Monitorowanie stanu za pomocą inteligentnych napędów

  • Przegląd
  • Wyróżnione produkty
  • Studium przypadku
Widok z lotu ptaka na Nordhavn w Kopenhadze, z sygnałem monitorowania stanu układu napędowego wyświetlanym na szczycie kilku budynków

Napędy są czymś więcej niż tylko procesorami mocy

Dzięki możliwości łączenia się z innymi urządzeniami i pełnienia funkcji czujników oraz koncentratorów czujników w celu przetwarzania i analizowania danych napędy są istotnymi elementami nowoczesnych systemów automatyzacji i systemów zarządzania budynkiem. Zintegrowana funkcja monitorowania stanu układu napędowego umożliwia nowe metody wykonywania konserwacji, takie jak konserwacja zależna od stanu układu.

Ewolucja przemysłowych systemów automatyki

Na początku tego tysiąclecia byliśmy świadkami głębokiej zmiany w technologii, która zapoczątkowała zupełnie nowy sposób pracy w świecie cyfrowym. To czwarta rewolucja przemysłowa. Pierwsza rewolucja przemysłowa, która nastąpiła w XVIII i XIX wieku, była rewolucją mechaniczną zapoczątkowaną przez wynalezienie silnika parowego. Pod koniec XIX i na początku XX wieku rozwinęła się druga rewolucja przemysłowa w wyniku zaadaptowania masowej produkcji, elektryfikacji i zmian w komunikacji. Okres ten jest znany również jako rewolucja elektryczna. Pod koniec XX wieku nastąpiła trzecia rewolucja przemysłowa, która przyniosła korzyści z zastosowania półprzewodników, komputeryzacji i internetu. Okres ten jest znany również jako rewolucja cyfrowa.

Czwarta rewolucja przemysłowa nastała w wyniku połączenia komputerów, ludzi i urządzeń z siecią w celu umożliwienia wymiany danych i uczenia maszynowego. Chociaż termin „Przemysł 4.0” jest dość niejasny, jedna z definicji Przemysłu 4.0 opisuje inteligentną sieć ludzi, urządzeń i systemów wykorzystującą wszystkie możliwości cyfryzacji w całym łańcuchu wartości.

Trendy w systemach automatyki Przemysłu 4.0

Wpływ Przemysłu 4.0 na systemy napędowe i systemy zarządzania budynkiem to migracja z „piramidy automatyzacji” do „systemów sieciowych”. Oznacza to, że różne elementy systemu, takie jak silniki, napędy, czujniki i elementy sterujące są połączone ze sobą oraz z chmurą – centrum danych, w którym dane są przechowywane, przetwarzane i analizowane oraz podejmowane są decyzje.

Sieć automatyki obejmuje ogromną ilość danych. Ponieważ dane pochodzą głównie z czujników, liczba czujników w nowoczesnych systemach automatyki nieustannie rośnie. Silniki i maszyny z napędem, takie jak wentylatory, pompy i przenośniki nie są najbardziej oczywistymi elementami sieci danych. Dlatego konieczne są czujniki, aby pozyskać dane z tych maszyn. Czujniki są połączone z siecią danych, która wykorzystuje zgromadzone dane na różne sposoby. Jednak przy wprowadzaniu systemu zaawansowanego monitorowania stanu dodatkowe koszty czujników i łączności są często postrzegane jako bariera.

Nowoczesne napędy o zmiennej prędkości otwierają nowe możliwości w sieciach automatyki Przemysłu 4.0 i systemach zarządzania budynkiem. Tradycyjnie napędy były uważane za procesory mocy przeznaczone do sterowania prędkością silnika, wentylatora, przenośnika i/lub pompy. Obecnie napędy są także częścią łańcucha informacji,który wykorzystuje zalety wbudowanej mocy obliczeniowej, pojemności pamięci masowej i interfejsu komunikacyjnego w napędzie.

Inteligentny napęd VLT AQUA FC 202 firmy Danfoss

Co to jest inteligentny napęd?

W sieci Przemysł 4.0 napęd odgrywa ważną rolę i pozwala na stosowanie następujących funkcji:

  • Bezpieczna łączność: Napęd może się łączyć z innymi elementami w bezpieczny sposób. Inne elementy w sieci mogą obejmować napędy, sterowniki PLC, czujniki i chmurę.
  • Napęd pełni funkcję czujnika: Napęd wykorzystuje prąd silnika i analizę sygnatury napięcia w celu wykrycia silnika i wydajności aplikacji.
  • Napęd pełni funkcję koncentratora czujników: Napęd pobiera dane z czujników zewnętrznych powiązanych z procesem, który jest przez niego kontrolowany.
  • Napęd pełni funkcję sterownika: Napęd może zastąpić sterownik PLC, jeśli pozwalają na to ograniczenia aplikacji.
  • Koncepcja „przynieś własne urządzenie”: Bezpośrednia łączność z urządzeniami przenośnymi (smartfon, tablet).

Informacje z napędu można zidentyfikować w następujący sposób:

  • Sygnały natychmiastowe: Sygnały, które są mierzone bezpośrednio przez napęd za pomocą wbudowanych czujników. Dane takie jak prąd silnika, napięcie, temperatura napędu i ich pochodne, takie jak moc uzyskana poprzez pomnożenie prądu przez napięcie lub moment obrotowy silnika. Co więcej napęd ten może pełnić rolę koncentratora, do którego można podłączyć czujniki zewnętrzne dostarczające sygnały chwilowe.
  • Przetworzone sygnały: Sygnały, które są wyliczane na podstawie sygnałów chwilowych. Na przykład rozkład statystyczny (wartość maksymalna, minimalna, średnia i odchylenie standardowe), analiza domeny częstotliwościowej lub wskaźniki profilu misji.
  • Sygnały analityczne: Sygnały, które dostarczają wskaźniki dotyczące stanu napędu, silnika i aplikacji. Sygnały te służą do inicjowania konserwacji lub prowadzą do usprawnień projektowych systemu.

Techniki analizy sygnatury prądu silnika pozwalają napędowi monitorować stan silnika i aplikacji. Technika ta pozwala na potencjalne wyeliminowanie czujników fizycznych lub pozyskanie wczesnych sygnatur usterki, których wykrycie mogło być niemożliwe. Dzięki zastosowaniu tej techniki możliwe jest na przykład wcześniejsze wykrycie kawitacji, usterek uzwojenia lub mimośrodowości obciążenia mechanicznego.

Napęd napędu jako koncentratora czujników wymaga podłączenia zewnętrznych czujników do napędu, co eliminuje potrzebę stosowania bramki do łączenia fizycznego czujnika z siecią danych.. Do tego napędu można na przykład podłączyć czujniki wibracji, ciśnienia i temperatury. Korzyść wynikająca z tej koncepcji jest związania nie tylko z kosztami, lecz również umożliwia korelację danych czujnika z różnymi typami danych występujących w napędzie. Oczywistym przykładem jest korelacja poziomu wibracji z czujnika zewnętrznego z prędkością obrotową silnika, ponieważ wibracje są zależne od prędkości.

Konserwacja zależna od stanu układu napędowego i inne strategie konserwacji

Poniżej przedstawiono różne rodzaje strategii konserwacji:

  • Konserwacja korekcyjna: produkt jest wymieniany po usterce.
  • Konserwacja zapobiegawcza: produkt jest wymieniany przed wystąpieniem usterki, ale żadne powiadomienia nie są odbierane z produktu.
  • Konserwacja zależna od stanu układu napędowego: produkt przesyła ostrzeżenie, gdy aktualny czas użytkowania produktu różni się od oczekiwanego czasu użytkowania i zidentyfikowano możliwe przyczyny źródłowe.
  • Konserwacja predykcyjna: produkt przesyła ostrzeżenie zanim osiągnie zaplanowaną liczbę godzin pracy, aby zainicjować serwisowanie.
Odtwórz film
Odtwórz wideo, w którym Norbert Hanigovszki, Szef Drives Intelligence w Danfoss Drives, prowadzi cię przez różne strategie konserwacji i przedstawia przegląd monitorowania opartego na stanie w Danfoss Drives.

Dlaczego potrzebna jest konserwacja zależna od stanu układu napędowego?

Konserwacja korygująca i zapobiegawcza są oparte na usterce (zdarzeniu) lub czasie. Z tego względu konserwacja jest wykonywana w razie usterki (korygująca) lub po upływie ustalonej liczby godzin pracy (zapobiegawcza). Te rodzaje konserwacji nie korzystają z żadnej informacji zwrotnej z rzeczywistej aplikacji.

Dzięki wprowadzeniu Przemysłu 4.0 i dostępności danych z czujników możliwa jest konserwacja zależna od stanu układu napędowego i konserwacja predykcyjna teraz jest możliwa. Takie strategie konserwacji wykorzystują bieżące dane z czujnika do określenia stanu sprzętu będącego w eksploatacji (konserwacja zależna od stanu układu napędowego) lub do przewidywania przyszłych usterek (konserwacja predykcyjna).

Ta krzywa P-f obrazuje typową degradację sprzętu.

Przegląd i korzyści konserwacji zależnej od stanu układu napędowego

Konserwacja zależna od stanu układu napędowego to najłatwiejsza i najbardziej intuicyjna technika konserwacji w oparciu o dane z rzeczywistej aplikacji. Pozyskane dane są używane do monitorowania stanu sprzętu będącego w eksploatacji. Do tego celu wybierane są kluczowe parametry, które pełnią rolę wskaźników pozwalających identyfikować powstające usterki. Stan sprzętu na ogół degraduje się wraz z upływem czasu. Jest to zilustrowane na wykresie P-f, który pokazuje typowy wzorzec degradacji. Awaria funkcjonalna ma miejsce, gdy sprzęt nie jest w stanie wykonać funkcji, do której jest przeznaczony. Ideą konserwacji zależnej od stanu układu napędowego jest wykrywanie potencjalnej usterki zanim ona nastąpi.

Korzyści planowania działań konserwacyjnych

  • Ograniczenie czasu przestojów
  • Eliminacje nieoczekiwanych przestojów produkcji
  • Optymalizacja konserwacji
  • Zmniejszenie zapasów części zamiennych

Funkcje monitorowania stanu dla napędów o zmiennej prędkości

Integralną częścią konserwacji zależnej od stanu układu napędowego jest monitoring stanu sprzętu. W aplikacjach o zmiennej prędkości stan aplikacji często zależy od prędkości. Na przykład poziomy wibracji są wyższe przy większych prędkościach, jednak ta zależność nie jest liniowa. Co więcej, przy pewnych prędkościach mogą wystąpić drgania rezonansowe, które zanikają po zwiększeniu prędkości.

Użycie niezależnego systemu do monitorowana stanu aplikacji o zmiennej prędkości jest skomplikowane, ponieważ wymaga znajomości prędkości i zestawienia wartości monitorowanej z prędkością. Stosowanie napędów do monitorowania stanu („napęd jako czujnik” lub „napęd jako koncentrator czujników”) to korzystne rozwiązanie, ponieważ informacje o prędkości aplikacji są już zawarte w napędzie. Dodatkowo w napędzie są już dostępne informacje dotyczące obciążenia/momentu obrotowego silnika oraz przyspieszenia.

Monitorowanie stanu wykorzystuje procedurę składającą się z trzech kroków:

Pierwszym ważnym krokiem do uzyskania efektywnego systemu monitoringu jest określenie i zdefiniowanie normalnych warunków roboczych. Ustanowienie wartości podstawowej oznacza zdefiniowanie normalnego stanu roboczego dla danej aplikacji, który jest zwany podstawą. Istnieje kilka sposobów na określenie wartości podstawowych.

Manualna wartość podstawowa: Gdy wartości podstawowe są definiowane na podstawie wcześniejszego doświadczenia, znane wartości są programowane w napędzie.

Bieg wartości podstawowej: Wartość podstawowa jest określana podczas uruchomienia. W tej metodzie wykonywane jest przeszukanie prędkości w użytecznym zakresie prędkości w celu określenia stanu w każdym punkcie prędkości. Jednak w niektórych sytuacjach w trakcie uruchomienia, może się zdarzyć, że aplikacja nie będzie działać z pełną wydajnością lub potrzebny będzie okres adaptacji. W takich przypadkach bieg wartości podstawowej musi zostać wykonany po okresie docierania w celu odnotowania stanu roboczego, który jest możliwie najbardziej zbliżony do normalnej pracy.

Wartość podstawowa online: Jest to zaawansowana metoda, która przechwytuje dane wartości podstawowych podczas normalnej pracy. Jest to przydatne w sytuacjach, gdy nie da się wykonać biegu wartości podstawowej, ponieważ dana aplikacja nie pozwala na sprawdzenie całego zakresu prędkości.

Po wyznaczeniu wartości podstawowej w kolejnym kroku należy określić wartości graniczne dla ostrzeżeń i alarmów. Wartości graniczne wskazują stan aplikacji, o którym musi być powiadomiony użytkownik. Istnieją różne sposoby sygnalizowania stanu urządzeń, a jednym z najbardziej popularnych w branży jest sygnalizacja świetlna w czterech kolorach, opisana w specyfikacji 24582 VDMA – neutralny punkt odniesienia dla monitorowania stanu w automatyce przemysłowej.

Znaczenie kolorów jest następujące:

  • Zielony: Wskazuje, że sprzęt jest w dobrym stanie i pracuje efektywnie.
  • Żółty: Wskazuje ostrzeżenie stopnia 1 i oznacza, że została przekroczona pierwsza wartość graniczna. Personel konserwacyjny może zaplanować działania konserwacyjne.
  • Pomarańczowy: Wskazuje ostrzeżenie stopnia 2 lub stan krytyczny i oznacza, że została przekroczona druga wartość graniczna. Natychmiastowe działanie konserwacyjne musi zostać wykonane przez personel konserwacyjny.
  • Czerwony: Wskazuje alarm i oznacza, że maszyna zatrzyma się i będzie wymagała konserwacji korekcyjnej.

Poniższe metody są używane do określania wartości granicznych:

  • Bezwzględna: jest to powszechna metoda, gdy wartości danego sprzętu są już znane. ta wartość graniczna jest stała i nie zależy od zmierzonej wartości bazowej. Na przykład operator zna bezwzględną wartość graniczną dla danego sprzętu i jest ona ustawiana jako próg alarmu. W przypadku monitoringu wibracji wartości graniczne określone w normie, takiej jak ISO 10816/20816, mogą być użyte jako wartości absolutne dla progów alarmowych.
  • Przesunięcie: ta metoda ustawiania wartości granicznych wymaga zrozumienia aplikacji i wartości podstawowych. Taka wartość graniczna jest zależna od wartości podstawowej, dla której użytkownik wybiera przesunięcie. Ryzyko w takim przypadku wiąże się z ustawieniem bardzo niskiej lub bardzo wysokiej wartości, co prowadzi do wyników fałszywie pozytywnych. Nieprawidłowe ustawienia mogą powodować brak reakcji na monitorowanie, nawet w przypadku usterek.
  • Współczynnik: ta metoda jest łatwiejsza w użyciu niż przesunięcie, ponieważ w jej przypadku nie jest potrzebne dokładne zrozumienie aplikacji. Wartość graniczna jest zależna od wartości podstawowej, która jest mnożona przez współczynnik. Na przykład wartość graniczna może wynosić 150% wartości podstawowej. Ryzyko w takim przypadku wiąże się z ustawieniem bardzo wysokiej wartości granicznej.

Rzeczywiste wartości monitorowane mogą być odczytywane przez napęd za pośrednictwem LCP, magistrali komunikacyjnej lub komunikacji IoT. Dodatkowo można skonfigurować wyjścia cyfrowe, tak aby reagowały na określone ostrzeżenia i alarmy. Niektóre napędy mają wbudowany serwer internetowy, który może również być używany do odczytywania stanu.

Monitoring jest realizowany przez ciągłe porównywanie z wartościami granicznymi. Podczas normalnej pracy aktualne wartości są porównywane z wartością graniczną. Gdy monitorowane parametry będą przekraczały wartość graniczną przez wstępnie zdefiniowany okres czasu, zostanie aktywowane ostrzeżenie lub alarm. Zegar pełni rolę filtra, tak aby krótkotrwałe przekroczenia nie powodowały aktywacji ostrzeżeń lub alarmów.

Obejrzyj film, aby zobaczyć demonstrację trzech etapów wdrażania monitorowania stanu układu napędowego: 1. Ustal wartość podstawową 2. Określ wartości progowe 3. Wykonaj monitoring.

Dowiedz się więcej, zapoznając się z raportem i filmem o monitorowaniu stanu układu napędowego

Obecnie napędy są więcej niż tylko prostym procesorem mocy. Dzięki możliwości pracy w roli czujników i koncentratorów czujników w celu przetwarzania, magazynowania i analizowania danych oraz możliwości komunikacji napędy są kluczowym elementem nowoczesnych systemów automatyki.

Napędy często są już obecne w instalacjach automatyki i z tego powodu stanowią doskonałą możliwość modernizacji do Przemysłu 4.0.

Pozwala to na nowe sposoby realizowania konserwacji, takie jak konserwacja zależna od stanu układu napędowego. Funkcje te są już dostępne w niektórych napędach a pierwsi użytkownicy zaczęli już używać napędu w charakterze czujnika.

Odtwórz film Pobierz raport o monitorowaniu stanu układu napędowego

Więcej na temat monitorowania stanu układu napędowego

Cztery silniki elektryczne z niebieskimi liniami wskazującymi czujniki monitorowania stanu
Monitorowanie stanu silników elektrycznych

Silnik monitorowania wydajności wykorzystujący monitorowanie stanu układu napędowego zapewnia prosty i ekonomiczny sposób otrzymania danych maszyny w celu podejmowania decyzji dotyczących konserwacji.  

Mężczyzna w kamizelce bezpieczeństwa patrzący na otwarty laptop i stojący nad halą fabryczną
Konserwacja predykcyjna za pomocą monitorowania stanu

Konserwacja predykcyjna stała się potężnym narzędziem służącym do optymalizacji wydajności sprzętu, wydłużenia czasu sprawności i obniżenia kosztów konserwacji.

Dwie osoby w kaskach patrzące i wskazujące na otwarty laptop
Poprawa monitorowania stanu za pomocą zdalnego monitoringu

Zdalny monitoring umożliwia użytkownikom dostęp do danych w czasie rzeczywistym, wczesną reakcję w celu uniknięcia zakłóceń, optymalizację wydajności i podejmowanie świadomych decyzji.
Monitorowanie wibracji

Oprócz monitorowania uzwojenia stojana i zakresu obciążenia, funkcjonalność monitorowania stanu układu napędowego zintegrowana z napędami Danfoss obejmuje również monitorowanie wibracji.

Condition Based Monitoring i Remote Monitoring w zielonej fabryce

Proekologiczne obiekty przemysłowe bazują na zaawansowanych rozwiązaniach, zapewniających maksymalną efektywność energetyczną oraz skuteczne gospodarowanie zasobami. Istotną częścią nowoczesnej infrastruktury są narzędzia umożliwiające zdalne monitorowanie poszczególnych elementów instalacji oraz całych układów. Ich znaczenie widać doskonale na przykładzie zielonej fabryki Danfoss w Grodzisku Mazowieckim.

Wyróżnione produkty

Produkty Danfoss wykorzystujące monitorowanie stanu układu napędowego

  • if (isSmallPicture) { VACON® NXP Common DC Bus; } else if (isBigColumns) { VACON® NXP Common DC Bus } else { VACON® NXP Common DC Bus }
    VACON® NXP Common DC Bus

    Umożliwia integratorom systemów, konstruktorom maszyn oraz producentom OEM tworzyć wydajne przemysłowe systemy przetwornic. Konfiguracja Active Front-end (NXA), Non-regenerative Front-end (NXN), Brake Chopper (NXB) oraz Inverter (NXI) jest już dostępna.

  • if (isSmallPicture) { VACON® NXP Liquid Cooled; } else if (isBigColumns) { VACON® NXP Liquid Cooled } else { VACON® NXP Liquid Cooled }
    VACON® NXP Liquid Cooled

    Doskonale nadający się do zastosowań, w których kluczowe znaczenie ma jakość powietrza, gdzie przestrzeń jest ograniczona i konieczny jest skuteczny i sprawny transfer ciepła. Konfiguracja Active Front-end (NXA), Non-regenerative Front-end (NXN), Brake Chopper (NXB) oraz Inverter (NXI) jest już dostępna.

  • if (isSmallPicture) { VACON® 100 X; } else if (isBigColumns) { VACON® 100 X } else { VACON® 100 X }
    VACON® 100 X

    Przetwornica do zastosowań zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz, wytrzymująca wysokie ciśnienia oraz poziomy drgań, odporna na działanie wody, wysokiej temperatury oraz zanieczyszczeń.

  • if (isSmallPicture) { VACON® NXP Grid Converter; } else if (isBigColumns) { VACON® NXP Grid Converter } else { VACON® NXP Grid Converter }
    VACON® NXP Grid Converter

    Przetwornice chłodzone powietrzem i cieczą specjalnie zaprojektowane z myślą o magazynowaniu energii oraz zarządzania energią w aplikacjach morskich.

  • if (isSmallPicture) { VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus; } else if (isBigColumns) { VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus } else { VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus }
    VACON® NXP Liquid Cooled Common DC Bus

    Umożliwia czerpanie korzyści z chłodzenia cieczą w systemach ze wspólną magistralą DC w wymagających sytuacjach. Konfiguracja Active Front-end (NXA), Non-regenerative Front-end (NXN), Brake Chopper (NXB) oraz Inverter (NXI) jest już dostępna.

Widok z lotu ptaka na oczyszczalnię ścieków, z niebieskimi światłami wskazującymi czujniki monitorowania stanu

Pierwsze innowacje Danfoss

Monitorowanie stanu układu napędowego powstało w wyniku wieloletniego doświadczenia Danfoss w zakresie innowacji. Napędy Danfoss wyróżniają się na rynku dzięki inteligentnym wbudowanym funkcjom, które pozwalają ograniczyć liczbę wymaganych podzespołów zewnętrznych.

Więcej na temat napędu Danfoss

Studium przypadku

Czas na zmianę w podejściu do konserwacji instalacji w zakładzie. Skontaktuj się z Krzysztofem Kubickim - naszym ekspertem w zakresie konserwacji predykcyjnej, oszczędź pieniądze i uniknij nieplanowanych przestojów.

Skontaktuj się z naszym ekspertem