Моніторинг стану за допомогою інтелектуальних приводів

Вид із висоти на Нордхавн у Копенгагені, з відображенням сигналу моніторингу стану на декількох будівлях

Приводи — це більше, ніж просто силові процесори

Завдяки своїй здатності обробляти, зберігати й аналізувати дані та виконувати функцію датчиків і концентраторів датчиків, а також завдяки можливостям зв’язку приводи є надзвичайно важливими елементами сучасних систем автоматизації та систем керування будівлями (BMS). Інтегрована функція моніторингу стану надає нові підходи до виконання технічного обслуговування, наприклад технічне обслуговування на основі стану.

Еволюція систем промислової автоматизації

На рубежі поточного тисячоліття ми стали свідками глибоких змін у технологіях, які призвели до появи нових способів роботи в цифровому світі. Відбулася четверта промислова революція. Перша промислова революція, яка відбулася у 18-му й 19-му століттях, була механічною революцією, що була викликана винаходом парового двигуна. До кінця 19-го й початку 20-го століття розгорнулася друга промислова революція з переходом на масове виробництво, електрифікацією та змінами в способах спілкування. Цей період також називають електричною революцією. Пізніше, у 20-му столітті, третя промислова революція принесла прогрес у галузі напівпровідників, обчислень, автоматизації та Інтернету. Цей етап також називають цифровою революцією.

Четверта промислова революція виникла в результаті мережного об’єднання комп’ютерів, людей і пристроїв, що підживлюється даними й машинним навчанням. Хоча термін «Індустрія 4.0» досить розпливчатий, можливе визначення Індустрії 4.0 описує інтелектуальне об’єднання людей, пристроїв і систем шляхом використання всіх можливостей цифровізації по всьому ланцюжку створення цінності.

Тенденції в системах автоматизації «Індустрія 4.0»

Вплив Індустрії 4.0 на системи двигунів і системи керування будівлями являє собою перехід від «піраміди автоматизації» до «мережевих систем». Це означає, що різні елементи системи, як-от двигуни, приводи, датчики й елементи керування, пов’язуються між собою та підключаються до хмари — центру обробки даних, де дані зберігаються, обробляються й аналізуються та приймаються рішення.

У мережі автоматизації обсяг даних посідає видатне місце. Оскільки дані генеруються переважно датчиками, кількість датчиків у сучасних системах автоматизації зростає. Двигуни та приводні машини, зокрема вентилятори, насоси й конвеєри, не є найочевиднішими учасниками мережі даних. Тому для збору даних від цих машин потрібні датчики. Щоб використовувати дані, датчики підключаються до мережі даних різними способами. Під час упровадження вдосконаленої системи моніторингу стану додаткові витрати на датчики й забезпечення зв’язку часто розглядаються як перешкода.

Сучасні приводи зі змінною швидкістю відкривають нові можливості в мережі автоматизації «Індустрія 4.0» і в системах керування будівлями. Традиційно приводи вважалися силовими процесорами для керування швидкістю двигуна, вентилятора, конвеєра та (або) насоса. Сьогодні приводи також є частиною інформаційного ланцюга, використовуючи переваги вбудованої обчислювальної потужності, ємності для зберігання даних та інтерфейсу зв’язку всередині привода.

Що таке інтелектуальний привод?

У мережі «Індустрія 4.0» привод відіграє важливу роль і характеризується низкою ключових особливостей.

Безпечне підключення. Привод можна безпечно підключити до інших елементів. Інші елементи мережі можуть включати в себе приводи, ПЛК, датчики та хмару.
Привод виконує функцію датчика.Привод використовує сигнатурний аналіз струму та напруги двигуна для контролю роботи двигуна й установки.
Привод виконує функцію концентратора датчиків. Привод отримує дані від зовнішніх датчиків, пов’язаних із процесом, що керується приводом.
Привод виконує функцію контролера. Привод може замінити ПЛК там, де це дозволяють обмеження установки.
Концепція «Принеси свій пристрій». Бездротове підключення до смарт-пристроїв (смартфон, планшет).

Інтелектуальний привод VLT AQUA Drive FC 202 від Danfoss

Інформацію з привода можна визначити таким чином:

Миттєві сигнали. Сигнали, які безпосередньо вимірюються приводом за допомогою вбудованих датчиків. Дані, зокрема струм двигуна, напруга, температура привода та їхні похідні, як-от потужність, що обчислюється як добуток струму й напруги, або крутний момент двигуна. Крім того, привод можна використовувати як концентратор для підключення зовнішніх датчиків, які надають миттєві сигнали.
Оброблені сигнали. Сигнали, які походять від миттєвих сигналів. Наприклад, статистичний розподіл (максимальні, мінімальні, середні значення та стандартне відхилення), аналіз частотного діапазону або індикатори профілю місії.
Аналітичні сигнали. Сигнали, які надають інформацію про стан привода, двигуна й установки. Ці сигнали використовуються для ініціювання технічного обслуговування або вдосконалення конструкції системи.

Методи сигнатурного аналізу струму двигуна дають змогу приводу контролювати стан двигуна й установки. Ця методика дозволяє потенційно усунути фізичні датчики або виявити ранні ознаки несправностей, які могли б залишитися непоміченими. Наприклад, за допомогою цієї методики можна заздалегідь виявити кавітацію й несправності обмоток або ексцентричність механічного навантаження.

Концепція привода як концентратора датчиків передбачає підключення зовнішніх датчиків до привода, уникаючи у такий спосіб потреби в шлюзі для підключення фізичного датчика до мережі даних. Зокрема, до привода можна підключити датчики вібрації, датчики тиску й датчики температури. Перевага концепції полягає не тільки в зниженні витрат, а й у можливості корелювати дані з датчиків із різними типами даних, що є у приводі. Очевидним прикладом є кореляція рівня вібрації від зовнішнього датчика зі швидкістю двигуна, оскільки вібрація залежить від швидкості.

Технічне обслуговування на основі стану й інші стратегії технічного обслуговування

Нижче наведено різні типи стратегій технічного обслуговування.

Коригувальне технічне обслуговування: виріб замінюється після виходу з ладу.
Профілактичне технічне обслуговування: виріб замінюється до виходу з ладу попри те, що жодних сповіщень від виробу не надходило.
Технічне обслуговування на основі стану: виріб видає попередження, коли його фактичний термін служби відрізняється від очікуваного терміну служби, із зазначенням можливих першопричин.
Прогнозне технічне обслуговування: виріб видає попередження перед досягненням розрахункових годин роботи, щоб ініціювати сервісне обслуговування.

Відтворити відео

Відтворити відео, де Норберт Ханіговскі, керівник Drives Intelligence у Danfoss Drives, проводить вас через різні стратегії обслуговування та надає огляд моніторингу стану в Danfoss Drives.

Навіщо потрібне технічне обслуговування на основі стану?

Коригувальне та профілактичне технічне обслуговування виконується на основі несправності (події) або часу. Отже, технічне обслуговування виконується в разі виникнення несправностей (коригувальне) або після заздалегідь визначених годин роботи (профілактичне). Для цих типів технічного обслуговування не використовується зворотний зв’язок від фактичної установки.

Завдяки впровадженню технології «Індустрія 4.0» і отриманню даних від датчиків тепер стало можливим прогнозне технічне обслуговування на основі стану. Такі стратегії технічного обслуговування використовують фактичні дані датчиків для визначення стану обладнання під час експлуатації (технічне обслуговування на основі стану) або для прогнозування майбутніх несправностей (прогнозне технічне обслуговування).

Ця крива P-f зображує типову деградацію обладнання.

Огляд і переваги технічного обслуговування на основі стану

Технічне обслуговування на основі стану — це найпростіша та найбільш інтуїтивна методика технічного обслуговування, що ґрунтується на даних від фактичної установки. Зібрані дані використовуються для моніторингу стану обладнання під час експлуатації. Для цієї мети вибираються ключові параметри як індикатори для виявлення несправностей, що розвиваються. Стан обладнання зазвичай погіршується із часом. Цей процес проілюстровано кривою P-f, що показує типовий шаблон деградації. Функціональний збій виникає, коли обладнання не виконує призначену функцію. Ідея технічного обслуговування на основі стану полягає в тому, щоб виявити потенційний збій до того, як він станеться.

Переваги планування робіт із технічного обслуговування

Скорочення часу простою
Уникнення несподіваних зупинок виробництва
Оптимізація технічного обслуговування
Зменшення запасу запасних частин

Функції моніторингу стану для приводів зі змінною швидкістю

Невід’ємною частиною технічного обслуговування на основі стану є моніторинг стану обладнання. В установках зі змінною швидкістю стан обладнання часто залежить від швидкості. Наприклад, рівні вібрації зазвичай підвищуються на високих швидкостях, хоча цей зв’язок не є лінійним. На певних швидкостях можуть виникати резонанси, які зникають, коли швидкість збільшується.

Використання незалежної системи для моніторингу стану установки зі змінною швидкістю ускладнюється необхідністю знати швидкість і співвідносити відстежуване значення зі швидкістю. Використання приводів для моніторингу стану («привод як датчик» або «привод як концентратор датчиків») є вигідним рішенням, оскільки інформація про швидкість установки вже наявна в приводі. Крім того, інформація про навантаження/крутний момент двигуна та прискорення доступна безпосередньо в приводі.

Моніторинг стану виконується в три етапи:

1. Установлення базової лінії

Для ефективної системи моніторингу стану першим важливим кроком є визначення нормальних робочих станів. Установлення базової лінії означає визначення нормального робочого стану системи, що називається базовою лінією. Базові значення можна визначити кількома способами.

Базова лінія вручну. Коли базові значення визначаються з урахуванням попереднього досвіду, відомі величини програмуються в привод.

Базовий прогін. Базову лінію можна визначити під час уведення в експлуатацію. За допомогою цього методу виконується змінення швидкості у відповідному діапазоні швидкостей, щоб визначити стан у кожній точці швидкості. Однак у певних сценаріях під час уведення в експлуатацію установка може працювати не на повну потужність або може знадобитися період обкатки. У таких ситуаціях після періоду обкатки необхідно виконати базовий прогін, щоб зафіксувати робочий стан, який максимально наближений до нормальної експлуатації.

Оперативна базова лінія. Це просунутий метод, який дозволяє зафіксувати базові дані в перебігу нормальної роботи. Цей метод стане в пригоді, коли неможливо виконати базовий прогін, оскільки установка не дозволяє дослідити весь діапазон швидкостей.

Після встановлення базової лінії наступним кроком є генерування порогових значень для попереджень і сигналів тривоги. Порогові значення вказують на стан установки, під час якого користувач повинен отримувати сповіщення. Існують різні способи відображення стану обладнання, і одним із найпопулярніших у галузі є статус у вигляді світлофора з чотирма кольорами, описаний у специфікації VDMA 24582 «Нейтральний опорний сигнал польової шини для моніторингу стану в системах автоматизації виробництва».

Кольори мають такі значення:

Зелений: указує на те, що обладнання перебуває в хорошому стані та продуктивно працює.
Жовтий: попередження 1-го ступеня, що вказує на перевищення першого порога. Персонал з обслуговування може запланувати роботи з технічного обслуговування.
Помаранчевий: попередження 2-го або критичного ступеня, що вказує на перевищення другого порога. Персонал з обслуговування повинен провести негайне технічне обслуговування.
Червоний: сигнал тривоги, який указує на те, що машина зупиниться й потрібно виконати коригувальне технічне обслуговування.

2. Визначення порогів для попереджень і сигналів тривоги

Для визначення порогових значень використовуються такі методи:

Абсолютний. Це поширений метод, коли значення обладнання вже відомі. Поріг має фіксоване значення незалежно від виміряного базового значення. Наприклад, коли оператору відома абсолютна межа для обладнання, для порогу сигналізації встановлюється абсолютне значення. У разі вібраційного моніторингу граничні значення (описані, зокрема, у стандартах ISO 10816/20816) можуть використовуватися як абсолютні значення для порога сигналізації.
Зміщений. Метод налаштування порогових значень вимагає розуміння установки й базових значень. Порогове значення залежить від базового значення, для якого задається вибране користувачем зміщення. Ризик у цьому випадку полягає у встановленні дуже низького або дуже високого значення, що призводить до хибних позитивних результатів. Неправильні налаштування можуть призвести до неефективного моніторингу навіть у разі несправностей.
Коефіцієнтний. Цей метод простіший у використанні, ніж зміщений, оскільки потребує меншого розуміння установки. Поріг залежить від базового значення, що помножується на коефіцієнт. Наприклад, порогове значення може становити 150 % від базового значення. Ризик у цьому випадку полягає у встановленні дуже високого порога.

Фактичні відстежувані значення можна зчитати з привода через локальну панель керування, зв’язок на польових шинах або IoT-комунікацію. Крім того, цифрові виходи можна налаштувати так, щоб вони реагували на певні попередження та сигнали тривоги. Деякі приводи мають вбудований вебсервер, який також можна використовувати для зчитування статусу стану.

3. Виконання моніторингу

Моніторинг здійснюється шляхом постійного порівняння з порогами. У звичайному режимі роботи фактичні значення порівнюються з пороговим значенням. Коли відстежувані параметри перевищують поріг протягом наперед заданого часу, активується попередження або сигнал тривоги. Таймер налаштований працювати як фільтр, щоб короткочасні перехідні явища не призводили до спрацьовування попереджень і сигналів тривоги.

Відтворіть відео з демонстрацією трьох етапів впровадження моніторингу стану. 1. Установлення базової лінії. 2. Визначення порогів. 3. Виконання моніторингу.

Дізнайтеся більше з інформаційного буклета й відеоролика про моніторинг стану

Приводи в сучасному світі — це більше, ніж просто силові процесори. Завдяки своїй здатності обробляти, зберігати й аналізувати дані та виконувати функцію датчиків і концентраторів датчиків, а також завдяки можливостям зв’язку приводи є надзвичайно важливими елементами сучасних систем автоматизації.

Приводи часто вже присутні в установках автоматизації, тому вони надають чудові можливості для оновлення до Індустрії 4.0.

Завдяки цьому з’являються нові підходи до технічного обслуговування, зокрема технічне обслуговування на основі стану. Відповідні функції вже доступні в деяких приводах, і першопрохідники вже почали використовувати привод як датчик.

Відтворити відео Завантажити інформаційний буклет про МС

Більше тем із моніторингу стану

Чотири електродвигуни із синіми лініями навколо них, що вказують на датчики моніторингу стану

Моніторинг стану електродвигунів

Контроль роботи двигуна за допомогою моніторингу стану забезпечує простий і економічний спосіб отримання даних машини для ухвалення розумних рішень щодо технічного обслуговування.

Чоловік у захисному жилеті дивиться на відкритий ноутбук, височіючи над заводським цехом

Прогнозне технічне обслуговування за допомогою моніторингу стану

Прогнозне технічне обслуговування стало потужним інструментом для оптимізації продуктивності обладнання, збільшення часу безперебійної роботи та зниження витрат на технічне обслуговування.

Дві людини в касках дивляться у відкритий ноутбук і на щось указують

Покращення моніторингу стану завдяки дистанційному контролю

Дистанційний контроль дає змогу користувачам отримувати доступ до даних у режимі реального часу, завчасно реагувати для уникнення простоїв, оптимізувати продуктивність і приймати обґрунтовані рішення.

Моніторинг стану за вібрацією

На додаток до моніторингу стану обмоток статора й навантажувального контура, інтегрована в приводи Danfoss функція CBM забезпечує моніторинг за рівнем вібрації.

Вибрані товари

Продукти Danfoss, що використовують моніторинг стану

VLT® Refrigeration Drive FC 103

FC 103 призначений керувати компресорами, насосами та вентиляторами й суттєво заощаджувати електроенергію в холодильних установках.

VLT® AutomationDrive FC 301 / FC 302

VLT^® Привод AutomationDrive FC 301 / FC 302 призначено для регулювання швидкості шляхом зміни частоти обертання всіх асинхронних двигунів і двигунів на постійних магнітах. Він випускається в стандартній версії (FC 301) та вдосконаленій версії з підвищеними динамічними характеристиками (FC 302), оснащеній додатковими функціями.

VLT® HVAC Drive FC 102

Міцний та практичний привод FC102 розширює сфери застосування насосів і вентиляторів у системах диспетчеризації будівель і працює просто неба в більшості кліматичних умов.

VLT® AQUA Drive FC 202

VLT® AQUA Drive FC 202 керує насосами всих типів та оснащено каскадним контролером.

VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus

Забезпечує переваги рідинного охолодження системи зі спільною шиною постійного струму у вимогливих умовах експлуатації. Доступні конфігурації з активним фільтром (NXA), інтерфейсною частиною без регенерації (NXN), гальмівним переривачем (NXB) та перетворювачем (NXI).

VACON® NXP Grid Converter

Приводи з повітряним і рідинним охолодженням, призначені для використання в системах зберігання енергії та керування енергією в морських застосуваннях.

VACON® NXP Liquid Cooled

Придатний для застосувань, де важлива якість повітря, обмежено простір і потрібна ефективна теплопередача. Доступні конфігурації з активним фільтром (NXA), інтерфейсною частиною без регенерації (NXN), гальмівним переривачем (NXB) та перетворювачем (NXI).

VACON® NXP DC/DC Converter

Збільшує вироблення електроенергії в гібридних рішеннях і сприяє покращенню продуктивності, наближуючи рівень вироблення енергії до рівня споживання.

VACON® NXP System Drive

Конфігуровано та зібрано відповідно до ваших потреб і надає можливість керувати як одним, так і кількома двигунами.

Вид із висоти на очисні споруди стічних вод, із синіми вогнями, що вказують на датчики моніторингу стану.

Перші інновації Danfoss

Моніторинг стану (CBM) став результатом історії перших інновацій компанії Danfoss. Приводи Danfoss відрізняються від інших на ринку вбудованими інтелектуальними функціями, що зменшує кількість необхідних зовнішніх компонентів.