Monitoramento de condição com conversores inteligentes

  • Visão geral
  • Produtos em destaque
Vista aérea de Nordhavn em Copenhague, mostrando um sinal de monitoramento baseado em condições no topo de vários edifícios

Os conversores são mais do que simples processadores de energia

Com a capacidade de atuar como sensores e centrais de sensores para processar, armazenar e analisar dados com recursos de conectividade, os conversores são elementos vitais nos sistemas de automação modernos e sistemas de gerenciamento predial (BMS). A funcionalidade integrada de monitoramento baseado em condições permite novas maneiras de realizar manutenção, como a manutenção baseada em condições.

Evolução dos Sistemas de Automação Industrial

Na transição para o atual milênio, testemunhamos uma profunda mudança na tecnologia que levou a uma maneira totalmente nova de trabalhar no mundo digital. Esta é a quarta revolução industrial. A primeira revolução industrial, que ocorreu durante os séculos 18 e 19, foi uma revolução mecânica desencadeada pela invenção da máquina a vapor. No final do século 19 e início do século 20, a segunda revolução industrial aconteceu com a adoção da produção em massa, eletrificação e mudanças na comunicação. Esse período também é conhecido como Revolução Elétrica. Mais tarde no século 20, a terceira revolução industrial trouxe avanços em semicondutores, computação, automação e a internet. Essa fase também é conhecida como Revolução Digital.

A quarta revolução industrial surgiu como resultado da conexão em rede de computadores, pessoas e dispositivos alimentados por dados e aprendizado de máquinas. Embora o termo “Indústria 4.0” seja bastante vago, uma possível definição para ele descreve a rede inteligente de pessoas, dispositivos e sistemas utilizando todas as possibilidades de digitalização em toda a cadeia de valor.

Tendências em sistemas de automação na Indústria 4.0

O impacto da Indústria 4.0 nos sistemas de motores e sistemas de gerenciamento predial é uma migração da “pirâmide de automação” para “sistemas em rede”. Isso significa que os vários elementos do sistema, como motores, conversores, sensores e controles, são interconectados e conectados a uma nuvem - um centro onde os dados são armazenados, processados, analisados e as decisões são tomadas.

Em uma rede de automação, a quantidade de dados é importante. Como os dados são produzidos principalmente por sensores, o número destes está aumentando em sistemas de automação modernos. Motores e máquinas acionadas, como ventiladores, bombas e transportadores, não são os participantes mais óbvios de uma rede de dados. Portanto, os sensores são necessários para coletar dados dessas máquinas. Os sensores são conectados à rede de dados usando vários meios de uso dos dados. Na introdução de um sistema avançado de monitoramento de condições, o custo adicional de sensores e conectividade é frequentemente visto como uma barreira.

Os modernos conversores de velocidade variável abrem novas oportunidades na rede de automação da Indústria 4.0 e em sistemas de gerenciamento predial. Tradicionalmente, os conversores são considerados processadores de energia para controlar a velocidade do motor, do ventilador, do transportador e/ou da bomba. Hoje, os conversores também fazem parte da cadeia de informação, com a vantagem do poder de processamento integrado, capacidade de armazenamento e interface de comunicação dentro do conversor.

Conversor inteligente VLT AQUA Drive FC 202 Danfoss

O que é um conversor inteligente?

Na rede da Indústria 4.0, o conversor desempenha um papel importante e é caracterizado por alguns recursos facilitadores:

  • Conectividade segura: O conversor se conecta a outros elementos de maneira segura. Outros elementos da rede podem incluir conversores, CLPs, sensores e uma nuvem.
  • O conversor atua como um sensor: O conversor usa a análise de assinatura de corrente do motor e da tensão para detectar o desempenho do motor e da aplicação.
  • O conversor atua como uma central de sensores: O conversor adquire dados de sensores externos relacionados ao processo que é controlado pelo próprio conversor.
  • O conversor atua como controlador: O conversor pode substituir o CLP sempre que as restrições da aplicação permitirem.
  • Conceito "Traga seu próprio dispositivo": Conectividade sem fio para dispositivos inteligentes (smartphone, tablet).

As informações do conversor podem ser identificadas da seguinte forma:

  • Sinais instantâneos: Sinais que são medidos diretamente pelo conversor com o uso de sensores integrados. Dados como corrente do motor, tensão, temperatura do conversor e sua derivada, que é a potência resultante da multiplicação da corrente pela tensão, ou torque do motor. Além disso, o conversor pode ser usado como uma central de conexão de sensores externos que fornecem sinais instantâneos.
  • Sinais processados: São sinais derivados dos sinais instantâneos. Por exemplo, distribuição estatística (valores máximo, mínimo, média e desvio padrão), análise de domínio de frequência ou indicadores de perfil de missão.
  • Sinais analíticos: Sinais que fornecem indicações da condição do conversor, do motor e da aplicação. Os sinais são usados para acionar a manutenção ou levar a melhorias no design do sistema.

As técnicas de análise de assinatura de corrente do motor permitem que o conversor monitore a condição do motor e da aplicação. A técnica permite, potencialmente, eliminar sensores físicos ou extrair assinaturas de falha precoces que talvez não fosse possível detectar. Por exemplo, o uso da técnica permite detectar com antecedência falhas de cavitação e enrolamento ou excentricidade da carga mecânica.

O conceito de conversor como uma central de sensores implica conectar sensores externos ao conversor, eliminando assim a necessidade de um gateway para conectar o sensor físico à rede de dados. Sensores de vibração, de pressão e de temperatura são exemplos de sensores que podem ser conectados ao conversor. A vantagem do conceito não está relacionada apenas ao custo, mas também à possibilidade de correlacionar os dados dos sensores aos diferentes tipos de dados presentes no conversor. Um exemplo óbvio é a correlação do nível de vibração de um sensor externo com a velocidade do motor, já que a vibração depende da velocidade.

Manutenção baseada em condições e outras estratégias de manutenção

A seguir estão os diferentes tipos de estratégias de manutenção:

  • Manutenção corretiva: O produto é substituído após apresentar uma falha.
  • Manutenção preventiva: O produto é substituído antes de ocorrer uma falha, embora nenhuma notificação seja recebida.
  • Manutenção baseada em condições: O produto emite um aviso quando sua vida útil real for diferente da esperada, e são indicadas as possíveis causas- raiz.
  • Manutenção preditiva: O produto emite um aviso antes de atingir as horas de operação indicadas, para iniciar a ação de manutenção.
Reproduzir vídeo
Reproduzir vídeo, em que Norbert Hanigovszki, Chefe de Drives Intelligence na Danfoss Drives, guia você por várias estratégias de manutenção e oferece uma visão geral do monitoramento baseado em condições na Danfoss Drives.

Por que a manutenção baseada em condições é necessária?

A manutenção corretiva e preventiva são baseadas em falha (evento) ou tempo. Portanto, a manutenção é realizada em caso de falha (corretiva) ou após horas de operação preestabelecidas (preventiva). Esses tipos de manutenção não usam qualquer informação da aplicação real.

Com a introdução da Indústria 4.0 e a disponibilidade de dados de sensores, a manutenção baseada em condições e a manutenção preditiva são possíveis agora. Essas estratégias de manutenção usam dados reais do sensor para determinar a condição do equipamento em serviço (manutenção baseada em condições) ou para prever falhas futuras (manutenção preditiva).

Esta curva P-f descreve a degradação típica do equipamento.

Visão geral e benefícios da manutenção baseada em condições

A manutenção baseada em condições é a técnica de manutenção mais fácil e intuitiva, baseada em dados da aplicação real. Os dados adquiridos são usados para monitorar a integridade do equipamento em serviço. Com esse propósito, são selecionados parâmetros-chave como indicadores para identificar falhas em desenvolvimento. A condição de um equipamento normalmente se degrada com o tempo. Isso é ilustrado pela curva P-f, que mostra um padrão de degradação típico. A falha funcional ocorre quando o equipamento não consegue executar a função pretendida. A ideia da manutenção baseada em condições é detectar a falha potencial antes que ocorra uma falha real.

Vantagens do planejamento de ações de manutenção

  • Redução do tempo de inatividade
  • Eliminação de paradas de produção inesperadas
  • Otimização da manutenção
  • Redução do estoque de peças de reposição

Funções de monitoramento de condição para conversores de velocidade variável

Uma parte integrante da manutenção baseada em condições envolve o monitoramento da condição do equipamento. Em aplicações de velocidade variável, a condição da aplicação geralmente depende da velocidade. Por exemplo, os níveis de vibração tendem a aumentar em velocidades mais altas, embora essa relação não seja linear. De fato, podem ocorrer ressonâncias em determinadas velocidades, que depois desaparecem quando a velocidade é aumentada.

O uso de um sistema independente para monitorar a condição de uma aplicação de velocidade variável é complicado pela necessidade de se conhecer a velocidade e o valor monitorado, correlacionado a ela. O uso de conversores para monitoramento de condição (“conversor como sensor” ou “conversor como central de sensores”) é uma solução vantajosa,pois as informações sobre a velocidade da aplicação já estão presentes na unidade. Além disso, as informações sobre a carga/torque do motor e aceleração estão prontamente disponíveis no conversor.

O monitoramento de condição segue um procedimento de três etapas:

Para um sistema de monitoramento de condição eficiente, o primeiro passo importante é determinar e definir as condições normais de operação. Estabelecer uma linha de base significa definir a condição operacional normal para a aplicação, que é chamada de linha de base. Há várias maneiras de determinar os valores da linha de base.

Linha de base manual: Quando os valores da linha de base são definidos usando experiência anterior, os valores conhecidos são programados no conversor.

Execução da linha de base: A linha de base pode ser determinada durante o comissionamento. Com o uso desse método, uma varredura de velocidade é realizada na faixa relevante, determinando a condição em cada ponto da velocidade. No entanto, em algumas situações durante o comissionamento,é possível que a aplicação não funcione com a capacidade total ou seja necessário um tempo de uso prévio. Nessas situações, a linha de base pode ser realizada após o tempo de uso prévio para conseguir um estado operacional o mais próximo possível das operações normais.

Linha de base online: Este é um método avançado que captura dados da linha de base durante a operação normal. Isso é útil em situações em que a execução da linha de base não pode ser realizada, porque a aplicação não permite explorar toda a faixa de velocidade.

Após estabelecer a linha de base, o próximo passo é gerar limites para avisos e alarmes. Os limites indicam a condição da aplicação durante a qual o usuário deve ser notificado. Há várias maneiras de indicar a condição do equipamento, e uma das mais populares no setor é o status do semáforo de quatro cores, descrito na especificação VDMA 24582 Referência de fieldbus neutro para monitoramento de condição em automação de fábrica.

As cores significam o seguinte:

  • Verde: Indica que o equipamento está em boas condições e funciona com eficiência.
  • Amarelo: Indica estágio de Aviso 1 e significa que o primeiro limite foi excedido. Uma ação de manutenção pode ser planejada pelo pessoal de manutenção.
  • Laranja: Indica estágio de Aviso 2 ou crítico e significa que o segundo limite foi excedido. Deve ser realizada uma ação de manutenção imediata pelo pessoal de manutenção.
  • Vermelho: Indica um alarme e significa que a máquina irá parar, sendo necessária a manutenção corretiva.

Os seguintes métodos são usados para definir valores-limite:

  • Absoluto: Este é o método comum quando os valores do equipamento já são conhecidos. O limite tem um valor fixo, independentemente do valor da linha de base medido. Por exemplo, quando o operador sabe o limite absoluto do equipamento, um valor absoluto é definido para o limite de alarme. No caso de monitoramento de vibração, os valores-limite descritos em normas como a ISO 10816/20816 podem ser usados para o limite de alarme como valor absoluto.
  • Desvio: O método de definição de valores-limite requer compreensão da aplicação e dos valores da linha de base. O limite depende do valor da linha de base para o qual é escolhido um desvio definido pelo usuário. O risco nesse caso é definir um valor muito alto ou baixo, levando a falsos positivos. Configurações falsas podem causar monitoramento sem reação, mesmo em caso de falhas.
  • Fator: Este método é mais fácil de usar do que o desvio, pois exige menos compreensão da aplicação. O limite depende do valor da linha de base, que é multiplicado por um fator. Por exemplo, o valor-limite pode ser 150% da linha de base. Nesse caso, o risco é definir um limite muito alto.

Os valores monitorados reais podem ser lidos no conversor por meio do CLP, comunicação fieldbus ou comunicação IoT. Além disso, saídas digitais podem ser configuradas para reagir a avisos e alarmes específicos. Alguns conversores têm um servidor web integrado que também pode ser usado para ler o status da condição.

O monitoramento é realizado por comparação contínua com os limites. Durante a operação normal, os valores reais são comparados com o valor-limite. Quando os parâmetros monitorados excedem o limite de um tempo predefinido, é ativado um aviso ou alarme. O temporizador é configurado para atuar como filtro, de forma que transientes curtos não disparem avisos e alarmes.

Reproduza o vídeo para ver uma demonstração das três etapas de implementação do CBM: 1. Estabelecer linha de base, 2. Definir limites, 3. Realizar monitoramento.

Saiba mais no informativo técnico e no vídeo do CBM

Hoje em dia, os conversores são mais do que simples processadores de potência. Com a capacidade de atuar como sensores e centrais de sensores para processar, armazenar e analisar dados com recursos de conectividade, os conversores são elementos vitais nos sistemas de automação modernos.

Os conversores geralmente já estão presentes em instalações de automação e, portanto, representam uma grande oportunidade de atualização para a Indústria 4.0.

Isso permite novas maneiras de realizar manutenção, como a manutenção baseada em condições. As funções já estão disponíveis em alguns conversores, e os primeiros usuários já começaram a usar o conversor como sensor.

Reproduzir vídeo Faça download do informativo técnico do CBM

Mais tópicos de monitoramento baseado em condições

Quatro motores elétricos com linhas azuis ao redor indicando sensores de monitoramento de condição
Monitoramento de condição para motores elétricos

O monitoramento de desempenho do motor usando o monitoramento baseado em condições fornece uma maneira simples e econômica de obter dados da máquina para garantir decisões inteligentes de manutenção.  

Homem com colete de segurança olhando para o laptop de pé, acima do chão de uma fábrica
Manutenção preditiva por meio do monitoramento de condição

A manutenção preditiva surgiu como uma ferramenta poderosa para otimizar o desempenho do equipamento, aumentar o tempo de atividade e reduzir os custos de manutenção.

2 pessoas de capacete olhando e apontando com um laptop aberto
Melhora do monitoramento de condição com monitoramento remoto

O monitoramento remoto permite que os usuários acessem dados em tempo real, reajam logo para evitar interrupções, otimizem o desempenho e tomem decisões informadas.
Monitoramento de condição de vibração

Além de monitoramento do enrolamento do estator e envelope de carga, a funcionalidade CBM integrada aos conversores Danfoss inclui monitoramento de vibração.

Produtos em destaque

Produtos Danfoss que usam monitoramento baseado em condições

Vista aérea de uma estação de tratamento de águas residuais, com luzes azuis indicando sensores de monitoramento de condição

Primeiras inovações da Danfoss

O CBM surgiu de um histórico das primeiras inovações da Danfoss. Os conversores Danfoss se diferenciam dos demais no mercado pelas funções inteligentes incorporadas no conversor, para reduzir os componentes externos necessários.

Saiba mais sobre conversores Danfoss