Condition Monitoring » Ciągłe monitorowanie stanu maszyn i instalacji
Autor: Conrad Electronic, 25.09.2023
Niezależnie od tego, czy jest to duża korporacja, średniej wielkości firma czy małe przedsiębiorstwo, codzienne produkcja stanowi ogromne wyzwanie dla pracowników. Oprócz realnej oceny rynku i planowania sprzedaży, produkcja musi przebiegać sprawnie. Zwłaszcza, gdy popyt jest wysoki.
Dlatego też nieprzewidziane przestoje w produkcji są absolutnym zmartwieniem dla osób za nią odpowiedzialnych. W końcu terminy dostaw muszą zostać dotrzymane, a obiecane ilości muszą zostać zapewnione. Pomimo tego, że wiele firm posiada kompleksowe planowanie produkcji, nagłe przestoje maszyn i linii produkcyjnych zdecydowanie nie są możliwe do skalkulowania. A może jednak?
Oczywiście, podczas planowania można uwzględnić pewne "przerwy" między zadaniami na ewentualną konserwację. Ale w rezultacie cierpi na tym wydajność i rentowność, na co ostatecznie żadna firma nie może sobie pozwolić. Znacznie lepszym rozwiązaniem byłoby monitorowanie stanu (CM). W naszym przewodniku wyjaśniamy, co oznacza rozwiązanie do monitorowania stanu, jak działa i jakie przynosi korzyści.
System napędowy, maszyna produkcyjna lub kompletna linia technologiczna zawsze mają jedną wspólną cechę, niezależnie od ich różnych funkcji: aby spełnić wymagane zadanie, duża liczba różnych komponentów musi ze sobą płynnie współpracować. A im bardziej złożone są procesy robocze, tym ważniejsze jest, aby personel obsługujący stale sprawdzał, czy działają one prawidłowo. Pod tym względem doświadczeni pracownicy często już na podstawie odgłosów pracy mogą stwierdzić, czy maszyna, którą się opiekują, działa prawidłowo, czy też coś jest z nią nie tak. Wykrywają nawet najmniejsze odchylenia i mogą interweniować na wczesnym etapie, aby zapobiec poważnym uszkodzeniom i przestojom.
Wymaga to jednak lat doświadczenia. Ponadto nie wszystkie zmiany są łatwo zauważalne przez osoby obsługujące maszyny. Zwłaszcza jeśli chodzi o parametry elektryczne, które się zmieniają lub gdy następuje bardzo powolna zmiana. W takim przypadku pomocne może być monitorowanie stanu, czyli precyzyjne elektroniczne kontrolowanie parametrów.
W tym celu maszyny i instalacje są wyposażone w szeroką gamę czujników, które stale rejestrują wszystkie parametry istotne dla działania. Z ich pomocą można wcześnie i bezbłędnie wykryć nawet powolne zmiany lub niezauważalny wzrost zużycia energii.
Aby móc przeprowadzić znaczące prace związane z monitorowaniem stanu, należy wyjaśnić pewne kwestie, tak aby wdrożenie mogło nastąpić szybko.
Zakresy zastosowania i mierzone zmienne
Monitorowanie stanu maszyn i instalacji wymaga wcześniejszego planowania. Wynika to z faktu, że kompleksowe kontrolowanie wszystkich maszyn i instalacji, w tym technologii budowlanych, jest zdecydowanie bardzo kosztowne.
Z tego powodu Condition Monitoring powinno być przeprowadzane na tych systemach, które odgrywają ważną rolę w konkurencyjności firmy.
Następnie należy dokładnie określić, które zależności fizyczne są ważne i jakie muszą być rejestrowane na odpowiednich maszynach.
Czynniki zewnętrzne
Podczas monitorowania maszyny należy ponadto uwzględnić wpływy zewnętrzne. W przeciwnym razie przejeżdżający w pobliżu wózek widłowy może bardzo szybko doprowadzić do nieprawidłowego pomiaru czujnika drgań lub przekroczenia dopuszczalnych wartości granicznych.
Instalacja czujników
Następnie należy wybrać odpowiednie czujniki zgodnie z tymi specyfikacjami.
Czujniki mogą być podłączone do jednostki ewaluacyjnej za pomocą kabla (PLC i magistrali) lub bezprzewodowo (sieć radiowa, brama w chmurze, chmura lub IoT).
Należy jednak dobrze rozważyć wybór i instalację czujników.
W końcu nie zawsze możliwe jest bezproblemowe ułożenie kabli, a niezawodne połączenia radiowe w środowisku przemysłowym mogą stać się prawdziwym wyzwaniem.
Wyświetlanie wartości pomiarowych
Zarejestrowane wartości czujników powinny być następnie wyraźnie wyświetlane na pulpicie nawigacyjnym, aby osoby odpowiedzialne mogły je prawidłowo zinterpretować.
Jeśli zdefiniowano "normalne" parametry operacyjne i precyzyjnie określono dopuszczalne wartości graniczne, oprogramowanie może zachowywać się jak osoba doświadczona w obsłudze maszyny lub instalacji.
Nawet niewielkie odchylenia od standardowych wartości skutkują informacją zwrotną, która umożliwia podjęcie dalszych działań.
Ocena danych
W idealnym przypadku Condition Monitoring odbywa się w ścisłej współpracy z właścicielem zakładu produkcyjnego. W ten sposób może on w razie potrzeby zapewnić wsparcie w konfiguracji systemu, a później uzyskać dostęp do bieżących danych operacyjnych podczas zdalnej konserwacji. Jednak w tym przypadku należy zapewnić wystarczające bezpieczeństwo danych.
Oprócz monitorowania bieżących danych operacyjnych, przechowywanie danych umożliwia również długoterminowy wgląd w parametry maszyny. Oznacza to, że nawet powolne zmiany ustawień spowodowane zużyciem poszczególnych komponentów mogą być niezawodnie rejestrowane i uruchamiane mogą być niezbędne prace serwisowe.
Podsumowanie głównych grup
Dla lepszego przeglądu, podsumowaliśmy najważniejsze grupy CM:
Technologia czujników:
Czujniki rejestrują pewne mierzone zmienne i przekształcają je w sygnał elektryczny. Dostępne sensory to: czujniki prądu, czujniki napięcia, czujniki siły , czujniki drgań, czujniki odległości, czujniki prędkości, czujniki temperatury, czujniki ciśnieniar a także czujniki poziomu und przełączniki zbliżeniowe.
Sieć:
Czujniki są podłączone do systemu monitorowania stanu za pośrednictwem istniejącej na miejscu sieci przemysłowej. Może ona być przewodowa lub bezprzewodowa, przy czym doświadczony personel serwisowy preferuje wersję przewodową ze względów bezpieczeństwa.
Condition Monitoring System:
CMS jest rdzeniem i, jako fizyczna jednostka oceniająca, przejmuje dokładne gromadzenie danych i przechowywanie zmierzonych wartości. Ponadto system monitorowania stanu umożliwia praktyczne wyświetlanie na różnych urządzeniach końcowych.
Condition Monitoring Software:
Specjalny program do wyświetlania, analizowania i przechowywania danych z czujników. Podczas gdy w przeszłości preferowano rozwiązania wewnętrzne (lokalne) do przechowywania danych, obecnie coraz większą popularnością cieszą się usługi IoT i chmura, a także sieciowe monitorowanie stanu online. Wszystko zgodnie z trendem Przemysłu 4.0.
Dzięki stałemu porównywaniu wartości rzeczywistej z docelową można jasno określić aktualny stan, np. maszyny produkcyjnej.
Dokładna diagnoza wyników porównania stanu umożliwia opracowanie zaleceń dotyczących środków konserwacji zapobiegawczej. Jest to tym ważniejsze, że w codziennym użytkowaniu wiele maszyn jest eksploatowanych na granicy swoich możliwości.
Często zakłady pracują przez całą dobę, aby utrzymać produkcję. Nieprzewidziane przestoje bardzo szybko prowadzą do poważnych komplikacji, które ostatecznie można wyeliminować jedynie poprzez zwiększenie nakładów pracy i kosztów.
Byłoby lepiej, gdyby uszkodzenia można było wykryć na wczesnym etapie. Właśnie takie są zalety monitorowania stanu.
Zalety Condition Monitoring
Odpowiednie monitorowanie maszyn
Dzięki wyświetlaniu wszystkich bieżących parametrów, osoby odpowiedzialne za obsługę zawsze mają wszystkie informacje na temat aktualnego stanu danej maszyny. Nawet bez rozległej ogólnej wiedzy technicznej, mogą one teraz natychmiast rozpoznać, czy urządzenie działa bez problemów, czy też istnieje potrzeba podjęcia działań w określonym obszarze.
Wczesne wykrywanie usterek
Nawet jeśli system wydaje się działać bezbłędnie, zwiększony pobór prądu przez napęd może wskazywać, że mechanika urządzenia jest zbyt powolna. Nawet krótkie przerwy są rzetelnie rejestrowane i zapisywane w celu późniejszego rozwiązywania problemów. Oznacza to, że niezbędne prace serwisowe można przeprowadzić przed wystąpieniem poważnej awarii.
Dokładna analiza błędów
Rozwiązywanie problemów ze złożonym systemem bywa czasochłonne, ponieważ nie zawsze można jednoznacznie określić przyczynę usterki. W przypadku niektórych awarii nie jest również jasne, czy jest to usterka mechaniczna czy elektryczna. W takim przypadku zapisane wartości pomiarowe stanowią cenną pomoc dla personelu serwisowego.
Optymalizacja interwałów serwisowych
Ciągłe monitorowanie bardzo szybko wskazuje, gdzie system wymaga zwiększonej konserwacji, a kiedy okresy pomiędzy pracami konserwacyjnymi nie są tak duże. Dzięki MRO, które jest indywidualnie dostosowane do systemu, prace serwisowe są ograniczone do niezbędnego minimum, bez uszczerbku dla ogólnego stanu systemu.
Minimalizacja przestojów
Monitorowanie stanu umożliwia konserwację predykcyjną, która znacznie zmniejsza liczbę awarii i związanych z nimi przestojów. Ostatecznie prowadzi to do lepszego poziomu wykorzystania produkcji. Inwestycja szybko się zatem zwraca.
Nawet jeśli Condition Monitoring Systeme (CMS) wymagają pewnych inwestycji i wiedzy specjalistycznej, nie ma możliwości rezygnacji z niego w dłuższej perspektywie. Korzyści ekonomiczne płynące z ciągłego monitorowania stanu podczas pracy i związanej z tym konserwacji predykcyjnej są niepodważalne. Ponadto płynne monitorowanie stanu umożliwia planowanie, a tym samym optymalizację kosztów konserwacji. Nadchodzące prace serwisowe można zaplanować z wyprzedzeniem i przeprowadzić podczas okresowych przerw w pracy.
Z tego powodu nowe instalacje, maszyny i systemy są już fabrycznie wyposażone w wymaganą technologię czujników lub niezbędne interfejsy.
Modernizacja istniejących zakładów, znanych również jako fabryki typu brownfield, jest również opłacalna. W końcu konserwacja lub naprawa tylko w razie potrzeby, która jest również praktykowana tylko w przypadku nieplanowanych przestojów, tak naprawdę nie przyczynia się do zabezpieczenia produkcji.
Ponadto konserwacja zapobiegawcza zgodnie z planem utrzymania ruchu, jak to było często praktykowane w przeszłości, jest coraz bardziej nieekonomiczna, ponieważ komponenty i smary, które w większości nadal są w dobrym stanie, wymienia się niepotrzebnie.
Obok cyfryzacji i sieci, temat kontroli stanu jest jednym z podstawowych elementów fazy ewolucji Przemysłu 4.0. Biorąc pod uwagę, że zalety wymienione powyżej przemawiają same za siebie, CM jest absolutnie kluczową technologią. Monitorowanie stanu nie chroni jednak przed nagłymi zdarzeniami. Mogą one wystąpić na skutek nagłego pęknięcia koła zębatego z powodu wady materiału. Z drugiej strony, zużycie materiału jest zdecydowanie przedmiotem CM poprzez rejestrowanie wartości obciążenia i cykli roboczych.
Ważne są również prawidłowo ustawione i zdefiniowane parametry robocze. Szczególnie w przypadku systemów modernizowanych, w których z powodu braku specyfikacji producenta konieczne jest oparcie się na wartościach empirycznych sprawdzonych w terenie, ważne jest ustawienie odpowiednich wartości granicznych. Jeśli wartości tolerancji są ustawione zbyt nisko, niepotrzebne i fałszywe komunikaty o błędach będą tylko zakłócać proces operacyjny. Jeśli wartości graniczne zostaną ustawione zbyt wysoko, alarm może zostać wyzwolony zbyt późno.
Inną ważną kwestią jest duża ilość wrażliwych danych, które z pewnością się gromadzą. Należy przypisać wyraźne prawa dostępu do korzystania z nich i zapewnić, że osoby nieupoważnione nie będą miały dostępu do danych podczas ich przechowywania. Jest to szczególnie ważne w przypadku zmiany powiązań firmowych. Niezbędne jest stosowanie i monitorowanie powszechnych technologii szyfrowania dla potrzeb transferu danych.