Surveillance de la santé des machines de l'usine

Surveillance de santé ou la surveillance de l'état est utilisée depuis de nombreuses années sur les machines et les installations où le coût d'une panne est élevé. Il peut permettre d'anticiper les pannes et de planifier la maintenance ou les réparations pour la moindre perte de production, ainsi que d'éviter les maintenances périodiques inutiles.

Cela peut être aussi simple qu'une personne visitant l'usine à intervalles réguliers avec des instruments portables tels qu'une caméra thermique et un analyseur de vibrations, ou cela peut être installé en permanence afin que les données puissent être collectées à distance sur une longue période, les données analysées hors- ligne et tendances identifiées.

Avec l'utilisation croissante d'appareils intelligents sur les machines et les installations, qui peuvent être mis en réseau et leurs données collectées à distance à faible coût, les possibilités de surveillance de la santé des plantes augmentent rapidement. De nombreuses informations sont disponibles sur le Web, donnant des idées et proposant des produits de surveillance.

Dans cet article de blog, j'indiquerai une gamme de techniques qui tirent parti de la position particulière du entraînement à vitesse variable dans la machine afin d'accéder à d'autres données utiles.

Sécurité des machines dans l'atelier

D'une manière générale, les techniques appliquées doivent utiliser des capteurs à faible coût et être raisonnablement non invasives, afin d'éviter des coûts d'installation élevés et le risque de dommages dus au processus d'installation. Des capteurs simples tels que des sondes thermiques et accéléromètres peut être attaché à des parties accessibles et donner une mine de données.

Par exemple, un accéléromètre peut souvent être facilement monté sur un support de palier ou un carter de machine pour mesurer les vibrations radiales d'une machine tournante, et il peut détecter des défauts qui provoquent des forces déséquilibrées, telles que des pièces rotatives cassées, des arbres fissurés et des accouplements désalignés.

Une simple mesure d'amplitude peut donner un avertissement général de défauts potentiellement dommageables, tandis qu'une analyse de fréquence plus approfondie peut permettre d'attirer l'attention sur des pièces particulières, en particulier s'il existe différentes vitesses de rotation impliquées, comme dans les boîtes de vitesses ou les entraînements par courroie.

Surveillance de l'état de la machine ou de l'usine à l'aide d'un variateur de vitesse

Le variateur de vitesse occupe une position unique dans une machine puisqu'il fournit généralement la force motrice. Il s'agit d'un dispositif intelligent qui est étroitement couplé aux parties actives d'une machine par l'intermédiaire du moteur électrique. Il contient des informations qu'il utilise pour faire son travail de manière fiable, mais qui peuvent être consultées et analysées à peu ou pas de frais. En d'autres termes, il peut être utilisé comme un ensemble supplémentaire de capteurs, pratiquement sans frais.

Pour commencer, le variateur possède ses propres capteurs internes pour diverses températures internes et le courant du moteur, qui sont fournis par le fabricant pour éviter d'endommager le variateur ou le moteur en raison de conditions anormales. Un capteur de température du moteur peut également être connecté. Ces données sont disponibles en tant que paramètres de lecteur et peut être consulté périodiquement pour donner un avertissement s'il approche d'une limite et pour analyser les tendances.

Dans un système de contrôle en boucle fermée tel qu'un servo variateur, le variateur contient des données concernant les variables de contrôle. Il est assez courant, par exemple, de surveiller l'erreur de suivi dans une boucle de contrôle de position et de lever un indicateur si l'erreur dépasse un seuil - cela pourrait indiquer une sorte de dysfonctionnement tel qu'une rigidité accrue (grippage imminent, obstruction ou dommage ) ou jeu (d'usure ).

C'est une petite étape pour passer d'un simple seuil d'alarme à la surveillance de la tendance des données lissées et alerter l'utilisateur d'une situation en développement qui pourrait entraîner une défaillance future.

Pour l'erreur de poursuite, il doit y avoir au moins un capteur d'arbre installé, ce qui tend à être le cas dans les applications de contrôle de mouvement de précision . Dans toutes les applications, cependant, le variateur a également accès à une mesure spéciale difficile à obtenir par une instrumentation externe :le couple moteur.

Mesure du couple moteur

La mesure classique du couple moteur à l'aide d'un transducteur se fait le plus souvent en installant une jauge de contrainte ou une cellule de charge dans la fixation du carter du moteur. Cela nécessite un montage moteur spécial si l'on veut donner une mesure sensible du couple, et la mesure est affectée par le moment d'inertie du châssis lourd du moteur qui réduit la sensibilité aux fréquences plus élevées.

Il est encore plus difficile de mesurer le couple dynamique de l'arbre réel , car cela nécessite une jauge de contrainte rotative à fixer sur l'arbre, avec une télémétrie pour transmettre les données au côté fixe. Il s'agit d'une opération coûteuse et rarement effectuée même pour un test spécial. Il est peu probable qu'il s'agisse d'une installation permanente.

Le variateur dispose cependant de données internes pour le courant de production de couple dans le moteur, qui est un bon indicateur du couple de l'arbre, disponible gratuitement ! Les données sont même disponibles lorsque le moteur lui-même est inaccessible, que ce soit au plus profond d'une machine, sous l'eau ou dans une zone dangereuse. La précision de la mesure du couple est meilleure dans un système entièrement en boucle fermée, mais même dans un simple variateur en boucle ouverte, les données de couple sont suffisamment bonnes pour de nombreuses applications, sauf aux vitesses les plus basses.

Une fois que nous avons compris que les données de couple sont disponibles dans le variateur pratiquement sans frais, ainsi que les données de vitesse correspondantes, nous pouvons entrer dans un nouveau domaine pour la surveillance des machines et des installations. Voici une gamme de possibilités que nous avons rencontrées chez Control Techniques.

Les lecteurs peuvent avoir de nouvelles idées pour des types particuliers de machines - il faut une connaissance approfondie de la machine pour inventer de nouvelles méthodes d'utilisation des données de couple qui sont libérées par le variateur.

La liste suivante montre les informations que le lecteur possède, ou pourrait avoir à un coût modeste, qui peuvent toutes être surveillées et corrélées pour générer des informations utiles sur la machine :

Des limites simples pour le couple moyen ou maximal

Les données de couple en temps réel peuvent être lissées pour donner une valeur moyenne en cours lorsque le variateur est actif, ou la valeur maximale peut être capturée sur une échelle de temps choisie en fonction de l'application, cela peut aller de quelques millisecondes à plusieurs jours selon le processus. Une alarme peut être générée si la valeur se déplace en dehors d'une plage attendue (c'est-à-dire qu'elle dépasse une valeur attendue ou, moins fréquemment, tombe en dessous d'une valeur attendue).

Tendances de couple

Les mêmes données de couple peuvent être enregistrées et analysées pour la tendance dans le temps ou par rapport à toute autre variable, avec des alarmes définies pour indiquer une tendance malsaine.

Corrélations simples du couple moyen avec la vitesse

Dans de nombreux processus, le couple dépend fortement de la vitesse, selon un modèle bien défini. Par exemple, un ventilateur ou une pompe entraînant un fluide à travers un conduit, un tuyau ou une boucle fixe, ou un réseau de ceux-ci, aura une courbe couple/vitesse bien définie. Tout écart significatif par rapport à la courbe normale indique un changement qui pourrait représenter un problème. Voici quelques exemples :

Faible couple :

• Courroie d'entraînement ou autre accouplement cassé
• Perte de liquide dans la pompe
• Obstruction à l'écoulement, par ex. filtre ou tamis bloqué (pour une pompe ou un ventilateur de type turbine, cela pourrait également s'appliquer au convoyeur, etc.)
• Accumulation de dépôts sur le rotor du ventilateur ou de la pompe
• Cavitation dans une pompe due à une entrée d'air, un tourbillon ou d'autres défauts (provoque également des pulsations – voir ci-dessous)

Couple élevé :

• Saisie du rotor ou d'autres pièces (partielle ou totale)
• Obstruction du débit (type de pompe à déplacement positif)
• Fuite majeure (type roue de pompe ou ventilateur)

Un profil couple/vitesse peut être établi en dehors duquel un état d'alarme est généré, par exemple comme illustré à la Figure 1 :

Les données de couple doivent faire l'objet d'un filtrage passe-bas ou d'un moyennage suffisants pour éviter que des effets dynamiques (couple d'accélération) ou des pulsations normales ne génèrent de fausses alarmes.

D'autres variables peuvent avoir un impact, par exemple une pression de refoulement variable d'un fluide, les bandes de tolérance doivent donc être suffisamment larges pour éviter les fausses alarmes de cette cause.

Corrélations multi-variables

Dans les processus plus complexes, le couple dépendra de plusieurs variables, qui peuvent ou non être disponibles pour le variateur. Par exemple, considérez un ventilateur entraînant l'air à travers un système de conduits, dont certains ont des commandes de registre pour faire varier le débit d'air local. La courbe couple/vitesse dépend alors des positions des amortisseurs.

Si des données sont disponibles concernant l'état des amortisseurs ou la chute de pression sur les amortisseurs, une corrélation multivariable peut être possible pour tenir compte de cela. La figure 2 donne une illustration simple du cas avec deux branches de gaine avec registres.

Une autre possibilité consiste à utiliser les valeurs de couple et de vitesse mesurées pour déduire le débit et la pression au niveau de la pompe ou du ventilateur à partir de leurs courbes caractéristiques, qui pourraient ensuite être comparées à une valeur mesurée par un transducteur. Toute différence peut signifier soit que la pompe ou le ventilateur est défectueux, soit que le transducteur est défectueux.

Analyse dynamique du couple

Les données de couple dans le variateur ont une large bande passante et peuvent en principe être utilisées pour une analyse dynamique. Il est assez courant que la bande passante de couple soit de l'ordre de 1 kHz ou plus, bien qu'il puisse ne pas être possible d'accéder et d'analyser les données à un débit aussi élevé - le canal de communication de données limite généralement l'accès aux données à environ 250 intervalle d'échantillonnage en ms.

Les données de couple concernent le couple électrique dans le moteur, qui est transmis à l'arbre de sortie mais influencé par l'inertie du rotor du moteur et la rigidité effective de l'algorithme de commande du moteur. Ceux-ci forment un filtre passe-bas dont les caractéristiques peuvent ne pas être connues.

Dans un système entièrement en boucle fermée, il est possible de déduire la fonction de transfert et d'obtenir des données de couple d'arbre précises, de sorte que, par exemple, des inversions de couple à haute fréquence peuvent être détectées. Cependant, la mesure n'a pas besoin d'être calibrée avec précision pour que les comparaisons ou l'analyse des tendances soient réussies.

Dans la pratique, les pulsations avec des fréquences dans la région de 100 à 500 Hz ont été utilement surveillées à partir des données de couple électrique du moteur.

Des blocs de données peuvent être capturés en temps réel et soumis à une analyse dynamique hors ligne. L'analyse peut être dans le domaine temporel, par exemple en calculant l'amplitude des fluctuations (pulsation ou fluctuation de couple globale, amplitude efficace avec ou sans moyennage temporel, valeurs de crête ou valeurs négatives de crête) ou dans le domaine fréquentiel par une transformée de Fourier par rapport à au temps ou à une autre variable telle que la position. Cela peut alors permettre de détecter des changements en développement, en particulier dans le modèle de pulsation de couple :

• Amplitude de vibration globale de torsion excessive, à large bande ou à bande limitée, par ex. de pièces de machine cassées ou de cavitation dans les pompes
• Couple de pointe excessif pouvant entraîner des dommages mécaniques ou une usure prématurée
• Inversions de couple fréquentes qui peuvent provoquer un broutage des engrenages entraînant une usure ou une rupture prématurée
• Résonances de torsion, par ex. des couplages lâches, entraînant des pics dans le spectre de fréquence dont la fréquence est indépendante de la vitesse bien qu'ils puissent être renforcés à certaines vitesses
• Pulsions de torsion, avec un ou plusieurs cycles par tour, par ex. d'un arbre fissuré, d'un endommagement de la roue ou d'une dent d'engrenage ou d'autres dommages mécaniques, avec la possibilité de retracer la source dans une machine complexe à partir de la fréquence des pics spectraux, de la vitesse et d'une connaissance de la boîte de vitesses ou d'autres rapports d'entraînement.

Analyse dynamique du couple avec corrélation de vitesse

Dans certains des exemples donnés ci-dessus, il est clairement avantageux de considérer la vitesse de l'arbre en conjonction avec l'analyse dynamique du couple, car les pulsations liées à la rotation de l'arbre seront à la fréquence de rotation (effets une fois par tour) ou un multiple de celui-ci (par exemple, un arbre fissuré donne deux fois par tour, les roues peuvent être à N par tour, les dents d'engrenage à N ou N₁ /N₂ –par tour).

Il peut être utile de générer des tracés composés d'analyse spectrale de vibration avec la vitesse, ce qui différenciera clairement les effets N par tour des effets de résonance dont la fréquence est fixe mais qui pourraient être stimulées uniquement dans certaines plages de vitesse. Ceux-ci sont appelés tracés en cascade ou tracés en cascade et sont largement proposés par les fournisseurs d'équipements d'analyse des vibrations.

Attention - taux d'échantillonnage et aliasing

Des précautions sont nécessaires dans les systèmes avec des pulsations de couple rapides. Les données de couple sont échantillonnées à une fréquence qui peut être limitée par la capacité du variateur à stocker ou à exporter des données à la fréquence à laquelle elles sont acquises en interne. La fréquence d'échantillonnage produira des erreurs d'alias à des fréquences telles que (f_s – f_d ) où f_d est le contenu fréquentiel des données et f_s est la fréquence d'échantillonnage. f_s doit être maintenu au-dessus d'environ 3 fois f_d pour éviter de générer de nouveaux produits de fréquence déroutants dans la région d'intérêt.

Un avantage supplémentaire des diagrammes en cascade est que les produits alias sont clairement visibles, leur fréquence diminuant à mesure que la vitesse augmente alors qu'avec des effets réels, la fréquence augmente ou reste constante.

Analyse de l'intelligence artificielle

Dans tout ce qui précède, je me suis concentré sur les applications où une compréhension physique du processus est utilisée pour définir un comportement attendu, et les données disponibles sont utilisées pour comparer le fonctionnement réel avec l'attente. Même si la mise à l'échelle de l'amplitude est incertaine, les fréquences sont uniques et des tendances peuvent être identifiées.

L'avantage de cette approche est que les personnes impliquées dans le processus peuvent comprendre les données et travailler à partir des informations et des conditions d'alarme générées pour développer un diagnostic pour l'usine.

Une alternative consiste à utiliser une forme d'algorithme d'apprentissage automatique pour suivre toutes les données disponibles et viser à déduire les modèles de comportement normal et anormal. C'est un sujet de recherche en cours, par exemple https://phys.org/news/2016-02-scientist-ai-algorithm-machinery-health.html .

En conclusion

Les idées données ci-dessus sont des idées générales basées sur une vue d'ensemble d'une machine avec des pièces rotatives, des accouplements et des engrenages, ou une pompe ou un ventilateur. J'espère qu'en soulignant l'accès spécial que le variateur donne à certaines données précieuses, en particulier les données de couple dynamique, les concepteurs de machines pourront appliquer ces idées à leurs propres applications spécifiques et uniques.