Surveillance de l'état des machines et des actifs dans les applications industrielles :un aperçu des technologies de détection

Les données obtenues grâce à la surveillance des équipements distants sont essentielles au bon fonctionnement de tout processus industriel. Souvent, ces données sont gérées par un système de contrôle de contrôle et d'acquisition de données (SCADA), souvent via un réseau Ethernet et TCP/IP sur une topologie en bus, en étoile ou en arbre. Les systèmes industriels de l'Internet des objets (IIoT) augmentent souvent et, dans certains cas, remplacent ces systèmes hérités pour permettre un réseau sans fil de nœuds connectés à une passerelle qui renvoie au cloud pour un traitement et une analyse des données plus complexes. Indépendamment de l'utilisation de technologies filaires ou sans fil, les capteurs sous-jacents utilisés dans ces processus constituent l'épine dorsale des données nécessaires à l'évaluation et à l'analyse des équipements de l'usine.

Cet article fournit une vue d'ensemble de l'état des machines industrielles et des applications de surveillance des actifs, ainsi qu'un aperçu de certaines des technologies de capteurs couramment utilisées.

Applications de surveillance de l'intégrité des machines et des actifs dans l'IIoT

Les applications de surveillance à distance de la santé des machines industrielles et des actifs couvrent une vaste gamme de secteurs verticaux de l'industrie avec une variété de types de capteurs utilisés en tandem avec des protocoles sans fil pour réaliser des transmissions de données en temps réel ou quasi-temps réel. Dans l'architecture SCADA plus traditionnelle, les nœuds de capteurs/actionneurs se connectent aux modules d'E/S industriels, souvent des contrôleurs logiques programmables (PLC) ou des terminaux distants (RTU). Ces modules d'E/S envoient des données de capteur vers et depuis les nœuds en fonction des commentaires des ordinateurs de supervision - souvent des interfaces homme-machine (IHM) - collectent et diffusent des données sur la base d'une entrée humaine.

Dans le réseau de capteurs sans fil industriel (IWSN), un certain nombre de nœuds de capteurs se connectent sans fil à une passerelle dans une topologie point à multipoint (PtMP) via une bande sous licence/sans licence et un protocole sans fil particulier. Dans les applications industrielles, cela peut varier des protocoles spécifiques à l'industrie tels que WirelessHART, aux réseaux cellulaires, en passant par des protocoles plus commerciaux tels que Zigbee. Cela contourne le câblage des modules d'E/S séparés trouvés dans l'architecture SCADA, comprimant cette hiérarchie pour simplifier les transferts de données des nœuds de capteurs, vers une passerelle/station de base, vers une plate-forme centralisée basée sur le cloud pour effectuer des analyses plus complexes.

Les applications des IWSN pour la surveillance de l'état des machines comprennent les équipements de positionnement industriels et les moteurs/variateurs ainsi que les applications de surveillance des actifs (Figure 1). Les moteurs inductifs, par exemple, se trouvent dans une vaste gamme d'équipements de machines, des machines CNC de précision aux grandes grues industrielles, poulies et bandes transporteuses. Tout défaut de ces machines peut dégrader la précision mécanique ou même provoquer une panne et un arrêt de l'usine, diminuant directement le temps de fonctionnement précieux de l'usine avec le coût supplémentaire du temps de réparation. Certaines défaillances mécaniques courantes pour les moteurs sont :la fissuration de la barre de rotor, le défaut d'enroulement court, les variations d'entrefer et les défauts de roulement.

Les accéléromètres sont le plus souvent utilisés pour l'analyse des données de vibration - la plupart des défauts mécaniques des machines tournantes entraînent une augmentation détectable des niveaux de vibration. Des mesures supplémentaires incluent l'analyse de la signature du courant moteur (MCSA) où les distorsions des formes d'onde de courant d'un moteur peuvent extrapoler le défaut particulier en fonction de l'amplitude du pic et de la fréquence à laquelle le pic se produit. Cette méthode de mesure est souvent réalisée au moyen d'un transformateur de courant à pince (TC).

Outre les accéléromètres et les capteurs de courant, les capteurs de température, d'humidité, de pression et de niveau sont souvent utilisés dans les IWSN. Dans les applications de surveillance des actifs, par exemple, le suivi du niveau de remplissage des réservoirs de mélange chimiques, alimentaires et pharmaceutiques est primordial pour garantir que les ingrédients sont introduits à des valeurs précises. Dans ces cas, des capteurs de pression peuvent être utilisés ou divers capteurs de niveau de liquide peuvent être utilisés pour mesurer le niveau de remplissage du réservoir. La surveillance du débit d'air ou du débit de liquide peut être réalisée à l'aide de capteurs de pression et de liquide ainsi que dans les systèmes de filtration d'air industriels ou dans les systèmes HVAC commerciaux. Dans les installations de traitement et de gestion de l'eau, les filtres présentent des différentiels de pression au niveau des conduites d'affluent (entrée) et d'effluent (sortie) où les performances et le colmatage peuvent être suivis et détectés par des capteurs de pression.

Un certain nombre de principes fondamentaux sous-jacents (optique, électromagnétique, radar, mécanique, ultrasonique, acoustique, etc.) peuvent être exploités pour obtenir le même résultat de détection. Cette variété peut être trouvée pour les capteurs de niveau, d'humidité et de température. Le choix de la technologie est un équilibre entre le prix, la précision, le facteur de forme, la facilité d'installation/d'étalonnage, le taux de réponse et la surveillance continue ou discrète. Les sections suivantes aborderont certains des capteurs couramment utilisés dans les IWSN.

Un aperçu des capteurs couramment utilisés

Accéléromètres – Comme indiqué précédemment, les accéléromètres sont un composant essentiel pour la surveillance des équipements de la machine pour les données vibratoires. Cela se produit en collectant des paramètres tels que l'accélération, la décélération et le choc à partir des données de tension. Ceci est transformé en vibrodiagnostics dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel. Dans l'analyse dans le domaine temporel, la collecte et la distribution d'échantillons de signal permettent un changement notable du comportement de la machine au fil du temps. Une forme simple d'analyse des vibrations dans le domaine temporel consiste à définir des "limites d'alarme" avec la vitesse quadratique moyenne (RMS) du boîtier de la machine (norme ISO 2372).

L'analyse dans le domaine temporel a généralement le revers de l'incapacité de détecter les défauts plus tôt, car davantage de données doivent être collectées pour noter une différence observable; cependant, les formes d'onde temporelles présentent les principaux avantages de classer un événement transitoire ou intermittent. Dans le domaine fréquentiel, les différents défauts produisent des différences apparentes dans le contenu de puissance spectrale (c'est-à-dire des pics de vitesse de vibration à différentes fréquences) qui permettent une meilleure isolation des défauts. Alors que l'analyse dans le domaine temporel est souvent utilisée pour examiner des problèmes déjà connus ou présentant des modèles très spécifiques recherchés, l'analyse dans le domaine fréquentiel permet une étude plus large du fonctionnement de la machine où l'identification des défauts est beaucoup plus évidente. Les accéléromètres multi-axes sont particulièrement précieux, car ils sont capables de collecter des données dans les directions axiale et radiale. Les accéléromètres peuvent suivre l'un de ces principes fondamentaux :capacitif, piézoélectrique ou piézorésistif.

Les plus couramment utilisés sont les accéléromètres capacitifs dans lesquels une masse d'épreuve suspendue à un ressort se déplace en déséquilibre sous une contrainte d'accélération. Ce déplacement est ensuite enregistré par des électrodes avec un changement de capacité qui produit finalement un taux d'accélération et une direction d'accélération. Les accéléromètres piézoélectriques utilisent également une masse d'épreuve; cependant, les déplacements de la masse d'épreuve provoquent à la place une contrainte de cisaillement sur le matériau piézoélectrique qui se traduit directement par une sortie électrique. Semblable aux capteurs de pression et de niveau répertoriés dans les capteurs précédents, un accéléromètre peut également exploiter le principe piézorésistif en utilisant une masse d'épreuve et des jauges de contrainte pour produire un résultat d'accélération.

Capteur de courant – Les applications industrielles des capteurs de courant peuvent inclure l'analyse MCSA pour l'équipement des machines, les compteurs intelligents et les applications impliquant des alimentations électriques (par exemple, commande d'onduleur, alimentations sans coupure, soudage, etc.). Les capteurs de courant exploitent l'un des quatre principes de base :la loi d'Ohm, la loi de Faraday, l'effet Faraday ou la détection de champ magnétique.

Un capteur de courant résistif de type shunt tirerait parti de la loi d'Ohm et consiste en un élément résistif qui agit en série avec le conducteur porteur de courant dont la valeur de courant est souhaitée. De cette façon, une partie du courant traverse l'élément, provoquant une chute de tension proportionnelle au courant qui le traverse.

La figure 2 illustre une vue d'ensemble des différentes technologies de capteurs. Les transformateurs de courant (TC) exploitent la loi d'induction de Faraday. Le transformateur implique plusieurs enroulements autour d'un noyau magnétique à haute perméabilité magnétique. L'enroulement primaire, ou le conducteur porteur de courant, peut être soit de quelques tours, soit simplement une ligne traversant le noyau. Le courant alternatif circulant dans l'enroulement primaire concentre les lignes de flux magnétiques dans le noyau, ou concentrateur de flux, qui à son tour induit un courant dans l'enroulement secondaire qui est directement proportionnel au courant dans l'enroulement primaire, offrant une mesure du flux de courant.

Une bobine de rogowski utilise le même principe, mais avec un noyau avec une perméabilité magnétique similaire à l'air. La tension induite dans l'enroulement secondaire est proportionnelle à la dérivée temporelle du courant souhaité. Par conséquent, l'enroulement secondaire d'une bobine de rogowski se termine par un circuit intégrateur d'amplificateur opérationnel.

Les capteurs de champ magnétique à effet Hall sont également exploités dans une architecture en boucle ouverte ou en boucle fermée. L'effet Hall décrit simplement le vecteur de tension perpendiculaire qui est généré en présence d'un courant et d'un champ magnétique traversant une bande de métal. Une configuration en boucle ouverte ressemble au transformateur de courant en ce que le conducteur porteur de courant passe par le centre d'un noyau magnétique à haute perméabilité magnétique. Un capteur à effet Hall est placé dans un espace dans le noyau, créant une tension proportionnelle au courant. Cette tension nécessite cependant un amplificateur, car la tension de sortie est faible.

Une configuration en boucle fermée implique à la place une bobine de compensation, ou enroulement secondaire, qui produit un champ qui s'oppose au courant dans le conducteur porteur de courant de sorte qu'aucun champ magnétique n'est vu au niveau du capteur à effet Hall. L'enroulement secondaire est piloté par des amplificateurs dans le circuit intégré de détection de courant et se termine par une résistance de charge. Le courant dans le conducteur porteur de courant est proportionnel à la tension à cette résistance de sortie.

Capteur de pression – Le terme capteur de pression est généralement utilisé comme un terme global qui inclut le capteur de pression, les transducteurs de pression et les transmetteurs de pression. En général, les capteurs de pression produisent un signal de sortie de 10 mV où ce signal de sortie peut être utilisé à une distance de 10 à 20 pieds des appareils électriques sans perte de signal notable. Les transducteurs de pression produisent des sorties de tension plus élevées (0,5 à 4,5 V) qui peuvent se déplacer au-delà de 20 pieds sans dégradation du signal. Les transmetteurs de pression offrent un signal de sortie courant de 4 à 20 mA. Les capteurs de pression peuvent être disponibles dans un certain nombre de configurations, notamment de type pont de Wheatstone/piézorésistif, capacitif, électromagnétique, piézoélectrique et optique.

Cet article se concentre sur le type de capteurs de pression le plus courant :la configuration de type pont/piézorésistif (Figure 3). Les capteurs de pression les plus courants reposent sur l'effet piézorésistif où le changement de résistance qui se produit lorsqu'un matériau est déformé est en corrélation avec la pression à laquelle le matériau est soumis. En règle générale, ces capteurs ont un diaphragme de mesure où le côté du diaphragme qui fait face au gaz/liquide (c'est-à-dire le fluide hydraulique, l'eau, l'huile, etc.) est exposé à une pression de « référence » tandis que l'autre côté du diaphragme est exposé. à haute pression. Dans ce cas, la membrane fléchit/se déforme en conséquence et des jauges de contrainte mesurent la différence de pression entre chacune pour transduire cette information en une grandeur électrique prête à être transmise.

Les jauges de contrainte agissent essentiellement comme des éléments résistifs dont le changement de résistance est proportionnel à la quantité de contrainte qui leur est appliquée. Ces jauges de contrainte sont soit du type à feuille collée fabriquée par un processus de dépôt par pulvérisation cathodique, soit une jauge de contrainte de type silicium à diffusion également connue sous le nom de jauge de contrainte à semi-conducteur, car elle est produite en diffusant des impuretés dans un diaphragme à base de silicium. La jauge de contrainte à base de feuille a l'avantage de résister à des pressions plus élevées tandis que la jauge de contrainte à base de semi-conducteur offre une sensibilité plus élevée, de sorte qu'elle est souvent exploitée à des pressions plus basses. Cependant, les jauges de contrainte en silicium sont fortement influencées par la température et ont donc tendance à avoir des températures de fonctionnement inférieures à celles des jauges de contrainte à feuille.

Capteur de niveau de liquide – Les capteurs de niveau détectent la quantité de liquide, de poudres ou de matériaux granulaires (par exemple, des granulés) dans un conteneur. À l'instar du capteur de pression, cette mesure peut être effectuée de différentes manières. Le tableau ci-dessus répertorie certaines des méthodes avec une description et quelques considérations majeures pour chaque type de capteur de niveau. Cette section se concentrera sur le capteur hydrostatique à base de diaphragme.

Le capteur de niveau hydrostatique, en particulier, repose sur les mêmes principes piézorésistifs fondamentaux que le capteur de type pont trouvé dans le capteur de pression. En fait, ce type de capteur de niveau de liquide est un capteur de pression où le niveau de liquide montant/descendant dans un réservoir est corrélé à un changement de pression dans le diaphragme et maintient ainsi une relation hautement linéaire avec la profondeur de liquide dans le réservoir. Comme le montre l'équation ci-dessous, la pression statique (P) de liquide équivaut à la gravité spécifique du liquide (γ) et à la hauteur du liquide ( h ).

P =γ*h

Conclusion

Comprendre les technologies de capteurs sous-jacentes utilisées dans les applications de surveillance industrielle peut offrir un aperçu à toute personne impliquée dans la conception et le développement de systèmes industriels. Chaque capteur peut tirer parti d'une variété de principes fondamentaux, chacun ayant ses propres avantages et considérations respectifs pour l'application. La collecte et la diffusion des données acquises à partir de ces capteurs peuvent impliquer une dorsale câblée ou sans fil où l'IIoT en particulier a le potentiel d'une analyse de données plus complexe pour de futures applications industrielles.

Cet article a été rédigé par Tinu Oza, Product Line Manager chez L-com, North Andover, MA. Pour plus d'informations, rendez-vous ici .

Référence

1. Lewis, Joe. Manuel de mesure et de détection du niveau de solides . Momentum Press, 2014.