Hur övervakning av tillgångar med flera givare kan förbättra prestandan och logistiken i fabriker med Industry 4.0 samt i datacenter

Övervakning av maskiner för parametrar som t.ex. vibrationer och temperatur kan ge realtidsdata om maskinens prestanda och status och ge tillverkarna den data som behövs för att planera proaktivt underhåll, minska stilleståndstiden samt förbättra produktiviteten.

Övervakning av luftfuktighet och temperatur i logistikanläggningar eller under transport kan förbättra driftprestandan och bevara varor som t.ex. vacciner eller färskvaror. Miljöövervakningssystem med kabelanslutning respektive trådlös anslutning finns tillgängliga för att passa olika tillämpningar, inklusive datacenter för företag och moln.

Övervakning av vibrationer kan vara till stor nytta för att identifiera potentiella problem på maskiner innan de uppstår. ISO (International Organization for Standardization) 10816 kan vara en viktig referens. Den vägleder hur man kan utvärdera vibrationsgraden i motorer som används för pumpar, fläktar, kompressorer, växellådor, fläktar, torkar, pressar och liknande maskiner som arbetar i frekvensområdet 10 till 1 000 Hz.

Artikeln presenterar några viktiga överväganden vid val av kabelanslutning respektive trådlös anslutning för övervakningssystem och hur användning av kabelanslutna och trådlösa nätverk inte är ett antingen/eller-val. Därefter granskas de fyra klassificeringarna för vibrationsgrad som definieras i ISO 10816. Avslutningsvis diskuteras olika alternativ för implementering av både kabelanslutna och trådlösa system för statusövervakning, inklusive användning av flera givare för övervakning av vibrationer, temperatur, luftfuktighet samt typiska tillämpningar.

Banner Engineering har ett urval av gateways för statusövervakning av utrustning (EHM) som ger enkel åtkomst till nätverksdata vid statusövervakning av utrustning. Konstruktörer av industriell statusövervakning av utrustning kan välja mellan företagets kabelanslutna gateway-lösning SNAP ID med en lokal dataskärm för avläsning av givarnas värden, eller en valfri instrumentpanel i molnet och den trådlösa gateway-lösningen CLOUD ID som är utformad för direkt anslutning till en instrumentpanel i molnet (figur 1). Gemensamma egenskaper för dessa två val är bland annat:

• En rad olika givare att välja mellan för att optimera driften för statusövervakning av utrustning
• Snabb driftsättning tack vare automatisk identifiering av anslutna givare utan ytterligare programmering
• Givardata finns lättillgängligt för justering av utrustning eller för schemaläggning av nödvändigt underhåll för att minimera stilleståndstiden och maximera produktiviteten
• Stöd för anslutning mot molnet för båda systemen
• Förkonfigurerade instrumentpaneler tillgängliga och anpassningsbara för optimal visualisering av data

Figur 1: SNAP ID (vänster), kabelansluten gateway, och CLOUD ID (höger), trådlös gateway, för statusövervakning av utrustning har flera gemensamma egenskaper. (Bildkälla: DigiKey)

Kabelansluten eller trådlöst ansluten gateway för statusövervakning av utrustning?

Även om de har vissa gemensamma egenskaper finns det väsentliga skillnader mellan kabelanslutna och trådlösa gateways för statusövervakning av utrustning. Gatewayen AMG-SNAP-ID för övervakning av tillgångar stödjer driftsättning, övervakning och larm för upp till 20 givare och omvandlare. Den stödjer anslutningar via Modbus samt via SNAP SIGNAL från Banner och söker efter enskilda givare eller omvandlare samt har automatisk identifiering av modellinformation. Användare kan ändra och tilldela ID-nummer för Modbus-server för att bygga och driftsätta anpassade lösningar för statusövervakning av utrustning. Anslutna enheter kan grupperas och gränsvärden för larm kan tilldelas individuellt. Larmstatusen visas på pekskärmen och synliggörs även genom färgen på lampan på skåpets ovansida.

När konstruktörer av statusövervakningssystem för utrustning behöver nå direkt till molnet kan de använda sig av IIoT-gateway DXM1200-X2 för att ansluta upp till 200 enheter, från både Banner och tredje part, för att leverera data för prestanda och maskinens status. Den kan automatiskt upptäcka och ansluta till givarnoder och sända data till programvaran Banner Cloud. Utvecklare kan välja mellan enkla eller avancerade programmeringsverktyg. Denna IIoT-gateway kan bearbeta informationen vid molnkanten och sedan skicka den via både Ethernet och mobilnätet för att övervakas var som helst i världen via en intuitiv instrumentpanel i molnet (figur 2).

Figur 2: Gateways för trådlös anslutning (vänster) och kabelanslutning (höger) för givare IIoT-nätverk har flera gemensamma egenskaper. (Bildkälla: Banner Engineering)

Kabelansluten och trådlös arkitektur för statusövervakning av utrustning

Kabelanslutna och trådlösa arkitekturer för statusövervakning av utrustning utesluter inte varandra. Kabelanslutna system kan ha trådlösa delar och trådlösa arkitekturer innehåller ofta kabelanslutningar.

En grundläggande kabelansluten arkitektur för statusövervakning av utrustning kan exempelvis omfatta flera kopplingsdosor som är anslutna till flera givare, som t.ex. R50-4M125-M125Q-P med fyra portar och R95-8M125-M125Q-P med åtta portar. Radioenheten Sure Cross R70SR för seriell data från Banner, som t.ex. R70SR9MQ för 900 MHz och R70SR2MQ för 2,4 GHz, kan utöka nätverkets räckvidd utan extra kablar. Radioenheterna har bland annat följande funktioner (figur 3):

• Seriellt gränssnitt RS-485
• Stöd för nätverkstopologier i form av stjärnor och träd
• Stöd för självläkande nätverk med automatisk dirigering av radiofrekvenser med flera hopp för att ytterligare utöka nätverkets räckvidd
• Teknik för frekvenshoppning med spritt spektrum (FHSS) för tillförlitlig dataöverföring

Figur 3: Enkel topologi för kabelansluten övervakning av tillgångar (vänster) med exempel på ett trådlöst anslutet fjärrstyrt kluster av givare (höger). (Bildkälla: DigiKey)

I en stor anläggning kan många system vara utspridda över ett stort område, som t.ex:

• Tryckluftskompressorer
• Pumpsystem
• Transportband
• Ett stort antal elektriska motorer och maskiner
• Växellådor
• Luftfiltreringssystem
• Nivåmätning och övervakning i lagringstankar

I dessa fall kan prestandan för statusövervakningsystemet för utrustning förbättras genom att man kombinerar kabelansluten och trådlös teknik. DXM1200-X2, en trådlös gateway för IIoT som nämns ovan har kabelansluten anslutning för Modbus. Om Ethernet behövs kan konstruktörer använda sig av DXMR90-X1. DXMR90-4K kan implementera master-/styrfunktioner via IO-Link. Förutom valet av Modbus, Ethernet och IO-Link kan konstruktörer använda radioenheten R709 för seriell data för att tillhandahålla trådlös anslutning till fysiskt utspridda tillgångar (figur 4).

Figur 4: Trådlösa IIoT-gateways (längst ned till vänster) finns med anslutningar för Modbus, Ethernet och IO-Link. (Bildkälla: Banner Engineering)

Vibrationsgrad enligt ISO 10816

ISO 10816 är en viktig standard för statusövervakningssystem för utrustning. Den fastställer vibrationsgrad för maskiner som t.ex. elmotorer, pumpar och generatorer. Standarden använder kvadratroten ur medelvärdet (rms) för acceleration, förskjutning eller vibrationshastighet. ISO 10816 innehåller även överväganden för topp till topp-värden. Vibrationsgraden har det högsta värdet för kvadratroten ur medelvärdet vid mätning av två eller flera parametrar. Standarden klassificerar vibrationsgraden i fyra nivåer:

• Bra indikerar vanligtvis nyligen driftsatta maskiner.
• Godtagbara vibrationer indikerar det obegränsade driftsområdet.
• Ej godtagbara vibrationer indikerar ett behov av begränsad drift och schemaläggning av förebyggande underhåll.
• Oacceptabla vibrationer indikerar att maskinen sannolikt kommer att skadas.

Figur 5: IEC 10816 innehåller fyra kategorier av vibrationsgrad. (Bildkälla: Banner Engineering)

Vibrationer och maskininlärning

Inte ens "identiska" maskiner är exakta kopior. Det är där maskininlärning (ML) kommer in i bilden. Banner Engineering har VIBE-IQ, ett programvarupaket för vibrationsövervakning som använder maskininlärning (ML) för att fastställa ett unikt baslinjevärde för varje enskild maskins vibrationer. Programvaran för maskininlärning ställer därefter in gränsvärden för varningar och larm automatiskt. Den kan automatisera komplexa beräkningar för statusövervakning av utrustning samt analyser. Några av funktionerna i VIBE-IQ innefattar:

• Kontinuerlig övervakning av hastigheten för kvadratroten ur medelvärdet från 10 till 1 000 Hz, högfrekvensaccelerationen för kvadratroten ur medelvärdet från 1 000 till 4 000 Hz samt temperatur
• Övervakar endast motorer som är i drift
• Använder data för trendanalys samt realtidsövervakning för att identifiera förhållanden som t.ex:
  • Felinstallerade eller obalanserade system
  • Slitna eller lösa komponenter
  • Överdrivet slitage på lager
  • Felaktigt monterade eller körda motorer
  • Övertemperaturförhållanden
• Skickar varningar till värdstyrenheten eller molnet proaktivt

Vibration och temperatur

Vibrationer är inte den enda ledtråden till att en maskin kan behöva förebyggande underhåll. En stigande temperaturtrend kan även uppmärksamma statusövervakningssystem för utrustning på potentiella problem, särskilt om den stigande temperaturen korrelerar med ökande vibrationer.

Genom att kombinera de två parametrarna får man en mer komplett bild av utrustningens skick. De kan varna driftpersonal för olika förhållanden och har flertalet fördelar.

• Vibrationer kan identifiera mekaniska problem som t.ex felaktiga installationer, obalans, lagerslitage etc.
• Temperaturökningar kan identifiera elektriska problem som t.ex. överhettning av lindningar eller problem med smörjning.
• När avvikande drift upptäcks kan korrelation mellan vibrationer utanför bandet och temperatur hjälpa till att identifiera möjliga orsaker. Till exempel kan vibrationsmönster hjälpa till att identifiera grundorsaken.
• Planering av förebyggande underhåll kan underlättas genom övervakning av både temperatur och vibrationer. En gradvis temperaturökning är inte nödvändigtvis ett lika stort problem som ökande vibrationer, som kan kräva en mer omedelbar korrigering.
• Lär dig hur du kan förbättra det långsiktiga valet och utnyttja tillgångar med hjälp av givardata för att identifiera potentiella driftbegränsningar innan de blir ett problem.

När temperatur och vibrationer behöver övervakas kan konstruktörer av statusövervakningssystem för utrustning använda sig av givaren QM30VT2 med ett aluminiumhölje eller QM30VT2-SS-QP med ett hölje av rostfritt stål, båda från Banner Engineering. Båda givarna kan anslutas till en radioenhet för Modbus eller ett nätverk för Modbus som en slavenhet via RS-485. Deras lilla format gör att de passar in i små utrymmen (figur 6). Övriga funktioner innefattar:

• Temperatur- och vibrationsmätningar med hög noggrannhet
• Mätområdet för temperatur är -40 till +105 °C, med en upplösning på 1 °C och en noggrannhet på ±3 °C
• Detekterar vibrationer för två axlar med en bandbredd på upp till 4 kHz med en noggrannhet på ±10 % vid 25 °C samt en normal samplingsfrekvens på 20 kHz
• Utgångar för kvadratroten ur medelvärdet för hastighet, kvadratroten ur medelvärdet för högfrekvensacceleration, topphastighet och andra parametrar som förbehandlats från vågformerna för vibrationen

Figur 6: Vibrations- och temperaturgivare för två axlar kan monteras direkt på motorhuset (höger). (Bildkälla: Banner Engineering)

Spektralbandning för vibrationer är en avancerad funktion. Användaren kan dela upp den snabba Fourier-transformationen (FFT) för bredband för att få kvadratroten ur medelvärdet för hastighets- eller accelerationsdata för smalare frekvensband utöver skalärdata för 10 till 1 000 Hz och 1 000 till 4 000 Hz. Beroende på användarnas behov kan bandfrekvenserna matas in manuellt eller genereras automatiskt baserat på en dynamisk eller statisk hastighetsinmatning. Spektralbandsanalys kan mer specifikt göra det lättare att diagnostisera problem hos roterande maskiner.

Temperatur och luftfuktighet

Övervakning av temperatur och luftfuktighet kan vara viktigt i datacenter, lagerlokaler, renrum, kylskåp eller kylaggregat. En temperatur- och fuktighetsgivare som t.ex. DX80N9Q45THA kan underlätta:

• Bevarandet av varor som t.ex. färskvaror eller vacciner, där kunskap om temperatur och luftfuktighet är avgörande för långsiktig hållbarhet och för att förhindra förstörelse
• Skydda utrustning som t.ex. servrar och lagringsenheter i ett datacenter där för hög temperatur eller luftfuktighet kan störa normal drift eller leda till haverier
• Förbättra hälsan och säkerheten för människor i lagerlokaler och andra anläggningar där hög luftfuktighet kan göra det svårt för arbetare att hålla sig svala i höga temperaturer, vilket kan leda till utmattning p.g.a värme

Mätområdet för temperatur är -40 till +85 °C med en upplösning på 0,1 °C samt en noggrannhet på ±0,6 °C från -40 till 0 °C, ±0,4 °C från 0 till +60 °C samt ±1,2 °C från +60 till +85 °C. Fuktighetsgivaren kan mäta från 0 till 100 % relativ luftfuktighet med en noggrannhet på ±2 % vid +25 °C, ±3 % från 0 till +70 °C och 10 till 90 % relativ luftfuktighet, och ±7 % från 0 till +70 °C och 0 till 10 % eller 90 till 100 % relativ luftfuktighet.

När enheten startas arbetar den i ett snabbt samplingsläge och skickar data varannan sekund. Efter fem minuter övergår noden till normalläge och skickar data med fem minuters intervall. Samplingsfrekvenser på 15 minuter eller 64 sekunder kan väljas av användaren.

Modeller med radioenheter för 900 MHz sänder med 1 W (30 dBm) eller 250 mW (24 dB valbart av användaren). Läget med 250 mW minskar räckvidden men förbättrar batteritiden för tillämpningar med korta avstånd. För modeller med 2,4 GHz är sändningseffekten fast på ca 65 mW (18 dBm). I förvaringsläge stängs radion av för att spara på batteriet.

Sammanfattning

Effektiva statusövervakningssystem för utrustning i fabriker med Industry 4.0 övervakar vibrationer och temperatur för att säkerställa en lång drifttid. Fukt- och temperaturgivare kan även förbättra driftprestandan i datacenter och bevara varor som t.ex. vaccin och färskvaror i lager- och logistikverksamheter. Systemen kan använda kabelanslutningar eller trådlösa anslutningar för att övervaka flera olika parametrar.