Supervisión de las condiciones con convertidores inteligentes

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Vista aérea de Nordhavn, Copenhague, en la que se muestra una señal de monitorización basada en condiciones en la parte superior de varios edificios

Los convertidores de frecuencia son más que simples procesadores de potencia

Con la capacidad de actuar como sensores y concentradores de sensores, capaces de procesar, almacenar y analizar datos, junto con sus capacidades de conectividad, los convertidores de frecuencia son elementos esenciales en los sistemas de automatización modernos y sistemas de gestión de edificios (BMS). La funcionalidad integrada de monitorización basada en condiciones permite nuevas formas de realizar el mantenimiento, como el mantenimiento basado en condiciones.

Evolución de los sistemas de automatización industrial

En la transición hacia el actual milenio, hemos sido testigos de un cambio profundo en la tecnología, que ha llevado a una forma completamente nueva de trabajar en un mundo digital. Esta es la cuarta revolución industrial. La primera revolución industrial, que tuvo lugar durante los siglos XVIII y XIX, fue una revolución mecánica, desencadenada por la invención del motor de vapor. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, se desarrolló la segunda revolución industrial con la adopción de la producción en masa, la electrificación y los cambios en la comunicación. Este período también se conoce como la Revolución eléctrica. Más tarde en el siglo XX, la tercera revolución industrial trajo avances en semiconductores, informática, automatización e Internet. Esta fase también se conoce como la Revolución digital.

La cuarta revolución industrial ha surgido como resultado de la conexión en red de ordenadores, personas y dispositivos impulsada por los datos y el aprendizaje automático. Aunque el término «Industria 4.0» es bastante vago, una posible definición de Industria 4.0 describe la interconexión inteligente de personas, dispositivos y sistemas utilizando todas las posibilidades de digitalización a lo largo de toda la cadena de valor.

Tendencias en los sistemas de automatización de la Industria 4.0

El impacto de la Industria 4.0 en los sistemas de motores y los sistemas de gestión de edificios supone una migración de la «pirámide de automatización» a los «sistemas en red». Esto significa que los diferentes elementos del sistema, como motores, convertidores de frecuencia, sensores y controles, están interconectados y conectados a una nube, un centro de datos donde se almacenan, procesan y analizan datos y donde se toman decisiones.

En una red de automatización, la cantidad de datos es importante. Como los datos los generan principalmente los sensores, el número de sensores en los sistemas de automatización modernos está aumentando. Los motores y las máquinas accionadas, como los ventiladores, las bombas y los transportadores, no son los participantes más obvios de una red de datos. Por lo tanto, se requieren sensores para recopilar datos de estas máquinas. Los sensores se conectan a la red de datos y se usan diferentes medios para utilizar los datos. Durante la introducción de un sistema avanzado de monitorización del estado, el coste adicional de los sensores y la conectividad a menudo se considera una barrera.

Los convertidores de velocidad variable actuales abren nuevas oportunidades en la red de automatización de la Industria 4.0 y en los sistemas de gestión de edificios. Tradicionalmente, los convertidores de frecuencia se han considerado procesadores de potencia para controlar la velocidad del motor, el ventilador, el transportador y/o la bomba. Hoy en día, los convertidores de frecuencia también forman parte de la cadena de información, aprovechando la ventaja de la potencia de procesamiento, la capacidad de almacenamiento y la interfaz de comunicación integradas en el convertidor de frecuencia.

VLT AQUA Drive FC 202 inteligente de Danfoss

¿Qué es un convertidor de frecuencia inteligente?

En la red de la Industria 4.0, el convertidor de frecuencia desempeña un papel importante y se caracteriza por algunas funciones importantes:

  • Conectividad segura: El convertidor de frecuencia puede conectarse a otros elementos de forma segura. Otros elementos de la red pueden incluir convertidores de frecuencia, PLC, sensores y una nube.
  • El convertidor de frecuencia actúa como un sensor: El convertidor de frecuencia utiliza el análisis de la firma de tensión e intensidad del motor para detectar el rendimiento del motor y de la aplicación.
  • El convertidor de frecuencia actúa como un concentrador de sensores: El convertidor de frecuencia adquiere datos de sensores externos relacionados con el proceso controlado por este.
  • El convertidor de frecuencia actúa como un controlador: El convertidor de frecuencia puede sustituir al PLC siempre que las limitaciones de la aplicación lo permitan.
  • Utilice su propio concepto de dispositivo: Conectividad inalámbrica con dispositivos inteligentes (smartphone, tableta).

La información del convertidor de frecuencia puede identificarse del siguiente modo:

  • Señales instantáneas: Señales que mide directamente el convertidor de frecuencia mediante el uso de los sensores integrados. Datos como la intensidad del motor, la tensión, la temperatura del convertidor de frecuencia y su derivada, que es la potencia como una multiplicación de la intensidad y la tensión, o el par del motor. Además, el convertidor de frecuencia puede utilizarse como un concentrador para conectar sensores externos que proporcionan señales instantáneas.
  • Señales procesadas: Señales derivadas de las señales instantáneas. Por ejemplo, la distribución estadística (valores de desviación máximos, mínimos, medios y estándar), el análisis del dominio de frecuencia o los indicadores del perfil de la misión.
  • Señales analíticas: Señales que proporcionan indicaciones sobre el estado del convertidor de frecuencia, el motor y la aplicación. Las señales se utilizan para activar el mantenimiento o para efectuar mejoras en el diseño de los sistemas.

Las técnicas de análisis de la firma de intensidad del motor permiten al convertidor de frecuencia supervisar el estado del motor y de la aplicación. La técnica permite eliminar potencialmente los sensores físicos o extraer las primeras firmas de fallos que podrían no haber sido posibles de detectar. Por ejemplo, el uso de la técnica permite detectar cavitación y fallos de bobinado con antelación o excentricidad de la carga mecánica.

El concepto de convertidor de frecuencia como concentrador de sensores implica la conexión de sensores externos al convertidor de frecuencia, lo que evita la necesidad de una puerta de enlace para conectar el sensor físico a la red de datos. Los sensores de vibración, los sensores de presión y los sensores de temperatura son ejemplos de sensores que se pueden conectar al convertidor de frecuencia. La ventaja del concepto no solo está relacionada con el coste, sino que también permite la correlación de los datos de los sensores con diferentes tipos de datos presentes en el convertidor de frecuencia. Un ejemplo obvio es la correlación del nivel de vibración de un sensor externo con la velocidad del motor, ya que la vibración depende de la velocidad.

¿Por qué es necesario el mantenimiento basado en condiciones?

The following are different kinds of maintenance strategies:

  • Corrective maintenance: The product is exchanged after a fault.
  • Preventive maintenance: The product is exchanged before a fault, although no notifications are received from the product.
  • Condition-based maintenance: The product provides a warning when the actual lifetime of the product varies from the expected lifetime and possible root causes are indicated.
  • Predictive maintenance: The product provides a warning before the product reaches the designed hours of operation, in order to initiate service action.
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Reproduce el video en el que Norbert Hanigovszki, Director de Drives Intelligence en Danfoss Drives, te guía a través de diversas estrategias de mantenimiento y ofrece una visión general del monitoreo basado en condiciones en Danfoss Drives.

¿Por qué es necesario el mantenimiento basado en condiciones?

El mantenimiento correctivo y el mantenimiento preventivo se basan en fallos (eventos) o en tiempo. Por lo tanto, el mantenimiento se realiza en caso de fallo(s) (correctivo) o después de unas horas de funcionamiento preestablecidas (preventivo). Estos tipos de mantenimiento no utilizan ningún feedback de la aplicación real.

Con la introducción de la Industria 4.0 y la disponibilidad de los datos de los sensores, ahora es posible el mantenimiento predictivo y basado en las condiciones. Estas estrategias de mantenimiento utilizan datos reales de los sensores para determinar el estado del equipo en servicio (mantenimiento basado en condiciones) o para predecir fallos futuros (mantenimiento predictivo).

Esta curva P-f representa la degradación típica del equipo

Descripción general y ventajas del mantenimiento basado en condicione

El mantenimiento basado en condiciones es la técnica de mantenimiento más sencilla e intuitiva basada en datos de la aplicación real. Los datos adquiridos se utilizan para supervisar el estado del equipo en servicio. Para ello, se seleccionan parámetros clave como indicadores para identificar fallos emergentes. El estado de un equipo suele degradarse con el paso del tiempo. Esto se ilustra con la curva P-f, que muestra un patrón de degradación típico. El fallo funcional se produce cuando el equipo no lleva a cabo la función prevista. La idea del mantenimiento basado en condiciones es detectar el fallo potencial antes de que se produzca un fallo real.

Ventajas de la planificación de las acciones de mantenimiento

  • Reducción de los tiempos de inactividad
  • Eliminación de las paradas de producción inesperadas
  • Optimización del mantenimiento
  • Reducción del inventario de piezas de repuesto

Funciones de monitorización de las condiciones para convertidores de velocidad variable

Una parte integral del mantenimiento basado en condiciones implica supervisar el estado del equipo. En aplicaciones de velocidad variable, el estado de la aplicación a menudo depende de la velocidad. Por ejemplo, los niveles de vibración tienden a aumentar a velocidades más altas, aunque esta relación no es lineal. De hecho, las resonancias pueden producirse a ciertas velocidades y desaparecer al aumentar la velocidad.

El uso de un sistema independiente para supervisar el estado de una aplicación de velocidad variable se complica por la necesidad de conocer la velocidad y la correlación entre el valor monitorizado y la velocidad. El uso de convertidores de frecuencia para la monitorización de las condiciones («convertidor de frecuencia como sensor» o «convertidor de frecuencia como concentrador de sensores») es una solución ventajosa, ya que la información sobre la velocidad de aplicación ya está presente en el convertidor de frecuencia. Además, la información sobre la carga/par del motor y la aceleración está fácilmente disponible en el convertidor de frecuencia.

La monitorización de las condiciones sigue un procedimiento de tres pasos:

Para que un sistema de monitorización de las condiciones sea eficiente, el primer paso importante es determinar y definir las condiciones de funcionamiento normales. Establecer un valor de referencia significa definir las condiciones de funcionamiento normal para la aplicación, lo que se denomina "referencia". Existen varias formas de determinar los valores de referencia.

Referencia manual: Cuando los valores de referencia se definen utilizando una experiencia previa, los valores conocidos se programan en el convertidor de frecuencia.

Funcionamiento de referencia: La referencia se puede determinar durante la puesta en servicio. Con este método, se realiza un barrido de velocidad a través del rango de velocidad relevante que determina la condición en cada punto de velocidad. Sin embargo, en determinados escenarios durante la puesta en servicio, es posible que la aplicación no funcione a plena capacidad o que sea necesario un periodo de rodaje. En estas situaciones, el funcionamiento de referencia debe realizarse después del periodo de rodaje para capturar un estado de funcionamiento lo más cercano posible al funcionamiento normal.

Referencia en línea: Se trata de un método avanzado que captura datos de referencia durante el funcionamiento normal. Esto resulta útil en situaciones en las que no se puede realizar una ejecución de referencia, ya que la aplicación no permite explorar todo el rango de velocidad.

Después de establecer la referencia, el siguiente paso es generar umbrales para avisos y alarmas. Los umbrales indican el estado de la aplicación que se debe notificar al usuario. Existen varias formas de indicar el estado del equipo y una de las más populares en la industria es un estado de semáforo con cuatro colores que se describe en la especificación VDMA 24582 Referencia neutra de fieldbus para la monitorización de las condiciones en la automatización de fábricas.

Los colores significan lo siguiente:

  • Verde: Indica que el equipo está en buen estado y funciona de forma eficiente.
  • Amarillo: Indica la etapa de aviso 1 y significa que se ha superado el primer umbral. El personal de mantenimiento puede planificar una acción de mantenimiento.
  • Naranja: Indica la etapa de aviso 2 o etapa crítica y significa que se ha superado el segundo umbral. El personal de mantenimiento debe llevar a cabo una acción de mantenimiento inmediata.
  • Rojo: Indica una alarma y significa que la máquina se detendrá y se necesitará un mantenimiento correctivo.

Los siguientes métodos se utilizan para definir los valores umbral:

  • Absoluto: Este es el método habitual cuando ya se conocen los valores del equipo. El umbral tiene un valor fijo independientemente del valor de referencia medido. Por ejemplo, cuando el operador conoce el límite absoluto del equipo, se establece un valor absoluto para el umbral de alarma. En el caso de la monitorización de vibraciones, los valores límite descritos en normas tales como ISO 10816/20816 pueden utilizarse como valor absoluto para el umbral de alarma.
  • Offset: El método de ajuste de los valores umbral requiere comprender la aplicación y los valores de referencia. El umbral depende del valor de referencia para el que se selecciona un offset definido por el usuario. El riesgo en este caso es establecer un valor muy bajo o muy alto que conduzca a falsos positivos. Unos ajustes incorrectos pueden provocar que la monitorización no responda, incluso en caso de fallos.
  • Factor: Este método es más fácil de usar que el de offset, ya que requiere un menor conocimiento de la aplicación. El umbral depende del valor de referencia que se multiplica por un factor. Por ejemplo, el valor umbral puede ser del 150 % del valor de referencia. El riesgo en este caso es establecer un umbral muy alto.

Los valores monitorizados actuales pueden leerse desde el convertidor de frecuencia a través del LCP, la comunicación fieldbus o la comunicación IoT. Además, las salidas digitales se pueden configurar para reaccionar a avisos y alarmas específicos. Algunos convertidores de frecuencia tienen un servidor web integrado que también se puede utilizar para leer el estado del estado.

La monitorización se realiza con una comparación continua con los umbrales. En el funcionamiento normal se comparan los valores actuales con el valor umbral. Cuando los parámetros monitorizados superan un umbral durante un tiempo predefinido, se activa un aviso o alarma. El temporizador está configurado para actuar como un filtro, de modo que los transitorios cortos no activen avisos ni alarmas.

Reproduce el video para ver una demostración de los tres pasos de implementación de CBM: 1. Establecer la línea base, 2. Definir los umbrales, 3. Realizar el monitoreo.

Obtenga más información sobre la CBM en el vídeo y el artículo técnico

Hoy en día, los convertidores de frecuencia son más que simples procesadores de potencia. Con la capacidad de actuar como sensores y concentradores de sensores, capaces de procesar, almacenar y analizar datos, junto con sus capacidades de conectividad, los convertidores de frecuencia son elementos esenciales en los sistemas de automatización modernos.

Los convertidores de frecuencia ya están muy presentes en las instalaciones de automatización y, por lo tanto, representan una gran oportunidad para actualizarse a la Industria 4.0.

Esto permite nuevas formas de realizar el mantenimiento, como el mantenimiento basado en condiciones. Las funciones ya están disponibles en algunos convertidores de frecuencia y los primeros usuarios ya han empezado a utilizar el convertidor de frecuencia como sensor.

Reproducir vídeo Descargar el artículo técnico sobre CBM

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