A teljesítmény javítása több érzékelőt használó eszközfelügyelettel az Ipar 4.0-s gyárakban és a logisztikában, valamint az adatközpontokban

Az olyan paraméterek figyelése, mint a rezgés és a hőmérséklet, valós idejű adatokat szolgáltathat a gépek teljesítményéről és állapotáról, és ellátja a gyártókat a megelőző karbantartás ütemezéséhez, az állásidő csökkentéséhez és a termelékenység javításához szükséges adatokkal.

A logisztikai létesítményekben vagy szállítás közben a páratartalom- és hőmérséklet-ellenőrzés javíthatja az üzemi teljesítményt, és segíthet megóvni az olyan árukat, mint az oltóanyagok és a friss gyümölcsök és zöldségek. Vezetékes és vezeték nélkül csatlakoztatható környezetfelügyeleti rendszerek állnak rendelkezésre a különböző felhasználási területekhez, beleértve a vállalati és felhőalapú adatközpontokat is.

A rezgésfigyelés használható például a gépek lehetséges hibáinak azonosítására, még mielőtt azok bekövetkeznének. A Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (International Organization for Standardization) ISO 10816 szabványa fontos hivatkozási alap lehet. Útmutatást ad a szivattyúk, ventilátorok, kompresszorok, közlőművek, légfúvók, szárítók, prések és más hasonló, 10 Hz és 1000 Hz közötti rezgésifrekvencia-tartományban működő gépekben lévő villanymotorok rezgéserősségének értékeléséhez.

Ez a cikk néhány kulcsfontosságú szempontot mutat be arra nézve, hogy a figyelőrendszerek esetében mikor érdemes vezetékes, illetve vezeték nélküli csatlakozást választani, valamint megmutatja, hogy a vezetékes és a vezeték nélküli hálózatok használata nem mindig vagy-vagy alapú választás. Ezt követően megvizsgálja az ISO 10816 szabványban meghatározott négy rezgéserősségi osztályt. A tanulmány a vezetékes és vezeték nélküli állapotfigyelő rendszerek különböző megvalósítási lehetőségeinek megvitatásával zárul, beleértve a több érzékelő használatát a rezgés, a hőmérséklet, a páratartalom és a jellegzetes berendezések figyelésére.

A Banner Engineering a berendezésállapot-figyelő (EHM, equipment health monitoring) átjárók nagy választékát kínálja, amelyek egyszerű hozzáférést tesznek lehetővé a hálózati berendezésállapot-figyelési adatokhoz. Az ipari berendezésállapot-figyelést tervező mérnökök választhatnak a vállalat SNAP ID vezetékes átjárómegoldásai közül, amelyek helyi kijelzővel vagy egy külön rendelhető Cloud kezelőpulttal vannak ellátva az érzékelők jeleinek olvasásához, illetve a CLOUD ID vezeték nélküli átjárók közül, amelyeket a Cloud kezelőpulthoz való közvetlen csatlakozásra terveztek (1. ábra). Ennek a két lehetőségnek a közös jellemzői a következők:

• a berendezésállapot-figyelő működésének optimalizálásához számos érzékelő közül lehet választani
• gyors telepítés a csatlakoztatott érzékelők automatikus felismerésével, további programozás nélkül
• a berendezések beállításához vagy a szükséges karbantartás ütemezéséhez könnyen elérhetőek az érzékelők adatai, hogy minimálisra csökkentsék az állásidőt, és a lehető legnagyobbra növeljék a termelékenységet
• mindkét rendszer támogatja a felhőhöz csatlakozást
• előre beállított kezelőpultok állnak rendelkezésre, amelyek testreszabhatóak az optimális adatmegjelenítéshez

1. ábra: A Banner SNAP ID vezetékes (balra) és CLOUD ID vezeték nélküli (jobbra) berendezésállapot-figyelő (EHM) átjáróinak sok közös jellemzőjük van (ábra: DigiKey)

Néhány támpont a vezetékes és a vezeték nélküli berendezésállapot-figyelő átjárók közti választáshoz

Bár vannak közös jellemzőik, a vezetékes és a vezeték nélküli berendezésállapot-figyelő átjárók között alapvető különbségek vannak. Az AMG-SNAP-ID eszközfelügyeleti átjáró (asset monitoring gateway, AMG) akár 20 érzékelő és átalakító üzembe helyezésére, felügyeletére és a velük kapcsolatos riasztásokra is lehetőséget ad. Módot ad a Modbus és a Banner SNAP SIGNAL csatlakoztatására, valamint az egyes érzékelők vagy átalakítók keresésére a modelladatok automatikus felismerésével. A felhasználók megváltoztathatják a Modbus kiszolgáló azonosítószámait, és elvégezhetik azok hozzárendelését, hogy egyéni berendezésállapot-figyelő megoldásokat hozhassanak létre és helyezhessenek üzembe. A csatlakoztatott eszközök csoportosíthatók, és a riasztásokhoz külön-külön lehet küszöbértékeket rendelni. A riasztás az érintőképernyőn jelenik meg, és a burkolat tetején lévő lámpa színe is jelzi.

Ha közvetlenül kell a felhőhöz kapcsolódni, a berendezésállapot-figyelő rendszerek tervezői használhatják a DXM1200-X2 IIoT-átjárót, hogy akár 200, a Banner vagy más cégek által gyártott eszközt csatlakoztatni tudjanak a teljesítmény- és gépállapot-adatok szolgáltatásához. Az átjáró képes automatikusan érzékelni az érzékelő-csomópontokat, csatlakozni hozzájuk, és adatokat továbbítani a Banner Cloud szoftverbe. A fejlesztők egyszerű és összetett programozóeszközök közül választhatnak. Az IIoT-átjáró képes helyben feldolgozni az információkat, majd elküldeni azokat Ethernet- és mobiltelefonos hálózatokon keresztül, hogy a világ bármely pontján nyomon lehessen őket követni egy logikus felépítésű felhőalapú kezelőpulton (2. ábra).

2. ábra: A vezeték nélküli (balra) és a vezetékes (jobbra) érzékelőhálózati IIoT-átjáróknak sok közös jellemzőjük van (kép: Banner Engineering)

Vezetékes és vezeték nélküli berendezésállapot-figyelő architektúrák

A vezetékes és a vezeték nélküli berendezésállapot-figyelő architektúrák nem zárják ki egymást. A vezetékes rendszerek tartalmazhatnak vezeték nélküli elemeket, és a vezeték nélküli architektúrák is gyakran tartalmaznak vezetékes kapcsolatokat.

Például egy alapszintű vezetékes berendezésállapot-figyelő architektúra több csatlakozódobozból is állhat, amelyekhez több érzékelő csatlakozik, ilyen például a 4 bemenetű, R50-4M125-M125Q-P jelű és a 8 bemenetű, R95-8M125-M125Q-P jelű csatlakozódoboz. A Banner Sure Cross R70SR soros adattovábbító rádiói, például a 900 MHz-es R70SR9MQ és a 2,4 GHz-es R70SR2MQ rádió további kábelezés nélkül növelhetik a hálózat hatótávolságát. Ezen rádiók jellemzői (3. ábra):

• RS-485 soros csatlakozó
• csillagpontos és fa hálózati topológiák támogatása
• az öngyógyító, több átjátszásos automatikus útvonalválasztó rádiófrekvenciás hálózat támogatása a hálózati hatótávolság további növelése érdekében
• frekvenciaugratásos szórt spektrumú (FHSS, frequency hopping spread spectrum) technika a megbízható adatátvitelhez

3. ábra: Alapszintű vezetékes eszközfelügyeleti topológia (balra) példaként egy vezeték nélkül csatlakoztatott távoli érzékelőcsoporttal (jobbra) (ábra: DigiKey)

Egy nagy létesítményben számos rendszer lehet szétszórva nagy területen, többek között:

• légkompresszorok
• szivattyúrendszerek
• szállítórendszerek
• számos villanymotor és villamos gép
• közlőművek
• légszűrő rendszerek
• tartályokban elhelyezett szintmérők és szintfigyelők

Ezekben az esetekben a berendezésállapot-figyelő rendszer teljesítménye javítható a vezetékes és a vezeték nélküli technikák kombinálásával. A fent említett DXM1200-X2 vezeték nélküli IIoT-átjáró Modbus vezetékes csatlakozást is tartalmaz. Ha Ethernetre van szükség, a tervezők használhatják a DXMR90-X1 csatlakozódobozt. A DXMR90-4K képes az IO-Link központi/szabályozó funkciók megvalósítására. A Modbus, az Ethernet és az IO-Link közötti választás lehetősége mellett a tervezők az R709 soros adattovábbító rádiókkal vezeték nélküli kapcsolatot hozhatnak létre a fizikailag szétszórt eszközökkel (4. ábra).

4. ábra: A vezeték nélküli IIoT-átjárók (balra lent) Modbus-, Ethernet- és IO-Link-csatlakozásra adnak lehetőséget (kép: Banner Engineering)

ISO 10816 szerinti rezgéserősség

Az ISO 10816 fontos szabvány a berendezésállapot-figyelő rendszerek esetében. Megszabja az olyan gépek rezgéseinek erősségét, mint a villanymotorok, a szivattyúk és a generátorok. A szabvány a gyorsulás, az elmozdulás vagy a rezgési sebesség effektív értékét vagy más néven négyzetes középértékét (rms, root mean square) adja meg. Az ISO 10816 a csúcsértékekre vonatkozó előírásokat is tartalmaz. A rezgéserősségnek két vagy több paraméter mérése esetén a legnagyobb az effektív értéke. A szabvány a rezgések esetében négy súlyossági szintet határoz meg:

• A jó (good) általában újonnan üzembe helyezett gépeket jelez.
• A kielégítő (satisfactory) szintű rezgések a korlátozások nélküli működési tartományt mutatják.
• A nem kielégítő (unsatisfactory) szintű rezgések a korlátozott működést és a megelőző karbantartás ütemezésének szükségességét jelzik.
• Az elfogadhatatlan (unacceptable) rezgések a gép sérülésének valószínűségére utalnak.

5. ábra: Az IEC 10816 szabvány a rezgéserősség négy kategóriáját határozza meg (ábra: Banner Engineering)

A rezgések és a gépi tanulás

Még az „azonos” gépek sem tökéletesen egyformák. Itt jön a képbe a gépi tanulás (ML, machine learning). A Banner Engineering a VIBE-IQ-t kínálja. Ez egy olyan rezgésfigyelő szoftvercsomag, amely gépi tanulás útján határozza meg az egyes gépek rezgéseinek egyedi üzemi alapértékét. A gépi tanulási szoftver ezután automatikusan állítja be a figyelmeztetési és riasztási küszöbértékeket. Képes automatizálni a bonyolult berendezésállapot-figyelő számításokat és -elemzéseket. A VIBE-IQ néhány jellemzője:

• A sebesség effektív értékének folyamatos figyelése 10 Hz és 1000 Hz között, a nagyfrekvenciás gyorsulás effektív értékéé 1000 Hz és 4000 Hz között, valamint hőmérséklet-figyelés.
• Csak az éppen járó motorokat figyeli.
• A szoftver az adatokat trendelemzésre, valamint valós idejű figyelésre használja az olyan körülmények azonosítása érdekében, mint az alábbiak:
  • rosszul beállított vagy kiegyensúlyozatlan rendszerek
  • kopott vagy laza alkatrészek
  • túl nagy mértékű csapágykopás
  • nem megfelelően felszerelt vagy vezérelt villanymotorok
  • túlmelegedés
• Megelőző jellegű riasztásokat küld a központi vezérlőegységnek vagy a felhőbe.

A rezgések és hőmérséklet

A vibráció nem az egyetlen jele annak, hogy a gépnek megelőző karbantartásra lehet szüksége. Az egyre emelkedő hőmérséklet szintén lehetséges problémákra figyelmeztetheti a berendezésállapot-figyelő rendszert, különösen ha az emelkedő hőmérséklet növekvő rezgésekkel jár együtt.

A két paraméter együttes használata teljesebb képet ad a berendezés állapotáról. Különböző körülményekre tudják figyelmeztetni a kezelőket, és többféle előnnyel járnak:

• A rezgés mechanikai problémákat jelezhet, például összeigazítási hibákat, kiegyensúlyozatlanságokat, csapágykopást stb.
• A hőmérséklet emelkedése utalhat olyan villamos hibákra, mint a tekercsek túlmelegedése, illetve kenési problémákra.
• Működési rendellenesség észlelésekor a sávon kívüli rezgések és a hőmérséklet-emelkedés együttes jelentkezése segíthet a lehetséges okok azonosításában. A kiváltó okok azonosításában például rezgésminták lehetnek segítségünkre.
• A hőmérséklet és a rezgés együttes figyelése segítheti a megelőző karbantartás tervezését. A fokozatos hőmérséklet-emelkedés nem feltétlenül jelent akkora problémát, mint a növekvő rezgések, amelyek azonnali beavatkozást tehetnek szükségessé.
• Ismerje meg, hogyan javíthatja a hosszabb távra szánt eszközök kiválasztását és használatát, az érzékelőadatok segítségével azonosítva a lehetséges működési korlátozásokat, még mielőtt azok működési hibákat okoznának.

Ha a hőmérsékletet és a rezgést kell figyelni, a berendezésállapot-figyelő rendszerek tervezői használhatják a Banner Engineering QM30VT2 érzékelőjét, amely alumíniumházban, illetve QM30VT2-SS-QP érzékelőjét, amely rozsdamentes acél házban van elhelyezve. Mindkét érzékelő RS-485 szabványú átvitellel csatlakoztatható Modbus rádióhoz, illetve bármely Modbus hálózathoz alárendelt eszközként. Kis méretük lehetővé teszi, hogy szűk helyeken is elférjenek (6. ábra). Egyéb jellemzők:

• nagy pontosságú hőmérséklet- és rezgésmérés
• hőmérséklet-mérési tartomány –40 °C és +105 °C között, 1 °C-os felbontással és ±3 °C pontossággal
• két tengely menti rezgésérzékelés 4 kHz sávszélességig, 25 °C-on ±10%-os pontossággal és 20 kHz alapértelmezett mintavételi frekvenciával
• kimenőjelek: effektív sebesség, effektív nagyfrekvenciás gyorsulás, csúcssebesség és a rezgési hullámformákból nyert, előzetesen feldolgozott egyéb paraméterek

6. ábra: A két tengely menti rezgésérzékelővel egybeépített hőmérséklet-érzékelő közvetlenül a villanymotor házára szerelhető (jobbra) (kép: Banner Engineering)

A rezgési spektrum sávokra osztása egy korszerű képesség. Lehetővé teszi a felhasználók számára a széles sávú gyors Fourier-transzformáció (FFT, fast Fourier transformation) felosztását, hogy a 10–1000 Hz-re és az 1000–4000 Hz-re vetített skaláradatokon kívül szűkebb frekvenciasávokra is kapjanak effektívsebesség- vagy gyorsulásadatokat. A felhasználók igényeitől függően a sávokat meghatározó frekvenciákat meg lehet adni egyedileg, vagy elő lehet állítani automatikusan a bemenő dinamikus vagy statikus sebességértékek alapján. A spektrum sávokra osztva történő elemzése segíthet a forgó gépekkel kapcsolatos problémák diagnosztizálásában.

Hőmérséklet és páratartalom

Az adatközpontokban, raktárakban, pormentes termekben, hűtő- és fagyasztóberendezésekben fontos lehet a hőmérséklet és a páratartalom figyelése. Egy olyan hőmérséklet- és páratartalom-érzékelő, mint a DX80N9Q45THA, az alábbiakban segíthet:

• Olyan áruk tárolása, mint az oltóanyagok és a friss gyümölcsök és zöldségek, ahol a hőmérséklet és a páratartalom ismerete elengedhetetlen a hosszú távú minőségmegőrzéshez és a romlás megelőzéséhez.
• Olyan berendezések védelme, mint az adatközpontokban lévő kiszolgálók és adattároló eszközök, ahol a túl magas hőmérséklet vagy páratartalom zavarhatja a normál működést, vagy meghibásodást eredményezhet.
• Az emberek egészségének javítása és biztonságának növelése a raktárakban és más létesítményekben, ahol a magas páratartalom és az ahhoz társuló magas hőmérséklet megnehezítheti a dolgozók számára a megfelelő testhőmérséklet fenntartását, ami hőkimerüléshez vezethet.

A hőérzékelő hőmérséklet-mérési tartománya –40 °C és +85 °C közötti, 0,1 °C felbontással és –40 °C-tól 0 °C-ig ±0,6 °C, 0 °C-tól +60 °C-ig ±0,4 °C és +60 °C-tól +85 °C-ig ±1,2 °C pontossággal. A páratartalom-érzékelő 0%-tól 100% relatív páratartalomig képes mérni, +25 °C-on ±2%-os, 0 °C és +70 °C és 10% és 90% relatív páratartalom között ±3%-os, valamint 0 °C és +70 °C és 0% és 10%, illetve 90% és 100% relatív páratartalom között ±7%-os pontossággal.

A készülék bekapcsoláskor gyors-mintavételező üzemmódban működik, két másodpercenkénti adatküldéssel. Öt perc elteltével a csomópont alapértelmezett üzemmódba lép, és ötperces időközönként küld adatokat. A felhasználó választhat 15 perces vagy 64 másodperces mintavételi gyakoriságot is.

A 900 MHz-es rádiókkal felszerelt típusok 1 W (30 dBm) vagy 250 mW (24 dB, felhasználó által választható) teljesítményen sugároznak. A 250 mW-os üzemmód csökkenti a hatótávolságot, de növeli az akkumulátor üzemidejét azokon a felhasználási területeken, ahol elég a kis hatótávolság. A 2,4 GHz-es típusok esetében az adóteljesítmény körülbelül 65 mW (18 dBm). Tárolási üzemmódban a rádió ki van kapcsolva az akkumulátor üzemidejével való takarékoskodás érdekében.

Összegzés

Az Ipar 4.0-s gyárakban jó hatásfokú berendezésállapot-figyelő rendszerek figyelik a rezgést és a hőmérsékletet, hogy biztosítsák a magas szintű üzemidőt. A páratartalom- és hőmérséklet-érzékelők javíthatják az adatközpontok működési teljesítményét is, és segíthetnek a raktárakban és a logisztikai műveletek során az olyan áruk minőségének megőrzésében, mint az oltóanyagok és a friss gyümölcsök és zöldségek. Ezek a rendszerek a több paraméter figyelésére használhatnak vezetékes vagy vezeték nélküli kapcsolatot.