Hoe multisensor-assetmonitoring prestaties kan verbeteren in Industry 4.0-fabrieken, logistiek en datacenters

Het bewaken van machines op parameters zoals trillingen en temperatuur kan real-time gegevens opleveren over de prestaties en gezondheid van machines. Daarnaast ontvangen fabrikanten de gegevens die zij nodig hebben om proactief onderhoud te plannen, stilstand te verminderen en de productiviteit te verbeteren.

Vochtigheids- en temperatuurbewaking in logistieke faciliteiten of tijdens transport verbetert de operationele prestaties en behoud de versheid van goederen zoals vaccins of verse producten. Systemen voor omgevingsbewaking met bekabelde en draadloze connectiviteit zijn beschikbaar voor verschillende toepassingen, waaronder datacenters voor bedrijf- en cloudgegevens.

Het monitoren van trillingen kan nuttig zijn om potentiële machineproblemen te identificeren voordat ze zich voordoen. ISO 10816 van de International Organization for Standardization kan een belangrijke referentie zijn. Deze standaard biedt richtlijnen voor het beoordelen van de ernst van trillingen in motoren die gebruikt worden voor pompen, ventilatoren, compressors, tandwielkasten, blowers, drogers, persen en soortgelijke machines die binnen het frequentiebereik van 10 tot 1000 Hz werken.

In dit artikel worden enkele belangrijke overwegingen gepresenteerd voor de keuze tussen bekabelde en draadloze connectiviteit voor monitorsystemen. Daarnaast wordt uitgelegd dat bij het gebruik van bekabelde of draadloze netwerken geen keuze hoeft te worden gemaakt, maar dat beide mogelijk zijn. Vervolgens worden de vier klassen van trillingsintensiteit zoals gedefinieerd in ISO 10816 behandeld. Tot slot worden verschillende opties besproken voor het implementeren van zowel bekabelde als draadloze conditiebewakingssystemen, waaronder het gebruik van meerdere sensoren voor het bewaken van trillingen, temperatuur, vochtigheid en representatieve toepassingen.

Banner Engineering biedt verschillende gateways voor equipment health monitoring (EHM) die eenvoudig toegang bieden tot de EHM-netwerkgegevens. Industriële EHM-ontwerpers kunnen kiezen tussen de SNAP ID bekabelde gateway-oplossingen van het bedrijf met een lokaal display voor sensormetingen of een optioneel Cloud-dashboard en de CLOUD ID draadloze gateways die ontworpen zijn om direct verbinding te maken met een Cloud-dashboard (afbeelding 1). Gemeenschappelijke kenmerken van deze twee keuzes zijn onder andere:

• Een reeks sensoren waaruit u kunt kiezen om de werking van EHM te optimaliseren.
• Snelle implementatie ondersteund door automatische herkenning van aangesloten sensoren zonder extra programmering.
• Sensorgegevens direct beschikbaar voor het afstellen van apparatuur of het plannen van noodzakelijk onderhoud om stilstandtijd te minimaliseren en productiviteit te maximaliseren.
• Ondersteuning van cloudconnectiviteit door beide systemen.
• Voorgeconfigureerde dashboards beschikbaar en aanpasbaar voor optimale visualisatie van gegevens.

Afbeelding 1: De bekabelde SNAP ID (links) en draadloze CLOUD ID (rechts) EHM-gateways van Banner hebben verschillende gemeenschappelijke kenmerken. (Bron afbeelding: DigiKey)

Bekabelde of draadloze EHM-gateway?

Hoewel ze enkele kenmerken gemeen hebben, zijn er essentiële verschillen tussen de bekabelde en draadloze EHM-gateways. De AMG-SNAP-ID asset monitoring gateway (AMG) ondersteunt de inbedrijfstelling, bewaking en alarmering van maximaal 20 sensoren en converters. De gateway ondersteunt Modbus en SNAP SIGNAL-connectiviteit van Banner, en scant naar individuele sensoren of converters, waarbij de modelinformatie automatisch wordt gedetecteerd. Gebruikers kunnen Modbus server ID-nummers wijzigen en toewijzen om aangepaste EHM-oplossingen te bouwen en in bedrijf te stellen. Aangesloten apparaten kunnen worden gegroepeerd en er kunnen afzonderlijk drempels aan alarmen worden toegewezen. De alarmstatus is zichtbaar op het touchscreen en door middel van de kleur van het lampje bovenop de behuizing.

Wanneer een directe verbinding met de cloud vereist is, kunnen EHM-systeemontwerpers zich wenden tot de DXM1200-X2 IIoT-gateway om tot wel 200 apparaten van zowel Banner als derden aan te sluiten voor het leveren van prestatiegegevens en machinegegevens. Deze gateway kan automatisch sensorknooppunten detecteren en er verbinding mee maken en gegevens leveren aan de Banner Cloud-software. Ontwikkelaars kunnen kiezen tussen eenvoudige of complexe programmeertools. De IIoT-gateway kan informatie aan de rand verwerken en deze vervolgens verzenden via zowel ethernet- als cellulaire netwerken zodat deze overal ter wereld kan worden gemonitord met een intuïtief Cloud-dashboard (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De draadloze (links) en bekabelde (rechts) IIoT-sensornetwerkgateways hebben verschillende gemeenschappelijke kenmerken. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Bekabelde of draadloze EHM-architecturen

Bekabelde en draadloze EHM-architecturen sluiten elkaar niet uit. Bekabelde systemen kunnen draadloze elementen hebben en draadloze architecturen bevatten vaak bekabelde connectiviteit.

Een basis bekabelde EHM-architectuur kan bijvoorbeeld meerdere aansluitdozen bevatten die verbonden zijn met meerdere sensoren, zoals de R50-4M125-M125Q-P met 4 poorten en de R95-8M125-M125Q-P met 8 poorten. De Sure Cross R70SR seriële dataradio’s van Banner, zoals de 900MHz-radio R70SR9MQ en de 2,4GHz-radio R70SR2MQ, kunnen het netwerkbereik uitbreiden zonder extra bekabeling. Kenmerken van deze radio’s zijn onder andere (zie afbeelding 3):

• RS-485 seriële-interface.
• Ondersteuning voor ster- en boomnetwerktopologieën.
• Ondersteuning voor een zelfherstellend, auto-routing radiofrequentienetwerk met meerdere hops om het netwerkbereik verder uit te breiden.
• FHSS-technologie (frequency hopping spread spectrum) voor betrouwbare gegevenstransmissies.

Afbeelding 3: Basistopologie voor het monitoren van bedrijfsmiddelen via de kabel (links) met een voorbeeld van een draadloos aangesloten remote sensorcluster (rechts). (Bron afbeelding: DigiKey)

Een grote faciliteit omvat talloze systemen verspreid over een groot gebied, waaronder:

• luchtcompressors
• pompsystemen
• transportsystemen
• talrijke elektrische motoren en machines
• versnellingsbakken
• luchtfiltersystemen
• niveaumeting en -bewaking in opslagtanks

In deze gevallen kunnen de prestaties van EHM-systemen worden verbeterd door bekabelde en draadloze technologieën te combineren. De DXM1200-X2 draadloze IIoT-gateway die hierboven werd vermeld, beschikt over bekabelde Modbus-connectiviteit. Als Ethernet nodig is, kunnen ontwerpers zich wenden tot de DXMR90-X1. De DXMR90-4K kan IO-Link master/controller-functies implementeren. Naast de keuze uit Modbus, Ethernet en IO-Link kunnen ontwerpers de R709 seriële dataradio’s gebruiken om draadloze connectiviteit te bieden aan fysiek verspreide bedrijfsmiddelen (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Draadloze IIoT-gateways (linksonder) zijn verkrijgbaar met Modbus-, Ethernet- en IO-Link-connectiviteit. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

ISO 10816-trillingsintensiteit

ISO 10816 is een belangrijke standaard voor EHM-systemen. Het kwantificeert de ernst van trillingen voor machines zoals elektromotoren, pompen en generatoren. De standaard gebruikt het kwadratisch gemiddelde (rms) van de versnelling, verplaatsing of trillingssnelheid. ISO 10816 bevat ook overwegingen voor piek-tot-piekwaarden. De trillingsintensiteit heeft de hoogste rms-waarde bij het meten van twee of meer parameters. De standaard deelt de ernst van de trillingen in vier niveaus in:

• Goed (good) duidt meestal op nieuw in gebruik genomen machines.
• Bevredigende (satisfactory) trillingen duiden op het gebied van onbeperkte werking.
• Onvoldoende (unsatisfactory) trillingen geven aan dat de werking moet worden beperkt en dat preventief onderhoud moet worden gepland.
• Onaanvaardbare (unacceptable) trillingen geven aan dat machineschade waarschijnlijk is.

Afbeelding 5: IEC 10816 bevat vier categorieën voor de trillingsintensiteit. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Trillingen en machine learning

Zelfs ‘identieke’ machines zijn geen exacte replica’s. Hier komt machine learning (ML) om de hoek kijken. Banner Engineering biedt VIBE-IQ, een softwarepakket voor trillingsbewaking dat machine learning (ML) gebruikt om een unieke operationele basiswaarde voor de trillingen van elke machine vast te stellen. De ML-software stelt vervolgens automatisch waarschuwings- en alarmdrempels in. Het kan complexe EHM-berekeningen en -analyses automatiseren. Enkele kenmerken van VIBE-IQ zijn:

• Continue bewaking van rms-snelheid van 10 tot 1000 Hz, rms-versnelling bij hoge frequenties van 1000 tot 4000 Hz en temperatuur.
• Bewaakt alleen draaiende motoren.
• Gebruikt gegevens voor trendanalyse en real-time monitoring om omstandigheden te identificeren zoals:
  • verkeerd uitgelijnde of onevenwichtige systemen,
  • versleten of losse onderdelen,
  • overmatige lagerslijtage,
  • verkeerd gemonteerde of aangedreven motoren,
  • omstandigheden met overtemperatuur.
• Stuurt proactief waarschuwingen naar de hostcontroller of de cloud.

Trillingen en temperatuur

Trillingen zijn niet de enige aanwijzing dat een machine preventief onderhoud nodig heeft. Een stijgende temperatuurtrend kan het EHM-systeem ook waarschuwen voor mogelijke problemen, vooral als de stijgende temperatuur samenhangt met toenemende trillingen.

Het combineren van de twee parameters geeft een completer beeld van de toestand van de apparatuur. Ze kunnen operators waarschuwen voor verschillende sets van omstandigheden en bieden meerdere voordelen:

• Trillingen kunnen mechanische problemen identificeren, zoals een verkeerde uitlijning, onbalans, slijtage van lagers, enz.
• Temperatuurstijgingen kunnen elektrische problemen identificeren, zoals oververhitte wikkelingen of smeringsproblemen.
• Bij het detecteren van afwijkende werking kan het correleren van out-of-band trillingen en temperatuur helpen bij het identificeren van mogelijke oorzaken. Trillingspatronen kunnen bijvoorbeeld helpen bij het identificeren van de hoofdoorzaak.
• Het plannen van preventief onderhoud kan worden vergemakkelijkt door zowel temperatuur als trillingen te controleren. Een geleidelijke temperatuurstijging is niet noodzakelijkerwijs zo’n groot probleem als toenemende trillingen die een meer onmiddellijke correctie kunnen vereisen.
• Leer hoe u de selectie en het gebruik van bedrijfsmiddelen op de langere termijn kunt verbeteren met behulp van sensorgegevens om potentiële bedrijfsbeperkingen te identificeren voordat het problemen worden.

Wanneer temperatuur en trillingen moeten worden bewaakt, kunnen ontwerpers van EHM-systemen kiezen voor de QM30VT2-sensor in een aluminium behuizing of de QM30VT2-SS-QP in een roestvrijstalen behuizing, beide van Banner Engineering. Beide sensoren kunnen via RS-485 worden aangesloten op een Modbus-radio of een Modbus-netwerk als slave-apparaat. Dankzij hun kleine vormfactor passen ze op krappe locaties (afbeelding 6). Andere kenmerken zijn onder andere:

• Zeer nauwkeurige temperatuur- en trillingsmetingen.
• Temperatuurmeetbereik van -40 °C tot +105 °C, met een resolutie van 1 °C en een nauwkeurigheid van ±3 °C.
• Detecteert dubbelassige trillingen tot 4 kHz bandbreedte met een nauwkeurigheid van ±10% bij 25 °C en een standaardbemonsteringsfrequentie van 20 kHz.
• Uitvoer voor rms-snelheid, hoogfrequente rms-versnelling, pieksnelheid en andere parameters die vooraf zijn verwerkt op basis van de trillingsgolfvormen.

Afbeelding 6: Twee-assige trillings- en temperatuursensors kunnen rechtstreeks op de motorbehuizing worden gemonteerd (rechts). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Trillingsspectraalbanding is een geavanceerde functie. Het stelt gebruikers in staat om de snelle Fouriertransformatie (FFT) voor breedband te splitsen om rms snelheids- of versnellingsgegevens te verkrijgen voor smallere frequentiebanden naast de 10 tot 1000 Hz en 1000 tot 4000 Hz scalaire gegevens. Afhankelijk van de behoeften van de gebruiker kunnen de bandfrequenties handmatig worden ingevoerd of automatisch worden gegenereerd op basis van een dynamische of statische snelheidsinvoer. Spectraalbandanalyse kan specifiek helpen bij het diagnosticeren van problemen met roterende machines.

Temperatuur en vochtigheid

Het bewaken van temperatuur en vochtigheid kan belangrijk zijn in datacenters, magazijnen, cleanrooms, koelkasten of koelmachines. Een temperatuur- en vochtigheidssensor zoals de DX80N9Q45THA kan hierbij helpen:

• Opslag van goederen zoals verse producten of vaccins, waarbij kennis van de temperatuur en vochtigheid essentieel is voor de houdbaarheid op lange termijn en het voorkomen van bederf.
• Beschermen van apparatuur zoals servers en opslagapparaten in een datacenter waar een te hoge temperatuur of vochtigheid de normale werking kan verstoren of tot storingen kan leiden.
• Verbeteren van de gezondheid en veiligheid van mensen in magazijnen en andere faciliteiten waar een hoge luchtvochtigheid het moeilijk kan maken voor werknemers om koel te blijven bij hoge temperaturen, wat kan leiden tot uitputting.

Het temperatuurmeetbereik van -40 °C tot +85 °C met een resolutie van 0,1 °C en een nauwkeurigheid van ±0,6 °C bij -40 °C tot 0 °C, ±0,4 °C bij 0 °C tot +60 °C en ±1,2 °C bij +60 °C tot +85 °C. De vochtigheidssensor kan een RV meten van 0% tot 100% met een nauwkeurigheid van ±2% bij +25 °C, ±3% bij 0 °C tot +70 °C en een RV van 10% tot 90%, en ±7% bij 0 °C tot +70 °C en een RV van 0% tot 10% of 90% tot 100%.

Wanneer het apparaat wordt ingeschakeld, werkt het in de snelle bemonsteringsmodus en verzendt het elke twee seconden gegevens. Na vijf minuten schakelt het knooppunt over naar de standaardmodus en verzendt het gegevens met tussenpozen van vijf minuten. De gebruiker kan samplesnelheden van 15 minuten of 64 seconden selecteren.

Modellen met 900MHz-radio’s hebben een zendvermogen van 1 W (30 dBm) of 250 mW (24 dB door de gebruiker selecteerbaar). De 250mW-modus vermindert het bereik, maar verbetert de levensduur van de batterij in toepassingen met een kort bereik. Voor 2,4GHz-modellen ligt het zendvermogen vast op ongeveer 65 mW (18 dBm). In de opslagmodus wordt de radio uitgeschakeld om de batterij te sparen.

Conclusie

Effectieve EHM-systemen in Industry 4.0-fabrieken bewaken trillingen en temperatuur om een hoge uptime te garanderen. Vochtigheids- en temperatuursensoren kunnen ook de operationele prestaties van datacenters verbeteren en goederen zoals vaccins of verse producten in magazijnen en logistieke operaties bewaken. Deze systemen kunnen gebruik maken van bekabelde of draadloze connectiviteit om meerdere parameters te controleren.