Slik kan ressursovervåking med flere sensorer forbedre ytelsen i Industri 4.0-fabrikker og -logistikkvirksomhet og i datasentre

Overvåking av maskiner for parametere som vibrasjoner og temperatur kan gi sanntidsdata om maskinens ytelse og tilstand, i tillegg til å gi produsenter dataene de trenger for å planlegge proaktivt vedlikehold, redusere nedetid og forbedre produktivitet.

Fuktighets- og temperaturovervåking i logistikkanlegg eller under transport kan forbedre driftsytelsen og preservere varer som vaksiner eller ferske råvarer. Miljøovervåkingssystemer med kablet og trådløs konnektivitet er tilgjengelige for ulike bruksområder, for eksempel bedriftsdatasentre og skybaserte datasentre.

Overvåking av vibrasjoner kan være gunstig for å identifisere potensielle maskinproblemer før de oppstår. Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO) 10816 kan være en viktig referanse. Den gir veiledning for evaluering av vibrasjonsstyrke i motorer som brukes i pumper, vifter, kompressorer, girkasser, blåsere, tørketromler, presser og lignende maskiner som virker i et frekvensområde på mellom 10 og 1000 Hz.

Denne artikkelen presenterer noen viktige faktorer som må vurderes når det skal velges mellom kablet og trådløs konnektivitet for overvåkningssystemer, og forklarer hvorfor bruken av kablede og trådløse nettverk ikke er et «enten/eller»-valg. Den undersøker deretter de fire klassene av vibrasjonsstyrke i henhold til definisjonen i ISO 10816. Den konkluderer med å ta for seg ulike alternativer for implementering av både kablede og trådløse tilstandsovervåkingssystemer, samt bruken av flere sensorer for overvåking av vibrasjoner, temperatur, fuktighet og representative utrustninger.

Banner Engineering tilbyr et utvalg av gatewayer for overvåking av helsetilstanden til utstyr (EHM – equipment health monitoring) som gir enkel tilgang til EHM-nettverksdata. Industrielle EHM-konstruktører kan velge mellom bedriftens kablede SNAP-ID-gatewayløsninger med en lokal skjerm for sensoravlesninger eller et valgfritt skybasert dashbord og trådløse CLOUD ID-gatewayer som er konstruert for direkte tilkobling til et skybasert dashbord (figur 1). Vanlige funksjoner for disse to valgene omfatter:

• En rekke sensorer å velge mellom for å optimalisere EHM-drift
• Rask implementering støttes av automatisk gjenkjenning av tilkoblede sensorer, uten ekstra programmering
• Sensordata er lett tilgjengelige for justering av utstyr eller for planlegging av nødvendig vedlikehold, slik at nedetid kan minimeres og produktivitet maksimeres
• Støtte for skytilkobling for begge systemene
• Forhåndskonfigurerte dashbord er tilgjengelige, og kan tilpasses for optimal datavisualisering

Figur 1: Banners kablede SNAP ID (venstre) og trådløse CLOUD ID (høyre) EHM-gatewayer har flere vanlige funksjoner. (Bildekilde: DigiKey)

Valget mellom kablede eller trådløse EHM-gatewayer

Selv om de har noen fellesfunksjoner, er det vesentlige forskjeller mellom kablede og trådløse EHM-gatewayer. AMG-SNAP-ID Asset Monitor Gateway (AMG) støtter idriftsetting, overvåking og alarmer for opptil 20 sensorer og omformere. Den støtter konnektivitet for Modbus og Banners SNAP SIGNAL, og den skanner etter individuelle sensorer eller omformere og registrerer automatisk modellinformasjon. Brukere kan endre og tilordne ID-numre for Modbus-servere for å bygge og idriftsette tilpassede EHM-løsninger. Tilkoblede enheter kan grupperes, og alarmer kan tilordnes terskler individuelt. Alarmstatusen er synlig på berøringsskjermen og indikeres av fargen på lyset øverst på kabinettet.

Når det er nødvendig å nå direkte opp til skyen, kan EHM-systemkonstruktører velge å bruke DXM1200-X2 IIoT-gatewayen for å koble til opptil 200 enheter fra både Banner og tredjeparter for å levere ytelses- og maskintilstandsdata. Den kan automatisk detektere og koble til sensornoder og levere data til Banner Cloud-programvaren. Utviklere kan velge mellom enkle eller komplekse programmeringsverktøy. IIoT-gatewayen kan behandle informasjon på inngangspunktet (edge) og deretter sende denne informasjonen via både Ethernet og mobilnettverk, slik at den kan overvåkes fra hvor som helst i verden med et intuitivt skybasert dashbord (figur 2).

Figur 2: De trådløse (venstre) og kablede (høyre) IIoT-sensornettverksgatewayene inkluderer flere vanlige funksjoner. (Bildekilde: Banner Engineering)

Kablede og trådløse EHM-arkitekturer

Kablede og trådløse EHM-arkitekturer er ikke gjensidig utelukkende. Kablede systemer kan ha trådløse elementer, og trådløse arkitekturer inkluderer ofte kablet konnektivitet.

For eksempel kan en grunnleggende kablet EHM-arkitektur inkludere flere koblingsbokser koblet til flere sensorer, slik som R50-4M125-M125Q-P med fire porter og R95-8M125-M125Q-P med åtte porter. Banners Sure Cross R70SR serielle dataradioer, for eksempel den 900 MHz R70SR9MQ og den 2,4 GHz R70SR2MQ, kan utvide nettverksområdet uten ekstra kabling. Funksjonene til disse radioene omfatter følgende (figur 3):

• RS-485 serielt grensesnitt
• Støtte for stjerne- og spenntre-nettverkstopologier
• Støtte for selvreparerende radiofrekvensnettverk med automatisk ruting med flere hopp for å utvide nettverksområdet ytterligere
• FHSS-teknologi (FHSS – frekvenshopping med spredt spektrum) for pålitelige dataoverføringer

Figur 3: Grunnleggende topologi for kablet ressursovervåking (venstre) med et eksempel på en ekstern sensorgruppe som er trådløst tilkoblet (høyre). (Bildekilde: DigiKey)

I et stort anlegg kan mange systemer være spredt over et bredt område, for eksempel:

• Luftkompressorer
• Pumpesystemer
• Transportbåndsystemer
• En rekke elektriske motorer og maskiner
• Girkasser
• Luftfiltreringssystemer
• Nivåmåling og overvåking i lagertanker

I disse tilfellene kan EHM-systemets ytelse forbedres ved å kombinere kablede og trådløse teknologier. DXM1200-X2, den trådløse IIoT-gatewayen som ble nevnt ovenfor, inkluderer kablet Modbus-konnektivitet. Hvis det er behov for Ethernet, kan konstruktører velge å bruke DXMR90-X1. DXMR90-4K kan implementere IO-Link hovedenhet/styring-funksjoner. I tillegg til valget av Modbus, Ethernet og IO-Link, kan konstruktører bruke R709 serielle dataradioer til å gi trådløs konnektivitet til fysisk spredte ressurser (figur 4).

Figur 4: Trådløse IIoT-gatewayer (nederst til venstre) er tilgjengelige med Modbus-, Ethernet- og IO-Link-konnektivitet. (Bildekilde: Banner Engineering)

ISO 10816 alvorlighetsgraden av vibrasjoner

ISO 10816 er en viktig standard for EHM-systemer. Den kvantifiserer vibrasjonsstyrke for maskiner som elektriske motorer, pumper og generatorer. Standarden bruker RMS-verdien (RMS – root mean square) for akselerasjon, forskyvning eller vibrasjonsfrekvens. ISO 10816 inkluderer også overveielser for spiss-til-spiss-verdier. Vibrasjonsstyrken har den høyeste RMS-verdien når to eller flere parametere måles. Standarden klassifiserer vibrasjonsstyrke i fire nivåer:

• God antyder vanligvis nylig idriftsatt maskineri.
• Tilfredsstillende vibrasjoner angir det ubegrensede driftsområdet.
• Utilfredsstillende vibrasjoner antyder et behov for begrenset drift og planlegging av forebyggende vedlikehold.
• Uakseptable vibrasjoner antyder at maskinskade er sannsynlig.

Figur 5: IEC 10816 inkluderer fire kategorier av vibrasjonsstyrke. (Bildekilde: Banner Engineering)

Vibrasjoner og maskinlæring

Selv «identiske» maskiner er ikke eksakte kopier. Det er her maskinlæring (ML) kommer inn i bildet. Banner Engineering tilbyr VIBE-IQ, en programvarepakke for vibrasjonsovervåking som bruker maskinlæring (ML) til å etablere en unik grunnleggende driftsverdi for hver maskins vibrasjoner. ML-programvaren angir deretter automatisk terskler for advarsler og alarmer. Den kan automatisere komplekse EHM-beregninger og -analyser. Noen funksjoner i VIBE-IQ omfatter:

• Kontinuerlig overvåking av RMS-hastighet fra 10 til 1000 Hz, RMS-høyfrekvensakselerasjon fra 1000 til 4000 Hz og temperatur
• Overvåker bare motorer som for øyeblikket er i drift
• Bruker data for trendanalyse samt sanntidsovervåking for å identifisere forhold som:
  • Feiljusterte eller ubalanserte systemer
  • Slitte eller løse komponenter
  • Overdreven lagerslitasje
  • Feilmonterte eller feildrevne motorer
  • Overtemperaturforhold
• Sende proaktive varsler til vertsstyringen eller skyen

Vibrasjon og temperatur

Vibrasjon er ikke den eneste indikasjonen på at en maskin kan trenge forebyggende vedlikehold. En temperaturtrend som stiger kan også varsle EHM-systemet om potensielle problemer, spesielt hvis den stigende temperaturen er korrelert med økende vibrasjoner.

En kombinasjon av de to parametrene gir et mer fullstendig bilde av utstyrets tilstand. De kan varsle operatører om ulike forhold og gi flere fordeler:

• Vibrasjoner kan identifisere mekaniske problemer som feilinnstillinger, ubalanser, lagerslitasje osv.
• Temperaturøkninger kan identifisere elektriske problemer som overoppheting av viklinger eller smøreproblemer.
• Når uregelmessig drift detekteres kan korrelering av vibrasjoner og temperaturer som ligger utenfor det definerte området, bidra til å identifisere mulige årsaker. For eksempel kan vibrasjonsmønstre bidra til å identifisere årsaken.
• Forebyggende vedlikehold kan dra nytte av å overvåke både temperaturer og vibrasjoner. En gradvis temperaturstigning er ikke nødvendigvis et like stort problem som økende vibrasjoner som kan kreve mer umiddelbar korreksjon.
• Finn ut hvordan valg og utnyttelse av ressurser på lang sikt kan forbedres ved å bruke sensordata til å identifisere potensielle driftsbegrensninger før de blir problemer.

Når temperaturer og vibrasjoner skal overvåkes kan EHM-systemkonstruktører velge å bruke QM30VT2-sensoren, som kommer i et aluminiumshus, eller QM30VT2-SS-QP, som kommer i et hus av rustfritt stål, begge fra Banner Engineering. Begge sensorene kan kobles til en Modbus-radio eller et hvilket som helst Modbus-nettverk som en slaveenhet via RS-485. Den lille formfaktoren gjør det mulig å plassere dem på trange steder (figur 6). Andre funksjoner omfatter:

• Temperatur- og vibrasjonsmålinger med høy nøyaktighet
• Et temperaturmåleområde på –40 °C til +105 °C, med en oppløsning på 1 °C og en nøyaktighet på ±3 °C
• Detekterer toaksede vibrasjoner med en båndbredde på opptil 4 kHz som har en nøyaktighet på ±10 % ved 25 °C og en standard samplingsfrekvens på 20 kHz
• Utganger for RMS-hastighet, RMS-høyfrekvensakselerasjon, topphastighet og andre parametere forbehandlet fra vibrasjonsbølgeformene

Figur 6: Sensorer for toaksede vibrasjoner og temperatur kan monteres direkte på motorhuset (høyre). (Bildekilde: Banner Engineering)

Vibrasjonsspektralbånd er en avansert funksjon. Denne gjør det mulig å dele rask Fourier-transformasjon (FFT) med bredbånd for å få data om RMS-hastighet eller akselerasjon for smalere frekvensbånd, i tillegg til skalardata på 10 til 1000 Hz og 1000 til 4000 Hz. Avhengig av brukerbehov, kan båndfrekvensene mates inn manuelt eller automatisk basert på en dynamisk eller statisk hastighetsinnmating. Spektralbåndanalyse kan bidra til å diagnostisere problemer med roterende maskiner på en mer spesifikk måte.

Temperatur og fuktighet

Overvåking av temperatur og fuktighet kan være viktig i datasentre, lagre, renrom, kjøleskap eller kjøleaggregater. En temperatur- og fuktighetssensor som DX80N9Q45THA kan bidra til å gjøre følgende:

• Preservere varer som ferske råvarer eller vaksiner der kjennskap til temperatur og fuktighet er avgjørende for langsiktig levedyktighet og forebygging av skjemming
• Beskytte utstyr som servere og lagringsenheter i et datasenter der for høy temperatur eller fuktighet kan forstyrre normal drift eller føre til driftsstans
• Forbedre helsen og sikkerheten til personer i lagerbygninger og andre anlegg der høy luftfuktighet kan gjøre det vanskelig for arbeidere å holde seg avkjølt i høye omgivelsestemperaturer, noe som potensielt kan føre til varmeutmattelse

Et temperaturmåleområde på –40 °C til +85 °C med en oppløsning på 0,1 °C og en nøyaktighet på ±0,6 °C fra –40 °C til 0 °C, ± 0,4 °C fra 0 °C til +60 °C og ±1,2 °C fra +60 °C til +85 °C. Fuktighetssensoren kan måle fra 0 % til 100 % RH med en nøyaktighet på ±2 % ved +25 °C, ±3 % fra 0 °C til +70 °C og 10 % til 90 % RH, og ±7 % fra 0 °C til +70 °C og 0 % til 10 % eller 90 % til 100 % RH.

Når enheten slås på, blir den satt i rask sampling-modus og sender data annenhvert sekund. Etter fem minutter går noden inn i standardmodus, og vil sende data med fem minutters mellomrom. Samplingsfrekvenser på 15 minutter eller 64 sekunder kan velges av brukeren.

Modeller med 900 MHz-radioer sender ved 1 W (30 dBm) eller 250 mW (24 dB, kan velges av brukeren). 250 mW-modusen reduserer rekkevidden, men forbedrer batterilevetiden i kortdistanseutrustninger. Sendereffekten fastsatt til ca. 65 mW (18 dBm) for 2,4 GHz-modeller. Når den virker i lagringsmodus, slås radioen av for å spare batterilevetid.

Konklusjon

Effektive EHM-systemer i Industri 4.0-fabrikker overvåker vibrasjoner og temperatur for å sikre høy oppetid. Fuktighets- og temperatursensorer kan også forbedre driftsytelsen til datasentre og preservere varer som vaksiner eller ferske råvarer i lager- og logistikkvirksomheter. Disse systemene kan bruke kablet eller trådløs konnektivitet til å overvåke flere parametere.