Tilstandsovervåking med intelligente frekvensomformere

Industry 4.0s påvirkning på motorsystemer og bygningsstyresystemer er en migrasjon fra "automasjonspyramiden" til "nettverksbaserte systemer". Dette betyr at de ulike elementene i systemet, som motorer, omformere, sensorer og kontrollere, er sammenkoblet og koblet til en sky - et datasenter der data lagres, behandles og analyseres, og beslutninger tas.

I et automatiseringsnettverk er datamengden betydelig. Data produseres hovedsakelig av sensorer, og antallet sensorer i moderne automatiseringssystemer er økende. Motorer og drevne maskiner som vifter, pumper og transportbånd er ikke de mest åpenbare bestanddelene i et datanettverk. Derfor er det nødvendig med sensorer for å samle inn data fra disse maskinene. Sensorene kobles til datanettverket på ulike måter for å utnytte dataene. Tilleggskostnaden med sensorer og tilkoblingsmuligheter blir ofte oppfattet som en hindring under innføring av avanserte tilstandsovervåkingssystemer.

Moderne frekvensomformere med variabel hastighet åpner for nye muligheter i Industry 4.0-automasjonsnettverket og i bygningsstyresystemer. Tradisjonelt er frekvensomformere blitt ansett som strømprosessorer for hastighetsstyring av motorer, vifter, transportbånd og/eller pumper. I dag er omformere også en del av informasjonskjeden, og drar nytte av innebygd prosessorkraft, lagringskapasitet og kommunikasjonsgrensesnitt internt i frekvensomformeren.

Informasjon fra frekvensomformeren kan identifiseres på følgende måte:

• Øyeblikkelige signaler: Signaler som måles direkte av frekvensomformeren ved hjelp av innebygde sensorer. Data som motorstrøm, spenning, frekvensomformertemperatur og informasjon avledet av dette, som er effekt som en multiplikasjon av strøm og spenning, eller motormoment. I tillegg kan frekvensomformeren brukes som en hub for tilkobling av eksterne sensorer som gir øyeblikkelige signaler.
• Behandlede signaler: Signaler som er avledet fra de øyeblikkelige signalene. For eksempel statistisk distribusjon (maksimum, minimum, gjennomsnitt og standard avviksverdier), frekvensdomeneanalyse eller oppdragsprofilindikatorer.
• Analysesignaler: Signaler som gir indikasjoner på tilstanden til frekvensomformeren, motoren og applikasjonen. Signalene brukes til å utløse vedlikehold eller føre til forbedringer i systemkonstruksjonen.

Teknikker for analyse av motorens strømsignatur gjør det mulig for frekvensomformeren å overvåke tilstanden til motoren og applikasjonen. Teknikken gjør det potensielt mulig å eliminere fysiske sensorer eller hente ut tidlige feilsignaturer som kanskje ikke hadde vært mulig å oppdage. Bruk av teknikken gjør det for eksempel mulig å oppdage kavitasjon og viklingsfeil på forhånd, eller mekanisk lasteksentrisitet.

Konseptet med frekvensomformeren som sensor-hub innebærer at eksterne sensorer kobles til frekvensomformeren, slik at det ikke er behov for en gateway for å koble den fysiske sensoren til datanettverket. Vibrasjonssensorer, trykksensorer og temperatursensorer er eksempler på sensorer som kan kobles til frekvensomformeren. Fordelen med konseptet er ikke bare knyttet til kostnader, men muligheten til å korrelere sensordata med ulike typer data i frekvensomformeren. Et åpenbart eksempel er sammenhengen mellom vibrasjonsnivået fra en ekstern sensor og motorhastigheten, ettersom vibrasjonen er hastighetsavhengig.

Korrigerende og forebyggende vedlikehold er basert på feil (hendelser) eller tidsrom. Vedlikehold utføres derfor i tilfelle det oppstår feil (korrigerende) eller etter et bestemt antall driftstimer (forebyggende). Disse vedlikeholdstypene bruker ikke tilbakemeldinger fra selve applikasjonen.

Med lanseringen av Industry 4.0 og tilgjengeligheten av sensordata er tilstandsbasert og prediktivt vedlikehold nå mulig. Slike vedlikeholdsstrategier bruker faktiske sensordata for å fastslå tilstanden til utstyret i service (tilstandsbasert vedlikehold) eller for å forutsi fremtidige feil (prediktivt vedlikehold).

Overvåking av utstyrets tilstand er en integrert del av tilstandsbasert vedlikehold. I applikasjoner med variabel hastighet avhenger applikasjonens tilstand ofte av hastigheten. For eksempel har vibrasjonsnivåene en tendens til å bli høyere ved høyere hastigheter, selv om dette forholdet ikke er lineært. Resonanser kan faktisk oppstå ved visse hastigheter, og deretter forsvinne når hastigheten økes.

Bruk av et uavhengig system for å overvåke tilstanden til en applikasjon med variabel hastighet kompliseres av behovet for å kjenne hastigheten og den overvåkede, korrelerende verdien. Bruk av frekvensomformere til tilstandsovervåking («frekvensomformer som sensor» eller «frekvensomformer som sensor-hub») er en fordelaktig løsning, ettersom informasjon om applikasjonshastighet allerede finnes i frekvensomformeren. I tillegg er informasjon om last/motormoment og akselerasjon lett tilgjengelig i frekvensomformeren.