← Terug naar categorie Condition & Vibration Monitoring

Conditiebewaking Gebruik van de drive als sensor

Download de audioversie van dit redactioneel

Aandrijvingen met variabele snelheid worden al meer dan een halve eeuw gebruikt, met als belangrijkste voordeel de vermindering van het energieverbruik. Met de komst van Industry 4.0 verschuift de rol van de schijf van die van een pure stroomprocessor naar die van een intelligent element van het automatiseringssysteem.

Het vermogen van de drive om te werken als een slimme sensor, maakt het een natuurlijke keuze bij het implementeren van conditiebewaking. In dit artikel presenteren we hoe dit kan worden gebruikt in water- en afvalwatertoepassingen.

Door Norbert Hanigovszki, Jörg Dannehl, Sanjeet Kumar Dwivedi, Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

Anna Hildebrand-Jensen

Anna Hildebrand-Jensen

1. Nieuwe aandrijfmogelijkheden voor water- en afvalwatertoepassingen
Variabele snelheidsaandrijvingen met vermogenselektronica-omvormers worden al meer dan een halve eeuw gebruikt en tegenwoordig wordt meer dan 20% van alle elektromotoren aangedreven door variabele snelheidsaandrijvingen. De belangrijkste reden voor het gebruik van drives is het verminderen van energieverbruik.

Er zijn echter ook andere redenen om aandrijvingen in water- en afvalwatertoepassingen te gebruiken, zoals procesregeling (constante waterdruk behouden, waardoor lekkage door hoge druk wordt voorkomen), waterslag of geoptimaliseerde putuitbuiting vermijden.

Sinds de introductie van microprocessors om de schijven te bedienen, is extra functionaliteit toegevoegd aan de oorspronkelijke functie - die van een power processor. Aandrijvingen kunnen bijvoorbeeld pompontzwaveling uitvoeren in afvalwatertoepassingen, ze kunnen verschillende pompen in een cascadesysteem aansturen in waterpomptoepassingen of kunnen bepaalde frequenties omzeilen om resonanties te voorkomen.

De opmars van Industry 4.0 heeft deze extra functies een extra boost gegeven. Terwijl Industry 4.0 zich bezighoudt met informatie en netwerken, beginnen we de schijven te gebruiken als slimme en netwerksensoren.

2. Industrie 4.0 in motor- en aandrijfsystemen
Industrie 4.0 is een generieke term die een vierde industriële revolutie suggereert die kan worden gekenmerkt door netwerken (na de eerste industriële revolutie - mechanisatie, de tweede - elektrificatie en de derde - automatisering).

Hoewel de term enigszins vaag is, zou een mogelijke definitie kunnen zijn: "Industrie 4.0 beschrijft het intelligente netwerken van mensen, dingen en systemen door gebruik te maken van alle mogelijkheden van digitalisering in de gehele waardeketen".

De impact van deze trend op motorsystemen is een migratie van wat bekend staat als 'automatiseringspiramide' naar netwerksystemen, zie figuur 1 (links). Dit betekent dat de verschillende elementen van het systeem, zoals motoren, aandrijvingen, sensoren en bedieningselementen, onderling worden verbonden en ook worden verbonden met een cloud - waar gegevens worden opgeslagen, verwerkt, geanalyseerd en beslissingen worden genomen, zie figuur 1 (rechts).

Fig1 automatiseringspiramide links. Conditiebewaking

Automatiseringspiramide

Fig1 Netwerksystemen. Conditiebewakingsrecht

Netwerksystemen

Figuur 1: Industrie 4.0 betekent overgang van de automatiseringspiramide naar netwerksystemen

3. De aandrijving als een sensor
In aandrijftoepassingen met variabele snelheid biedt de beschikbaarheid van microprocessors in de aandrijf- en buscommunicatie-opties, gecombineerd met stroom- en spanningssensoren nieuwe mogelijkheden. Bovendien kunnen extra sensoren (zoals trillings- en druksensoren) vrijwel zonder kosten op de aandrijving worden aangesloten.

Hierdoor kan de schijf worden gebruikt als een slimme sensor voor conditiebewaking (Afbeelding 2). De beschikbare informatie biedt verschillende gebruiksscenario's, bijvoorbeeld systeemoptimalisatie, optimalisatie van energie-efficiëntie en onderhoud op basis van omstandigheden. In het volgende gedeelte worden enkele voorbeelden van sensorintegratie en op omstandigheden gebaseerd onderhoud onderzocht.

Fig2 Drive als een sensor. Conditiebewaking

Figuur 2: Rijd als een sensor

4. Ingebedde toestandgebaseerde monitoring
Conditiebewaking is een techniek om de gezondheid van in gebruik zijnde apparatuur te bewaken. Voor dit doel moeten sleutelparameters worden geselecteerd als indicatoren voor het ontwikkelen van fouten. De toestand van de apparatuur verslechtert meestal na verloop van tijd.

Figuur 3 toont een typisch degradatiepatroon, ook bekend als PF-curve. Het punt van functionele storing is wanneer de apparatuur niet de beoogde functie levert. Het idee van conditie-gebaseerd onderhoud is om de mogelijke storing te detecteren voordat de werkelijke storing optreedt.

In dit geval kunnen onderhoudsacties worden gepland vóór functionele storing, met voordelen zoals: reductie van downtime, eliminatie van onverwachte productiestops, optimalisatie van onderhoud, reductie van reserveonderdelenvoorraad en andere.

Fig3 PF-curve. Conditiebewaking

Figuur 3: PF-curve die de toestand van een component weergeeft tot functionele storing.

4.1 Controle van het trillingsniveau
Veel mechanische storingen, zoals lagerslijtage, asafwijking, onbalans, veroorzaken een soort trilling. Aldus is trillingsbewaking vastgesteld als een stand van de techniek voor het bewaken van roterende machines. Er zijn verschillende methoden, variërend van eenvoudige eenvoudige monitoring tot zeer geavanceerde monitoring [3].

Een veel gebruikte methode is trillingssnelheid RMS-monitoring [2]. Het is gebaseerd op de RMS-waarde van het trillingssignaal dat wordt gemeten via een trillingssensor. Veel mechanische fouten hebben een significante invloed op de RMS van de trillingen, bijv. Onbalans, asafwijking en loszitten.

De uitdaging in toepassingen met variabele snelheid is echter de afhankelijkheid van de trillingen van de werkelijke snelheid. Mechanische resonanties zijn typische voorbeelden. Deze zijn altijd aanwezig en een monitoringsysteem moet hier op een of andere manier mee omgaan. Vaak worden de foutdetectieniveaus ingesteld voor het slechtste geval om valse alarmen te voorkomen. Dit vermindert de detectienauwkeurigheid in snelheidsgebieden waar geen resonanties aanwezig zijn.

Als een geschikte vibratiezender is gemonteerd en aangesloten op de omvormer, kan de omvormer geavanceerde bewaking bieden door het zendersignaal te correleren met interne signalen van de omvormer, bijv. Snelheid of andere signalen die relevant zijn voor de toepassing.

De schijf kan vroegtijdig fouten detecteren en verkeerslichtinformatie (zie afbeelding 3) geven over de gezondheidstoestand van het systeem om functionele storingen te voorkomen. Onderhoud kan vooraf worden voorbereid en ingepland, terwijl het systeem kan blijven werken tot de volgende mogelijke onderhoudspauze.

Het trillingsniveau in normale en defecte toestand is ook afhankelijk van het type, de locatie en de montage van de sensor. Bovendien varieert het met de daadwerkelijke toepassing die moet worden gecontroleerd. Daarom is een leerperiode vereist. Dit kan op verschillende manieren. De eerste benadering is het leren van de normale trillingsniveaus tijdens de beginperiode.

Dit betekent dat de applicatie normaal draait en de drive de trillingen parallel leert zonder de werking te beïnvloeden. Wanneer voldoende gegevens zijn verzameld, begint de drive de trillingen te controleren. Ten tweede kan de schijf een identificatierun uitvoeren. Hier regelt de omvormer de motor zodanig dat voldoende gegevens worden verzameld.

De mogelijkheid om deze tweede benadering te gebruiken hangt af van de specifieke toepassing. In een watertoevoersysteem mag de pomp bijvoorbeeld niet op volle snelheid draaien op het moment van inbedrijfstelling.

Een testopstelling is gebouwd om de functionaliteit aan te tonen. De fout in de scope voor deze test is een verkeerde uitlijning van de motoras. Asafwijking voegt mechanische belasting toe aan de lagers en verkort zo de levensduur van de lager. Bovendien creëert het trillingen die kunnen leiden tot een secundair effect in het systeem. Vroegtijdige detectie van verkeerde uitlijning en correctie kan de levensduur van de lager verlengen en uitvaltijd voorkomen.

Figuur 4 toont de testopstelling met een inductiemotor die een kleine pomp aandrijft. Een hoekafwijking kan worden gemaakt door de basisplaat iets op te tillen met de rode hendel. Een trillingssensor is geïnstalleerd op de basisplaat van de motor om het concept te illustreren. Het analoge 4-20 mA-sensorsignaal is aangesloten op de analoge ingang van de omvormer.

Fig4 testopstelling. Conditiebewaking

Figuur 4: testopstelling met een kleine pomp aangedreven door een inductiemotor. Trillingszender (zwart / oranje) gemonteerd op de basisplaat naast een motor.

Fig5 trillingsmeting. Conditiebewaking

Figuur 5: testgegevens (trillings-RMS-waarde in mm / s versus snelheid in RPM) voor twee scenario's: foutvrij (zwart, "basislijn") en defect (groen, "verkeerd uitgelijnd").


Figuur 5 toont een voorbeeld van testresultaten. De gemeten trillingen in mm / s versus de motorsnelheid in RMS worden weergegeven voor twee scenario's. In het eerste scenario bevindt het systeem zich in een gezonde staat. In deze status wordt een nulmeting uitgevoerd. De waarschuwings- en alarmdrempels worden afgeleid op basis van de gemeten basislijn. Voor het defecte scenario wordt een asafwijking gemaakt door de motorbasisplaat iets door de rode hendel op te tillen, zie afbeelding 5. De gemeten trillingen in defecte toestand worden groen weergegeven.

In het bovenstaande voorbeeld kan de drive deze fout duidelijk detecteren. Voor andere toepassingen kunnen de basisgegevens erg verschillen. Typisch, zelfs in gezonde staat, is de trilling afhankelijk van de snelheid. Er kunnen zelfs resonantiepunten zijn waarmee rekening moet worden gehouden tijdens het monitoren. Andere soorten fouten, bijvoorbeeld onevenwichtigheden, losheid, creëren verschillende patronen.

4.2 Analyse van elektrische handtekeningen
De staat van de motor en de toepassing kan ook worden bewaakt door middel van analyse van elektrische handtekeningen. Deze techniek is al vele jaren in onderzoek. De vroege studies hebben betrekking op directe online machines en later zijn ook aandrijfsystemen met variabele snelheid onderzocht [5,6,7]. Met de beschikbare verwerkingskracht en geheugen in de schijven van vandaag, kunnen deze technieken nu als productfuncties in producten worden geïntegreerd.

Figuur 6 illustreert het basisconcept. Foutconditie-indicatoren kunnen worden afgeleid uit de motorstromen en spanningssignalen. Frequentiecomponenten van stromen en spanningen kunnen verband houden met motor- of applicatiefouten, bijvoorbeeld asafwijking of statorwikkelfouten.

De stroom- en spanningssensoren zijn hoe dan ook essentiële componenten van aandrijvingen. Ze geven de nodige signalen voor het besturen van de motor. Deze signalen kunnen worden gebruikt voor monitoringdoeleinden. Er worden dus geen extra sensorkosten toegevoegd. Signaalverwerking en analytische technieken spelen hierbij een belangrijke rol.

Fig6 elektrische signaalanalyse. Conditiebewaking

Figuur 6: analyse van elektrische handtekeningen

De omvormer die de controller van de motor is, kan de bewakingswaarden, bijv. Specifieke stroomharmonischen, correleren met andere beschikbare informatie in de omvormer. Als u bijvoorbeeld de controllerstatus kent, weet de drive wanneer zinvolle spectrumberekeningen kunnen worden uitgevoerd. Net als de monitoring van het trillingsniveau, kan de correlatie van bewaakte waarden met motorsnelheid, belasting en andere relevante procesgegevens (bijv. Druk in waterleidingen) worden uitgevoerd om meer accurate foutinformatie te krijgen.

4.3 Lastbewaking in pompen
Zoals getoond in de vorige sectie, meten aandrijvingen de motorstroom en spanning en het primaire doel is om deze metingen te gebruiken voor het besturen van de motor. De primaire stroom- en spanningsmeting wordt gebruikt om verschillende parameters te berekenen, zoals motorvermogen, energie, werkelijke motorsnelheid of koppel. En deze waarden kunnen worden gebruikt voor het bewaken van de motorbelasting, bijvoorbeeld een pomp.

In toepassingen waar de belasting afhankelijk is van het motortoerental, kan de koppelschatting worden gebruikt voor het bepalen van overbelastings- en onderbelastingsafwijkingen. Tijdens de basislijn "leert" de drive de normale verdeling van de belasting, of de belastingsenveloppe - getoond in figuur 7. Net als bij de vorige functies is er een verband met de motorsnelheid.

Tijdens de bewaking kan de omvormer overbelasting en onderbelasting detecteren, die in pomptoepassingen kunnen worden veroorzaakt door fouten zoals: vervuiling, schuren, gebroken waaier, slijtage of andere.

5-conclusies
Conditiemonitoring kan worden gebruikt voor het implementeren van conditiegebaseerd onderhoud, wat een evolutie is van correctief en preventief onderhoud. Maar conditiebewaking is afhankelijk van sensorgegevens; en het installeren van extra sensoren kan duur zijn. Als schijfeenheden met variabele snelheid al in de toepassing worden gebruikt, zijn ze een waardevolle gegevensbron die kan worden gebruikt voor conditiebewaking, waardoor onnodige kosten worden bespaard.

6-referenties:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Bewertung der Schwingungen von Maschinen door Messungen an nicht-rotierenden Teilen
[3] Robert Bond Randall: op trillingen gebaseerde conditiebewaking: industriële, ruimtevaart- en automobieltoepassingen
[4] Ifm: Gebruiksaanwijzing Trillingssensor VKV021, https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk: elektrische machines: modellering, conditiebewaking en foutdiagnose, CRC Press, 2013
[6] Howard P. Penrose: Diagnostiek van elektromotoren, succes door ontwerp; 2nd ed. editie (2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi, Jorg Dannehl: Modellering en simulatie van stator- en rotorfouten van inductiemotoren en hun experimentele vergelijking, 2017 IEEE 11th International Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives (SDEMPED)

Procesindustrie Informer

Gerelateerd nieuws

Laat een reactie achter

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Ontdek hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.

Deel via