af EHM-gateways (Equipment Health Monitoring), som giver nem adgang til EHM-netværksdata. Industrielle EHM-designere kan vælge mellem virksomhedens kablede SNAP ID-gatewayløsninger med et lokalt display til sensoraflæsninger eller et valgfrit Cloud-dashboard og de trådløse CLOUD ID-gateways, der er designet til at forbinde direkte med et Cloud-dashboard (figur 1). Fælles for disse to valgmuligheder er bl.a:

• En række sensorer at vælge imellem for at optimere EHM-driften
• Hurtig implementering understøttet af automatisk genkendelse af tilsluttede sensorer uden yderligere programmering
• Sensordata er let tilgængelige til justering af udstyr eller til planlægning af nødvendig vedligeholdelse for at minimere nedetid og maksimere produktiviteten.
• Begge systemer understøtter cloud-forbindelse
• Prækonfigurerede dashboards er tilgængelige og kan tilpasses til optimal datavisualisering

Figur 1: Banners SNAP ID kablet (til venstre) og CLOUD ID trådløs (til højre) EHM-gateways har flere fælles træk. (Billedkilde: DigiKey)

Kablet eller trådløs EHM-gateway?

Selv om de har nogle fælles funktioner, er der væsentlige forskelle mellem de kablede og trådløse EHM-gateways. AMG-SNAP-ID AMG (asset monitoring gateway) understøtter idriftsættelse, overvågning og alarmer for op til 20 sensorer og omformere. Den understøtter Modbus og Banners SNAP SIGNAL-forbindelse og scanner efter individuelle sensorer eller konvertere og registrerer automatisk modeloplysninger. Brugere kan ændre og tildele Modbus-server-id-numre for at bygge og idriftsætte brugerdefinerede EHM-løsninger. Tilsluttede enheder kan grupperes, og alarmer kan tildeles tærskelværdier individuelt. Alarmstatus kan ses på berøringsskærmen og ved hjælp af farven på lyset på toppen af kabinettet.

Når det er nødvendigt at nå direkte op til skyen, kan EHM-systemdesignere bruge DXM1200-X2 IIoT-gatewayen til at forbinde op til 200 enheder fra både Banner og tredjeparter for at levere data om ydeevne og maskinsundhed. Den kan automatisk registrere og oprette forbindelse til sensornoder og levere data til Banner Cloud-softwaren. Udviklere kan vælge mellem enkle eller komplekse programmeringsværktøjer. IIoT-gatewayen kan behandle oplysninger på kanten og derefter sende dem via både Ethernet og mobilnetværk, så de kan overvåges overalt i verden med et intuitivt cloud-dashboard (figur 2).

Figur 2: De trådløse (venstre) og kablede (højre) IIoT-sensornetværksgateways har flere fælles funktioner. (Billedkilde: Banner Engineering)

Kablede og trådløse EHM-arkitekturer

Kablede og trådløse EHM-arkitekturer udelukker ikke hinanden. Kablede systemer kan have trådløse elementer, og trådløse arkitekturer omfatter ofte kablede forbindelser.

For eksempel kan en grundlæggende kablet EHM-arkitektur omfatte flere koblingsbokse, der er forbundet til flere sensorer som 4-port R50-4M125-M125Q-P og 8-port R95-8M125-M125Q-P. Banners Sure Cross R70SR serielle dataradioer, som 900 MHz R70SR9MQ og 2,4 GHz R70SR2MQ, kan udvide netværkets rækkevidde uden ekstra kabler. Disse radioer har blandt andet følgende funktioner (figur 3):

• RS-485 seriel interface
• Understøttelse af stjerne- og trænetværkstopologier
• Understøttelse af selvhelbredende, automatisk dirigerende radiofrekvensnetværk med flere hop for at udvide netværkets rækkevidde yderligere
• FHSS-teknologi (Frequency hopping spread spectrum) til pålidelige datatransmissioner

Figur 3: Grundlæggende topologi for overvågning af aktiver med kabel (til venstre) med eksempel på en trådløst forbundet ekstern sensorklynge (til højre). (Billedkilde: DigiKey)

I et stort anlæg kan mange systemer være spredt ud over et stort område, herunder:

• Luftkompressorer
• Pumpesystemer
• Transportbånd systemer
• Talrige elektriske motorer og maskiner
• Gearkasser
• Luftfiltreringssystemer
• Niveaumåling og -overvågning i lagertanke

I disse tilfælde kan EHM-systemets ydeevne forbedres ved at kombinere kablede og trådløse teknologier. Den trådløse IIoT-gateway DXM1200-X2, der er nævnt ovenfor, har Modbus-tilslutning via kabel. Hvis der er brug for Ethernet, kan designerne bruge DXMR90-X1. DXMR90-4K kan implementere IO-Link master/controller-funktioner. Ud over valget af Modbus, Ethernet og IO-Link kan designere bruge R709 serielle dataradioer til at skabe trådløs forbindelse til fysisk spredte aktiver (figur 4).

Figur 4: Trådløse IIoT-gateways (nederst til venstre) fås med Modbus-, Ethernet- og IO-Link-forbindelse. (Billedkilde: Banner Engineering)

ISO 10816 vibrationsstyrke

ISO 10816 er en vigtig standard for EHM-systemer. Den kvantificerer vibrationsgraden for maskiner som elmotorer, pumper og generatorer. Standarden bruger den gennemsnitlige kvadratværdi (rms) af acceleration, forskydning eller vibrationshastighed. ISO 10816 indeholder også overvejelser om peak-to-peak-værdier. Vibrationsstyrken har den højeste rms-værdi ved måling af to eller flere parametre. Standarden klassificerer vibrationernes sværhedsgrad i fire niveauer:

• God indikerer normalt nyligt idriftsatte maskiner.
• Tilfredsstillende vibrationer angiver det ubegrænsede driftsområde.
• Utilfredsstillende vibrationer indikerer et behov for at begrænse driften og planlægge forebyggende vedligeholdelse.
• Uacceptable vibrationer indikerer, at maskinen sandsynligvis vil blive beskadiget.

Figur 5: IEC 10816 indeholder fire kategorier af vibrationsstyrke. (Billedkilde: Banner Engineering)

Vibration og maskinlæring

Selv "identiske" maskiner er ikke nøjagtige kopier. Det er her, maskinlæring (ML) kommer ind i billedet. Banner Engineering tilbyder VIBE-IQ, en softwarepakke til vibrationsovervågning, der bruger maskinlæring (ML) til at fastlægge en unik basisdriftsværdi for hver maskines vibrationer. ML-softwaren indstiller derefter automatisk advarsels- og alarmgrænser. Det kan automatisere komplekse EHM-beregninger og -analyser. Nogle af funktionerne i VIBE-IQ omfatter:

• Kontinuerlig overvågning af rms-hastighed fra 10 til 1.000 Hz, rms-højfrekvensacceleration fra 1.000 til 4.000 Hz og temperatur
• Overvåger kun motorer, der kører
• Bruger data til trendanalyse såvel som realtidsovervågning for at identificere forhold som:
  • Mistilpassede eller ubalancerede systemer
  • Slidte eller løse komponenter
  • Overdreven slid på lejer
  • Forkert monterede eller drevne motorer
  • Betingelser for overtemperatur
• Sender proaktivt advarsler til host-controlleren eller skyen

Vibration og temperatur

Vibrationer er ikke det eneste tegn på, at en maskine måske har brug for forebyggende vedligeholdelse. En stigende temperaturtendens kan også advare EHM-systemet om potentielle problemer, især hvis den stigende temperatur er korreleret med stigende vibrationer.

Ved at kombinere de to parametre får man et mere komplet billede af udstyrets tilstand. De kan advare operatørerne om forskellige forhold og give flere fordele:

• Vibrationer kan identificere mekaniske problemer som forskydninger, ubalancer, lejeslid osv.
• Temperaturstigninger kan identificere elektriske problemer som overophedede viklinger eller smøreproblemer.
• Når man opdager unormal drift, kan korrelering af out-of-band-vibrationer og temperatur hjælpe med at identificere mulige årsager. For eksempel kan vibrationsmønstre hjælpe med at identificere den grundlæggende årsag.
• Planlægning af forebyggende vedligeholdelse kan hjælpes på vej ved at overvåge både temperatur og vibrationer. En gradvis temperaturstigning er ikke nødvendigvis et lige så stort problem som stigende vibrationer, der kan kræve en mere øjeblikkelig korrektion.
• Lær, hvordan du kan forbedre udvælgelsen og udnyttelsen af aktiver på længere sigt ved at bruge sensordata til at identificere potentielle driftsbegrænsninger, før de bliver til problemer.

Når temperatur og vibrationer skal overvåges, kan designere af EHM-systemer anvende QM30VT2-sensoren i et aluminiumshus eller QM30VT2-SS-QP i et hus af rustfrit stål, begge fra Banner Engineering. Begge sensorer kan tilsluttes en Modbus-radio eller et hvilket som helst Modbus-netværk som slaveenhed via RS-485. Deres lille formfaktor gør, at de passer ind på trange steder (figur 6). Andre funktioner omfatter:

• Temperatur- og vibrationsmålinger med høj nøjagtighed
• Temperaturmåleområde på -40 °C til +105 °C, med en opløsning på 1 °C og en nøjagtighed på ±3 °C
• Registrerer vibrationer på to akser med en båndbredde på op til 4 kHz med en nøjagtighed på ±10 % ved 25 °C og en standard samplingsfrekvens på 20 kHz.
• Output for rms-hastighed, rms-højfrekvensacceleration, spidshastighed og andre parametre, der er forbehandlet fra vibrationsbølgeformerne

Figur 6: To-aksede vibrations- og temperatursensorer kan monteres direkte på motorhuset (til højre). (Billedkilde: Banner Engineering)

Vibrationsspektralbånd er en avanceret funktion. Det giver brugerne mulighed for at opdele den hurtige Fourier-transformation (FFT) over et bredt bånd for at få effektivitetshastigheds- eller accelerationsdata for smallere frekvensbånd ud over skalardataene på 10 til 1.000 Hz og 1.000 til 4.000 Hz. Afhængigt af brugernes behov kan båndfrekvenserne indtastes manuelt eller genereres automatisk baseret på et dynamisk eller statisk hastighedsinput. Spektralbåndanalyse kan hjælpe med at diagnosticere problemer med roterende maskiner mere specifikt.

Temperatur og luftfugtighed

Overvågning af temperatur og luftfugtighed kan være vigtig i datacentre, lagerbygninger, renrum, køleskabe eller køleanlæg. En temperatur- og fugtighedssensor som DX80N9Q45THA kan hjælpe med det:

• Konservering af varer som friske råvarer eller vacciner, hvor kendskab til temperatur og luftfugtighed er afgørende for langtidsholdbarhed og forebyggelse af fordærv.
• Beskyt udstyr som servere og lagringsenheder i et datacenter, hvor for høj temperatur eller luftfugtighed kan forstyrre den normale drift eller føre til nedbrud.
• Forbedre sundhed og sikkerhed for mennesker i lagerbygninger og andre faciliteter, hvor høj luftfugtighed kan gøre det vanskeligt for arbejdere at holde sig afkølet i høje temperaturer, hvilket potentielt kan føre til varmeudmattelse.

Temperaturmåleområdet er -40 °C til +85 °C med en opløsning på 0,1 °C og en nøjagtighed på ±0,6 °C fra -40 °C til 0 °C, ±0,4 °C fra 0 °C til +60 °C og ±1,2 °C fra +60 °C til +85 °C. Fugtighedssensoren kan måle fra 0 % til 100 % RH med en nøjagtighed på ±2 % ved +25 °C, ±3 % fra 0 °C til +70 °C og 10 % til 90 % RH og ±7 % fra 0 °C til +70 °C og 0 % til 10 % eller 90 % til 100 % RH.

Når enheden er tændt, kører den i hurtig prøvetilstand og sender data hvert andet sekund. Efter fem minutter går noden i standardtilstand og sender data med fem minutters mellemrum. Brugeren kan vælge samplingshastigheder på 15 minutter eller 64 sekunder.

Modeller med 900 MHz-radioer sender ved 1 W (30 dBm) eller 250 mW (24 dB, kan vælges af brugeren). Tilstanden med 250 mW reducerer rækkevidden, men forbedrer batterilevetiden i applikationer med kort rækkevidde. For 2,4 GHz-modeller er sendeeffekten fastsat til ca. 65 mW (18 dBm). I lagringstilstand slukkes radioen for at spare på batteriet.

Konklusion

Effektive EHM-systemer i Industri 4.0-fabrikker overvåger vibrationer og temperatur for at hjælpe med at sikre høj oppetid. Fugt- og temperatursensorer kan også forbedre datacentres driftsresultater og bevare varer som vacciner eller friske produkter i lager- og logistikoperationer. Disse systemer kan bruge kablede eller trådløse forbindelser til at overvåge flere parametre.