Моніторинг стану за допомогою інтелектуальних приводів

Огляд

Сьогодні приводи - це більше, ніж просто силова електроніка. Завдяки можливості виконувати функції датчиків та їх концентраторів, обробляти, зберігати та аналізувати дані, а також можливості з’єднання, приводи стали життєво важливими елементами сучасних систем автоматизації. Інтегрована функціональність моніторингу стану дає змогу знайти нові способи проведення технічного обслуговування, наприклад, технічне обслуговування, відповідно до визначеного самим приводом стану обладнання.

Еволюція систем промислової автоматизації

Під час переходу до нинішнього тисячоліття ми стали свідками глибокої зміни технологій, що призвело до абсолютно нового способу роботи в цифровому світі. Це четверта промислова революція. Перша промислова революція, яка відбулася в 18-му і 19 ст., була механічною революцією, спричиненою винаходом парової машини. До кінця 19 - початку 20 ст., розгорнулася друга промислова революція із запровадженням масового виробництва, електрифікації та змінами у зв'язку. Пізніше в 20 столітті третя промислова революція принесла успіхи в галузі напівпровідників, обчислювальної техніки, автоматизації та Інтернету. Ця фаза також відома як Цифрова революція.

Четверта промислова революція виникла в результаті у мережі, що об'єднують комп'ютери, людей та пристроїв, що підживлюються даними і самостійно навчаються.  Система загалом використовує всі можливості новітнього цифрового світу.

Тенденції в системах автоматизації 4.0

Вплив Індустрії 4.0 на моторні системи - це перехід від “піраміди автоматизації” до “мережевих систем”. Це означає, що різні елементи системи, такі як двигуни, приводи, датчики та елементи керування, взаємопов’язані та підключені до хмари - центру обробки даних, де дані зберігаються, обробляються, аналізуються та приймаються рішення.

Caption: Automation pyramidЗаголовок: Піраміда автоматизації

Caption: Automation networkЗаголовок: Мережа автоматизації

Обсяг даних, що використовується в мережах автоматизації – досить великий . Оскільки дані в основному виробляються датчиками, кількість датчиків у сучасних системах автоматизації зростає. Двигуни та приводи, такі як вентилятори, насоси та конвеєри - це тільки вершина айбергу серед учасників мережі. Усі застосування потребуть контролю та нагляду, тому для збору даних з  машин потрібні датчики. Датчики підключені до мережі передачі даних різними засобами для використання даних. Під час впровадження вдосконаленої системи контролю додаткові витрати на датчики та їх підключення розглядається як головна перешкода.

Сучасні приводи зі змінною швидкістю відкривають нові можливості в мережі автоматизації Індустрія 4.0. Традиційно приводи вважалися пристроями силової електроніки для управління швидкістю обертання двигуна. Сьогодні привод також є частиною інформаційного ланцюга, який використовує переваги вбудованої обчислювальної потужності, зберігання даних та інтерфейсу зв'язку всередині власне самого привода.

Що таке інтелектуальний привод?

У мережі Індустрія 4.0 привод відіграє важливу роль і характеризується деякими функціями:

  • Безпечне підключення: привод може безпечно підключатися до інших елементів. Інші елементи мережі можуть включати приводи, ПЛК, датчики та хмару.
  • Привод виконує функцію датчика: аналізує сигналу струму та напруги двигуна, щоб визначити роботу двигуна та його ефективність.
  • Привод виконує роль концентратора датчиків: отримує дані від зовнішніх датчиків, пов’язаних із процесом, яким він керує.
  • Привод виступає в ролі контролера: привод може замінити ПЛК скрізь, де це дозволяють технологічні аспекти роботи обладнання.
  • Створіть власну концепцію пристрою: бездротове підключення до інтелектуальних пристроїв (смартфон, планшет) .

Інформацію з привода можна визначити наступним чином:

  • Миттєві сигнали: сигнали, які безпосередньо вимірюються приводом за допомогою вбудованих датчиків. Такі дані, як струм двигуна, напруга, температура привода та потужність яка є множенням струму та напруги, або крутильний момент двигуна привод визначає самотужки. Більше того, привод можна використовувати як концентратор для підключення зовнішніх датчиків, які подають миттєві сигнали.
  • Оброблені сигнали: сигнали, що походять від миттєвих сигналів. Наприклад, статистичний розподіл (максимальні, мінімальні, середні та стандартні відхилення), аналіз частотної області або профіль навантаження.
  • Аналітичні сигнали: сигнали, що вказують на стан приводу, двигуна та агрегату. Сигнали використовуються для ініціювання технічного обслуговування або поліпшення роботи системи в цілому.

Методи аналізу динаміки двигуна дозволяють приводу контролювати стан як самого двигуна, так і застосування. Цей метод дозволяє усунувати додаткові  датчики або витягати ранні ознаки несправностей, які, можливо, не вдається виявити. Наприклад, використання цього методу уможливлює раннє виявлення несправності обмоток або ексцентриситет механічного навантаження.

Концепція приводу як концентратора передбачає підключення зовнішніх датчиків до приводу, тим самим усуває необхідність наявності шлюзу для підключення фізичного датчика до мережі передачі даних. Датчики вібрації, датчики тиску та датчики температури - це приклади зовнішніх пристроїв, які можна підключити до приводу. Перевага концепції пов'язана не тільки з вартістю, але також дозволяє співвідносити дані датчиків з різними типами даних, що є в приводі. Очевидним прикладом є кореляція рівня вібрації від зовнішнього датчика зі швидкістю обертання двигуна, оскільки вібрація залежить від швидкості

Технічне обслуговування на основі стану

Нижче наведено різні стратегії технічного обслуговування:

  • Коригувальне технічне обслуговування: виріб замінюється після несправності.
  • Профілактичне обслуговування: товар обмінюється до несправності, хоча жодних повідомлень від нього не надходить.
  • Технічне обслуговування відповідно до стану: виріб видає попередження, коли фактичний термін служби виробу відрізняється від очікуваного терміну служби та вказує основні можливі причини.
  • Інтелектуальне технічне обслуговування: виріб видає попередження до того, як він досягне запланованих годин роботи для початку обслуговування

Навіщо потрібен моніторинг стану?

Корекційне та попереджувальне технічне обслуговування може здійснюватися через настання певної події або відповідно до календарного плану. Отже, технічне обслуговування виконується у разі виникнення несправностей (помилок) або після попередньо встановлених робочих годин (попереджувальне). Ці типи технічного обслуговування не використовують зворотного зв'язку від роботи установки в цілому.

З впровадженням Індустрії 4.0 та наявністю даних від датчиків стало можливим технічне обслуговування на основі стану та прогнозування. Такі стратегії технічного обслуговування використовують фактичні дані від датчиків для визначення стану обладнання, що експлуатується (технічне обслуговування на основі стану), або для прогнозування майбутніх несправностей (прогнозне обслуговування)

Огляд та переваги

Технічне обслуговування, що базується на стані - це найпростіша та найінтуїтивніша стратегія технічного обслуговування, заснована на даних із фактичного застосування. Отримані дані використовуються для моніторингу працездатності обладнання, що експлуатується. Для цього ключові параметри вибираються як показники
для виявлення несправностей, що розвиваються. З часом стан обладнання зазвичай погіршується. Це ілюструє крива P-f, яка показує типову картину деградації. Функціональний збій виникає, коли обладнання не виконує призначену функцію. Ідея технічного обслуговування, що базується на стані, полягає у виявленні потенційного збою до того, як відбудеться фактичний збій

Caption: P-f curve depicting a typical degradation patternЗаголовок: Крива P-f, що відображає типову картину деградації

У цьому випадку планування дій з технічного обслуговування надає багато переваг, таких як:

  • Скорочення простою
  • Усунення несподіваних зупинок виробництва
  • Оптимізація обслуговування
  • Скорочення складу запасних частин

Функції контролю стану приводів зі змінною швидкістю

Невід'ємною частиною технічного обслуговування відповідно до стану, є контроль  обладнання. У застосуваннях зі змінною швидкістю їх стан часто залежить від швидкості. Наприклад, рівні вібрації, як правило, підвищуються на більш високих швидкостях, хоча ця залежність не є лінійною. Насправді резонанси можуть виникати з певною швидкістю, а потім зникати при збільшенні швидкості.

Використання незалежної системи для моніторингу стану ускладнюється необхідністю знання швидкості та кореляції контрольованого значення зі швидкістю. Використання приводів для моніторингу стану («привод як датчик» або «привод як концентратор») є вигідним рішенням, оскільки інформація про швидкість вже присутня в приводі. Крім того, у приводі легко знайти інформацію про навантаження / крутильний момент двигуна та прискорення.

Моніторинг стану проводиться в три етапи:

  1. Встановіть базову лінію
  2. Визначте порогові значення для попереджень та аварійних відключень
  3. Виконайте моніторинг

1. Встановіть базову лінію

Для ефективної системи моніторингу стану першим важливим кроком є ​​визначення нормальних робочих умов. Встановленням базового рівня означає визначення нормального робочого стану програми. Існує кілька способів визначення базових значень.

Базова лінія вручну: коли базові значення визначаються з використанням попереднього досвіду, відомі значення програмуються в приводі.

Робота на базовому рівні: базовий рівень можна визначити під час введення в експлуатацію. За допомогою цього методу виконується розгортка швидкості через відповідний діапазон швидкостей, визначаючи стан у кожній точці швидкості. Однак у певних сценаріях під час введення в експлуатацію можливо, що застосування працює не на повну потужність або потрібен певне напрацювання – нормальне зношування. У цих ситуаціях метод "Робота у базовому рівні" повинен виконуватися після періоду зношування, щоб зафіксувати робочий стан, максимально наближений до нормальних операцій.

Базовий рівень онлайн: це вдосконалений метод, який збирає базові дані під час нормальної роботи. Це корисно в ситуаціях, коли метод "Робота на базовому рівні" виконати неможливо, оскільки технологія не дозволяє досліджувати весь діапазон швидкостей.

Після встановлення базового рівня наступним кроком є ​​формування порогових значень для попереджень та тривог. Порогові значення вказують на стан програми, протягом якої користувач повинен бути повідомлений. Існують різні способи зазначення стану обладнання, і одним з найпопулярніших у цій галузі є стан світлофора з чотирма кольорами, який описаний у специфікації VDMA 24582 Fieldbus, нейтральний для контролю стану в заводській автоматизації.

Кольори означають наступне:

   Зелений: вказує на те, що обладнання в хорошому стані та працює ефективно.

   Жовтий: вказує на ступінь попередження 1 і означає перевищення першого порогу. Технічне обслуговування може бути заплановане обслуговуючим персоналом.

   Помаранчевий: вказує на попередження 2 або критичний етап і означає перевищення другого порогу. Негайні заходи з технічного обслуговування повинні виконуватися обслуговуючим персоналом.

   Червоний: вказує на сигнал тривоги та означає, що машина зупиниться, і необхідне коригувальне обслуговування.

2. Визначте порогові значення для попереджень та аварійних відключень

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 оператор знає абсолютну межу для обладнання, для порога аварійного відключення встановлюється абсолютне значення. У разі моніторингу вібрації граничні значення, описані в стандартах, таких як ISO 10816/20816, можуть бути використані для порогів аварійного відключення як абсолютні.
  • Змінюваний: Метод встановлення порогових значень вимагає розуміння застосування та базових значень. Поріг залежить від базового значення, до якого обирається змінювана, що визначена користувачем. Ризик у цьому випадку полягає у встановленні дуже низького або високого значення, що призводить до помилкових спрацьовувань. Помилкові налаштування можуть спричинити продовження роботи, навіть у разі несправностей.
  • Метод коефіцієнтів: Цей метод простіший у використанні, ніж змінюваний оскільки він вимагає менше розуміння застосувань. Поріг залежить від базового значення, яке множиться на коефіцієнт. Наприклад, порогове значення може становити 150% від базового рівня. Ризик у цьому випадку - встановлення дуже високого порогу

3. Виконайте моніторинг

Моніторинг проводиться з безперервним порівнянням щодо порогових значень. Під час нормальної роботи фактичні значення порівнюються з пороговим значенням. Коли відстежувані параметри перевищують порогове значення заздалегідь визначений час, спрацьовує попередження або аварійне відключення. Таймер налаштований на функцію фільтра, так що короткі перехідні процеси не викликають попередження та тривоги.

Traffic light status with four colors as described in the VDMA specification 24582 Fieldbus neutral reference for condition monitoring in factory automation.Заголовок: Методи моніторингу, що базуються на станах

Фактичні відстежувані значення можна зчитувати з накопичувача через LCP, зв’язок по польовій шині або IoT. Більше того, цифрові виходи можуть бути налаштовані для реагування на конкретні попередження та аварійні відключення. Деякі приводи мають вбудований веб-сервер, який також можна використовувати для зчитування стану.

Висновок

Сьогодні приводи - це більше, ніж прості силова електроніка. Завдяки можливості виконувати функції датчиків і концентраторів, обробляти, зберігати та аналізувати дані, поряд із можливостями підключення, приводи стали життєво важливими елементами сучасних систем автоматизації.

Приводи вже часто присутні в установках автоматизації, і тому є чудовою можливістю перейти на Індустрію 4.0.

Це уможливлює нові способи проведення технічного обслуговування, такі як технічне обслуговування на основі стану. Функції вже доступні на деяких приводах Danfoss Drives