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Monitoreo de condición usando la unidad como sensor

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Las unidades de velocidad variable se han utilizado durante más de medio siglo, con la principal ventaja de reducir el uso de energía eléctrica. Con el avance de Industry 4.0, el papel de la unidad pasa de ser un procesador de potencia pura a ser un elemento inteligente del sistema de automatización.

La capacidad del variador para actuar como un sensor inteligente lo convierte en una opción natural al implementar el monitoreo de condiciones. En este artículo presentamos cómo se puede usar en aplicaciones de agua y aguas residuales.

Por Norbert Hanigovszki, Jörg Dannehl, Sanjeet Kumar Dwivedi, Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

Anna Hildebrand-Jensen

Anna Hildebrand-Jensen

1 Nuevas capacidades de accionamiento para aplicaciones de agua y aguas residuales.
Los variadores de velocidad con convertidores electrónicos de potencia se han utilizado durante más de medio siglo y hoy más del 20% de todos los motores eléctricos funcionan con variadores de velocidad. La razón principal para usar unidades es la reducción del uso de energía.

Sin embargo, también hay otras razones para emplear accionamientos en aplicaciones de agua y aguas residuales, como el control del proceso (mantener una presión de agua constante, evitando así las fugas causadas por la alta presión), evitar el golpe de ariete o la explotación optimizada del pozo.

Desde la introducción de microprocesadores para controlar las unidades, se ha agregado una funcionalidad adicional a la función original, que es la de un procesador de potencia. Por ejemplo, los variadores pueden realizar el desescamado de la bomba en aplicaciones de aguas residuales, pueden controlar varias bombas en un sistema en cascada en aplicaciones de bombeo de agua o pueden evitar ciertas frecuencias para evitar resonancias.

El avance de Industry 4.0 ha dado un impulso adicional a estas funciones adicionales. A medida que Industry 4.0 se ocupa de la información y las redes, comenzamos a usar las unidades como sensores inteligentes y conectados en red.

2 Industria 4.0 en motores y sistemas de accionamiento
Industria 4.0 es un término genérico, que sugiere una cuarta revolución industrial que puede caracterizarse por la creación de redes (después de la primera revolución industrial - mecanización, la segunda - electrificación y la tercera - automatización).

Aunque el término es algo vago, una posible definición podría ser "Industria 4.0 describe la creación de redes inteligentes de personas, cosas y sistemas utilizando todas las posibilidades de digitalización en toda la cadena de valor".

El impacto de esta tendencia en los sistemas de motor es una migración de lo que se conoce como "pirámide de automatización" a sistemas en red, ver Figura 1 (izquierda). Esto significa que los diversos elementos del sistema, como motores, unidades, sensores y controles, se interconectan y también se conectan a una nube, donde los datos se almacenan, procesan, analizan y se toman decisiones, ver Figura 1 (derecha).

Fig1 pirámide de automatización izquierda. Monitoreo de condición

Pirámide de Automatización

Fig1 Sistemas en red. Monitoreo de condición correcto

Sistemas en red

Figure 1: Industry 4.0 means transition from the automation pyramid to networked systems

3 La unidad como sensor
En aplicaciones de variadores de velocidad, la disponibilidad de microprocesadores en las opciones de comunicación del variador y bus, combinada con sensores de corriente y voltaje abre nuevas oportunidades. Además, se pueden conectar sensores adicionales (como sensores de vibración y presión) al variador casi sin costo.

Esto permite que la unidad se use como un sensor inteligente para el monitoreo de la condición (Figura 2). La información disponible ofrece varios casos de uso, por ejemplo, optimización del sistema, optimización de la eficiencia energética y mantenimiento basado en la condición. La siguiente sección explorará algunos ejemplos de integración de sensores y mantenimiento basado en condiciones.

Fig2 Drive como sensor. Monitoreo de condición

Figura 2: Conduzca como un sensor

4 Monitoreo integrado basado en la condición
El monitoreo de condición es una técnica para monitorear la salud de los equipos en servicio. Para este propósito, los parámetros clave deben seleccionarse como indicadores para desarrollar fallas. La condición del equipo generalmente se degrada con el tiempo.

La figura 3 muestra un patrón de degradación típico, también conocido como curva PF. El punto de falla funcional es cuando el equipo no puede proporcionar la función deseada. La idea del mantenimiento basado en la condición es detectar la falla potencial antes de que ocurra la falla real.

En este caso, las acciones de mantenimiento pueden planificarse antes de la falla funcional, con ventajas tales como: reducción del tiempo de inactividad, eliminación de paradas de producción inesperadas, optimización del mantenimiento, reducción del stock de repuestos y otros.

Fig3 PF curva. Monitoreo de condición

Figure 3: P-F curve representing the condition of a component until functional failure.

Control de nivel de vibración 4.1
Muchas fallas mecánicas, por ejemplo, desgaste de los rodamientos, desalineación del eje, desequilibrios, crean algún tipo de vibración. Por lo tanto, el monitoreo de vibraciones se ha establecido como un estado de la técnica para monitorear máquinas rotativas. Existen varios métodos que van desde el monitoreo básico simple hasta el monitoreo altamente sofisticado [3].

Un método ampliamente utilizado es la monitorización RMS de velocidad de vibración [2]. Se basa en el valor RMS de la señal de vibración que se mide a través de un sensor de vibración. Muchas fallas mecánicas tienen un impacto significativo en el RMS de la vibración, por ejemplo, desequilibrios, desalineación del eje y aflojamiento.

Sin embargo, el desafío en las aplicaciones de velocidad variable es la dependencia de la vibración con la velocidad real. Las resonancias mecánicas son ejemplos típicos. Estos siempre están presentes, y un sistema de monitoreo tiene que lidiar con ellos de alguna manera. A menudo, los niveles de detección de fallas se establecen para el peor de los casos para evitar falsas alarmas. Esto reduce la precisión de detección en regiones de velocidad donde no hay resonancias presentes.

Con un transmisor de vibración adecuado montado y conectado al variador, el variador puede ofrecer un monitoreo avanzado al correlacionar la señal del transmisor con las señales internas del variador, por ejemplo, la velocidad u otras señales relevantes para la aplicación.

El variador puede detectar fallas temprano y brindar información sobre el semáforo (ver Figura 3) sobre el estado del sistema para evitar fallas funcionales. El mantenimiento puede prepararse y programarse con anticipación, mientras que el sistema puede continuar operando hasta el próximo descanso de mantenimiento posible.

El nivel de vibración en condiciones normales y defectuosas también depende del tipo, ubicación y montaje del sensor. Además, varía con la aplicación real que se va a monitorear. Por lo tanto, se requiere un período de aprendizaje. Esto se puede hacer de diferentes maneras. El primer enfoque es aprender los niveles normales de vibración durante el período inicial de operación.

Esto significa que la aplicación está funcionando normalmente y el variador aprende la vibración en paralelo sin afectar la operación. Cuando se han recopilado suficientes datos, la unidad comienza a controlar la vibración. En segundo lugar, la unidad puede ejecutar una ejecución de identificación. Aquí, el variador controla el motor de manera que se recopilen suficientes datos.

La posibilidad de utilizar este segundo enfoque depende de la aplicación específica. Por ejemplo, en un sistema de suministro de agua, es posible que no se permita que la bomba funcione a toda velocidad al momento de la puesta en marcha.

Se ha creado una configuración de prueba para demostrar la funcionalidad. La falla en el alcance de esta prueba es la desalineación del eje del motor. La desalineación del eje agrega carga mecánica a los rodamientos y, por lo tanto, reduce la vida útil del rodamiento. Además, crea vibraciones que pueden conducir a un efecto secundario en el sistema. La detección temprana de desalineación y corrección puede prolongar la vida útil del rodamiento y evitar el tiempo de inactividad.

La figura 4 muestra la configuración de prueba con un motor de inducción que acciona una bomba pequeña. Se puede crear una desalineación angular levantando ligeramente la placa base con el mango rojo. Se instaló un sensor de vibración en la placa base del motor para ilustrar el concepto. La señal del sensor analógico 4-20 mA se ha conectado a la entrada analógica del variador.

Configuración de prueba de Fig4. Monitoreo de condición

Figura 4: configuración de prueba con una pequeña bomba accionada por un motor de inducción. Transmisor de vibración (negro / naranja) montado en la placa base al lado de un motor.

Medición de vibraciones Fig5. Monitoreo de condición

Figura 5: Datos de prueba (valor de RMS de vibración en mm / s versus velocidad en RPM) para dos escenarios: sin fallas (negro, "línea base") y defectuoso (verde, "desalineado").


La figura 5 muestra un ejemplo de resultados de prueba. La vibración medida en mm / s frente a la velocidad del motor en RMS se muestra para dos escenarios. En el primer escenario, el sistema está en buen estado. En este estado, se ejecuta una medición de referencia. Los umbrales de advertencia y alarma se derivan de la línea base medida. Para el escenario defectuoso, se crea una desalineación del eje al levantar ligeramente la placa base del motor a través del mango rojo, consulte la Figura 5. La vibración medida en estado defectuoso se muestra en verde.

En el ejemplo anterior, el variador puede detectar claramente esta falla. Para otras aplicaciones, los datos de referencia pueden ser muy diferentes. Típicamente, incluso en estado de salud, la vibración depende de la velocidad. Incluso puede por puntos de resonancia que deben tenerse en cuenta durante el monitoreo. Otros tipos de fallas, por ejemplo, desequilibrios, flojedad, crean diferentes patrones.

Análisis de firma eléctrica 4.2
La condición del motor y la aplicación también se pueden monitorear a través del análisis de firma eléctrica. Esta técnica ha estado bajo investigación durante muchos años. Los primeros estudios se han dirigido a máquinas en línea directas, y también se han investigado aplicaciones posteriores de variadores de velocidad [5,6,7]. Con la potencia de procesamiento y la memoria disponibles en las unidades actuales, estas técnicas se pueden integrar en los productos como características del producto ahora.

La figura 6 ilustra el concepto básico. Los indicadores de condición de falla se pueden extraer de las corrientes del motor y las señales de voltaje. Los componentes de frecuencia de corrientes y voltajes pueden estar relacionados con fallas del motor o de la aplicación, por ejemplo, desalineación del eje o fallas en el devanado del estator.

Los sensores de corriente y voltaje son componentes esenciales de las unidades de todos modos. Proporcionan las señales necesarias para controlar el motor. Estas señales pueden usarse para fines de monitoreo. Por lo tanto, no se agregan costos adicionales del sensor. El procesamiento de señales y las técnicas analíticas juegan un papel importante en este contexto.

Análisis de señal eléctrica Fig6. Monitoreo de condición

Figura 6: análisis de firma eléctrica

El variador, que es el controlador del motor, puede correlacionar los valores de monitoreo, por ejemplo, armónicos de corriente específicos, con otra información disponible dentro del variador. Conociendo el estado del controlador, por ejemplo, el variador sabe cuándo se pueden realizar cálculos espectrales significativos. Al igual que el monitoreo del nivel de vibración, la correlación de los valores monitoreados con la velocidad del motor, la carga y otros datos relevantes del proceso (por ejemplo, la presión en las tuberías de agua) se puede realizar para obtener información de falla más precisa.

Monitoreo de carga 4.3 en bombas
Como se muestra en la sección anterior, los variadores miden la corriente y el voltaje del motor y el propósito principal es usar estas medidas para controlar el motor. La medición primaria de corriente y voltaje se utiliza para calcular varios parámetros, como la potencia del motor, la energía, la velocidad real del motor o el par. Y estos valores se pueden usar para controlar la carga del motor, por ejemplo, una bomba.

En aplicaciones donde la carga depende de la velocidad del motor, la estimación del par se puede usar para determinar las desviaciones de sobrecarga y subcarga. Durante la línea de base, la unidad "aprende" la distribución normal de la carga, o la envolvente de carga, que se muestra en la Figura 7. Como en las funciones anteriores, existe una correlación con la velocidad del motor.

Durante el monitoreo, el variador puede detectar condiciones de sobrecarga y baja carga, que pueden ser causadas en aplicaciones de la bomba por fallas tales como: ensuciamiento, lijado, impulsor roto, desgaste u otros.

Conclusiones de 5
El monitoreo de la condición se puede usar para implementar el mantenimiento basado en la condición, que es una evolución del mantenimiento correctivo y preventivo. Pero el monitoreo de la condición depende de los datos del sensor; e instalar sensores adicionales puede ser costoso. Sin embargo, si las unidades de velocidad variable ya se usan en la aplicación, son una fuente valiosa de datos que se pueden usar para monitorear la condición, ahorrando gastos innecesarios.

Referencias 6:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen
[3] Robert Bond Randall: monitoreo de condición basado en vibración: aplicaciones industriales, aeroespaciales y automotrices
[4] Ifm: Instrucciones de funcionamiento Sensor de vibración VKV021, https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk: Máquinas eléctricas: modelado, monitoreo de condición y diagnóstico de fallas, CRC Press, 2013
[6] Howard P. Penrose: Diagnóstico de motores eléctricos, éxito por diseño; 2nd ed. edición (2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi, Jorg Dannehl: Modelado y simulación de fallas del estator y rotor del motor de inducción y su comparación experimental, 2017 IEEE 11th Simposio internacional sobre diagnóstico de máquinas eléctricas, electrónica de potencia y unidades (SDEMPED)

Informador de la industria de procesos

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