Állapotfigyelés intelligens frekvenciaváltókkal

Az ipari automatizálási rendszerek evolúciója

Az ezredfordulót követően komoly technológiai változásokat tapasztaltunk, ami teljesen újfajta munkamódszerhez vezetett a digitális világban. Ez a negyedik ipari forradalom. Az első ipari forradalom, amely a 18. és a 19. században történt, a gőzmotor felfedezése által kiváltott mechanikai forradalom volt. A 19. és korai 20. század végére a második ipari forradalom kibontotta a tömegtermelés, az elektrifikáció és a kommunikáció változásainak elfogadását. Ezt az időszakot elektromos forradalomnak is nevezzük. Később, a 20. században a harmadik ipari forradalom előrelépést mutatott a félvezetők, a számítástechnika, az automatizálás és az internet területén. Ezt a fázist digitális forradalomnak is nevezik.

A negyedik ipari forradalom a hálózatba kapcsolt számítógépek, emberek és eszközök hálózata révén jött létre. Bár az „Ipar 4.0” elég ködös figalom, az Ipar 4.0 lehetséges definíciója az emberek, eszközök és rendszerek intelligens hálózata, a digitalizálás minden lehetőségét kihasználva a teljes értékláncban.

Az Ipar 4.0-ás automatizálási rendszerek irányzatai

Az Ipar 4.0 hatása a hajtásrendszerekre az „automatizálási piramis”-ról a „hálózati rendszerekre” történő átrendeződés. Ez azt jelenti, hogy a rendszer különböző elemei, például a motorok, a frekvenviaváltók, az érzékelők és a vezérlőelemek össze vannak kapcsolva és csatlakoznak a felhőhöz - az adatközponthoz, ahol az adatok tárolása, feldolgozása, elemzése és a döntések meghozatala történik.

Caption: Automation pyramid

Caption: Automation network

Az automatizálási hálózatban az adatok mennyisége kiemelten fontos. Mivel az adatokat főként érzékelők hozzák létre, a korszerű automatizálási rendszerekben egyre több érzékelő található. A motorok és a hajtott gépek, mint például a ventilátorok, szivattyúk és szállítóművek nem a legnyilvánvalóbb résztvevők az adathálózatban. Ezért az érzékelőkre van szükség, hogy adatokat gyűjtsenek ezekről a gépekről. Az érzékelők az adathálózathoz különféle módszerekkel csatlakoznak az adatok felhasználásához. Egy fejlett állapotfigyelő rendszer bevezetésekor az érzékelők és a csatlakoztathatóság többletköltségét gyakran korlátnak tekintik.

A modern frekvenciaváltók új lehetőségeket nyitnak meg az Ipar 4.0 automatizálási hálózatában. A frekvenciaváltókat hagyományosan nagy teljesítményű feldolgozó egységnek tekintik a motorfordulatszám szabályozásához. A frekvenciaváltók ma már az információs lánc részét képezik, és a frekvenciaváltó beépített feldolgozási teljesítményének, tárolási kapacitásának és kommunikációs interfészének előnyeit használják fel.

Mi az az intelligens frekvenciaváltó?

Az Ipar 4.0 hálózatban a frekvenciaváltó fontos szerepet játszik, és az alábbi funkciók jellemzik:

• Biztonságos csatlakozás: A frekvenciaváltóval biztonságosan csatlakozhat más elemekhez. A hálózat további elemei között lehetnek frekvenciaváltók, PLC-k, érzékelők és felhők.
• A frekvenciaváltó érzékelőként működik: A frekvenciaváltó motoráram- és feszültségjel-elemzéssel észleli a motor és az alkalmazás teljesítményét.
• A hajtás érzékelő agyaként működik: A frekvenciaváltó a folyamattal kapcsolatos külső érzékelőktől gyűjt adatokat, amelyeket a frekvenciaváltó vezérel.
• A frekvenciaváltó vezérlőként működik: A frekvenciaváltó akkor is kiválthatja a PLC-t, ha az alkalmazási korlátozások ezt lehetővé teszik.
• Hozza el saját eszközkoncepcióját: Vezeték nélküli kapcsolat az okoseszközökkel (okostelefon, táblagép).
• A frekvenciaváltó adatai az alábbiak szerint azonosíthatók:
• Azonnali jelek: A frekvenciaváltó által közvetlenül, beépített érzékelők segítségével mért jelek. Olyan adatok, mint a motoráram, a feszültség, a hajtás hőmérséklete és ezek származékai, amelyek az áram és a feszültség vagy a motornyomaték szorzataként állnak elő. Emellett a frekvenciaváltó olyan külső érzékelők csatlakoztatására is használható, amelyek azonnali jeleket biztosítanak.
• Feldolgozott jelek: A pillanatnyi mérésekből származó jelek. Például statisztikai eloszlás (maximum, minimum, átlag és szórási értékek), frekvenciatartomány-elemzés vagy az adott alkalmazáshoz köthető változók.
• Elemzési jelek: A frekvenciaváltó, a motor és az alkalmazás állapotát jelző jelek. A jelek a karbantartás indítására vagy a rendszer kialakításának javítására szolgálnak.

A motoráram-elemzési technikákkal a frekvenciaváltó képes a motor és az alkalmazás állapotának figyelésére. A technika segítségével kiküszöbölhetők a fizikai szenzorok, illetve kiküszöbölhetők a korai hibajelek, amelyek észlelése nem volt lehetséges. Például a technika alkalmazása lehetővé teszi a tekercselési hibák korai vagy mechanikai terhelés excentrikusságának észlelését.

A frekvenciaváltó intelligens kialakításának hála, külső érzékelők csatlakoztathatók hozzá, így a fizikai érzékelőket nem kell közvetlenül összekapcsolni az adathálózattal. A rezgésérzékelők, nyomásérzékelők és hőmérséklet-érzékelők példák a frekvenciaváltóhoz csatlakoztatható érzékelőkre. A koncepció előnye nemcsak a költségekkel függ össze, hanem az érzékelőadatok és a frekvenciaváltó különböző adattípusai közötti egységes kezelést is lehetővé teszi. Nyilvánvaló példa a külső érzékelő rezgésszintjének és a motorfordulatszámnak az összefüggése, mivel a rezgés függ a fordulatszámtól.

Állapotalapú karbantartás

Az alábbiakban különféle karbantartási stratégiák szerepelnek:
Javító karbantartás: Az adott berendezés egy hiba után kicserélhető.
Megelőző karbantartás: A berendezés egy hiba előtt kicserélhető, bár a berendezés nem küld értesítést.
Állapotalapú karbantartás: A berendezés figyelmeztetéssel szolgál, ha a gép tényleges élettartama eltér a várt élettartamtól, és megjelennek a lehetséges kiváltó okok.
Előrejelző karbantartás: A berendezés figyelmeztetéssel szolgál, mielőtt elérné a tervezett üzemórát, hogy megkezdhesse a szervizelési műveletet.

Miért van szükség állapotalapú karbantartásra?

A javító és megelőző karbantartás hiba (esemény) vagy időalapú. Ezért a karbantartásra meghibásodás(ok) esetén (korrekció) vagy az üzemórák előzetes meghatározása után (megelőző) kerül sor. Az ilyen típusú karbantartások nem használják az aktuális alkalmazás visszajelzéseit.
Az Ipar 4.0 bevezetésével és a szenzoradatok elérhetővé tételével már lehetséges az állapotalapú és előrejelző karbantartás. Az ilyen karbantartási stratégiák tényleges szenzoradatokat használnak a berendezés állapotának meghatározásához (állapotalapú karbantartás) vagy a jövőbeli hibák előrejelzéséhez (előrejelző karbantartás).
 

Áttekintés és előnyök

Az állapotalapú karbantartás a legegyszerűbb és legintuitívabb karbantartási technika, amely az aktuális alkalmazás adatain alapul. A gyűjtött adatok a használatban lévő berendezés állapotának megfigyelésére szolgálnak. Erre a célra a fő paraméterek mutatóként vannak kiválasztva.
a kialakulóban lévő hibák azonosításához. A berendezések állapota romlik idővel. Ezt a P-f görbe szemlélteti, amely egy jellemző érték romló tendenciáját jelzi. Működési hiba lép fel, ha a berendezés nem a kívánt funkciót végzi el. Az állapotalapú karbantartás célja, hogy észlelje a potenciális hibát, még mielőtt a hiba bekövetkezne.

Caption: P-f curve depicting a typical degradation pattern

Ebben az esetben a karbantartási műveletek megtervezése számos előnnyel jár, például:

• Állásidő csökkentése
• A termelés váratlan leállásainak megszüntetése
• Karbantartás optimalizálása
• A pótalkatrészkészlet csökkenése

A frekvenciaváltók állapotfigyelő funkciói

Az állapotalapú karbantartás szerves részét képezi a berendezés állapotának felügyelete. Változtatható fordulatszámú alkalmazások esetén az alkalmazás állapota gyakran függ a fordulatszámtól. A rezgésszintek például nagyobb fordulatszámnál magasabbak lehetnek, bár ez a kapcsolat nem lineáris. Bizonyos fordulatszámok mellett rezonancia léphet fel, amely a fordulatszám növekedésével megszűnhet.
A változtatható fordulatszámú alkalmazások állapotát figyelő független rendszer használata bonyolult, mivel a fordulatszám és a korreláló, fordulatszámmal felügyelt érték ismerete szükséges. A frekvenciaváltók állapotfigyelési célú használata ("hajtás érzékelőként" vagy „hajtás érzékelőagyként”) előnyös megoldás, mivel a frekvenciaváltóban már megtalálható az alkalmazás fordulatszámára vonatkozó információ. Emellett a terhelésről/motornyomatékról és a gyorsításról is információ áll rendelkezésre a frekvenciaváltóban.

Az állapotfelügyelet háromlépéses eljárást követ:

1. A kiinduló állapot meghatározása
2. Határértékek meghatározása
3. Felügyelet végrehajtása

 
1. A kinduló állapot meghatározása

A hatékony állapotfigyelő rendszer érdekében az első fontos lépés a normál üzemi körülmények meghatározása. Az alapvonal meghatározása azt jelenti, hogy meg kell határozni az alkalmazás normál működési feltételeit, amelyet alapvonalnak neveznek. A kiindulási értékek többféleképpen is meghatározhatók.
Kézi bázisvonal: Ha az alapértékeket a korábbi tapasztalatok alapján határozták meg, az ismert értékek be vannak programozva a frekvenciaváltóba.
Alap bázisvonal: Az alapvonal az üzembe helyezés során határozható meg. Ezzel a módszerrel egy sebességpásztázást hajt végre az üzemi forulatszámtartományban, ami meghatározza az egyes fordulatszámpontok állapotát. Előfordulhat azonban, hogy az üzembe helyezés során bizonyos esetekben
az alkalmazás nem működik teljes kapacitással, vagy üzemi időszakra van szükség. Ilyen helyzetekben a bejáratási időszak után el kell végezni az alap bázisvonal felvételét, hogy a lehető legközelebb legyen a normál működéshez.
Online alapvonal: Ez egy fejlett módszer, amely normál működés esetén rögzíti az alapadatokat. Ez olyan helyzetekben hasznos, amikor a kiindulási járatás nem hajtható végre, mert az alkalmazás nem teszi lehetővé a teljes fordulatszám-tartományban a műkődést.
Az alapvonal meghatározása után a következő lépés a figyelmeztetések és riasztások küszöbértékeinek beállítása. A küszöbértékek jelzik az alkalmazás állapotát, amelynek során a felhasználót értesíteni kell. A berendezés állapotát többféleképpen is jelezheti, az iparágban pedig az egyik legnépszerűbb a forgalomirányító lámpa állapota, négy színnel. Ezeket a VDMA 24582 számú, Fieldbus semleges referenciája ismerteti a gyári automatizálás állapotfelügyeletéhez.
A színek a következőket jelzik:
  Zöld: Azt jelzi, hogy a berendezés jó állapotban van és hatékonyan működik.
  Sárga: Az 1. figyelmeztetési fokozatot jelzi, és az első küszöbérték túllépését jelzi. A karbantartási műveleteket a karbantartó személyzet megtervezheti.
  Narancs: A 2. figyelmeztetés vagy kritikus szint jelzése, és a második küszöbérték túllépését jelzi. Az azonnali karbantartási műveleteket a karbantartó személyzetnek kell elvégeznie.
  Piros: Riasztást jelez, és jelzi, hogy a gép leáll, és javító karbantartásra van szükség.

2. A figyelmeztetések és vészjelzések küszöbértékeinek megadása

A küszöbértékek megadására az alábbi módszerek szolgálnak:

• Abszolút: Ez a szokásos módszer, ha a berendezés értékei már ismertek. A küszöb egy rögzített értékkel rendelkezik, függetlenül a mért alapvonal értékétől. Például, ha a kezelő ismeri a berendezés abszolút határértékét, akkor abszolút érték kerül beállításra a riasztási küszöbhöz. A rezgésfigyelés esetében a határértékként az ISO 10816/20816 szabványban leírt határértékek használhatók a riasztási küszöbértékhez.
• Eltolás: A küszöbértékek beállításának módszeréhez szükség van az alkalmazás és az alapértékek megismerésére. A küszöb a felhasználó által megadott eltoláshoz tartozó alapvonal értéktől függ. Ebben az esetben a kockázat nagyon alacsony vagy magas értéket állít be, ami hamis pozitív eredményekhez vezet. A rossz beállítások nem reagáló felügyeletet eredményezhetnek, még hiba esetén is.
• Faktor: Ezt a módszert könnyebb használni, mint az eltolást, mert kevesebb alkalmazási ismeretet igényel. A küszöb a kiindulási értéktől függ, amelyet meg kell szorozni egy tényezővel. Például a küszöbérték a kiindulási érték 150%-a lehet. Ebben az esetben a kockázat nagyon magas küszöbértéket állít be.

3. Felügyelet végrehajtása

A monitorozás a küszöbértékekkel való folyamatos összehasonlítással történik. A normál működés során a tényleges értékek összehasonlításra kerülnek a küszöbértékkel. Ha a figyelt paraméterek meghaladják az előre meghatározott időre vonatkozó küszöbértéket, figyelmeztetés vagy vészjelzés aktiválódik. Az időzítő úgy van beállítva, hogy szűrőként működjön, így a rövid tranziensek nem indítanak figyelmeztetéseket és riasztásokat.

Az aktuális figyelt értékek a frekvenciaváltóról az LCP-ről, a terepibusz-kommunikációból vagy az IoT-kommunikációból olvashatók le. Ezenkívül a digitális kimenetek beállíthatók úgy is, hogy reagáljanak a specifikus figyelmeztetésekre és riasztásokra. Egyes frekvenciaváltók beépített webszerverrel rendelkeznek, amely állapotuk kiolvasására is használható.

Befejezés

Manapság a frekvenciaváltók nem csak egyszerű fordulatszám szabályozók. Azáltal, hogy képesek érzékelőkként és szenzorfogadóként működni, képesek az adatok feldolgozására, tárolására és elemzésére, kulcsfontosságú elemei a korszerű automatizálási rendszereknek.
A frekvenciaváltók gyakran már jelen vannak az automatizálási rendszerekben, ezért nagyszerű lehetőséget kínálnak az Ipar 4.0-ra való frissítésre.
Ez új karbantartási módokat tesz lehetővé, például az állapotalapú karbantartást. Ezek a funkciók már elérhetők bizonyos frekvenciaváltókban, és több üzemeltető már elkezdte használni a frekvenciaváltóit érzékelőként.