Monitoraggio delle condizioni: Guida alle 5 principali tecnologie

Dal cibo all'acqua, dai carburanti alla carta e ai farmaci, innumerevoli macchine alimentano processi industriali critici che alimentano le nostre vite. Queste risorse meccaniche sono spesso soggette a condizioni difficili, cambiamenti di processo e semplice usura. Per questo motivo, è importante tenere sotto controllo le condizioni effettive delle macchine per pianificare e programmare interventi di manutenzione adeguati prima che si rompano. È qui che le varie tecnologie di monitoraggio delle condizioni aiutano i team di manutenzione a prevenire i tempi di fermo non programmati, a ottimizzare la programmazione della manutenzione, a risparmiare sui costi di manutenzione e ad aumentare l'affidabilità delle risorse.

Che cos'è il monitoraggio delle condizioni?

Come suggerisce il nome, il monitoraggio delle condizioni è il nome di una classe di tecniche che misurano uno o più parametri fisici delle condizioni dell'apparecchiatura (corrente, tensione, lubrificante, temperatura, vibrazioni, onde di sollecitazione, ecc.

Queste tecniche sono utilizzate per consentire manutenzione predittiva (noto anche come Manutenzione basata sulle condizioni), in cui si cerca di stimare le condizioni effettive, o addirittura future, delle macchine per programmare interventi di manutenzione tempestivi prima del loro guasto funzionale.

Quando utilizzare il monitoraggio delle condizioni

Oggi i team di manutenzione di tutti i settori utilizzano diverse strategie di manutenzione per garantire i tempi di attività, aumentare l'affidabilità e migliorare la sicurezza dei dipendenti. Alcune delle strategie di manutenzione più note sono: reattiva, correttiva, preventiva, basata sul tempo, predittiva e basata sulle condizioni. Alcune di esse sono modi diversi per dire la stessa cosa, mentre altre sono meta-strategie che ne raggruppano altre. A prescindere dai nomi utilizzati, ogni strategia ha il suo posto, anche quella del run-to-failure. (Si pensi alle lampadine, alle batterie e ai pannelli del soffitto di una struttura).

Quando utilizzare il monitoraggio delle condizioni?

Le strategie basate sul monitoraggio delle condizioni sono utili per le macchine più critiche il cui guasto sarebbe molto costoso. Il costo può essere finanziario, come la perdita di fatturato o di manodopera, o di reputazione, come nel caso di una fuoriuscita di acque reflue. Il monitoraggio delle condizioni fornisce un mezzo per prevenire queste perdite.

Oltre al monitoraggio delle condizioni, esistono altri metodi tradizionali ancora ampiamente utilizzati dai team di manutenzione, che aiutano a evitare guasti negli asset più critici. Uno di questi è quello basato sul tempo, noto anche come manutenzione preventiva, e un altro è la ridondanza delle macchine, abbinata a una solida gestione dell'inventario dei ricambi. Tuttavia, con l'avvento dell'intelligenza artificiale (AI) e dell'internet industriale delle cose (IIoT), le soluzioni di monitoraggio delle condizioni sono diventate dei veri e propri concorrenti. La loro capacità di raccogliere dati di monitoraggio delle condizioni 24 ore su 24 e di eseguire analisi in tempo reale sui dati di salute degli asset può talvolta fornire risultati migliori a un costo molto inferiore.

Monitoraggio delle condizioni e IIoT

Come discusso in precedenza, le tecnologie di monitoraggio delle condizioni basate sull'intelligenza artificiale e sull'IIoT sono diventate un serio concorrente dei metodi di manutenzione più tradizionali quando si tratta di evitare guasti catastrofici e costosi alle macchine più critiche degli impianti. Di seguito sono riportati alcuni vantaggi apportati dal connubio tra l'intelligenza artificiale e l'internet degli oggetti che contraddistinguono questi sistemi di monitoraggio delle condizioni:

Raccolta dati in tempo reale

Invece di affidarsi alla raccolta manuale dei dati, in cui un tecnico della manutenzione gira per l'impianto per rilevare le letture a intervalli prestabiliti (manutenzione basata sul tempo), oggi è possibile utilizzare tecniche di monitoraggio delle condizioni collaudate per raccogliere i dati sulla salute delle risorse non solo una volta al mese o ogni sei settimane, ma migliaia di volte al secondo, tutto il giorno, tutti i giorni. Questi dati sullo stato di salute delle macchine, come avviene oggi in qualsiasi programma di monitoraggio intelligente, vengono raccolti tramite sensori permanenti (nella maggior parte dei casi senza fili) che catturano continuamente segnali ad alta frequenza.

Analisi continua dei dati

Non appena i dati sulla salute degli asset vengono acquisiti e archiviati sul cloud o sull'edge, gli algoritmi di apprendimento automatico iniziano a elaborarli in tempo reale per rilevare automaticamente i guasti in corso e individuare il punto della macchina in cui si verificano. Sono al lavoro 24 ore su 24, 7 giorni su 7, 365 giorni all'anno, elaborando terabyte di dati senza sosta. Oltre all'analisi continua e rapida, gli algoritmi di apprendimento automatico sono in grado di rilevare piccoli cambiamenti che di solito sfuggono all'osservatore umano. Tutto ciò significa che i sistemi di monitoraggio delle condizioni basati sull'intelligenza artificiale sfiorano la perfezione in termini di individuazione dei guasti in fase di sviluppo.

Approfondimenti scalabili

Un altro vantaggio delle tecnologie di monitoraggio delle condizioni basate sull'intelligenza artificiale è che migliorano costantemente le loro previsioni in base ai nuovi dati che arrivano ogni secondo e le loro conclusioni sono sempre basate sui fatti e mai sull'intuizione. Tutto ciò significa che nel tempo migliorano sempre di più il loro lavoro. Man mano che le loro librerie di schemi di guasto noti (quelle che noi chiamiamo "impronte digitali di guasto") crescono, alla fine imparano ad associare questi schemi alla loro causa di fondo, consentendo una manutenzione proattiva e non solo predittiva.

I vantaggi sopra menzionati sono ciò che rende i sistemi di monitoraggio delle condizioni del XXI secolo così scalabili. Il software AI fa tutto il lavoro pesante, avvisando solo quando c'è un guasto imminente e individuando il punto della macchina in cui si sta sviluppando. Utilizzando sistemi di monitoraggio delle condizioni online basati sull'intelligenza artificiale e sull'IIoT, i team di manutenzione ricevono in tempo reale informazioni basate sui fatti sulle loro apparecchiature più critiche, che possono aiutarli a prendere decisioni e risultati migliori.

Quali sono i vantaggi del monitoraggio basato sulle condizioni?

Come abbiamo discusso finora, le strategie di monitoraggio basate sulle condizioni sono oggi utilizzate per le macchine critiche il cui guasto sarebbe costoso. L'ascesa dell'intelligenza artificiale e dell'IIoT ha reso i moderni sistemi di monitoraggio delle condizioni un serio concorrente delle strategie di manutenzione più tradizionali, come la manutenzione temporizzata, in quanto possono fornire risultati migliori e più rapidi a costi inferiori. Questa visione continua del monitoraggio delle condizioni fornisce importanti vantaggi ai team di manutenzione e operativi, quali:

Evitare i tempi di inattività non pianificati

La capacità di pianificare i tempi di inattività in un ambiente industriale è molto utile perché il costo reale dei tempi di inattività non pianificati dovuti a un guasto della macchina è spesso enormemente sottovalutato. Di seguito sono riportati alcuni fattori di costo che vengono abitualmente ignorati:

• produzione persa a un determinato livello di qualità
• costi di emergenza per la sostituzione del bene (consegna, installazione, ecc.)
• a seconda della gravità e del tipo di rottura della macchina, altre macchine possono essere danneggiate a causa del guasto dell'apparecchiatura
• il costo della necessità di immagazzinare e gestire un gran numero di parti di ricambio in caso di guasto
• danni alla reputazione (come nel caso di una fuoriuscita di acque reflue o di sostanze chimiche)

Segnalando con precisione il momento in cui una macchina si romperà, il monitoraggio delle condizioni non solo consente ai team di programmare ispezioni, riparazioni o sostituzioni ben prima del guasto funzionale, ma fornisce anche i mezzi per prevenire questi costi di manutenzione inutili e paralizzanti.

Migliorare la sicurezza dei dipendenti

Un guasto imprevisto a una macchina può rappresentare una grave minaccia per la sicurezza dei dipendenti, soprattutto di quelli che vi lavorano intorno. Segnalando con precisione un guasto imminente, i responsabili dell'impianto possono garantire riparazioni e sostituzioni tempestive e contribuire a creare un ambiente di lavoro sicuro.

Riduzione della ridondanza e della manutenzione a tempo

Nel mondo industriale esistono due tipi di tempi di inattività: quelli pianificati e quelli non pianificati. Abbiamo discusso il caso dei tempi di inattività non pianificati in precedenza. I tempi di inattività pianificati, invece, si verificano quando gli addetti alla manutenzione eseguono una manutenzione programmata ricorrente, di solito a un intervallo di tempo fisso. Con il monitoraggio delle condizioni, i responsabili della manutenzione possono ridurre entrambi i tipi di fermo macchina e abbandonare l'idea di eseguire la manutenzione "solo per caso".

Monitorando le condizioni della macchina, un team di manutenzione può sapere quali apparecchiature sono sane e quali in avaria, e intervenire solo sulle macchine che ne hanno bisogno, il che è essenziale quando si tratta di abbandonare la manutenzione a tempo. Inoltre, rilevando con precisione un guasto imminente, i team di manutenzione possono programmare le riparazioni con largo anticipo rispetto al guasto dell'asset, riducendo non solo i tempi di fermo non pianificati, ma anche la necessità di ridondanza degli asset. Ciò consente inoltre ai team di manutenzione di ottimizzare la programmazione della manutenzione, distribuendo le risorse chiave sulle apparecchiature che hanno effettivamente bisogno di aiuto.

Tecnologie di monitoraggio delle condizioni

Per individuare con precisione i guasti in corso, il monitoraggio delle condizioni richiede un'analisi sofisticata su una fonte affidabile di dati ricchi di informazioni. Esistono cinque tecnologie principali, classificate per fonte di dati: lubrificanti, vibrazioni, onde di stress, temperatura e segnali elettrici.

Lubrificanti

I lubrificanti sono indispensabili per il corretto funzionamento di cuscinetti, riduttori e sistemi idraulici. Esistono diverse tecniche analitiche che vengono utilizzate di routine per analizzare la qualità e la composizione dei lubrificanti, al fine di rivelare l'eventuale presenza di contaminazione o invecchiamento, fornendo a sua volta una diagnosi delle condizioni della macchina. Storicamente, queste tecniche sono state eseguite offline, ma i recenti progressi nella tecnologia dei sensori rendono ora possibile l'analisi dei lubrificanti in tempo reale. Di seguito sono riportati alcuni esempi di analisi dell'olio tecniche:

• Spettroscopia di emissione atomica
• Spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier
• Titolazione Karl Fischer
• Ferrografia
• Monitoraggio online delle condizioni dell'olio (tecnologia dei sensori)

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Vibrazioni

Come nell'uso quotidiano della parola "vibrazioni", tutte le apparecchiature industriali producono delle vibrazioni. Nel monitoraggio delle condizioni, analisi delle vibrazioni è un processo di raccolta, misurazione e analisi dei modelli di vibrazione di una macchina per individuare eventuali segni di cambiamenti insoliti che possono indicare un guasto potenzialmente in corso. Le misurazioni delle vibrazioni possono essere raccolte tramite un dispositivo portatile o vari tipi di sensori di vibrazione installati direttamente sul bene. Anche in questo caso esistono diverse tecniche analitiche che misurano le diverse caratteristiche delle vibrazioni:

• Monitoraggio degli impulsi di shock
• Misura della curtosi
• Analisi del cepstrum
• Monitoraggio della frequenza discreta

Onde di stress

Alcuni difetti, come crepe, perdite e rotture di fibre, producono onde elastiche (o onde di stress) all'interno del materiale che si sta incrinando, perdendo o rompendo. Questa è la base per analisi delle emissioni acustiche. Le onde acustiche di sollecitazione sono una fonte di dati particolarmente valida per rilevare cricche superficiali e quasi superficiali, nonché la vaiolatura, la delaminazione e la fatica da corrosione nel calcestruzzo, nel metallo e nella fibra di vetro. Come per le altre tecnologie sopra citate, le misurazioni vengono raccolte tramite la tecnologia dei sensori, in genere trasduttori piezoelettrici.

Le tecniche più comuni includono:

• Analisi a ultrasuoni per via aerea
• Analisi degli ultrasuoni a livello strutturale

Temperatura

Macchine in avaria, cavi elettrici corrosi e altre parti possono provocare insolite variazioni di temperatura. Nel monitoraggio delle condizioni, la termografia a infrarossi viene utilizzata per misurare e analizzare le radiazioni (calore) emesse da una macchina o da un'intera area, al fine di determinarne le condizioni. Per la misurazione, i sensori di temperatura vanno dalle semplici termocoppie, che misurano la temperatura in un punto, alle termocamere a infrarossi, che possono catturare la mappa del calore di un'intera area.

Anche in questo caso esistono diverse tecniche, tra cui:

• Termografia comparativa
• Termografia assoluta
• Termografia Lock-in

Segnali elettrici

Esiste un'ampia gamma di metodi di monitoraggio delle condizioni elettriche, che rientrano in due categorie fondamentali: analisi della firma elettrica (ESA), che viene eseguita mentre la macchina funziona normalmente (o "online"), e l'analisi del circuito del motore (MCA), che viene eseguita mentre la macchina è diseccitata ("offline"). Mentre altri tipi di tecniche di monitoraggio delle condizioni analizzano le vibrazioni, i lubrificanti o la temperatura, l'ESA analizza la corrente e la tensione per determinare le condizioni di un'apparecchiatura.

Le tecniche più comuni includono:

• Analisi della firma di corrente del motore
• Analisi della firma di tensione del motore
• Analisi della qualità dell'alimentazione

Cosa considerare quando si sceglie un sistema di monitoraggio delle condizioni

Ognuna delle 5 fonti di dati citate nella sezione precedente fornisce informazioni diverse sulle condizioni di una macchina, il che significa che non esiste la scelta "migliore" in assoluto. In condizioni ideali, i team di manutenzione utilizzerebbero combinazioni di varie tecniche di monitoraggio delle condizioni delle loro macchine critiche per garantire la massima comprensione. In pratica, i vincoli di costo e accessibilità li costringeranno a scegliere. Per trovare la soluzione migliore per ogni macchina e applicazione, è importante considerare i seguenti fattori:

Conoscere le macchine critiche

Come abbiamo già detto, il monitoraggio delle condizioni viene utilizzato per le macchine critiche il cui guasto sarebbe molto costoso in termini di impatto finanziario e di reputazione. Ogni impianto e processo industriale ha un elenco selezionato di "cattivi attori", ovvero di apparecchiature critiche all'interno di sistemi chiave che sono più inclini a rompersi e il cui guasto comporterebbe gravi conseguenze.

Per scegliere il sistema o i sistemi di monitoraggio delle condizioni giusti, è importante conoscere e dare priorità agli asset più critici da monitorare. Un approccio comune è quello di eseguire un analisi della criticitàUn processo utilizzato dai team di manutenzione e affidabilità per assegnare a un asset una classifica di criticità basata sui rischi potenziali che il suo guasto potrebbe avere sulle operazioni. Se la vostra organizzazione ha effettuato un'analisi di questo tipo, usatela per informare la vostra scelta della tecnologia di monitoraggio delle condizioni. (In caso contrario, consultate questo utile articolo su come avviare questo processo.)

Conoscere le modalità di fallimento

Una volta eseguita l'analisi di criticità per determinare gli asset e i componenti più critici all'interno dei sistemi, il passo successivo utile sarebbe quello di eseguire un'analisi di criticità. Analisi dei modi di guasto, degli effetti e delle criticità (FMECA) sulla parte superiore 20% degli asset più critici. Ogni modalità di guasto ha un modello distinto in termini di fonte di dati (vibrazioni, onde di stress, corrente, ecc.), e alcuni di questi modelli sono così pronunciati che un sensore può rilevarli non appena iniziano a svilupparsi, mentre altri potrebbero non raggiungere un livello misurabile fino alla rottura del sistema. Per questo motivo, la determinazione dell'utilità di ciascuna fonte di dati per il monitoraggio delle condizioni dipende da quali modalità di guasto è essenziale monitorare in termini di criticità.

Pensare all'ambiente della macchina

Un altro fattore importante da considerare nella scelta di un sistema di monitoraggio delle condizioni è l'ambiente in cui opera la macchina critica selezionata. Come in tutti i programmi di monitoraggio intelligente, la maggior parte delle volte la raccolta dei dati avviene tramite sensori wireless. Questi sensori di monitoraggio delle condizioni sono apparecchiature delicate, il che significa che devono essere protetti da condizioni ambientali estreme, come temperature molto elevate, sostanze corrosive e così via. Inoltre, può essere difficile montare i sensori direttamente su apparecchiature difficili da raggiungere, come le pompe sommerse per pozzi. Lo stesso vale per le apparecchiature situate in zone ATEX e in altri luoghi soggetti a restrizioni.

Abbinare il caso d'uso alla fonte di dati

Dopo aver selezionato le macchine critiche e le modalità di guasto e aver considerato l'ambiente in cui operano, il passo successivo sarebbe quello di conoscere meglio i vari fornitori della soluzione di monitoraggio delle condizioni selezionata. A questo punto è importante capire come ogni sistema raccoglie e misura i dati, qual è il processo di installazione e se la tecnologia selezionata soddisfa tutti i requisiti di connettività e normativi.

Se state pensando di implementare un programma di manutenzione predittiva e non sapete da dove cominciare, abbiamo scritto una guida che vi guiderà attraverso i passi concreti dall'idea all'implementazione. Inoltre, ci sono diversi fogli di lavoro di supporto per aiutarvi in ogni fase. Date un'occhiata alla guida qui.

Samotics' Sistema di monitoraggio delle condizioni basato su ESA

Come abbiamo detto, esistono 5 principali tecnologie di monitoraggio delle condizioni, classificate in base alle fonti di dati. Una di queste è l'analisi della firma elettrica (ESA), un metodo di monitoraggio elettrico per determinare le condizioni di una macchina. Viene eseguita mentre la macchina è in funzione online, consentendo un monitoraggio in tempo reale dello stato di salute della macchina. Il sistema ESA di Samotics, chiamato SAM4, utilizza trasformatori di corrente e rubinetti di tensione che vengono installati nell'armadio di controllo del motore, dove catturano tutte e tre le fasi della corrente e della tensione ad alta frequenza 24 ore su 24. Ma il sistema va oltre, implementando un sistema avanzato di monitoraggio delle condizioni elettriche della macchina. Ma il sistema va oltre, implementando algoritmi avanzati di apprendimento automatico per analizzare i dati in tempo reale e individuare precocemente i danni che iniziano a svilupparsi. Queste funzionalità forniscono diversi vantaggi unici che non abbiamo ancora discusso:

Monitoraggio remoto delle condizioni

Poiché i sensori SAM4 si installano all'interno dell'armadio di controllo del motore, consentono ai team di manutenzione di acquisire dati affidabili sulle condizioni dell'asset a distanza. Ciò è particolarmente utile quando diventa difficile e poco pratico montare i sensori direttamente su apparecchiature difficili da raggiungere, come pompe sommerse o motori incassati in macchine più grandi. Anche le zone ATEX e altri luoghi con restrizioni rappresentano un problema. Inoltre, l'armadio di controllo del motore è un luogo economico, sicuro e comodo per l'installazione dei sensori, che di solito non richiede più di 30 minuti per macchina.

Tecnologia affidabile di rilevamento dei guasti

È opinione comunemente errata che l'ESA sia in grado di rilevare solo i guasti elettrici. I sistemi basati su ESA sono in grado di rilevare e localizzare i guasti elettrici e meccanici in tutta la catena cinematica. Ad esempio, i guasti meccanici come l'accoppiamento disallineato causano vibrazioni che influenzano il traferro tra lo statore e il rotore del motore, provocando disturbi del campo magnetico e, a loro volta, influenzando la tensione di alimentazione e la corrente di funzionamento. Ad oggi, la tecnologia SAM4 di Samotics rileva oltre 90% di guasti, sia meccanici che elettrici, con un anticipo fino a 5 mesi.

Metriche energetiche e di prestazione in tempo reale

Come abbiamo detto sopra, i sistemi ESA possono tracciare una serie di metriche aggiuntive che aiutano ad aumentare l'efficienza, a ridurre i costi e a diminuire l'impronta ambientale dell'azienda. Tutte queste metriche richiedono informazioni sulla corrente e sulla tensione; non possono essere calcolate da dati vibrazionali, termici, acustici o basati sull'olio. SAM4 ha sviluppato i seguenti strumenti avanzati per fornire informazioni sulle prestazioni e sull'energia. (Non tutti i sistemi ESA sono in grado di fornire questi strumenti, quindi assicuratevi di confrontare le caratteristiche).

Tre delle caratteristiche avanzate di SAM4 in materia di energia e prestazioni:

• un monitor in tempo reale che aiuta a riportare una pompa al punto di massima efficienza, riducendo la cavitazione e aumentando la durata dei cuscinetti e delle tenute. Nel corso del tempo, i dati possono indicare i punti in cui la riprogettazione o la sostituzione della pompa possono determinare un aumento dei costi e dell'efficienza.
• un monitor energetico per monitorare l'efficienza operativa di un impianto. Nel corso del tempo, i dati possono indicare i punti in cui la riprogettazione o la sostituzione possono determinare un aumento dei costi e dell'efficienza. (Per saperne di più il nostro libro bianco sull'industria sostenibile.)
• un monitor della qualità dell'alimentazione per identificare e risolvere problemi sul lato dell'alimentazione, come lo squilibrio di tensione e la distorsione armonica.

Per saperne di più

Se l'analisi della firma elettrica rientra nella vostra selezione di tecnologie di monitoraggio delle condizioni, saremo lieti di illustrarvi la nostra soluzione. Contattateci per prenotare una dimostrazione non vincolante a vostro piacimento.