Miten useiden anturien valvonta voi parantaa suorituskykyä Teollisuus 4.0 -tehtaissa ja -logistiikassa sekä datakeskuksissa

Sellaisten koneparametrien kuten värähtelyn ja lämpötilan valvonta voi tarjota reaaliaikaista tietoa koneiden suorituskyvystä ja kunnosta ja antaa valmistajille tietoja, joita tarvitaan ennakoivan huollon suunnitteluun, seisokkien vähentämiseen ja tuottavuuden parantamiseen.

Kosteuden ja lämpötilan valvonta logistiikkatiloissa tai kuljetuksen aikana voi parantaa toiminnallista suorituskykyä sekä sellaisten tuotteiden kuten rokotteiden tai tuoretuotteiden säilyvyyttä. Saatavilla on langallisella ja langattomalla yhteydellä varustettuja ympäristönseurantajärjestelmiä, jotka sopivat erilaisiin sovelluksiin, mukaan lukien yritys- ja pilvidatakeskukset.

Värähtelyn valvonnasta voi olla hyötyä mahdollisten koneongelmien tunnistamisessa ennen niiden syntymistä. Kansainvälisen standardisointijärjestön (ISO) 10816 voi olla tärkeä referenssi. Se tarjoaa opastusta värähtelyn voimakkuuden arviointiin pumpuissa, tuulettimissa, kompressoreissa, vaihdelaatikoissa, puhaltimissa, kuivausrummuissa, puristimissa ja vastaavissa koneissa käytettävissä moottoreissa, jotka toimivat taajuusalueella 10–1000 Hz.

Tämä artikkeli esittelee joitakin keskeisiä näkökohtia langallisen ja langattoman yhteyden valinnasta valvontajärjestelmiä varten ja miten langallisten ja langattomien verkkojen käyttö ei ole joko/tai -valinta. Artikkeli tarkastelee sitten neljää standardissa ISO 10816 määriteltyä värähtelyn voimakkuusluokkaa. Se käsittelee lopuksi erilaisia vaihtoehtoja sekä langallisten että langattomien kunnonvalvontajärjestelmien toteuttamiseen, mukaan lukien useiden anturien käyttöön värähtelyn, lämpötilan, kosteuden ja erilaisten sovellusten valvonnassa.

Banner Engineering tarjoaa valikoiman laitteiden kunnonvalvontaan (EHM, Equipment Health Monitoring) tarkoitettuja yhdyskäytäviä, jotka mahdollistavat helpon pääsyn EHM-verkon tietoihin. Teollisuuden EHM-suunnittelijoilla on valittavissa yrityksen langallisia SNAP ID -yhdyskäytäväratkaisuja anturilukemien paikallisella näytöllä tai valinnaisella pilvipohjaisella kojelaudalla sekä langattomia CLOUD ID -yhdyskäytäviä, jotka on suunniteltu yhdistettäväksi suoraan pilvipohjaiseen kojelautaan (kuva 1). Näiden kahden vaihtoehdon yhteisiin ominaisuuksiin kuuluvat mm.:

• Valikoima antureita EHM-toiminnan optimoimiseksi.
• Nopea käyttöönotto. Tässä auttaa liitettyjen antureiden automaattinen tunnistus ilman lisäohjelmoinnin tarvetta.
• Anturitiedot välittömästi saatavilla laitteiden säätöä tai tarvittavan huollon ajoittamista varten seisokkien minimoimiseksi ja tuottavuuden maksimoimiseksi.
• Molemmat järjestelmät tukevat pilviyhteyksiä.
• Esikonfiguroidut kojelaudat saatavilla ja mukautettavissa tietojen optimaalista visualisointia varten.

Kuva 1: Bannerin langallisilla EHM-yhdyskäytävillä SNAP ID (vasemmalla) ja langattomilla CLOUD ID (oikealla) on useita yhteisiä ominaisuuksia. (Kuvan lähde: DigiKey)

Langallinen vai langaton EHM-yhdyskäytävä?

Vaikka langallisilla ja langattomilla EHM-yhdyskäytävillä onkin joitakin yhteisiä ominaisuuksia, niiden välillä on olennaisia eroja. AMG-SNAP-ID Asset Monitoring Gateway (AMG) tukee jopa 20 anturin ja muuntimen käyttöä, valvontaa ja hälytyksiä. Se tukee Modbus- ja Bannerin SNAP SIGNAL -yhteyttä ja etsii yksittäisiä antureita tai muuntimia tunnistamalla automaattisesti mallin tiedot. Käyttäjät voivat muuttaa ja määrittää Modbus-palvelimen ID-numerot asiakaskohtaisten EHM-ratkaisujen luomiseksi ja ottamiseksi käyttöön. Kytkettyjä laitteita voidaan ryhmitellä ja hälytyksille voidaan määrittää yksilölliset kynnysarvot. Hälytystila esitetään kosketusnäytössä ja kotelon yläosassa olevan merkkivalon värillä.

Kun tarvitaan suoraa pilviyhteyttä, EHM-järjestelmän suunnittelijat voivat käyttää IIoT-yhdyskäytävää DXM1200-X2 jopa 200 Bannerin ja kolmansien osapuolien laitteen liittämiseen sekä suorituskyky- ja koneen kuntotietojen tarjoamiseen. Se voi tunnistaa automaattisesti anturisolmut, muodostaa niihin yhteyden ja toimittaa tiedot Banner-pilviohjelmistoon. Kehittäjät voivat valita yksinkertaisten tai kompleksisten ohjelmointityökalujen väliltä. IIoT-yhdyskäytävä voi käsitellä tietoja reunalla ja lähettää ne sitten sekä Ethernet- että matkapuhelinverkkojen kautta valvottavaksi missä päin maailmaa tahansa intuitiivisen pilvipohjaisen kojelaudan kautta (kuva 2).

Kuva 2: IIoT-anturiverkon langattomalla (vasemmalla) ja langallisella (oikealla) yhdyskäytävällä on useita yhteisiä ominaisuuksia. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Langalliset ja langattomat EHM-arkkitehtuurit

Langalliset ja langattomat EHM-arkkitehtuurit eivät sulje toisiaan pois. Langallisissa järjestelmissä voi olla langattomia elementtejä, ja langattomat arkkitehtuurit sisältävät usein langallisen yhteyden.

Esimerkiksi langallinen EHM-perusarkkitehtuuri voi sisältää lukuisia useisiin antureihin liitettyjä jakorasioita, esimerkkeinä 4-porttinen R50-4M125-M125Q-P ja 8-porttinen R95-8M125-M125Q-P. Bannerin sarjamuotoiselle datalle tarkoitetut Sure Cross R70SR -radiot, kuten 900 MHz:n R70SR9MQ ja 2,4 GHz:n R70SR2MQ, voivat laajentaa verkon kantamaa ilman lisäkaapelointia. Näiden radioiden ominaisuuksiin kuuluvat (kuva 3):

• RS-485-sarjaliitäntä
• tähti- ja puuverkkotopologioiden tuki
• tuki itsekorjautuvalle, automaattisesti reitittävälle radiotaajuusverkolle useilla siirtymillä verkon kantaman laajentamiseksi pidemmälle
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) -tekniikka luotettavaa tiedonsiirtoa varten.

Kuva 3: Langallisen laitevalvonnan perustopologia (vasemmalla) ja esimerkki langattomasti liitetystä etäanturiklusterista (oikealla). (Kuvan lähde: DigiKey)

Suuressa laitoksessa voi olla useita järjestelmiä hajautettuina laajalle alueelle, mukaan lukien:

• ilmakompressorit
• pumppujärjestelmät
• kuljetinjärjestelmät
• lukuisat sähkömoottorit ja koneet
• vaihdelaatikot
• ilmansuodatusjärjestelmät
• varastosäiliöiden pinnankorkeuden mittaus ja valvonta.

Tällaisissa tapauksissa EHM-järjestelmän suorituskykyä voidaan parantaa yhdistämällä langallisia ja langattomia tekniikoita. Edellä mainitussa langattomassa IIoT-yhdyskäytävässä DXM1200-X2 on langallinen Modbus-yhteys. Jos tarvitaan Ethernet-yhteyttä, suunnittelijat voivat käyttää DXMR90-X1-yhdyskäytävää. DXMR90-4K mahdollistaa IO-Link-master-/ohjaintoimintojen toteuttamisen. Modbus-, Ethernet- ja IO-Link-vaihtoehtojen lisäksi suunnittelijat voivat käyttää sarjamuotoiselle datalle tarkoitettuja R709-radioita langattoman yhteyden luontiin fyysisesti erillään oleviin laitteisiin (kuva 4).

Kuva 4: Langattomia IIoT-yhdyskäytäviä (alhaalla vasemmalla) on saatavana Modbus-, Ethernet- ja IO-Link-yhteydellä. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

ISO 10816 – värähtelyn voimakkuus

ISO 10816 on tärkeä standardi EHM-järjestelmille. Se määrittelee koneiden, kuten sähkömoottoreiden, pumppujen ja generaattoreiden, värähtelyn voimakkuuden. Standardi käyttää kiihtyvyyden, siirtymän tai värähtelynopeuden neliöllistä keskiarvoa (rms). ISO 10816 ottaa huomioon myös kokonaisvaihtelun arvot. Värähtelyn voimakkuudella on suurin rms-arvo mitattaessa kahta tai useampaa parametria. Standardi luokittelee värähtelyn voimakkuuden neljään tasoon:

• Hyvä (Good) viittaa yleensä vastikään käyttöönotettuun koneeseen.
• Tyydyttävä (Satisfactoty) värähtely viittaa rajoittamattomaan käyttöalueeseen.
• Epätyydyttävä (Unsatisfactory) värähtely viittaa siihen, että käyttöä tulisi rajoittaa ja pitäisi suunnitella ennaltaehkäisevä huolto.
• Kohtuuton (Unacceptable) värähtely viittaa siihen, että koneen vaurioituminen on todennäköistä.

Kuva 5: IEC 10816 -standardi sisältää neljä värähtelyn voimakkuusluokkaa. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Värähtely ja koneoppiminen

Edes ”identtiset” koneet eivät ole tarkkoja kopioita toisistaan. Tässä kohtaa koneoppiminen (ML) astuu kuvaan. Banner Engineering tarjoaa värähtelyn valvontaan VIBE-IQ-ohjelmistopaketin, joka käyttää koneoppimista (ML) uniikin perustoiminta-arvon määrittelyyn kunkin koneen värähtelylle. Koneoppimisohjelmisto asettaa sen jälkeen automaattisesti varoitus- ja hälytysrajat. Se voi automatisoida kompleksiset EHM-laskelmat ja -analyysit. VIBE-IQ-ohjelmiston ominaisuuksiin kuuluvat muun muassa:

• jatkuva valvonta: rms-nopeus taajuusalueella 10–1000 Hz, korkeataajuinen rms-kiihtyvyys taajuusalueella 1000–4000 Hz ja lämpötila
• vain käynnissä olevien moottorien valvonta
• tietojen käyttö trendianalyysiin sekä reaaliaikaiseen valvontaan seuraavien olosuhteiden tunnistamiseksi:
  • väärin kohdistetut tai epätasapainossa olevat järjestelmät
  • kuluneet tai irtonaiset komponentit
  • laakerien liiallinen kuluminen
  • väärin asennetut tai käytettävät moottorit
  • liian korkea lämpötila
• ilmoitusten ennakoiva lähettäminen isäntäohjaimeen tai pilveen.

Värähtely ja lämpötila

Värähtely ei ole ainoa vihje siitä, että kone saattaa tarvita ennaltaehkäisevää huoltoa. Myös nousevan lämpötilan trendi voi varoittaa EHM-järjestelmää potentiaalisista ongelmista, erityisesti jos lämpötilan nousu korreloi kasvavan värähtelyn kanssa.

Näiden kahden parametrin yhdistäminen antaa täydellisemmän kuvan laitteen kunnosta. Ne voivat varoittaa käyttäjiä erilaisista olosuhteista ja tarjota useita etuja:

• Värähtely voi viitata mekaanisiin ongelmiin, kuten virheelliseen kohdistukseen, epätasapainoon, laakereiden kulumiseen jne.
• Lämpötilan nousu voi viitata sähköongelmiin, kuten käämien ylikuumenemiseen, tai voiteluongelmiin.
• Kun analysoidaan epänormaalia toimintaa, taajuusalueen ulkopuolisen värähtelyn ja lämpötilan korrelointi voi auttaa tunnistamaan mahdolliset syyt. Esimerkiksi värähtelykuviot voivat auttaa tunnistamaan perimmäisen syyn.
• Ennaltaehkäisevän kunnossapidon suunnittelua voidaan helpottaa sekä lämpötilan että värähtelyn valvonnalla. Lämpötilan vähittäinen nousu ei välttämättä ole yhtä suuri ongelma kuin kasvanut värähtely, joka voi vaatia välitöntä korjausta.
• Selvitä, miten laitteiden valintaa ja käyttöä voidaan parantaa pidemmällä aikavälillä anturitietojen avulla, jotta potentiaaliset käyttörajoitukset voidaan tunnistaa ennen kuin niistä tulee ongelmia.

Kun lämpötilaa ja värähtelyä täytyy valvoa, EHM-järjestelmien suunnittelijat voivat käyttää Banner Engineeringin alumiinikotelossa toimitettavaa QM30VT2-anturia tai ruostumattomassa teräskotelossa toimitettavaa QM30VT2-SS-QP-anturia. Molemmat anturit voidaan liittää Modbus-radioon tai mihin tahansa Modbus-verkkoon slave-laitteena RS-485-liitännän kautta. Ne mahtuvat ahtaisiinkin paikkoihin pienen koon ansiosta (kuva 6). Muita ominaisuuksia ovat mm.:

• huipputarkat lämpötila- ja värähtelymittaukset
• lämpötilan mittausalue −40 °C ... +105 °C resoluutiolla 1 °C ja tarkkuudella ±3 °C
• kaksiakselisen värähtelyn tunnistus 4 kHz:n kaistanleveyteen asti ±10 %:n tarkkuudella lämpötilassa 25 °C ja oletusnäytteenottotaajuudella 20 kHz
• lähtöarvoina rms-nopeus, korkeataajuisen kiihtyvyyden rms-arvo, huippunopeus ja muut värähtelyaaltomuodoista esikäsitellyt parametriarvot.

Kuva 6: Kaksiakseliset värähtely- ja lämpötila-anturit voidaan asentaa suoraan moottorin koteloon (oikealla). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Värähtelyn spektrikaista on kehittynyt ominaisuus. Sen avulla käyttäjät voivat jakaa laajakaistaisen nopean Fourier-muunnoksen (FFT) ja saada rms-nopeus- tai kiihtyvyystietoja kapeammilta taajuuskaistoilta 10–1000 Hz:n ja 1000–4000 Hz:n skalaaritietojen lisäksi. Käyttäjien tarpeista riippuen kaistataajuudet voidaan syöttää manuaalisesti tai luoda automaattisesti dynaamisen tai staattisen nopeussyötteen perusteella. Spektrikaista-analyysi voi auttaa erityisesti pyörivien koneiden ongelmien diagnosoinnissa.

Lämpötila ja kosteus

Lämpötilan ja kosteuden valvonta voi olla tärkeää datakeskuksissa, varastoissa, puhdastiloissa, jääkaapeissa ja jäähdyttimissä. Lämpötila- ja kosteusanturi, kuten DX80N9Q45THA, voi auttaa seuraavissa:

• tavaroiden, kuten tuoretuotteiden tai rokotteiden, säilytys, jossa lämpötilan ja kosteuden tuntemus on ratkaisevan tärkeää pitkäaikaisen säilyvyyden ja pilaantumisen estämisen kannalta
• laitteiden, kuten palvelimien ja tallennuslaitteiden, suojaaminen datakeskuksissa, joissa liian korkea lämpötila tai kosteus voi häiritä normaalia toimintaa tai johtaa rikkoutumiseen
• ihmisten terveyden ja turvallisuuden parantaminen varastoissa ja muissa tiloissa, joissa korkea ilmankosteus voi vaikeuttaa työntekijöiden viilentämistä lämpötilan ollessa korkea, mikä voi johtaa lämpöuupumukseen.

Lämpötilan mittausalue −40 °C ... +85 °C resoluutiolla 0,1 °C ja tarkkuudella ±0,6 °C alueella −40 °C ... 0 °C, ±0,4 °C alueella 0 °C ... +60 °C ja ±1,2 °C alueella +60 °C ... +85 °C. Kosteusanturin mittausalue on 0–100 % RH tarkkuudella ±2 % lämpötilassa +25 °C, tarkkuudella ±3% lämpötilassa 0–70 °C ja kosteusalueella 10–90 % RH sekä tarkkuudella ±7 % lämpötilassa 0–70 °C ja kosteusalueella 0–10 % tai 90–100 % RH.

Kun laite kytketään päälle, se toimii nopeassa näytteenottotilassa ja lähettää tietoja kahden sekunnin välein. Viiden minuutin kuluttua solmu siirtyy oletustilaan ja lähettää tietoja viiden minuutin välein. Käyttäjä voi valita 15 minuutin tai 64 sekunnin näytteenottotaajuuden.

900 MHz:n radiota käyttävät mallit lähettävät teholla 1 W (30 dBm) tai 250 mW (24 dB käyttäjän valittavissa). 250 mW:n tila lyhentää kantamaa, mutta parantaa akun kestoa lyhyen kantaman sovelluksissa. 2,4 GHz:n malleissa lähetysteho on kiinteä, noin 65 mW (18 dBm). Radio kytkeytyy pois päältä tallennustilassa akun säästämiseksi.

Yhteenveto

Teollisuus 4.0 -tehtaiden tehokkaat EHM-järjestelmät valvovat värähtelyä ja lämpötilaa ja auttavat näin varmistamaan korkean käytettävyysasteen. Kosteus- ja lämpötila-anturit voivat myös parantaa datakeskusten toiminnallista suorituskykyä sekä tavaroiden, kuten rokotteiden tai tuoretuotteiden, säilyvyyttä varastointi- ja logistiikkatoiminnoissa. Näissä järjestelmissä voidaan käyttää joko langallista tai langatonta yhteyttä useiden parametrien valvontaan.