Condition monitoring con convertidores inteligentes

Evolución de los Sistemas de Automatización Industrial

En la transición hacia el nuevo milenio, hemos presenciado un profundo cambio tecnológico que ha llevado a una forma completamente nueva de trabajar en un mundo digital. Esto se conoce como 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 de la máquina de vapor. A fines 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 las comunicaciones. Este período también se conoce como la Revolución Eléctrica. Más tarde, en el siglo XX, la tercera revolución industrial trajo avances en semiconductores, computación, automatización e internet. Esta fase también se conoce como la Revolución Digital.

La cuarta revolución industrial ha surgido como resultado de la interconexión de computadoras, personas y dispositivos impulsados por datos y aprendizaje automático. Aunque el término "Industria 4.0" es bastante vago, una posible definición de la Industria 4.0 describe la interconexión inteligente de personas, dispositivos y sistemas utilizando todas las posibilidades de la 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 es una migración desde la "pirámide de automatización" hacia los "sistemas interconectados". Esto significa que los diversos elementos del sistema, como motores, unidades de almacenamiento, sensores y controles, están interconectados y conectados a una nube, un centro de datos donde se almacenan, procesan, analizan y toman decisiones basadas en los datos.

Leyenda: Pirámide de automatización

Leyenda: Red de Automatización

En una red de automatización, la cantidad de datos es prominente. Como los datos son principalmente producidos por sensores, el número de sensores en los sistemas de automatización modernos está aumentando. Los motores y las máquinas accionadas, como ventiladores, bombas y transportadores, no son los participantes más obvios en 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 utilizando diversos medios para aprovechar los datos. Durante la implementación de un sistema avanzado de monitoreo de condiciones, el costo adicional de los sensores y la conectividad a menudo se percibe como una barrera.

Los modernos convertidores de frecuencia abren nuevas oportunidades en la red de automatización de la Industria 4.0. Tradicionalmente, los convertidores se han considerado procesadores de energía para controlar la velocidad del motor. Hoy en día, los convertidores también forman parte de la cadena de información, aprovechando la ventaja de la capacidad de procesamiento incorporada, la capacidad de almacenamiento y la interfaz de comunicación dentro del convertidor

¿Qué es una unidad de almacenamiento inteligente?

En la red de la Industria 4.0, la unidad de almacenamiento juega un papel importante y se caracteriza por algunas características habilitadoras:

• Conectividad segura: Los convertidores puede conectarse de manera segura con otros elementos. Otros elementos en la red pueden incluir convertidores, PLC, sensores y una nube.
• El convertidor actúa como un sensor: El convertidor utiliza el análisis de la firma de corriente y voltaje del motor para detectar el rendimiento del motor y la aplicación.
• El convertidor actúa como un concentrador de sensores: El convertidor adquiere datos de sensores externos relacionados con el proceso controlado por la unidad de almacenamiento.
• El convertidor actúa como un controlador: El convertidor puede reemplazar al PLC siempre que las limitaciones de la aplicación lo permitan.
• Concepto de "trae tu propio dispositivo": Conectividad inalámbrica a dispositivos inteligentes (teléfono inteligente, tableta).

La información del convertidor se puede identificar de la siguiente manera:

• Señales instantáneas: Señales que se miden directamente mediante el convertidor utilizando sensores incorporados. Datos como corriente del motor, voltaje, temperatura del convertidor y su derivada, que es la potencia como multiplicación de corriente y voltaje, o el par del motor.
• Además, el convertidor se puede utilizar como un concentrador para conectar sensores externos que proporcionan señales instantáneas.
• Señales procesadas: Señales derivadas de las señales instantáneas. Por ejemplo, distribución estadística (valores máximo, mínimo, promedio y desviación estándar), análisis en el dominio de frecuencia o indicadores de perfiles de misión.
• Señales de análisis: Señales que proporcionan indicaciones sobre el estado del convertidor, el motor y la aplicación. Estas señales se utilizan para activar el mantenimiento o llevar a mejoras en el diseño del sistema.

Las técnicas de análisis de la corriente del motor permiten al convertidor monitorizar el estado del motor y la aplicación. Esta técnica permite potencialmente eliminar sensores físicos o extraer señales tempranas de falla que de otra manera no se podrían detectar. Por ejemplo, utilizando esta técnica es posible detectar fallas en el devanado con anticipación o excentricidad en la carga mecánica.

El concepto del convertidor como un concentrador de sensores implica la conexión de sensores externos al controlador, ahorrando así la necesidad de un gateway para conectar el sensor físico a la red de datos. Sensores de vibración, sensores de presión y sensores de temperatura son ejemplos de sensores que pueden conectarse al controlador. La ventaja de este concepto no solo está relacionada con el costo, sino también con la posibilidad de correlacionar los datos del sensor con diferentes tipos de datos presentes en el controlador. 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.

Mantenimiento basado en condiciones

Las siguientes son diferentes estrategias de mantenimiento:

• Mantenimiento correctivo: El producto se reemplaza después de una falla.
• Mantenimiento preventivo: El producto se reemplaza antes de que ocurra una falla, aunque no se reciban notificaciones del producto.
• Mantenimiento basado en condiciones: El producto emite una advertencia cuando la vida útil real del producto varía de la vida útil esperada y se indican posibles causas raíz.
• Mantenimiento predictivo: El producto emite una advertencia antes de que el producto alcance las horas de funcionamiento designadas, para iniciar acciones de servicio.

Por qué es necesario un mantenimiento basado en condiciones?

El mantenimiento correctivo y el mantenimiento preventivo se basan en eventos o en un intervalo de tiempo. Por lo tanto, el mantenimiento se realiza en caso de fallas (correctivo) o después de un número preestablecido de horas de operación (preventivo). Estos tipos de mantenimiento no utilizan ningún tipo de retroalimentación de la aplicación actual.

Con la introducción de la Industria 4.0 y la disponibilidad de datos de sensores, ahora es posible implementar el mantenimiento basado en condiciones y el mantenimiento predictivo. Estas estrategias de mantenimiento utilizan datos de sensores en tiempo real para determinar el estado del equipo en servicio (mantenimiento basado en condiciones) o para predecir futuras fallas (mantenimiento predictivo).

Características y beneficios

El mantenimiento basado en condiciones es la técnica de mantenimiento más fácil e intuitiva basada en datos de la aplicación actual. Los datos adquiridos se utilizan para monitorear la salud del equipo en servicio. Para este propósito, se seleccionan parámetros clave como indicadores para identificar fallas en desarrollo.

La condición de un equipo tiende a degradarse con el tiempo. Esto se ilustra mediante la curva P-f, que muestra un patrón típico de degradación. La falla funcional ocurre cuando el equipo no puede cumplir su función prevista. La idea del mantenimiento basado en condiciones es detectar la posible falla antes de que ocurra una falla real.

Leyenda: Curva P-f que muestra un patrón típico de degradación.

En este caso, planificar acciones de mantenimiento ofrece muchas ventajas, como:

• Reducción del tiempo de inactividad.
• Eliminación de paradas de producción inesperadas.
• Optimización del mantenimiento.
• Reducción del inventario de piezas de repuesto.

Funciones de monitoreo de estado para variadores de velocidad

Una parte integral del mantenimiento basado en el estado implica monitorizar la condición del equipo. En aplicaciones de velocidad variable, la condición 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, pueden ocurrir resonancias a ciertas velocidades y luego desaparecer cuando se aumenta la velocidad.

Utilizar un sistema independiente para monitorear la condición de una aplicación de velocidad variable es complicado debido a la necesidad de conocer la velocidad y correlacionar el valor monitoreado con la velocidad. Utilizar variadores para el monitoreo de condiciones ("variador como sensor" o "variador como centro de sensores") es una solución ventajosa, ya que la información sobre la velocidad de la aplicación ya está presente en el variador. Además, la información sobre la carga/torque del motor y la aceleración está fácilmente disponible en el variador.

El monitoreo de estado sigue un procedimiento de tres pasos::

1. Establecer una línea base
2. Definir umbrales
3. Realizar el monitoreo

1. Establecer una línea de base

Para un sistema eficiente de monitoreo de estado, el primer paso importante es determinar y definir las condiciones normales de funcionamiento. Establecer una línea de base significa definir la condición de funcionamiento normal de la aplicación, lo que se denomina línea de base. Hay varias formas de determinar los valores de referencia.

Línea de base manual: Cuando los valores de referencia se definen utilizando la experiencia previa, los valores conocidos se programan en el variador.

Ejecución de línea de base: La línea de base se puede determinar durante la puesta en marcha. Utilizando este método, se realiza un barrido de velocidad en el rango de velocidad relevante para determinar la condición en cada punto de velocidad. Sin embargo, en ciertos escenarios durante la puesta en marcha, es posible que la aplicación no funcione a plena capacidad o se requiera un período de adaptación. En estas situaciones, la ejecución de la línea de base debe realizarse después del período de adaptación para capturar un estado de funcionamiento lo más cercano posible a las operaciones normales.

Línea de base en línea: Este es un método avanzado que captura datos de referencia durante el funcionamiento normal. Esto es útil en situaciones en las que no se puede realizar una ejecución de línea de base porque la aplicación no permite explorar todo el rango de velocidad.

Después de establecer la línea de base, el siguiente paso es generar umbrales para las advertencias y alarmas. Los umbrales indican la condición de la aplicación en la que el usuario debe ser notificado. Hay varias formas de indicar la condición 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 neutral de bus de campo para monitoreo de estado en automatización de fábrica.

Los colores significan lo siguiente:

  Verde: Indica que el equipo está en buen estado y funciona eficientemente.

  Amarillo: Indica la Etapa de Advertencia 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 Advertencia 2 o crítica y significa que se ha superado el segundo umbral. El personal de mantenimiento debe realizar una acción de mantenimiento inmediata.

  Rojo: Indica una alarma y significa que la máquina se detendrá y se requiere un mantenimiento correctivo.

2.Definir umbrales para advertencias y alarmas

Se utilizan los siguientes métodos para definir los valores de umbrales:

• Absoluto: Este es el método común cuando los valores del equipo ya se conocen. El umbral tiene un valor fijo independientemente del valor de referencia medido. Por ejemplo, cuando el operador conoce el límite absoluto para el equipo, se establece un valor absoluto para el umbral de alarma. En el caso del monitoreo de vibraciones, se pueden utilizar los valores límite descritos en normas como ISO 10816/20816 como valor absoluto para el umbral de alarma.
• Desplazamiento: El método de configuración de valores de umbral requiere comprender la aplicación y los valores de referencia. El umbral depende del valor de referencia al cual se elige un desplazamiento definido por el usuario. El riesgo en este caso es establecer un valor demasiado bajo o alto, lo que puede llevar a falsos positivos. Las configuraciones falsas pueden causar un monitoreo ineficaz, incluso en caso de fallas.
• Factor: Este método es más fácil de usar que el desplazamiento, ya que requiere menos comprensión de la aplicación. El umbral depende del valor de referencia que se multiplica por un factor. Por ejemplo, el valor del umbral puede ser el 150% del valor de referencia. El riesgo en este caso es establecer un umbral muy alto.

3. Monitorización

El monitoreo se realiza mediante una comparación continua con los umbrales. Durante la operación normal, se comparan los valores reales con el valor de umbral. Cuando los parámetros monitoreados exceden un umbral durante un tiempo predefinido, se activa una advertencia o alarma. El temporizador se configura para actuar como un filtro, de modo que las transientes cortas no desencadenen advertencias y alarmas.

Leyenda:Técnicas de monitoreo basado en el estado

Los valores monitoreados actualmente se pueden leer desde el variador a través del LCP (Panel de Control Local), la comunicación de bus de campo o la comunicación IoT. Además, se pueden configurar salidas digitales para reaccionar a advertencias y alarmas específicas. Algunos variadores tienen un servidor web incorporado que también se puede utilizar para leer el estado de la condición.

Conclusión

Hoy en día, los variadores son más que simples procesadores de potencia. Con la capacidad de actuar como sensores y centros de sensores, procesar, almacenar y analizar datos, junto con capacidades de conectividad, los variadores son elementos vitales en los sistemas de automatización modernos.

Los variadores a menudo ya están 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 el estado. Las funciones ya están disponibles en algunos variadores y los primeros usuarios ya han comenzado a utilizar el variador como sensor.