Capteurs de vibration avancés pour l'IIoT : renforcer la maintenance prédictive et la fiabilité des actifs

L'analyse vibratoire est une technologie clé dans le monde en constante évolution de l'IIoT et de la maintenance prédictive.

C'est peut-être LA technologie clé pour évaluer la santé des actifs rotatifs dans l'industrie et donner à votre organisation une alerte précoce de détérioration et de défaillance imminente d'actif.

Elle assure une haute disponibilité des actifs tout au long du cycle de vie.

Mais de quoi s'agit-il exactement ?

Les bases de la vibration

Simplement dit, la vibration est l'oscillation ou le mouvement d'un actif ou composant d'avant en arrière par rapport à sa position de repos.

Pensez à un pendule relâché de son point le plus haut.

Il va osciller d'avant en arrière jusqu'à ce que toute l'énergie de vibration se soit dissipée. Et puis il revient à sa position de repos.

La seule différence avec vos actifs, c'est que la vibration s'arrête seulement quand l'énergie de rotation de l'actif s'arrête. La source d'énergie primaire — généralement le moteur — doit s'arrêter pour que la vibration cesse.

Mais un phénomène aussi simple que la vibration peut-il vous dire ce qui ne va pas dans vos actifs ?

Oui !

Les paramètres de vibration mesurés tels que l'amplitude, le RMS et la période vous permettent de calculer et de voir les forces mécaniques, rotationnelles et de friction qui se produisent dans vos actifs.

Source : https://www.motioncontroltips.com/how-is-machine-vibration-defined/

Les forces à l'intérieur de l'actif ou de l'équipement causent la vibration et celle-ci est généralement mesurée au niveau du corps de roulement. Les forces proviennent des éléments rotatifs dans l'actif tels que rotors, engrenages, arbres, roulements et impulseurs.

Toutes les forces et vibrations ne sont pas de mauvaises nouvelles.

Mais quand elles le sont, nous utilisons une Transformée de Fourier Rapide (TFR/FFT) pour pouvoir les visualiser dans les domaines temporel et spectral.

Source : https://www.motioncontroltips.com/how-are-fast-fourier-transforms-used-in-vibration-analysis/

C'est ici que nous pouvons voir leurs fréquences et amplitudes individuelles — en accélération ou en vitesse — et relier leurs motifs à des défauts d'actifs spécifiques.

Quels types de défauts peut-elle détecter ?

Il y a beaucoup de défauts potentiels que l'analyse vibratoire peut détecter, en voici quelques-uns :

• Roulements usés
• Cavitation de pompe
• Désalignement actif-à-actif
• Usure des dents d'engrenage
• Fissures structurelles dans les fondations d'actif
• Manque de lubrification
• Courroies d'entraînement usées
• Résonance

L'un de ces défauts vous a-t-il causé des temps d'arrêt significatifs ou des maux de tête dans votre usine ?

On parie que oui !

Les avantages de l'analyse vibratoire et de la maintenance basée sur l'état en général sont bien connus :

• Disponibilité d'actifs plus élevée
• Production accrue
• Moins de temps d'arrêt non planifiés
• Coûts de maintenance et de cycle de vie réduits
• Ressources humaines optimisées
• Interventions préventives invasives réduites (révisions et remplacements de composants)
• Planification et ordonnancement de maintenance améliorés
• Meilleure prévision des pièces de rechange
• Informations d'analyse des causes racines pour élimination des défauts

L'analyse vibratoire est une technologie de maintenance prédictive mature et utilisée dans presque toutes les industries imaginables. C'est une technologie prédictive de référence dans des secteurs verticaux tels que pétrole et gaz, agroalimentaire, papier et pâte à papier, sidérurgie, automobile, minier, aviation, nucléaire, chimie et bien d'autres.

Qu'en est-il du processus de surveillance d'état et d'analyse vibratoire ?

Analyse vibratoire

Le processus de surveillance d'état est simple et peut être divisé en trois parties : détection, diagnostic et pronostic. Regardons-les :

Détection — Que vous collectiez des données manuellement toutes les quatre semaines ou à l'heure avec un système « en ligne », les données peuvent être mises en tendance. Ce que vous mettez vraiment en tendance, c'est la sévérité de la vibration au niveau du corps de roulement.

D'abord, c'est une bonne pratique de définir des niveaux de base pour tous vos actifs. C'est pour connaître leurs niveaux opérationnels normaux — en supposant qu'ils soient en bon état au départ.

Une fois que la vibration franchit un niveau d'alarme préétabli (en mm/s ou en G par exemple), il est temps d'approfondir l'investigation. Il existe des normes internationales pour vous aider à définir vos niveaux d'alarme, comme la série ISO 10816.

Diagnostic — La question ici est : qu'est-ce qui ne va pas avec la machine ?

Maintenant, bien que vous mesuriez la vibration au niveau du roulement, cela ne signifie pas que la fonction de forcing du défaut est le résultat d'un roulement défectueux. Ce pourrait être une multitude de causes. Regardez ici quelques raisons typiques d'usure de roulement que vous pouvez détecter avec l'analyse vibratoire :

• Usure de roulement due au désalignement
• Usure de roulement due au pied mou (soft foot)
• Usure de roulement due au déséquilibre
• Usure de roulement due au desserrage

Et comment les trouvez-vous ?

Plus tôt, nous avons vu comment des signaux de vibration complexes peuvent être visualisés dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel. C'est là que l'analyse est effectuée. Les deux domaines contiennent des informations précieuses pour diagnostiquer les défauts d'équipement courants. Le domaine temporel nous montre la sévérité de la vibration en fonction du temps. Utile pour diagnostiquer les défauts de roulement, cavitation, déséquilibre, battement de vibration, et dommages aux dents d'engrenage. Le domaine fréquentiel nous montre les fréquences individuelles qui composent la vibration complexe. Il est particulièrement bon pour diagnostiquer les défauts de roulement aussi, plus le desserrage, déséquilibre, désalignement, problèmes de courroie, manque de lubrification, pied mou, et bien plus.

Pronostic — C'est la question la plus difficile de toutes. Combien de temps avant qu'il ne lâche ?

Les machines sont souvent complexes et exhibent un comportement mécanique complexe. Aucunes deux ne sont identiques.

Estimer combien de temps un moteur ou une pompe durera une fois un défaut détecté est très difficile. Mais cela peut se baser sur la pente de la tendance vibratoire. À quelle vitesse la sévérité de la vibration grimpe-t-elle dans le temps ? Une fois que vous détectez un défaut naissant, vous pouvez prendre des mesures de vibration plus régulières — surtout sur les installations critiques. Vous pouvez aussi estimer la durée de vie utile restante si vous avez des données sur des défaillances passées ou une bonne compréhension de la courbe P-F (Défaillance Potentielle – Défaillance) spécifique pour l'équipement. La phase de pronostic est difficile, mais si vous avez de bonnes données et une bonne connaissance de l'équipement, vous pouvez réduire le risque de défaillance inattendue.

L'essentiel est de concentrer votre temps sur les problèmes courants trouvés sur les équipements rotatifs. Ceux que nous avons déjà mentionnés — désalignement, usure de roulement, desserrage, et déséquilibre — sont les plus courants. Ne passez pas trop de temps sur les problèmes exotiques et rares.

Imaginez que vous conduisez votre voiture. Graduellement, sur plusieurs semaines, elle se met à trembler de plus en plus quand vous accélérez à travers les rapports. La sévérité de la vibration a augmenté. Vous l'amenez au garage, et ils vont chercher les problèmes courants. Déséquilibre de roue ou pression de pneu basse. Ils ne vont pas démonter la boîte de vitesses pour chercher des dents d'engrenage manquantes ou des engrenages excentriques.

C'est ça la surveillance d'état : se concentrer sur les problèmes courants.

Et les diagnostiquer avec précision et rapidité.

Capteurs de vibration sans fil

Les capteurs de vibration ont beaucoup changé.

Revolus (ou en voie de l'être) les accéléromètres lourds, câblés, à alimentation externe, mono-axe du passé. Aujourd'hui, vous verrez plus probablement des capteurs de vibration sans fil, Bluetooth, à batterie, 3 axes. Vous constaterez qu'ils peuvent être des enregistreurs de données, « se réveiller » et enregistrer quand certains seuils de vibration sont franchis, avoir des niveaux d'alarme ISO intégrés, et beaucoup peuvent aussi enregistrer la température de l'actif.

Source : https://www.machinesentry.com/products/hardware/msf-1

Les fournisseurs traditionnels de surveillance d'état changent leurs gammes de produits et modèles d'affaires alors que nous entrons dans l'ère de l'industrie 4.0, et il y a beaucoup de nouveaux entrants plus jeunes sur le marché qui challengent le statu quo et perturbent les vieux modèles d'affaires.

Analyse vibratoire : le AVANT & APRÈS

Donc, on sait que la surveillance d'état — et plus spécifiquement l'analyse vibratoire — a changé, non ?

Mais regardons comment ça a changé en termes pratiques.

AVANT — le travail manuel était la norme. D'abord, des permis peuvent être requis pour accéder à certains actifs pour des raisons de sécurité. Dans la plupart des usines mondiales, c'est 15 à 30 minutes de votre temps parties. De retour au bureau, un technicien devait télécharger une « tournée » sur son collecteur de données. Il partait ensuite arpenter l'usine avec un accéléromètre câblé et un collecteur de données (généralement lourd !). Le technicien ne visitait que les machines à haute criticité, et mesurait chaque axe (X, Y, Z) à chaque roulement individuellement. Il pouvait passer 5 à 15 minutes par machine. Avec les pieds fatigués, il retournait au bureau et téléversait les données vers un logiciel propriétaire sur un ordinateur autonome. Cela signifiait que les données ne résidaient que sur cet ordinateur et que seules les personnes ayant accès pouvaient les consulter.

Rien sur le cloud.

Espérons qu'ils n'oubliaient pas de signer la fin du permis de sécurité non plus.

L'analyste vibratoire passait ensuite au crible des tonnes de données, analysait manuellement et mettait à jour son tableau Excel ou document Word. Une fois fait, il envoyait par email ses recommandations et rapports aux planificateurs et superviseurs de maintenance.

Et on croise les doigts !

Après 4 semaines, ils répétaient ce cycle.

(4 semaines a toujours été le cycle par défaut pour la plupart des analystes vibratoire pour collecter des données. Pas beaucoup de réflexion n'a jamais été portée sur le pourquoi.)

Mais les choses changent maintenant…

APRÈS — Tout le processus est maintenant beaucoup plus automatisé.

Plus de permis de sécurité, et peu ou pas de marche !

Des capteurs de vibration sans fil, 3 axes, sont installés de façon permanente sur l'actif (avec un aimant, de la colle ou des goujons) et la batterie peut devoir être remplacée tous les 3 ans environ. Les données sont envoyées à une passerelle montée localement qui est connectée au signal Wi-Fi de l'usine. La passerelle envoie ensuite les données vers un logiciel cloud accessible par quiconque a un login, de n'importe où dans le monde. Au lieu de données collectées toutes les 4 semaines, c'est configurable — souvent jusqu'à toutes les 60 secondes si nécessaire.

Source : https://www.pruftechnik.com/en-GB/Products-and-Services/Condition-Monitoring-Systems/Online-Condition-Monitoring/

Il reste l'option de téléverser manuellement les données depuis les capteurs sans fil avec un appareil connecté en Bluetooth comme une tablette ou un téléphone. L'avantage ici est qu'un technicien peut faire le tour et effectuer une inspection visuelle de l'actif en même temps si nécessaire, ainsi que prendre des photos et faire des notes d'inspection.

Le capteur peut même être « mobile » et déplacé temporairement vers d'autres actifs pour du dépannage.

Les niveaux d'alarme peuvent être fixés selon les normes ISO ou configurés par actif. Quand les alarmes sont franchies, des emails automatisés sont envoyés aux parties prenantes clés pour les avertir de problèmes imminents ou du besoin d'analyse vibratoire ou d'analyse des causes racines.

Grâce aux économies d'échelle, bien plus d'actifs peuvent être surveillés que dans le modèle traditionnel, pas seulement les actifs critiques.

L'analyse manuelle des données est encore courante, mais à mesure que nous avançons dans la transformation numérique de l'industrie 4.0 et de l'IIoT, nous nous dirigeons de plus en plus vers la maintenance prédictive, l'apprentissage automatique, et les algorithmes jouant un rôle clé dans l'analyse.

Regardons maintenant une simple catégorisation de deux types de capteurs : capteurs de balayage (scanning) et capteurs de criblage (screening).

Capteurs de balayage (Scanning sensors)

Ce sont les capteurs de vibration plus chers adaptés aux actifs critiques d'une entreprise. Ces capteurs contiennent généralement des auto-diagnostics et de la validation de mesure vibratoire. Ils ont un degré d'intelligence et effectuent un volume élevé de traitement de données. C'est parce qu'après validation des données, ils envoient les informations des domaines temporel et fréquentiel vers la passerelle et le logiciel cloud pour analyse plus approfondie. Vous n'iriez pas typiquement au coût d'installer ces capteurs sur des actifs de criticité inférieure et utilitaires. Ils ont aussi souvent des capteurs de température intégrés pour que la température long terme puisse être mise en tendance aux côtés de la vibration.

Capteurs de criblage (Screening sensors)

Ces capteurs sont beaucoup moins chers et s'appliquent aux actifs de criticité inférieure et utilitaires. Mais ils sont bien adaptés à l'approche IIoT. Ils enregistrent souvent seulement les valeurs de vibration globales et de crête — c'est-à-dire pas les informations des domaines temporel et fréquentiel. Cela transfère un faible volume de données. Mais l'essentiel est qu'étant donné leur faible coût, ils peuvent être utilisés sur bien plus d'actifs que les capteurs de balayage. Ils captureront des données sur les actifs souvent négligés et ignorés — mais dont la défaillance peut encore causer pertes de production, coûts gaspillés, et maux de tête organisationnels.

Quel est le flux de travail ?

Alors que nous avançons rapidement dans la transformation numérique et l'IIoT, le flux de travail de surveillance vibratoire est essentiellement le même. Ce qui a changé, c'est que moins de temps est gaspillé en analyses inutiles, et les coûts ont significativement réduit. Voici le flux de travail typique aujourd'hui :

Ce flux de travail simple vous permettra de concentrer vos ressources là où elles sont nécessaires.

En avoir plus pour votre argent !

Les grandes économies sont faites grâce à la collecte automatisée des données et au filtrage des actifs sains. C'est là que les entreprises modernes, intensives en actifs et opérationnellement efficientes font des gains significatifs sur leur parcours vers l'excellence, la connectivité, et l'internet industriel des objets.

Soyez compétitif.

Et faites partie de ce voyage moderne, piloté par les données, vers des coûts plus bas, des risques plus bas, et une performance d'actif et d'entreprise accrue.

À lire ensuite : Guide complet de l'IIoT dans la maintenance