Il monitoraggio multisensore delle risorse può migliorare le prestazioni nelle fabbriche e nella logistica dell'Impresa 4.0 e nei data center

Il monitoraggio di parametri come le vibrazioni e la temperatura nelle macchine può fornire dati in tempo reale sulle prestazioni e sullo stato di salute delle macchine e fornire ai produttori i dati necessari per programmare la manutenzione proattiva, ridurre i tempi di fermo e migliorare la produttività.

Il monitoraggio dell'umidità e della temperatura nelle strutture logistiche o durante il trasporto può migliorare le prestazioni operative e preservare beni come vaccini o prodotti freschi. Sono disponibili sistemi di monitoraggio ambientale con connettività cablata e wireless per soddisfare diverse applicazioni, tra cui i data center aziendali e cloud.

Il monitoraggio delle vibrazioni può essere utile per identificare potenziali problemi di una macchina prima che si verifichino. L'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) 10816 può essere un riferimento importante. Fornisce una guida per valutare la severità delle vibrazioni nei motori utilizzati per pompe, ventole, compressori, riduttori, soffiatori, essiccatori, presse e macchine simili che operano in un campo di frequenza compreso tra 10 e 1000 Hz.

Questo articolo presenta alcune considerazioni importanti sulla scelta tra connettività cablata e wireless per i sistemi di monitoraggio e su come l'utilizzo di reti cablate e wireless non si escludano a vicenda. Esamina quindi le quattro classi di gravità delle vibrazioni definite nella norma ISO 10816. Si conclude con l'illustrazione di varie opzioni per l'implementazione di sistemi di monitoraggio delle condizioni sia cablati che wireless, compreso l'utilizzo di più sensori per il monitoraggio di vibrazioni, temperatura, umidità e applicazioni rappresentative.

Banner Engineering offre una scelta di gateway per il monitoraggio dello stato di salute delle apparecchiature (EHM) con facile accesso ai dati della rete EHM. I progettisti di EHM industriali possono scegliere tra le soluzioni di gateway cablati SNAP ID con un display locale per le letture dei sensori o un dashboard cloud opzionale e i gateway wireless CLOUD ID progettati per connettersi direttamente con un dashboard cloud (Figura 1). Le caratteristiche comuni di queste due scelte includono:

• Una gamma di sensori tra cui scegliere per ottimizzare il funzionamento dell'EHM
• Rapida implementazione supportata dal riconoscimento automatico dei sensori collegati, senza necessità di programmazione aggiuntiva
• I dati dei sensori sono prontamente disponibili per regolare le apparecchiature o programmare la manutenzione necessaria per ridurre al minimo i tempi di fermo e massimizzare la produttività
• Supporto della connettività cloud da parte di entrambi i sistemi
• Sono disponibili dashboard preconfigurati e personalizzabili per una visualizzazione ottimale dei dati.

Figura 1: I gateway EHM SNAP ID cablato (a sinistra) e CLOUD ID wireless (a destra) di Banner hanno diverse caratteristiche comuni. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Gateway EHM cablato o wireless?

Pur avendo alcune caratteristiche comuni, esistono differenze essenziali tra i gateway EHM cablati e quelli wireless. Il gateway di monitoraggio delle risorse AMG-SNAP-ID (AMG) supporta la messa in servizio, il monitoraggio e gli allarmi per un massimo di 20 sensori e convertitori. Supporta la connettività Modbus e SNAP SIGNAL di Banner e scansiona i singoli sensori o convertitori, rilevando automaticamente le informazioni sul modello. Gli utenti possono modificare e assegnare gli ID del server Modbus per creare e mettere in funzione soluzioni EHM personalizzate. I dispositivi connessi possono essere raggruppati e agli allarmi possono essere assegnate soglie individuali. Lo stato di allarme è visibile sul touchscreen e dal colore della spia sulla parte superiore dell'involucro.

Quando è necessario raggiungere direttamente il cloud, i progettisti di sistemi EHM possono rivolgersi al gateway IIoT DXM1200-X2 per collegare fino a 200 dispositivi sia di Banner che di terze parti e fornire dati sulle prestazioni e sullo stato delle macchine. Può rilevare e connettersi automaticamente con i nodi sensore e fornire i dati al software Banner Cloud. Gli sviluppatori possono scegliere tra strumenti di programmazione semplici o complessi. Il gateway IIoT è in grado di elaborare le informazioni sull'edge e quindi di inviarle tramite reti Ethernet e cellulari per monitorarle in qualsiasi parte del mondo con un dashboard cloud intuitivo (Figura 2).

Figura 2: I gateway per reti di sensori IIoT wireless (a sinistra) e cablati (a destra) presentano diverse caratteristiche comuni. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Architetture EHM cablate e wireless

Le architetture EHM cablate e wireless non si escludono a vicenda. I sistemi cablati possono avere elementi wireless e le architetture wireless spesso includono la connettività cablata.

Ad esempio, un'architettura EHM cablata di base può comprendere diverse scatole di giunzione collegate a più sensori, come il modello R50-4M125-M125Q-P a 4 porte e il modello R95-8M125-M125Q-P a 8 porte. Le radio dati seriali Sure Cross R70SR di Banner, come R70SR9MQ a 900 MHz e R70SR2MQ a 2,4 GHz, possono estendere la portata della rete senza cablaggio aggiuntivo. Le caratteristiche di queste radio includono (Figura 3):

• Interfaccia seriale RS-485
• Supporto per topologie di rete a stella e ad albero
• Supporto per la rete in radiofrequenza autorigenerante e instradamento automatico con più salti per estendere ulteriormente la portata della rete
• La tecnologia di divisione di spettro a salto di frequenza (FHSS) assicura la trasmissione dati affidabile

Figura 3: Topologia di base per il monitoraggio delle risorse via cavo (a sinistra) con esempio di cluster di sensori remoti connessi in modalità wireless (a destra). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

In una struttura di grandi dimensioni si possono distribuire numerosi sistemi su un'ampia area, tra cui:

• Compressori d'aria
• Sistemi di pompaggio
• Sistemi a nastro trasportatore
• Motori e macchine elettriche
• Trasmissioni
• Sistemi di filtraggio dell'aria
• Misurazione e monitoraggio del livello nei serbatoi di stoccaggio

In questi casi, le prestazioni del sistema EHM possono essere migliorate combinando tecnologie cablate e wireless. Il gateway IIoT wireless DXM1200-X2 di cui sopra include la connettività cablata Modbus. Se è necessaria la rete Ethernet, i progettisti possono rivolgersi al modello DXMR90-X1. Il dispositivo DXMR90-4K può implementare funzioni di master/controller IO-Link. Oltre alla possibilità di scegliere tra Modbus, Ethernet e IO-Link, i progettisti possono utilizzare le radio dati seriali R709 per fornire connettività wireless alle risorse dislocate fisicamente (Figura 4).

Figura 4: I gateway wireless IIoT (in basso a sinistra) sono disponibili con connettività Modbus, Ethernet e IO-Link. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Gravità delle vibrazioni ISO 10816

L'ISO 10816 è uno standard importante per i sistemi EHM. Quantifica la gravità delle vibrazioni di macchine come motori elettrici, pompe e generatori. Lo standard utilizza il valore quadratico medio (rms) dell'accelerazione, dello spostamento o della velocità di vibrazione. ISO 10816 include anche considerazioni sui valori picco-picco. La gravità della vibrazione ha il valore efficace più alto quando si misurano due o più parametri. Lo standard classifica la gravità delle vibrazioni in quattro livelli:

• Buono indica solitamente un macchinario appena messo in funzione.
• Soddisfacente in termini di vibrazioni indica l'area di funzionamento senza limitazioni.
• Insoddisfacente in termini di vibrazioni indica la necessità di limitare il funzionamento e di programmare la manutenzione preventiva.
• Inaccettabile in termini di vibrazioni indica la possibilità di danni alla macchina.

Figura 5: Lo standard IEC 10816 prevede quattro categorie di gravità delle vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Vibrazioni e apprendimento automatico

Anche le macchine "identiche" non sono repliche esatte. È qui che entra in gioco l'apprendimento automatico (ML). Banner Engineering offre VIBE-IQ, un pacchetto software per il monitoraggio delle vibrazioni che utilizza l'apprendimento automatico (ML) per stabilire un valore operativo di base unico per le vibrazioni di ogni macchina. Il software ML imposta automaticamente le soglie di avviso e di allarme e può automatizzare calcoli e analisi complesse dell'EHM. Alcune caratteristiche di VIBE-IQ includono:

• Monitoraggio continuo della velocità efficace da 10 a 1.000 Hz, dell'accelerazione efficace ad alta frequenza da 1.000 a 4.000 Hz e della temperatura
• Monitoraggio soltanto dei motori in funzione
• Utilizzo dei dati per l'analisi delle tendenze e il monitoraggio in tempo reale per identificare condizioni quali:
  • Sistemi disallineati o squilibrati
  • Componenti usurati o allentati
  • Usura eccessiva dei cuscinetti
  • Motori montati o azionati in modo scorretto
  • Condizioni di sovratemperatura
• Invio proattivo degli avvisi al controller host o al cloud

Vibrazioni e temperatura

Le vibrazioni non sono l'unico indizio della necessità di manutenzione preventiva di una macchina. Una tendenza all'aumento della temperatura può anche avvertire il sistema EHM di potenziali problemi, soprattutto se l'aumento della temperatura è correlato all'aumento delle vibrazioni.

La combinazione dei due parametri fornisce un quadro più completo delle condizioni dell'apparecchiatura. Possono allertare gli operatori su diverse condizioni e fornire molteplici vantaggi:

• Le vibrazioni possono identificare problemi meccanici come disallineamenti, squilibri, usura dei cuscinetti, ecc.
• Gli aumenti di temperatura possono identificare problemi elettrici come il surriscaldamento degli avvolgimenti o problemi di lubrificazione.
• Quando si rileva un funzionamento anomalo, la correlazione tra vibrazioni fuori banda e temperatura può aiutare a identificare le possibili cause. Ad esempio, i modelli di vibrazione possono aiutare a identificare la causa principale.
• La pianificazione della manutenzione preventiva può essere agevolata dal monitoraggio della temperatura e delle vibrazioni. Un aumento graduale della temperatura non è necessariamente un problema come l'aumento delle vibrazioni, che può richiedere una correzione più immediata.
• Imparate a migliorare la selezione e l'utilizzo delle risorse a lungo termine utilizzando i dati dei sensori per identificare potenziali limiti operativi prima che diventino problemi.

Quando è necessario monitorare la temperatura e le vibrazioni, i progettisti di sistemi EHM possono rivolgersi al sensore QM30VT2 con alloggiamento in alluminio o al sensore QM30VT2-SS-QP con alloggiamento in acciaio inox, entrambi di Banner Engineering. Entrambi i sensori possono collegarsi a una radio Modbus o a una qualsiasi rete Modbus come dispositivo slave tramite RS-485. Il loro fattore di forma ridotto ne consente l'inserimento in spazi ristretti (Figura 6). Le altre caratteristiche includono:

• Misurazioni di temperatura e vibrazioni ad alta precisione
• Intervallo di misurazione della temperatura da -40 °C a +105 °C, con una risoluzione di 1 °C e una precisione di ±3 °C
• Rilevamento delle vibrazioni su due assi fino a 4 kHz di larghezza di banda con una precisione di ±10% a 25 °C e una frequenza di campionamento predefinita di 20 kHz
• Uscite per velocità rms, accelerazione rms ad alta frequenza, velocità di picco e altri parametri pre-elaborati dalle forme d'onda vibrazionali

Figura 6: I sensori di temperatura e vibrazione a due assi possono essere montati direttamente sull'alloggiamento del motore (a destra). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

L'effetto di banda spettrale delle vibrazioni è una capacità avanzata. Consente agli utenti di dividere la trasformata rapida di Fourier (FFT) a banda larga per ottenere dati di velocità o accelerazione rms per bande di frequenza più strette, oltre ai dati scalari da 10 a 1.000 Hz e da 1.000 a 4.000 Hz. A seconda delle esigenze degli utenti, le frequenze di banda possono essere inserite manualmente o generate automaticamente in base a una velocità dinamica o statica. L'analisi delle bande spettrali può aiutare a diagnosticare in modo più specifico i problemi delle macchine rotanti.

Temperatura e umidità

Il monitoraggio della temperatura e dell'umidità può essere importante in data center, magazzini, camere bianche, frigoriferi o refrigeratori. Un sensore di temperatura e umidità come il modello DX80N9Q45THA può essere d'aiuto:

• Conservare beni come prodotti freschi o vaccini, dove la conoscenza della temperatura e dell'umidità è essenziale per l'efficacia a lungo termine e la prevenzione del deterioramento
• Proteggere le apparecchiature come i server e i dispositivi di archiviazione in un data center, dove la temperatura o l'umidità eccessive possono interferire con il normale funzionamento o provocare guasti
• Migliorare la salute e la sicurezza delle persone nei magazzini e in altre strutture in cui l'elevata umidità può rendere difficile per lavorare in presenza di temperature elevate, portando potenzialmente all'esaurimento da calore.

Il campo di misurazione della temperatura va da -40 °C a +85 °C con una risoluzione di 0,1 °C e una precisione di ±0,6 °C da -40 °C a 0 °C, ±0,4 °C da 0 °C a +60 °C e ±1,2 °C da +60 °C a +85 °C. Il sensore di umidità può misurare da 0% a 100% RH con una precisione di ±2% a +25 °C, ±3% da 0 °C a +70 °C e da 10% a 90% RH e ±7% da 0 °C a +70 °C e da 0% a 10% o da 90% a 100% RH.

Quando l'unità è accesa, funziona in modalità di campionamento rapido e invia i dati ogni due secondi. Dopo cinque minuti, il nodo entra nella modalità predefinita e invia i dati a intervalli di cinque minuti. Le frequenze di campionamento di 15 minuti o 64 secondi sono selezionabili dall'utente.

I modelli con radio a 900 MHz trasmettono a 1 W (30 dBm) o 250 mW (24 dB selezionabile dall'utente). La modalità da 250 mW riduce la portata ma migliora la durata della batteria nelle applicazioni a corto raggio. Per i modelli a 2,4 GHz, la potenza di trasmissione è fissata a circa 65 mW (18 dBm). Quando funziona in modalità di conservazione, la radio viene spenta per risparmiare la batteria.

Conclusione

I sistemi EHM efficaci nelle fabbriche dell'Impresa 4.0 monitorano le vibrazioni e la temperatura per contribuire a garantire elevati livelli di operatività. I sensori di umidità e temperatura possono anche migliorare le prestazioni operative dei data center e conservare beni come vaccini o prodotti freschi nelle operazioni di magazzino e logistica. Questi sistemi possono utilizzare la connettività via cavo o wireless per monitorare più parametri.