Как мониторинг состояния оборудования обеспечивает бесперебойную работу завода

В 1901 году Ренсому Э. Олдсу был выдан патент на идею непременно движущейся сборочной линии, которую он использовал для производства первых автомобилей Oldsmobile. В 1913 году Генри Форд улучшил концепцию, добавив движущиеся конвейерные ленты, и с этими двумя инновациями время, необходимое для сборки автомобиля, сократилось с 1,5 дней до 1,5 часов. Современный сборочный завод родился.

В течение следующих четырех десятилетий идея движущейся производственной линии была принята многочисленными отраслями, от радио до бритв, от часов до детских кроваток, от гвоздей до газет. Во время Второй мировой войны США построили 300 000 самолетов, используя движущиеся производственные линии. Идея стала опорой производства во всем мире и остается основным способом предоставления продуктов массовым рынкам.

Инструменты и оборудование, используемые для сборочной работы, являются самой критичной частью любой линии. В 1950-х годах надежность заводского оборудования стала важной частью операций. Если одна машина переставала работать, вся линия останавливалась до ремонта. Бездействующее оборудование и сборщики снижали эффективность и влияли на затраты. Обслуживание стало важным.

На протяжении второй половины 20-го века большинство заводского обслуживания состояло из планового периодического обслуживания. Это улучшало надежность и срок службы машин, но ничего не делало для помощи операторам заводов в предсказании и избегании неисправностей оборудования или неплановых простоев. За последние двадцать лет мониторинг состояния оборудования стал важной частью заводских операций. Иногда называемый Умная фабрика, Промышленный IoT (IIoT) или Индустрия 4.0, заводы добавляют датчики и аналитические системы, которые следят за здоровьем производственного оборудования.

Мониторинг состояния — это процесс оснащения оборудования датчиками, которые могут выявить значительные параметрические изменения, указывающие на грядущую неисправность или отказ. Эти системы ищут две вещи. Первое: работает ли машина вне своих проектных параметров, требуя быстрого реагирования? Второе: каковы долгосрочные тренды критических параметров для предсказания, когда машине понадобится обслуживание, ремонт или замена.

Заводские электродвигатели

Одной из самых повсеместных машин на заводах является электродвигатель. Оценка: 300 миллионов двигателей работают на производственных объектах по всему миру сегодня. Они обеспечивают мощность для фabricации, сборки и перемещения продуктов на заводе. Отказ одного двигателя может остановить производственную линию, стоимость которого $10 000 в час. Датчики мониторинга состояния и аналитика дают раннее предупреждение о проблемах. Быстрое устранение этих проблем приводит к более низкой стоимости обслуживания, меньшим нарушениям в потоке процесса и улучшенной безопасности для операторов оборудования.

Здоровье любого двигателя можно определить, мониторя три операционных параметра:

• Вибрация — измеряется акселерометром.

• Температура — измеряется контактным типом датчика температуры.

• Ток — измеряется индуктивным или шунтирующим типом датчика тока.

Акселерометры предоставляют данные о механическом здоровье двигателя. Датчики температуры предоставляют данные как о механическом, так и об электрическом здоровье, а датчики тока смотрят на электрическое здоровье. Датчики также могут предоставлять данные о состоянии оборудования и инструментов, прикрепленных к двигателю.

Акселерометры

Все вращающиеся двигатели имеют якорь, подвешенный на подшипниках и вращающийся на различных скоростях. Якоря сбалансированы так, чтобы не вибрировать при вращении. Однако несбалансированный или поврежденный якорь создает вибрацию, которая может влиять на подшипники. Если вибрации находятся на резонансных частотах другого оборудования, прикрепленного к двигателю, ущерб может быть серьезным и быстрым. Частота вибрации от двигателя совпадает с RPM двигателя и обычно варьируется от нескольких Гц до 4 кГц. Акселерометры подходят для измерения этих вибраций.

Акселерометры также используются как контактные микрофоны, которые слушают высокочастотный шум (визг) от подшипников, где смазка истощена. Эти частоты варьируются от 5 кГц до 15 кГц. Пьезоэлектрические акселерометры хорошо работают, потому что у них широкая частотная характеристика, покрывающая оба частотных диапазона одним устройством.

Обычно используется Быстрое преобразование Фурье (FFT) для анализа сигнала. Данные FFT показывают каждую частотную полосу вибрации и ее интенсивность. Рисунок 2 показывает естественные частоты вибрации и амплитуды типичного двигателя.

Новые двигатели имеют естественные частоты вибрации, которые записываются и используются как база для сравнения с данными, взятыми позже в жизни двигателя. Если эти измерения остаются в том же диапазоне, что и исходные данные, двигатель в хорошем здоровье. Если частоты или интенсивности начинают смещаться со временем, это признак износа частей двигателя и отказ может быть неминуем. Ремонт может быть запланирован до того, как произойдет отказ. Это устраняет катастрофические остановки линии и улучшает производственную эффективность.

Рисунок 3 показывает модель 8911 датчика вибрации от TE Connectivity Sensors Business Unit. Он содержит пьезоэлектрический акселерометр и микроконтроллер, выполняющий FFT преобразование в формат, который нужны клиентам. Кроме того, этот датчик работает от батареи и передает данные беспроводно по частотам LoRa. Это устраняет проводку. Датчик можно легко монтировать на двигатель с клеем, монтажной шпилькой или магнитной базой. Без проводки и с простым монтажом датчик может перейти из коробки в полную работу за очень короткий период времени и с очень низкой стоимостью.

Датчики температуры

Две части двигателя, наиболее подверженные высоким температурам — подшипники и обмотки статора. Чтобы быть эффективными, датчики, измеряющие эти параметры, должны быть в интимном физическом контакте с интересующими частями двигателя, поэтому уникальные конструкции обычно требуются для применений в двигателях.

В работе подшипники двигателя обычно работают между 60°–70°C (140°–160°F). При правильной нагрузке и смазке подшипники могут иметь экстремально долгий срок службы. Самая распространенная проблема возникает, когда смазки исчезают из-за утечек или выходят из строя из-за окружающего перегрева. Эти режимы отказа могут происходить за довольно длительные периоды работы — тысячи часов. По мере истощения смазки температура подшипника начинает расти и может быть легко отслежена датчиком температуры и аналитическим ПО.

Рисунок 4 показывает пружинно-нагруженный NTC или RTD тип датчика температуры, спроектированный для прямого контакта с внешней дорожкой подшипника. Этот монтаж обеспечивает самые точные измерения температуры. Корпус подшипника должен иметь особенности, спроектированные для размещения датчика температуры и обеспечения близкого доступа к подшипнику.

Датчики температуры также используются для измерения температуры обмоток статора. Это катушки, которые генерируют магнитные поля для движения вращения якоря. Если эти обмотки повреждены ударом или коррозией, сопротивление провода увеличивается, и их способность проводить ток уменьшается. Это вызывает нагрев пораженных проводов. Они могут достичь температур, которые расплавят изоляцию и даже вызовут пожар.

Рисунки 5а и 5б показывают датчики температуры (TE Connectivity Sensors Business Unit), встраиваемые в обмотки статора на двигателе. Датчики становятся постоянной частью устройства.

Как и с датчиками вибрации, начальная рабочая температура измеряется и записывается. Со временем температуры измеряются периодически и сравниваются с базовой. Если температуры начинают отклоняться от нормы, это указание на механические проблемы для подшипников или электрические проблемы для обмоток статора. Снова, обслуживание может быть запланировано до того, как произойдет крупный отказ, предотвращая неожиданную остановку линии.

Датчики тока

В то время как датчики вибрации и температуры могут сообщать о физическом здоровье двигателя, датчик тока может проверить его электрическое здоровье. Датчики тока бывают двух основных конфигураций: шунтирующие или индуктивные конструкции. У каждого есть преимущества и недостатки. Количество тока, которое двигатель потребляет, влияется многими вещами: приложенное напряжение, скорость двигателя, нагрузка на вал двигателя и состояние щеточек якоря. Токи вне диапазона могут сигнализировать о проблемах с питанием, коротких замыканиях в обмотках статора или якоря, изношенных щеточках или проблемах с прикрепленным инструментом.

Шунтирующий датчик тока — это резистор очень низкого значения мощности, помещенный последовательно с линией электрической питания к двигателю. Напряжение, развитое на резисторе, пропорционально току, протекающему через него. Используя закон Ома (I = E/R) и зная значения напряжения и сопротивления, ток можно рассчитать. Шунты используются там, где требуется очень высокая точность или для высокочастотных бесщеточных двигателей. Рисунок 6 показывает схему для шунтирующего датчика.

Индуктивные датчики тока используют кольцо высокой проницаемости вокруг силового провода. Ток через провод индуцирует магнитное поле в кольце (Bin). Холловский датчик, встроенный в кольцо, измеряет магнитное поле, и через усилитель и катушку, намотанную вокруг кольца, индуцирует обратное магнитное поле (BF) для противодействия Bin. Напряжение, необходимое для создания поля BF, является выходным сигналом. Чистый эффект двух магнитных полей появится как нулевое поле на Холловском датчике. Чем выше ток в силовом проводе, тем выше должно быть напряжение BF. (См. Рисунок 7)

За пределами двигателя

Часто оборудование, прикрепленное к двигателю, также может быть отслежено за здоровьем. Рисунок 8 показывает пример фрезерного станка, который использует многощелевый вращающийся резец для обработки плоской поверхности в детали. Состояние вращающегося режущего инструмента очень важно для качества режущей операции. Чем острее щелевы на резьце, тем точнее разрез, и тем лучше поверхность на готовой детали. По мере того как каждая щелева делает разрез, ток двигателя увеличивается для обеспечения нужной мощности. Острые щелевы требуют меньше мощности для резания металла. Тупые щелевы требуют больше мощности.

Мониторя ток двигателя для этого фрезерного станка, возможно определить, какие из щелевых на режущем инструменте острые, а какие тупые и нуждаются в заточке.

Вклад мониторинга состояния в IIoT

От изобретения производственной линии и промышленной революции, которую она создала, было множество технических инноваций, которые толкали прогресс в производстве. Заводы испытывали средние приросты производительности 2,8% в год за последние 70 лет. Технологии вроде электроинструментов, литья под давлением, pick & place оборудования, автоматического тестирования и робототехники все внесли вклад. Сегодня мониторинг состояния оборудования добавляется к смеси. Успешный мониторинг состояния начинается с датчиков, расположенных на заводских машинах, постоянно сообщающих данные о их здоровье и работе. Используя аналитику в реальном времени, операторы заводов могут выявлять проблемные зоны и планировать нужные ремонты и обслуживание без ожидания катастрофических отказов. Это обеспечит приросты производительности в производстве. Все начинается с датчиков, однако.

Эту статью написал Пит Смит, старший менеджер по продажам и маркетинговой поддержке, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Сшафхаузен, Швейцария/Бервин, PA). Для дополнительной информации свяжитесь с г-ном Смитом по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите здесь .