Como o monitoramento de ativos com vários sensores pode melhorar o desempenho em fábricas e logística da Indústria 4.0 e em datacenters

O monitoramento de máquinas quanto a parâmetros como vibração e temperatura pode fornecer dados em tempo real sobre o desempenho e a integridade da máquina e dar aos fabricantes os dados necessários para agendar a manutenção proativa, reduzir a paralisação e aumentar a produtividade.

O monitoramento da umidade e da temperatura em instalações logísticas ou durante o transporte pode melhorar o desempenho operacional e preservar mercadorias como vacinas ou produtos frescos. Os sistemas de monitoramento ambiental com conectividade cabeada e sem fio estão disponíveis para atender a várias aplicações, incluindo datacenters corporativos e em nuvem.

O monitoramento da vibração pode ser benéfico para identificar possíveis problemas na máquina antes que eles ocorram. A Organização Internacional de Normalização (ISO) 10816 pode ser uma referência importante. Ela fornece orientação para avaliar a gravidade da vibração em motores utilizados em bombas, ventoinhas, compressores, caixas de engrenagens, sopradores, secadores, prensas e máquinas similares que operam na faixa de frequência de 10 a 1000 Hz.

Este artigo apresenta algumas considerações importantes para a escolha entre conectividade cabeada e sem fio para sistemas de monitores e como o uso de redes com e sem fio não é uma escolha de um ou outro. Em seguida, ele examina as quatro classes de gravidade da vibração, conforme definido na norma ISO 10816. Ele conclui discutindo várias opções para implementar sistemas de monitoramento de condições com e sem fio, incluindo o uso de vários sensores para monitorar vibração, temperatura, umidade e aplicações representativas.

A Banner Engineering oferece uma variedade de gateways de monitoramento da integridade do equipamento (EHM) que fornecem acesso fácil aos dados da rede EHM. Os projetistas de EHMs industriais podem escolher entre as soluções de gateway cabeadas SNAP ID da empresa, com um display local para leituras de sensores ou um painel opcional na nuvem, e os gateways sem fio CLOUD ID, projetados para se conectar diretamente a um painel na nuvem (Figura 1). Os recursos comuns dessas duas opções incluem:

• Uma variedade de sensores a serem selecionados para otimizar a operação do EHM
• Implementação rápida com o apoio do reconhecimento automático de sensores conectados sem programação adicional
• Dados do sensor prontamente disponíveis para ajustar o equipamento ou agendar a manutenção necessária para minimizar a paralisação e maximizar a produtividade
• Suporte à conectividade em nuvem por ambos os sistemas
• Painéis pré-configurados disponíveis e personalizáveis para otimizar a visualização de dados

Figura 1: Os gateways EHM SNAP ID com fio (esquerda) e CLOUD ID sem fio (direita) da Banner têm vários recursos em comum. (Fonte da imagem: DigiKey)

Gateway EHM com ou sem fio?

Embora tenham alguns recursos em comum, há diferenças essenciais entre os gateways EHM com e sem fio. O gateway de monitoramento de ativos (AMG) AMG-SNAP-ID oferece suporte a comissionamento, monitoramento e alarmes para até 20 sensores e conversores. Ele é compatível com a conectividade Modbus e SNAP SIGNAL da Banner e faz a varredura de sensores ou conversores individuais, detectando automaticamente as informações do modelo. Os usuários podem alterar e atribuir números de ID de servidor Modbus para criar e comissionar soluções EHM personalizadas. Os dispositivos conectados podem ser agrupados e os alarmes podem ter limites atribuídos individualmente. O status do alarme é visível na tela sensível ao toque e pela cor da luz na parte superior do gabinete.

Quando for necessário acessar diretamente a nuvem, os projetistas de sistemas EHM podem recorrer ao gateway IIoT DXM1200-X2 para conectar até 200 dispositivos da Banner e de terceiros para fornecer dados de desempenho e integridade da máquina. Ele pode detectar e se conectar automaticamente a nós sensores e fornecer dados ao software Banner Cloud. Os desenvolvedores podem escolher entre ferramentas de programação simples ou complexas. O gateway de IIoT pode processar informações na borda e enviá-las por meio de redes Ethernet e celulares para serem monitoradas em qualquer lugar do mundo com um painel de controle intuitivo na nuvem (Figura 2).

Figura 2: Os gateways de rede de sensores IIoT sem fio (esquerda) e com fio (direita) incluem vários recursos comuns. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Arquiteturas de EHM com e sem fio

As arquiteturas EHM com e sem fio não são mutuamente exclusivas. Os sistemas com fio podem ter elementos sem fio, e as arquiteturas sem fio geralmente incluem conectividade com fio.

Por exemplo, uma arquitetura básica de EHM com fio pode incluir várias caixas de junção conectadas a vários sensores, como o R50-4M125-M125Q-P de 4 portas e o R95-8M125-M125Q-P de 8 portas. Os rádios de dados seriais Sure Cross R70SR da Banner, como o R70SR9MQ de 900 MHz e o R70SR2MQ de 2,4 GHz, podem estender o alcance da rede sem cabeamento adicional. Os recursos desses rádios incluem (Figura 3):

• Interface serial RS-485
• Suporte para topologias de rede em estrela e em árvore
• Suporte para rede de radiofrequência de autoregeneração e roteamento automático com vários saltos para ampliar ainda mais o alcance da rede
• Tecnologia de espectro espalhado por salto de frequência (FHSS) para transmissões de dados confiáveis

Figura 3: Topologia básica de monitoramento de ativos com fio (esquerda) com exemplo de um agrupamento de sensores remotos conectado sem fio (direita). (Fonte da imagem: DigiKey)

Em uma grande instalação, vários sistemas podem estar espalhados em uma ampla área, incluindo:

• Compressores de ar
• Sistemas de bombeamento
• Sistemas transportadores
• Diversos motores e máquinas elétricas
• Caixas de engrenagem
• Sistemas de filtragem de ar
• Medição e monitoramento de nível em tanques de armazenamento

Nesses casos, o desempenho do sistema EHM pode ser aprimorado com a combinação de tecnologias com e sem fio. O gateway de IIoT sem fio DXM1200-X2 mencionado acima inclui conectividade Modbus cabeada. Se a Ethernet for necessária, os projetistas podem recorrer ao DXMR90-X1. O DXMR90-4K pode implementar funções de mestre/controlador IO-Link. Além da opção de Modbus, Ethernet e IO-Link, os projetistas podem usar os rádios de dados seriais R709 para fornecer conectividade sem fio a ativos fisicamente dispersos (Figura 4).

Figura 4: Os gateways sem fio IIoT (canto inferior esquerdo) estão disponíveis com conectividade Modbus, Ethernet e IO-Link. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Gravidade da vibração ISO 10816

A ISO 10816 é uma norma importante para os sistemas EHM. Ela quantifica a gravidade da vibração em máquinas como motores elétricos, bombas e geradores. A norma usa a raiz do valor quadrático médio (rms) da aceleração, do deslocamento ou da velocidade de vibração. A ISO 10816 também inclui considerações sobre os valores de pico a pico. A gravidade da vibração tem o maior valor rms ao medir dois ou mais parâmetros. A norma classifica a gravidade da vibração em quatro níveis:

• Em geral, a boa qualidade indica maquinário recém-comissionado.
• Vibrações satisfatórias indicam a região de operação irrestrita.
• Vibrações insatisfatórias indicam a necessidade de restringir a operação e agendar a manutenção preventiva.
• Vibrações inaceitáveis indicam a possibilidade de danos à máquina.

Figura 5: A norma IEC 10816 inclui quatro categorias de gravidade da vibração. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Vibração e aprendizado de máquina

Mesmo as máquinas "idênticas" não são réplicas exatas. É aí que entra o aprendizado de máquina (ML). A Banner Engineering oferece o VIBE-IQ, um pacote de software de monitoramento de vibração que usa aprendizado de máquina (ML) para estabelecer um valor operacional de linha de base exclusivo para as vibrações de cada máquina. Em seguida, o software de ML define automaticamente os limites de advertência e alarme. Ele pode automatizar cálculos e análises complexas de EHM. Alguns recursos do VIBE-IQ incluem:

• Monitoramento contínuo da velocidade rms de 10 a 1.000 Hz, aceleração de alta frequência rms de 1.000 a 4.000 Hz e temperatura
• Monitora apenas os motores que estão funcionando
• Usa dados para análise de tendências, bem como monitoramento em tempo real para identificar condições como:
  • Sistemas desalinhados ou desequilibrados
  • Componentes desgastados ou soltos
  • Desgaste excessivo do rolamento
  • Motores montados ou acionados de forma inadequada
  • Condições de temperatura excessiva
• Envia alertas de forma proativa para o controlador host ou para a nuvem

Vibração e temperatura

A vibração não é o único indício de que uma máquina pode precisar de manutenção preventiva. Uma tendência de aumento da temperatura também pode alertar o sistema EHM sobre possíveis problemas, especialmente se o aumento da temperatura estiver correlacionado com o aumento das vibrações.

A combinação dos dois parâmetros fornece uma imagem mais completa da condição do equipamento. Eles podem alertar os operadores sobre diferentes conjuntos de condições e oferecer vários benefícios:

• A vibração pode identificar problemas mecânicos, como desalinhamentos, desequilíbrios, desgaste de rolamentos, etc.
• O aumento da temperatura pode identificar problemas elétricos, como superaquecimento dos enrolamentos ou problemas de lubrificação.
• Ao detectar uma operação anômala, a correlação entre a vibração fora da banda e a temperatura pode ajudar a identificar as possíveis causas. Por exemplo, os padrões de vibração podem ajudar a identificar a causa principal.
• O planejamento da manutenção preventiva pode ser auxiliado pelo monitoramento da temperatura e da vibração. Um aumento gradual da temperatura não é necessariamente um problema tão grande quanto o aumento das vibrações, que pode exigir uma correção mais imediata.
• Saiba como melhorar a seleção e a utilização de ativos a longo prazo usando dados de sensores para identificar possíveis limitações operacionais antes que se tornem problemas.

Quando a temperatura e a vibração precisam ser monitoradas, os projetistas de sistemas EHM podem recorrer ao sensor QM30VT2 em um invólucro de alumínio ou ao QM30VT2-SS-QP em um invólucro de aço inoxidável, ambos da Banner Engineering. Ambos os sensores podem se conectar a um rádio Modbus ou a qualquer rede Modbus como um dispositivo escravo via RS-485. Seu fator de forma pequeno permite que eles se encaixem em locais apertados (Figura 6). Inclui outros recursos:

• Medições de temperatura e vibração de alta precisão
• Faixa de medição de temperatura de -40°C a +105°C, com resolução de 1°C e precisão de ±3°C
• Detecta vibração de eixo duplo com largura de banda de até 4 kHz, com uma precisão de ±10% a 25°C e uma frequência de amostragem padrão de 20 kHz
• Saídas para velocidade rms, aceleração de alta frequência rms, velocidade de pico e outros parâmetros pré-processados a partir das formas de onda vibracionais

Figura 6: Os sensores de vibração e temperatura de dois eixos podem ser montados diretamente na carcaça do motor (direita). (Fonte da imagem: Banner Engineering)

A banda espectral de vibração é um recurso avançado. Ela permite que os usuários dividam a transformação rápida de Fourier (FFT) de banda larga para obter dados de velocidade ou aceleração rms para bandas de frequência mais estreitas, além dos dados escalares de 10 a 1.000 Hz e de 1.000 a 4.000 Hz. Dependendo das necessidades dos usuários, as frequências de banda podem ser inseridas manualmente ou geradas automaticamente com base em uma entrada de velocidade dinâmica, ou estática. A análise de banda espectral pode ajudar no diagnóstico de problemas com máquinas rotativas mais especificamente.

Temperatura e umidade

O monitoramento da temperatura e da umidade pode ser importante em datacenters, armazéns, salas limpas, refrigeradores ou chillers. Um sensor de temperatura e umidade como o DX80N9Q45THA pode ajudar a:

• Preservar mercadorias, como produtos frescos ou vacinas, em que o conhecimento da temperatura e da umidade é essencial para a viabilidade a longo prazo e para evitar a deterioração
• Proteger equipamentos como servidores e dispositivos de armazenamento em um datacenter, onde a temperatura ou a umidade excessivas podem interferir na operação normal, ou levar a falhas
• Melhorar a saúde e a segurança das pessoas em armazéns e outras instalações onde a alta umidade pode dificultar que os trabalhadores se mantenham frescos em temperaturas elevadas, podendo levar à exaustão pelo calor

A faixa de medição de temperatura é de -40°C a +85°C, com resolução de 0,1°C e precisão de ±0,6°C de -40°C a 0°C, ±0,4°C de 0°C a +60°C e ±1,2°C de +60°C a +85°C. O sensor de umidade pode medir de 0% a 100% de umidade relativa, UR, com uma precisão de ±2% a +25°C, ±3% de 0°C a +70°C e 10% a 90% de umidade relativa, e ±7% de 0°C a +70°C e 0% a 10% ou 90% a 100% de umidade relativa.

Quando a unidade é ligada, ela opera no modo de amostragem rápida e envia dados a cada dois segundos. Após cinco minutos, o nó entra no modo padrão e envia dados em intervalos de cinco minutos. Taxas de amostragem de 15 minutos ou 64 segundos podem ser selecionadas pelo usuário.

Os modelos com rádios de 900 MHz transmitem a 1 W (30 dBm) ou 250 mW (24 dB selecionáveis pelo usuário). O modo de 250 mW reduz o alcance, mas melhora a vida útil da bateria em aplicações de curto alcance. Para modelos de 2,4 GHz, a potência de transmissão é fixada em cerca de 65 mW (18 dBm). Ao operar no modo de armazenamento, o rádio é desligado para conservar a vida útil da bateria.

Conclusão

Os sistemas EHM eficazes nas fábricas da Indústria 4.0 monitoram a vibração e a temperatura para ajudar a garantir altos níveis de tempo de operação. Os sensores de umidade e temperatura também podem melhorar o desempenho operacional dos datacenters e preservar mercadorias como vacinas ou produtos frescos em operações de armazém e logística. Esses sistemas podem usar conectividade com ou sem fio para monitorar vários parâmetros.