Surveillance proactive de l'état des machines d'usine : prévenir les temps d'arrêt et renforcer la fiabilité

La surveillance de l'état ou la surveillance de condition est utilisée depuis de nombreuses années sur les machines et les installations où le coût d'un arrêt est élevé. Elle peut permettre d'anticiper les défaillances et de planifier la maintenance ou les réparations pour la moindre perte de production, ainsi que d'éviter la maintenance périodique inutile.

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

Avec l'utilisation croissante de dispositifs intelligents sur les machines et installations, qui peuvent être mis en réseau et leurs données collectées à distance à faible coût, la possibilité de surveillance de l'état des installations augmente rapidement. Il y a beaucoup d'informations disponibles sur le web donnant des idées et offrant des produits pour la surveillance.

Dans cet article de blog, je pointerai vers une gamme de techniques qui tirent parti de la position spéciale du variateur de vitesse dans la machine afin d'accéder à d'autres données utiles.

Sécurité des machines sur le plancher d'usine

En général, 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 du processus d'installation. Des capteurs simples tels que des sondes thermiques et des accéléromètres peuvent être fixés sur des parties accessibles et donner une richesse de données.

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

Une simple mesure d'amplitude peut donner un avertissement général de défauts potentiellement dommageables, tandis qu'une analyse de fréquence plus approfondie peut être capable de concentrer l'attention sur des parties particulières, surtout s'il y a différentes vitesses de rotation impliquées comme dans les réducteurs ou les entraînements par courroie.

Surveillance de l'état des machines ou installations à l'aide d'un variateur de vitesse

Le variateur de vitesse est dans une position unique dans une machine car il fournit généralement la puissance motrice. C'est un dispositif intelligent qui est étroitement couplé aux parties fonctionnelles d'une machine via le 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, à coût virtuellement nul.

Pour commencer, le variateur a ses propres capteurs internes pour diverses températures internes et le courant du moteur, qui sont fournis par le fabricant pour prévenir les dommages au variateur ou au moteur dus à des conditions anormales. Il peut également avoir un capteur de température du moteur connecté. Ces données sont disponibles en tant que paramètres du variateur et peuvent être consultées périodiquement pour donner un avertissement s'elles approchent d'une limite, et pour analyser les tendances.

Dans un système de contrôle en boucle fermée tel qu'un variateur servo, 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 drapeau si l'erreur dépasse un seuil – cela pourrait indiquer un dysfonctionnement tel qu'une rigidité accrue (saisie imminente, obstruction ou dommage) ou du jeu (dû à l'usure).

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

Pour l'erreur de suivi, il doit y avoir au moins un transducteur 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 qui est difficile à obtenir par instrumentation externe – le couple du moteur.

Mesure du couple moteur

Pour mesurer le couple moteur conventionnellement à l'aide d'un transducteur, on installe le plus souvent une jauge de contrainte ou une cellule de charge dans la fixation du carter du moteur. Cela nécessite un montage de moteur spécial pour donner une mesure sensée du couple, et la mesure est affectée par le moment d'inertie du lourd cadre du moteur qui réduit la sensibilité aux fréquences plus élevées.

Même plus difficile est de mesurer le couple d'arbre dynamique réel, car cela nécessite une jauge de contrainte rotative fixée à l'arbre, avec téléométrie pour transmettre les données du côté fixe. C'est une opération coûteuse, et elle est rarement faite même pour un test spécial. Il est peu probable qu'il s'agisse d'une installation permanente.

Le variateur a cependant des données internes pour le courant producteur de couple dans le moteur, ce qui est un bon proxy pour le couple d'arbre, disponible sans frais ! Les données sont même disponibles lorsque le moteur lui-même est inaccessible, que ce soit profondément à l'intérieur 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 variateur simple en boucle ouverte, les données de couple sont suffisantes pour de nombreux usages, sauf aux vitesses les plus basses.

Une fois que nous apprécions que les données de couple sont disponibles dans le variateur à coût virtuellement nul, ainsi que les données de vitesse correspondantes, nous pouvons entrer dans un nouveau domaine pour la surveillance des machines et installations. Ce qui suit est une gamme de possibilités que nous avons rencontrées chez Control Techniques.

Les lecteurs peuvent avoir de nouvelles idées pour des types particuliers de machines – cela prend une connaissance détaillée de la machine pour inventer de nouvelles méthodes pour utiliser les données de couple libérées par le variateur.

La liste suivante montre les informations que le variateur a, ou pourrait avoir à coût modeste, toutes pouvant être surveillées et corrélées pour générer des informations utiles sur la machine :

Limites simples pour couple moyen ou de pointe

Les données de couple en temps réel peuvent être lissées pour donner une valeur moyenne courante lorsque le variateur est actif, ou la valeur de pointe peut être capturée sur une échelle de temps choisie pour convenir à l'application, cela pourrait être n'importe quoi de millisecondes à jours selon le processus. Une alarme peut être générée si la valeur sort d'une plage attendue (c'est-à-dire qu'elle dépasse une valeur attendue ou, moins couramment, tombe en dessous d'une valeur attendue).

Tendances du 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 réglées 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 motif bien défini. Par exemple, un ventilateur ou une pompe entraînant un fluide à travers un conduit, tuyau ou boucle fixe, ou un réseau d'entre eux, aura une courbe couple/vitesse bien définie. Toute déviation significative de la courbe normale indique un changement qui pourrait représenter un problème. Quelques exemples sont :

Couple bas :

• Courroie d'entraînement cassée ou autre couplage
• Perte de fluide dans la pompe
• Obstruction au flux, ex. filtre ou grille bouché (pour un type de pompe ou ventilateur à impulseur, pourrait s'appliquer aussi aux convoyeurs, etc.)
• Accumulation de dépôts sur le rotor du ventilateur ou de la pompe
• Cavitation dans une pompe due à l'entrée d'air, tourbillon ou autres défauts (cause aussi des pulsations – voir ci-dessous)

Couple élevé :

• Saisie du rotor ou d'autres pièces (partielle ou totale)
• Obstruction au flux (type pompe à déplacement positif)
• Fuite majeure (type pompe ou ventilateur à impulseur)

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

Les données de couple doivent être soumises à un filtrage passe-bas ou une moyenne suffisante pour empêcher les effets dynamiques (couple d'accélération) ou les pulsations normales de générer de fausses alarmes.

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

Corrélations multi-variables

Dans des processus plus complexes, le couple dépendra de plusieurs variables, qui peuvent ou non être disponibles pour le variateur. Par exemple, considérez un ventilateur entraînant de l'air à travers un système de conduits, certains ayant des registres de réglage pour varier le flux d'air local. La courbe couple/vitesse dépend alors des positions des registres.

Si des données sont disponibles concernant l'état du registre, ou la chute de pression sur les registres, alors une corrélation multi-variable peut être possible pour en tenir compte. La Figure 2 donne une simple illustration du cas avec deux branches de conduits avec registres.

Une autre possibilité est d'utiliser les valeurs mesurées de couple et de vitesse pour déduire le débit et la pression à la pompe ou au ventilateur à partir de leurs courbes caractéristiques, qui pourraient alors être comparées avec une valeur mesurée par un transducteur. Toute divergence pourrait 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 l'analyse dynamique. Il est assez courant que la bande passante du 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 tel taux élevé – le canal de communication de données limite généralement l'accès aux données à environ un intervalle d'échantillonnage de 250 ms.

Les données de couple se rapportent au 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 contrôle du moteur. Ceux-ci forment un filtre passe-bas dont les caractéristiques pourraient 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 précisément calibrée pour que les comparaisons ou l'analyse de tendance soient réussies.

En pratique, des pulsations avec des fréquences dans la région de 100 – 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 (amplitude globale de pulsation de torsion ou de fluctuation, amplitude quadratique moyenne avec ou sans moyenne temporelle, valeurs de pointe ou valeurs de pointe négatives) ou dans le domaine fréquentiel par une transformation de Fourier par rapport au temps ou à une autre variable telle que la position. Cela peut alors permettre de détecter des changements en développement, spécifiquement dans le motif de pulsation de torsion :

• Amplitude de vibration torsionnelle excessive, large bande ou bande limitée, ex. pièces de machine cassées ou cavitation dans les pompes
• Couples de pointe excessifs qui pourraient entraîner des dommages mécaniques ou une usure prématurée
• Inversions de couple fréquentes qui peuvent causer du cliquetis d'engrenages résultant en usure ou rupture prématurée
• Résonances torsionnelles, ex. couplages lâches, résultant en pics dans le spectre de fréquence dont la fréquence est indépendante de la vitesse bien qu'elles puissent être amplifiées à certaines vitesses
• Pulsations torsionnelles, avec un ou plusieurs cycles par révolution, ex. arbre fissuré, impulseur ou dommage de dent d'engrenage ou autre dommage mécanique, avec la possibilité de tracer la source dans une machine complexe à partir de la fréquence des pics spectraux, la vitesse, et une connaissance des rapports de réducteur ou autres rapports d'entraînement.

Analyse dynamique du couple avec corrélation de vitesse

Dans certains des exemples donnés ci-dessus, il est clairement bénéfique 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 révolution) ou un multiple de celle-ci (ex. un arbre fissuré donne deux fois par révolution, les impulseurs peuvent être à N fois par révolution, les dents d'engrenage à N ou N₁/N₂ – par révolution).

Il peut être utile de générer des graphiques composés d'analyse spectrale de vibration avec la vitesse, qui différencieront clairement les effets N-par-révolution des effets de résonance dont la fréquence est fixe mais pourrait être stimulée seulement dans certaines plages de vitesse. Ceux-ci sont appelés graphiques en cascade ou graphiques en chute d'eau, et sont largement offerts par les fournisseurs d'équipements d'analyse de vibration.

Prudence – taux d'échantillonnage et repliement

De la prudence est nécessaire dans les systèmes avec des pulsations de couple rapides. Les données de couple sont échantillonnées à un taux qui pourrait être limité par la capacité du variateur à stocker ou exporter les données au taux où elles sont acquises en interne. La fréquence d'échantillonnage produira des erreurs de repliement 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 confus dans la région d'intérêt.

Un avantage supplémentaire des graphiques en cascade est que les produits de repliement sont clairement visibles, leur fréquence tombant à mesure que la vitesse augmente alors qu'avec les effets authentiques, la fréquence augmente ou reste constante.

Analyse par 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 l'opération réelle avec l'attente. Même si l'échelle d'amplitude est incertaine, les fréquences sont uniques et les 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 conditions d'alarme générées pour développer un diagnostic pour l'installation.

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

En conclusion

Les idées données ci-dessus sont générales, basées sur une image large d'une machine avec des pièces tournantes, couplages et 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.