Implementare la manutenzione predittiva per trarre i massimi vantaggi dagli impianti dell'Impresa 4.0

La manutenzione predittiva (PdM) che sfrutta l'analisi dei dati e l'apprendimento automatico (ML) è cruciale nell'Impresa 4.0, perché consente una gestione proattiva delle apparecchiature, ottimizzando l'efficienza e la programmazione della manutenzione e riducendo al minimo i tempi di fermo per supportare una maggiore sostenibilità. La raccolta tempestiva e accurata dei dati è la chiave per il successo dell'implementazione della PdM.

I dati raccolti però devono essere completi. Gli alimentatori possono monitorare la tensione (V_c.c.) e la corrente (I_c.c.), la corrente di picco (I_PEAK), il tempo di funzionamento e il tempo di sostituzione. I monitor delle condizioni dei motori sono necessari per le vibrazioni, la temperatura, la corrente e la resistenza dell'isolamento (guasto verso terra).

I monitor delle condizioni termiche sono necessari per una serie di dispositivi come i pannelli di controllo ad alta tensione, i trasformatori di potenza, le apparecchiature idrauliche, i motori e i cuscinetti, i riduttori e altri. Tutti questi alimentatori, motori e monitor termici necessitano di connettività Ethernet/IP o Modbus TCP per inviare i dati per l'analisi in tempo reale.

Questo articolo inizia con una breve panoramica della PdM, dei suoi numerosi vantaggi e di come può far parte delle architetture di sistema dell'Impresa 4.0. Si addentra quindi nei numerosi dispositivi e software PdM offerti da Omron e si conclude esaminando l'uso dell'intelligenza artificiale (IA) per ottimizzare le prestazioni della PdM.

La PdM è uno dei tre approcci alla manutenzione delle attrezzature e degli impianti. In termini di equilibrio tra costi ambientali e aziendali, si colloca tra la manutenzione reattiva e quella preventiva (Figura 1). Un fattore di scelta tra i tre approcci è la relativa importanza attribuita ai costi ambientali e commerciali.

Figura 1: La PdM si colloca tra gli approcci di manutenzione reattiva e preventiva e fornisce un equilibrio tra considerazioni commerciali e ambientali. (Immagine per gentile concessione di Omron)

La manutenzione reattiva aspetta che si verifichino i guasti e poi li affronta, aumentando i costi ambientali e aziendali. La manutenzione preventiva dà la priorità ai costi ambientali minimi utilizzando ispezioni manuali regolari per identificare guasti imminenti, ma può comportare tempi di inattività eccessivi e spese aziendali elevate. È considerata un'altra forma di manutenzione reattiva in cui il fattore trainante è un programma predeterminato e in qualche modo arbitrario, non un vero e proprio guasto dell'apparecchiatura.

La disponibilità di sensori avanzati e l'emergere di strumenti di IA e ML hanno permesso lo sviluppo della PdM che impiega la tecnologia per bilanciare i costi ambientali e aziendali.

Scalabile e flessibile

La PdM non è un'opzione "taglia unica". È scalabile e flessibile e può essere implementata per una singola apparecchiatura critica per l'azienda, per più apparecchiature o per un'intera struttura grazie al monitoraggio centralizzato. Ciò consente alle aziende di iniziare in piccolo e di espandere l'implementazione della PdM nel tempo, riducendo al minimo le interruzioni durante l'adeguamento delle strutture esistenti.

Le soluzioni scalabili sono supportate da una serie di componenti compatibili come sensori, unità di monitoraggio e controller che possono essere aggiunti in base alle necessità. L'uso di protocolli di comunicazione industriale come Ethernet/IP e Modbus TCP semplifica l'integrazione con i sistemi esistenti e supporta funzioni avanzate come il monitoraggio remoto di più dispositivi contemporaneamente.

Sono disponibili soluzioni software scalabili per l'analisi dei dati e la gestione dei dispositivi da una postazione di controllo centralizzata o da diverse postazioni all'interno della struttura.

Queste soluzioni possono essere integrate con le apparecchiature esistenti senza grandi sforzi, migliorando la flessibilità. Possono essere ottimizzate per quasi tutti i settori, come quello della trasformazione alimentare, automotive, della produzione di dispositivi medici, dei semiconduttori e dell'elettronica, militare e aerospaziale, della logistica e dei magazzini e altri ancora.

Questa flessibilità è supportata da un'ampia gamma di dispositivi PdM, tra cui soluzioni per il monitoraggio dell'alimentazione, delle condizioni del motore (corrente, vibrazioni, temperatura, resistenza di isolamento) e delle condizioni termiche. Inoltre, sono disponibili blocchi funzionali software (FB) standard per l'acquisizione dei dati, le comunicazioni, l'elaborazione e l'analisi dei dati, l'impostazione di allarmi e l'invio di notifiche, la registrazione dei dati e la creazione di report, nonché per l'implementazione di analisi PdM personalizzate basate su IA e ML.

I monitor delle condizioni sostituiscono i sensori semplici

Un elemento di differenziazione fondamentale tra la PdM e altri approcci è l'uso dei monitor delle condizioni al posto di sensori semplici per monitorare le prestazioni delle apparecchiature e consentire una manutenzione proattiva. Come i sensori, i monitor delle condizioni sono collocati presso l'apparecchiatura da monitorare.

Tuttavia, mentre i sensori possono essere implementati con protocolli relativamente semplici come IO-Link, i monitor delle condizioni richiedono una connettività più sofisticata come EtherNet/IP o Modbus TCP. Questi monitor possono eseguire l'elaborazione dei dati localmente e spesso includono visualizzazioni di stato non tipicamente associate ai sensori.

I monitor delle condizioni possono essere collegati, tramite uno o più hub di comunicazione, a dispositivi di livello superiore, come le interfacce uomo-macchina (HMI), per fornire una postazione centralizzata per la visualizzazione dei dati oppure a controller a logica programmabile (PLC) o a sistemi di monitoraggio centralizzati con strumenti di analisi dei dati più completi, tra cui IA e ML (Figura 2).

Figura 2: La suite di soluzioni PdM di Omron può essere implementata singolarmente per monitorare le risorse critiche, partendo da piccole dimensioni, per poi crescere progressivamente fino a raggiungere interi siti produttivi o logistici per soluzioni complete. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Approfondimenti

Omron offre una selezione di dispositivi e software PdM. Ad esempio, gli alimentatori intelligenti connessi a Ethernet S8VK-X misurano numerosi criteri legati alle prestazioni, tra cui Vout e Iout per monitorare il consumo energetico e I_PEAK per identificare potenziali condizioni di sovraccarico.

Questi alimentatori misurano le ore di funzionamento effettive. Inoltre, stimano la durata residua dei condensatori elettrolitici utilizzando l'equazione di Arrhenius, secondo la quale la durata di un condensatore si dimezza all'incirca per ogni aumento di 10 °C della temperatura, combinata con le temperature di funzionamento effettive, e visualizzano i risultati in anni o in percentuale di durata residua.

Gli alimentatori S8VK-X sono disponibili con potenze da 30 W a 480 W e tensioni di uscita di 5 V_c.c., 12 V_c.c. e 24 V_c.c.. Sono disponibili anche con un display integrato, come il modello S8VK-X48024A-EIP da 24 V_c.c. e 480 W, o senza display integrato, come il modello S8VK-X03005-EIP da 5 V_c.c. e 30 W.

Il monitoraggio delle condizioni dei motori elettrici è un aspetto importante della PdM e i monitor per la manutenzione dei motori K6CM di Omron sono adatti a tutti i tipi di pompe dell'acqua, oltre ai motori per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria (HVAC), l'agricoltura, le scale mobili e la maggior parte delle applicazioni con motori elettrici.

I monitor per la manutenzione dei motori sono disponibili per il monitoraggio delle vibrazioni e della temperatura, della resistenza di isolamento e della corrente del motore. Sono disponibili modelli per un'alimentazione in ingresso da 100 a 240 V_c.a. trifase o 24 V_c.a./V_c.c..

Le vibrazioni e la temperatura possono essere monitorate utilizzando il dispositivo K6CM-VBMD-EIP, che funziona a 24 V_c.a./V_c.c.. Tutti i monitor di temperatura funzionano con il sensore di vibrazioni e temperatura K6CM-VBS1, che consiste in una testa del sensore posta sul motore e in un preamplificatore che si collega tra il sensore e il monitor.

Lo stato della resistenza di isolamento può essere monitorato utilizzando il modello K6CM-ISMD-EIP che funziona a 24 V_c.a./V_c.c. insieme al trasformatore di corrente zero (ZCT) K6CM-ISZBI52 e al sensore di trasferimento della resistenza di isolamento (IRT). La funzione ZCT misura la corrente di dispersione in un circuito motore trifase, mentre la funzione IRT misura la resistenza di isolamento tra gli avvolgimenti del motore e la terra.

Le condizioni dei motori a induzione trifase possono essere monitorate anche con il modello K6CM-CIMA-EIP, che funziona da 100 V_c.a. a 240 V_c.a., insieme al sensore di corrente K6CM-CICB400 da 400 A. Sono disponibili altri modelli di sensori di corrente da 5 A a 600 A.

Questi monitor utilizzano la tecnologia di diagnosi completa della corrente sviluppata da Omron per rilevare anomalie come la cavitazione o la contaminazione dell'aria, quantificando la deviazione tra un'onda sinusoidale ideale e la forma d'onda della corrente misurata. Condizioni come il disallineamento, lo squilibrio del carico o l'adesione di corpi estranei vengono quantificate analizzando le componenti di frequenza della forma d'onda della corrente misurata.

Il monitor di condizioni termiche K6PM può essere utilizzato per implementare la PdM in una varietà di apparecchiature industriali, come pannelli di controllo ad alta tensione, trasformatori, impianti idraulici, data center, cuscinetti, riduttori e così via. Include il controller termografico K6PM-THS3232 e il sensore a infrarossi (IR) K6PM-THMD-EIP, in grado di monitorare temperature da 0 °C a +200 °C.

Un singolo controller di condizioni termiche K6PM può monitorare fino a 31 sensori IR. Il software di monitoraggio gratuito per PC include algoritmi di rilevamento di temperature anomale e allarmi di temperatura a tre livelli e supporta anche le soglie di allarme definite dall'utente.

Figura 3: Le funzioni principali dell'offerta PdM di Omron comprendono alimentatori intelligenti, monitor delle condizioni dei motori e della temperatura e relativi sensori. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Aggiunta di AI PdM sull'edge

La libreria AI PdM di Omron è uno dei componenti funzionali del software Sysmac Library per l'utilizzo delle funzionalità IA dei controller di automazione macchine basati sull'intelligenza artificiale (controller IA) della serie NX/NY. La libreria AI PdM include FB per ogni meccanismo (dispositivi e componenti come cilindri, viti a ricircolo di sfere o pulegge).

Gli utenti possono creare e integrare FB personalizzati sotto forma di blocchi di codice riutilizzabili per implementare funzioni PdM personalizzate. I blocchi FB personalizzati possono essere utilizzati per:

• Sviluppare algoritmi specifici per le applicazioni
• Interfacciarsi con una gamma più ampia di sensori o altre apparecchiature per l'acquisizione dei dati
• Elaborare dati in modo personalizzato, conformemente a specifiche strategie di implementazione della PdM

I blocchi funzionali generano variabili utilizzate come input per il motore IA nei controller NX/NY. Il motore IA analizza i dati raccolti in un database di serie temporali per individuare sequenze o comportamenti anomali nelle apparecchiature. L'intero motore IA è progettato per funzionare autonomamente all'interno di un controller IA.

Controller IA per PdM

I controller IA serie NX/NY di Omron comprendono i modelli NX701-Z700, che possono implementare la libreria AI PdM senza collegarsi al cloud. NX701 può controllare fino a 256 assi di movimento in un unico programma, riducendo i costi di installazione e semplificando la progettazione, la verifica e il controllo di revisione del programma.

Include porte di comunicazione Ethernet/IP ed EtherCAT integrate. Ciò offre ai progettisti di reti di controllo industriale la possibilità di sfruttare EtherNet/IP per pacchetti di dati molto grandi e EtherCAT per la consegna garantita dei pacchetti a supporto del movimento deterministico. La memoria di programma da 80 MB può supportare numerosi blocchi funzionali e la libreria AI PdM di Omron (Figura 4).

Figura 4: NX701-Z700 può implementare AI PdM senza connettersi al cloud e può controllare fino a 256 assi di movimento in un unico programma. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Caratteristiche aggiuntive integrate nel controller NX701-Z700:

• Integrazione plug-and-play con oltre 120 unità di ingresso/uscita (I/O) NX
• Ambiente software completo che comprende Sysmac Studio, Omron Vision, Omron Motion, Omron Robotics e Omron Safety Components
• Supporto di diversi protocolli di comunicazione industriale, tra cui EtherNet/IP, EtherCAT, Fail Safe Over EtherCAT, IO-Link e Factory Scale Motion
• Tempi di ciclo EtherCAT garantiti da 0,125 ms a 0,250 ms in incrementi di 0,125 ms e da 0,250 ms a 8 ms in incrementi di 0,250 ms

Conclusione

La PdM è un nuovo paradigma per ottimizzare l'equilibrio tra considerazioni ambientali ed economiche nelle fabbriche e nelle operazioni logistiche dell'Impresa 4.0. Sfrutta sensori avanzati, database di serie temporali e PLC con Edge IA per monitorare costantemente le prestazioni e la salute delle apparecchiature, prevedere potenziali guasti e programmare in modo proattivo la manutenzione.

Il monitoraggio e la manutenzione regolari, basati sulle intuizioni della PdM, aiutano a identificare e risolvere tempestivamente i potenziali problemi, prevenendo l'usura prematura e prolungando la durata di vita delle risorse aziendali. La PdM aiuta a massimizzare i tempi di attività delle apparecchiature, a ridurre gli sprechi e a migliorare l'efficienza operativa. Infine, la PdM è altamente flessibile e scalabile: un'azienda può implementare la PdM in una struttura con la rapidità o la gradualità desiderate, ricavando comunque significativi miglioramenti delle prestazioni e risparmi sui costi.

Letture consigliate:

1. Migliorare la sicurezza e aumentare la disponibilità nelle fabbriche Impresa 4.0
2. Utilizzo di una piattaforma unificata per la sicurezza informatica per supportare la connettività per l'Impresa 4.0 completa
3. Supporto alla personalizzazione di massa, all'alta qualità e alle operazioni sostenibili nelle fabbriche dell'Impresa 4.0
4. Ottimizzazione delle architetture di comunicazione per l'Impresa 4.0 con hub e convertitori I/O multiprotocollo
5. Come installare, collegare e integrare rapidamente i VSD a singolo asse in sistemi di automazione per l'Impresa 4.0