Bezpieczeństwo produkcji, Opinie i komentarze, Rozwiązania dla przemysłu, Technika i przemysł, Utrzymanie ruchu

Przewidywanie awarii – proste rozwiązanie trudnego zadania

Fot. freepik.com
Fot. freepik.com

Wiedza o sytuacjach, które mają dopiero nastąpić, przydałaby się każdemu. Taka umiejętność oszczędziłaby wiele zbędnego wysiłku, przyczyniłaby się do zmniejszenia stresu, ogólnie nieprawdopodobnie by pomogła i – tak, tego nie da się pominąć! – spowodowałaby wzbogacenie się posiadacza takiej niezwykłej cechy. Ale czy da się przewidywać awarie maszyn? Choćby w pewnych zakresach? Okazuje się, że tak. I to w dość prosty sposób.

Przepowiadanie to coś na tyle ulotnego, że nie kojarzy się z poważnym artykułem poświęconym automatyce przemysłowej. Jednak w momencie, gdy zaczynamy się opierać na konkretnych narzędziach wykorzystywanych do analizy pracy maszyn i urządzeń, to okazuje się, że można wyciągnąć daleko idące wnioski i przygotować się na to, co może nastąpić. A to wszystko w oparciu o twarde dowody poparte wykonanymi pomiarami, zaobserwowanymi trendami czy danym statystycznymi.

Z zasady monitorowanie funkcji i elementów maszyn ułatwia identyfikowanie i usuwanie przyczyn awarii. Dlatego jedną z podstawowych potrzeb w rzeczywistych aplikacjach jest gromadzenie i archiwizacja kluczowych parametrów pracy. Często im dłuższe spektrum czasowe, tym lepiej, bo pozwala ustalić charakterystyczne punkty pracy monitorowanej maszyny. Ponadto realizacja takiego zadania musi być maksymalnie prosta w obsłudze. Szczególnie, że wielokrotnie jest to dodatkowa implementacja w istniejącym układzie. Dlatego też nie może ona zakłócać procesu produkcyjnego i nie może wymagać szczególnego nakładu pracy ze strony użytkownika. Oczywiście wszystko to musi mieć również ekonomiczne uzasadnienie.

Jednak czy pozostaje nam tylko reakcja na zdarzenia i jak najszybsza naprawa urządzeń, które niespodziewanie uległy awarii? Czy musimy bazować tylko na niepewnych danych opisujących nam zdarzenia, które już miały miejsce? Czy to wszystko, co możemy zrobić? Dlaczego nie moglibyśmy przewidywać awarii? Czyżby to były zbyt duże wymagania? Skądże.

Predykcyjne utrzymanie ruchu

Jakkolwiek niesamowicie by to brzmiało – i kojarzyło się z szklaną kulą i wróżeniem z fusów – to jest to możliwe! I to w sposób stricte naukowy, oparty na rzeczywistych pomiarach i twardych dowodach. Takim zagadnieniem zajmuje się predykcyjne utrzymanie ruchu. To temat nieprawdopodobnie szeroki, polega ono m.in. na przewidywaniu stanów maszyny na podstawie zgromadzonych wcześniej danych. Wymaga również zrozumienia ograniczeń związanych z użytkowaniem maszyn. Stosowanie tej metody ma oczywiście sens jedynie, jeżeli nakłady poniesione przy jej wprowadzaniu zwrócą się w osiągniętych oszczędnościach w zakresie konserwacji.

Bezdyskusyjną korzyścią tego podejścia jest możliwość kontynuacji pracy bez zatrzymywania się przez dłuższy odcinek czasu i reagowanie z wyprzedzeniem na sytuacje krytyczne w momencie, gdy mamy pewność, że nastąpią. W wielu aplikacjach jest to korzystniejsze i oszczędniejsze niż okresowe przeglądy, w trakcie których wymienia się wszystkie krytyczne układy mogące spowodować kosztowne przestoje.

Dzięki nowoczesnym systemom monitorowania możemy również reagować na nieprzewidywalne sytuacje, gdy części zamienne mają mikrowady, których wcześniej nie zaobserwowano. W takim wypadku dane statystyczne są nieprzydatne, ale specjalistyczne czujniki mogą dostrzec problem, zanim dojdzie do krytycznej awarii, przestoju i olbrzymich strat z tytułu nieplanowanego zatrzymania. Czujniki, o których mowa, z racji stosunkowo prostej, kompaktowej, ale wyspecjalizowanej konstrukcji służą do monitorowania wybranych części maszyny, np. stanu silnika, łożysk czy pompy.

Rys. 1. Zestaw czujnika wibracji z komunikacją bezprzewodową
Rys. 1. Zestaw czujnika wibracji z komunikacją bezprzewodową

Czujniki wibracji

Jak przewidzieć awarię silnika czy pompy? Jak sprawdzić stan łożysk, które są podstawowym elementem eksploatacyjnym? Albo jak wykryć rozosiowanie połączenia silnik–pompa? Konstrukcja układu nie pozostawia dużych możliwości na np. zobaczenie, jaki jest stan łożysk. Monitorowanie w sposób bezpośredni jest praktycznie niemożliwe. Sama idea monitorowania optycznego stanu pojedynczej kulki łożyska to coś, co spotkałoby się z pobłażliwym uśmiechem i niedowierzaniem.

Okazuje się, że nie musimy posuwać się do tak daleko idącej kontroli stanu. Istnieją inne metody, które pośrednio z niezwykle dużą dokładnością alarmują, jeżeli dzieje się coś niedobrego. Zanim dojdzie do najgorszego, pierwsze sygnały uszkodzenia pojawiają się np. w zakresie wibracji generowanych przez daną maszynę. Ich niebezpieczny wzrost często jest powodowany brakiem wyosiowania maszyny, błędnym montażem do podłoża czy uszkodzonym łożyskiem. Pierwsze objawy występują bardzo szybko. Na tym etapie niezbędna jest wiedza na temat samego urządzenia oraz teorii wibracji. To głównie w oparciu o te dane można skutecznie określić, czy mamy czas, czy też należy jak najszybciej planować wymianę określonej części. A zakres analizowanej wibracji zapewnia dość precyzyjnie źródło pochodzenia awarii.

Kolejnym parametrem, który można monitorować, jest temperatura. W początkowym stadium przed nastąpieniem permanentnej awarii pojawiają się niewielkie uszkodzenia, które powodują zwiększenie tarć i tym samym wzrost temperatury danych części maszyny. Jest to jeden z ostatnich etapów przed ostatecznym zatrzymaniem spowodowanym awarią.

Andrzej Dwojak, TURCK

Mgr inż. Andrzej Dwojak
Product Manager Photoelectrics and Safety KAM Mobile Equipment Poland w TURCK Sp. z o.o.

Predykcyjne utrzymanie ruchu […] to temat nieprawdopodobnie szeroki, polega ono m.in. na przewidywaniu stanów maszyny na podstawie zgromadzony wcześniej danych. Wymaga również zrozumienia ograniczeń związanych z użytkowaniem maszyn. Stosowanie tej metody ma oczywiście sens jedynie, jeżeli nakłady poniesione przy jej wprowadzaniu zwrócą się w osiągniętych oszczędnościach w zakresie konserwacji.

Wibracje

Dla każdego z nas wibracje to po prostu drganie przedmiotów. Bardzo łatwo zdefiniować ich obecność choćby przykładając rękę do danego obiektu. Jednakże teoria stojąca za tak prostym, wydawałoby się, zjawiskiem potrafi być bardzo skomplikowana. Można temu tematowi poświęcić cały semestr wykładów na uczelni wyższej i pewnie jeszcze trochę zostanie do omówienia.

Ale to, co dla automatyka najważniejsze, to wyniki uzyskiwane w toku analizy wibracji i ich poprawna interpretacja. W normach zapisane zostały informacje na temat standardowych, akceptowalnych parametrów wibracji pochodzących z normalnie pracującej maszyny. Są to parametry, które można stosować uniwersalnie do opisanych w normach urządzeń. Nie zaszkodzi jednak wiedza na temat sposobu pracy maszyn, które podlegają monitorowaniu. Niekiedy mogą one wykazywać pewne charakterystyczne drgania, które mimo przekraczania dopuszczalnego maksimum są całkowicie normalne. Dopiero zestawienie teorii z praktyką daje nam potężne narzędzie do przewidywania awarii.

Czujnik temperatury i wibracji serii QM42

Jak już wcześniej było to wspomniane, w celu zidentyfikowania problemu przed dojściem do sytuacji krytycznej stosuje się czujniki wibracji, np. rozwiązanie serii QMT42VT1. Urządzenie to nie tylko służy do pomiaru drgań, ale jako jeden z niewielu (jeżeli nie jedyny) dostępnych na rynku czujników dokonuje obliczeń dla tak dużej liczby parametrów, m.in.: wartości skutecznej prędkości i przyśpieszenia, kurtozy, wartości szczytowej czy współczynnika szczytu. Czynnikiem nie bez znaczenia jest cena. Czujnik kosztuje wyjątkowo niewiele w porównaniu z licznymi opcjami, jakie oferuje. Szczególnie w porównaniu z cenami drogich, realizujących podobne zadania, systemów kontroli drgań obecnych na rynku.

Dane te idealnie nadają się do pełnej i prostej analizy wibracji generowanych przez dany układ, w czego wyniku można z powodzeniem określić np. kondycję łożysk. Dodatkowo czujnik QM42VT1 monitoruje również temperaturę w zakresie od –40oC do 105oC.

Niezwykle ważne jest również to, że urządzenie jest kompaktowym rozwiązaniem umożliwiającym podłączenie do zwykłej komunikacji szeregowej. W odpowiednich rejestrach, opisanych w dokumentacji, znajdziemy parametry, które określą, czy dane urządzenie wymaga ingerencji służb utrzymania ruchu.

Czujnik QM42VT1 występuje w dwóch wariantach: z wyjściem szeregowym podłączanym w tradycyjny sposób oraz rozwiązanie bezprzewodowe. O ile w pierwszym przypadku wszystko powinno być jasne, to drugi sposób komunikacji wymaga kilku słów wyjaśnienia.

Komunikacja bezprzewodowa z czujnikiem wibracji QM42

Dzięki komunikacji radiowej czujnik wibracji wymaga praktycznie tylko zamontowania w odpowiednim miejscu. Można wykorzystać jedną z trzech dostępnych opcji: przykręcenie, przyklejenie lub zastosowanie magnesu. Czujnik lokalnie podłączany jest do zewnętrznego modułu bateryjnego. Dzięki temu możliwe jest przesłanie wszystkich danych pomiarowych bezprzewodowo, do 1 km w linii widzenia, do bramy komunikacyjnej, która obsługując nawet 47 czujników, może być połączona z PLC za pośrednictwem np. sieci Ethernet. Liczba bram komunikacyjnych na danym terenie jest praktycznie nieograniczona.

Co więcej, w systemie komunikacji radiowej można dodatkowo zaimplementować bezprzewodowe kolumny świetlne, które mogą informować wszystkich zainteresowanych o stanie monitorowanych elementów. W ten sposób można zbudować kompletny system monitorowania zapewniający pełną kontrolę nad kluczowymi etapami procesu i osiągnąć – nie można tego ukrywać – wymierne oszczędności.

Dostępność danych

Czujnik to tylko narzędzie pomiarowe, które w danym momencie może dostarczyć informacje o stanie maszyny. Jednak dopiero możliwość obserwacji zmian danych w czasie może zapewnić pełny obraz sytuacji. W tym celu firma Turck przygotowała dla swoich klientów proste oprogramowanie umożliwiające pobieranie i magazynowanie danych pochodzących z obiektu.

Dzięki temu środowisku można podejrzeć trendy zmieniające się w czasie, co pozwala na szybkie określenie potencjalnych zagrożeń i skuteczniejsze unikanie awarii.

Perspektywy

Czujnik wibracji wraz z odpowiednim środowiskiem pracy oraz kompletną ofertą automatyki marki Turck jest doskonałym narzędziem służącym do analizy pracy krytycznych elementów maszyn w zakresie wibracji. Takie rozwiązanie, zwiększające możliwości kontroli nad parkiem maszynowym, doskonale wpisuje się w filozofię 4.0 i co najważniejsze, przynosi swoim użytkownikom wymierne korzyści.

Rys. 2. Przykład aplikacji: kontrola wibracji silnika
Rys. 2. Przykład aplikacji: kontrola wibracji silnika
EXPRESS
Portal i czasopismo dla menadżerów i inżynierów branży przemysłowej. Znajdziesz nas w wybranych salonach Empik w całej Polsce: www.ex-p.eu/empik