Surveillance conditionnelle à l'aide de variateurs intelligents

Lors du passage au millénaire actuel, nous avons observé de profondes évolutions technologiques qui ont conduit à une toute nouvelle façon de travailler dans un monde numérique. Il s’agit de la quatrième révolution industrielle. La première, survenue aux XVIIIe et XIXe siècles, fut une révolution mécanique, déclenchée par l’invention de la machine à vapeur. À la fin du XIXe et au début du XXe siècle, la deuxième révolution industrielle eut lieu avec l’apparition de la production de masse, de l’électrification et de changements dans le domaine de la communication. Cette période est également appelée la « révolution électrique ». Plus tard au cours du XXe siècle, la troisième révolution industrielle a permis des avancées dans le domaine des semi-conducteurs, de l’informatique, de l’automatisation et d’Internet. Cette phase est également connue sous le nom de « révolution numérique ».

La quatrième révolution industrielle est née de la mise en réseau d’ordinateurs, d’individus et de dispositifs alimentés par des données ainsi que de l’apprentissage automatique. Bien que le terme « industrie 4.0 » soit assez vague, il est possible de le définir comme étant la mise en réseau intelligente d’individus, de dispositifs et de systèmes, en exploitant toutes les possibilités de la numérisation tout au long de la chaîne de valeur.

L’incidence de l’industrie 4.0 sur les systèmes moteurs et les systèmes de gestion des bâtiments se traduit par une migration de la « pyramide d’automatisation » vers des « systèmes en réseau ». Cela signifie que les différents éléments du système, tels que les moteurs, les variateurs, les capteurs et les commandes, sont interconnectés et connectés à un cloud – un data center où les données sont stockées, traitées et analysées, mais aussi où des décisions sont prises.

Dans un réseau d’automatisation, la quantité de données est importante. Comme les données sont principalement fournies par des capteurs, le nombre de ces capteurs dans les systèmes d’automatisation modernes augmente. Les moteurs et les machines entraînées tels que les ventilateurs, les pompes et les convoyeurs ne sont pas les éléments les plus évidents d'un réseau de données. Des capteurs sont donc nécessaires pour collecter les données de ces machines. Les capteurs sont connectés au réseau de données qui a recours à divers moyens pour utiliser ces données. Lors de l’introduction d’un système avancé de surveillance conditionnelle, le coût supplémentaire des capteurs et de la connectivité est souvent considéré comme un frein.

Les variateurs à vitesse variable modernes ouvrent de nouvelles opportunités dans le réseau d’automatisation de l’industrie 4.0 et dans les systèmes de gestion des bâtiments. Traditionnellement, les variateurs étaient considérés comme des processeurs d’alimentation servant à contrôler la vitesse des moteurs, ventilateurs, convoyeurs et/ou pompes. Aujourd’hui, les variateurs font également partie de la chaîne d’information en tirant profit de l'utilisation de la puissance de traitement intégrée, la capacité de stockage et l’interface de communication au sein même du variateur.

Voici différents types de stratégies en matière de maintenance :

• Maintenance corrective : le produit est remplacé après un défaut.
• Maintenance préventive : Le produit est remplacé avant qu’un défaut n’apparaisse, bien que le produit n’ait émis aucun signal.
• Maintenance conditionnelle : Le produit émet un avertissement lorsque sa durée de vie réelle varie par rapport à sa durée de vie théorique. Les causes principales possibles sont indiquées.
• Maintenance prédictive : Le produit émet un avertissement avant d’atteindre le nombre d’heures de fonctionnement défini, et ce, afin qu’une action de maintenance soit entreprise.

Les maintenances correctives et préventives se fondent sur un défaut (événement) ou sont basées sur une durée. Par conséquent, la maintenance a lieu en cas de défaut(s) (maintenance corrective) ou après un nombre prédéfini d’heures de fonctionnement (maintenance préventive). Ces types de maintenance n’utilisent aucun signal qui pourrait provenir de l’application.

Avec l’introduction de l’industrie 4.0 et la disponibilité des données des capteurs, la maintenance conditionnelle et prédictive est désormais possible. De telles stratégies de maintenance utilisent les données réelles du capteur pour déterminer l’état de l’équipement en service (maintenance conditionnelle) ou pour prévoir les futures pannes (maintenance prédictive).

La maintenance conditionnelle est la technique de maintenance la plus simple et la plus intuitive. Elle repose sur les données de l’application réelle. Les données acquises sont utilisées pour surveiller l’état des équipements en service. À cette fin, des paramètres clés sont sélectionnés comme indicateurs afin d’identifier l’apparition des défauts. L’état d’un équipement se dégrade généralement avec le temps. C'est illustré par la courbe P-f qui montre un schéma de dégradation typique. Une panne fonctionnelle se produit lorsque l’équipement ne parvient pas à exécuter la fonction prévue. L’idée de la maintenance conditionnelle est de détecter la panne potentielle avant qu’une véritable panne se produise.

Avantages de la planification des opérations de maintenance

• Réduction des temps d’arrêt
• Élimination des arrêts de production inattendus
• Optimisation de la maintenance
• Réduction du stock de pièces détachées

Une composante à part entière de la maintenance conditionnelle consiste à surveiller l’état de l’équipement. Dans les applications à vitesse variable, l’état de l’application est souvent tributaire de la vitesse. Par exemple, les niveaux de vibration ont tendance à augmenter à des vitesses plus élevées, bien que cette relation ne soit pas linéaire. En effet, des résonances peuvent se produire à certaines vitesses, puis disparaître lorsque la vitesse est augmentée.

L’utilisation d’un système indépendant en vue de surveiller l’état d’une application à vitesse variable est compliquée par la nécessité de connaître la vitesse et la valeur surveillée en corrélation avec la vitesse. L’utilisation de variateurs pour la surveillance conditionnelle (« variateur en tant que capteur » ou « variateur en tant que concentrateur de capteurs ») est une solution avantageuse, car les informations sur la vitesse de l’application sont déjà présentes dans le variateur. De plus, des informations sur le couple de charge/du moteur et sur l’accélération sont facilement disponibles dans le variateur.

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Aujourd’hui, les variateurs sont plus que de simples processeurs d’alimentation. Dotés de la capacité d’agir comme des capteurs ou des concentrateurs de capteurs, capables de traiter, de stocker et d’analyser des données, ainsi que leur faculté de connectivité, les variateurs sont des éléments essentiels dans les systèmes d’automatisation modernes.

Les variateurs sont souvent déjà présents dans les installations d’automatisation et offrent donc une excellente opportunité de mise à niveau vers l’industrie 4.0.

Cela permet de recourir à de nouvelles façons d’effectuer la maintenance, comme la maintenance conditionnelle. Ces fonctions sont déjà disponibles sur certains variateurs et les premiers utilisateurs ont déjà commencé à utiliser le variateur comme un capteur.