Che cos'è l'analisi della firma elettrica (ESA)?

Nel mondo della manutenzione industriale e dell'affidabilità, essere in anticipo sui guasti delle apparecchiature non è solo un obiettivo, ma una necessità. È qui che un approccio alla manutenzione basata sulle condizioni (nota anche come manutenzione predittiva), supportato da monitoraggio delle condizioni sta trasformando il modo in cui le aziende industriali prevedono e prevengono i guasti delle apparecchiature. Il moderno kit di strumenti per il monitoraggio delle condizioni comprende 5 tecnologie principali: analisi delle vibrazioni, analisi dell'olio, analisi delle emissioni acustichetermografia a infrarossi e l'analisi della firma elettrica (ESA). Mentre molti hanno sentito parlare e utilizzato l'analisi delle vibrazioni e dell'olio per decenni, non molti conoscono l'ESA. Che cos'è l'ESA e che ruolo ha nella manutenzione predittiva?

L'essenza dell'ESA

Mentre altre tecniche di monitoraggio delle condizioni analizzano le vibrazioni, l'olio o la temperatura, l'ESA analizza la tensione e la corrente fornita al motore che aziona la valvola, la pompa o un'altra apparecchiatura per monitorare con precisione lo stato di salute dell'intera macchina. Si basa sul fatto che le piccole variazioni nel funzionamento di una macchina influenzano il campo magnetico del motore collegato, che a sua volta influenza la tensione di alimentazione e la corrente di funzionamento. Utilizzando una serie di tecniche analitiche, l'ESA può fornire un quadro dettagliato di ciò che accade nell'intera catena di trasmissione, dal motore alla trasmissione al carico.

ESA vs. MCA: Cosa li distingue?

Nella sua essenza, l'ESA è una cugina stretta dell'analisi del circuito motore (MCA). Tuttavia, c'è una differenza fondamentale: L'ESA viene eseguita mentre la macchina è in funzione (o "online"), mentre l'MCA viene eseguita mentre la macchina è diseccitata ("offline"). Come è evidente da questa descrizione, solo l'ESA può fornire una visione continua delle condizioni della macchina.

L'evoluzione da MCSA a ESA

Esiste una serie vertiginosa di metodi di analisi elettrica. Probabilmente vi sarete imbattuti in analisi della firma di corrente del motore (MCSA), analisi della firma elettrica (ESA), analisi della qualità dell'energia e altro ancora.

Ma tutto è iniziato con MCSA.

Il passaggio da MCSA a ESA riflette un significativo avanzamento in tecnologie di monitoraggio delle condizioni. L'inizio risale alla metà degli anni '80, quando l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) intraprese un progetto su richiesta della Nuclear Regulatory Commission statunitense [1]. L'obiettivo del progetto era quello di esplorare metodi per monitorare l'invecchiamento e l'usura delle valvole azionate da motori nelle centrali nucleari, segnando l'inizio di quello che oggi conosciamo come MCSA.

MCSA: le basi

L'MCSA è nato dagli sforzi dell'ORNL per sfruttare le informazioni provenienti dalla corrente dei motori, un metodo che offriva il vantaggio di un'acquisizione di dati remota e non intrusiva. Questo primo lavoro ha definito diverse tecniche sotto l'ombrello MCSA in grado di rilevare danni e guasti imminenti nei motori. La capacità di MCSA di diagnosticare i problemi basandosi solo sull'analisi della corrente è stata innovativa e ha creato un precedente per le future innovazioni nel settore.

Passaggio all'ESA

Il successo dell'applicazione MCSA ha gettato le basi per lo sviluppo da parte dell'ORNL di ulteriori strumenti di condizionamento e analisi del segnale. Oltre all'analisi della corrente elettrica, hanno aggiunto il monitoraggio della tensione e della potenza. Ne è nata una potente suite di tecniche, raggruppate sotto il termine di analisi della firma elettrica (ESA). Integrando parametri aggiuntivi come la tensione e la corrente, l'ESA offre una visione più dettagliata e olistica dello stato di salute di una macchina, migliorando le capacità di manutenzione predittiva delle industrie di tutto il mondo.

Questa tecnica ha una lunga storia alle spalle, come avete appena visto. Oggi le aziende di diversi settori industriali, come quello idrico, delle acque reflue, dell'acciaio e del petrolio e del gas, utilizzano l'ESA per ridurre il rischio di guasti alle macchine, migliorare l'affidabilità e l'efficienza, risparmiare energia e ridurre i costi.

I vantaggi dell'ESA

Di seguito sono riportati solo alcuni dei principali vantaggi dell'ESA rispetto ad altre tecniche di monitoraggio delle condizioni, che la rendono uno strumento insostituibile ed essenziale nell'ambito di un kit completo di manutenzione.

Monitoraggio delle condizioni a distanza

L'ESA si differenzia da tutte le altre tecniche di monitoraggio delle condizioni in quanto i sensori elettrici non devono essere vicini alla macchina. Utilizza trasformatori di corrente e rubinetti di tensione installati nell'armadio di controllo del motore, dove catturano tutte e tre le fasi della corrente e della tensione a una frequenza elevata, 24 ore su 24. Ecco il primo grande vantaggio dell'ESA. Non importa se la vostra pompa è immersa in acque reflue o se state facendo scorrere acciaio fuso a 2.000 gradi sui vostri rulli; i sensori ESA sono facili e sicuri da installare e sono protetti dai rischi operativi.

Tecnologia affidabile di rilevamento dei guasti

Come suggerisce il nome, i sistemi ESA eccellono nel rilevare i guasti elettrici non appena iniziano a svilupparsi. Considerando che circa il 30% dei guasti ai motori industriali è dovuto a guasti elettrici, questa è un'ottima notizia e un punto in cui ESA si distingue davvero. I sistemi ESA rilevano i guasti elettrici prima di qualsiasi altra tecnologia di monitoraggio delle condizioni. Tra questi, la rottura delle barre del rotore, le correnti dei cuscinetti, i guasti dello statore e i problemi di qualità dell'alimentazione. Questo perché i cambiamenti elettrici influenzano direttamente il campo magnetico del motore. Misurando la corrente e la tensione, l'analisi della firma elettrica ha accesso diretto al primo segnale che indica l'inizio di un danno.

Tuttavia, è opinione comunemente errata che l'ESA sia in grado di individuare solo i guasti elettrici; può rilevare e localizzare anche i guasti meccanici. 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.

Ulteriori approfondimenti sulle prestazioni degli asset e sull'efficienza energetica

Oltre alle capacità di rilevamento dei guasti, i sistemi basati su ESA sono in grado di tracciare e offrire una serie di informazioni aggiuntive, come la curva delle prestazioni della pompa in tempo reale e le metriche di efficienza energetica. Tutte queste metriche richiedono dati di corrente e tensione, il che le rende uniche per i sistemi ESA.

• Curva delle prestazioni della pompa in tempo reale: Le leggi di affinità della pompa consentono alla tecnologia ESA di trasformare le misure di corrente e tensione in stime accurate di potenza, prevalenza e portata in tempo reale. Ciò consente a questi sistemi di tracciare in tempo reale il funzionamento di una pompa rispetto al suo punto di massima efficienza. Questi dati possono aiutare a riportare la 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 una riprogettazione o una sostituzione possono determinare un maggiore guadagno in termini di costi e di efficienza.
• Approfondimenti sull'efficienza energetica: I sistemi ESA possono utilizzare i dati di corrente e tensione prelevati dal sistema per monitorare l'efficienza effettiva di una macchina da un momento all'altro. È possibile utilizzare queste informazioni per implementare modifiche a breve termine, rapide e a basso costo, come il ridimensionamento della pompa, ma anche per prendere decisioni a lungo termine, come l'aggiornamento della pompa per una classe più efficiente.

È bene notare che, sebbene solo i sistemi ESA dispongano dei dati necessari per calcolare tutti questi approfondimenti extra, essi vanno oltre il monitoraggio del rilevamento dei guasti. Quindi, non tutti i fornitori di ESA forniranno tutte le funzionalità.

L'ESA nel 21° secolo

Con l'evoluzione delle industrie verso operazioni più intelligenti ed efficienti, il ruolo dell'ESA nelle strategie di manutenzione proattiva non è mai stato così critico. Non si tratta più solo di prevenire i tempi di fermo non programmati, ma di sfruttare i dati sulla salute e sulle prestazioni degli asset per prendere decisioni informate e tempestive che migliorino l'affidabilità e le prestazioni degli asset industriali critici. I sistemi ESA del 21° secolo incarnano questo cambiamento, fornendo ulteriori importanti informazioni attraverso le quali i team di manutenzione possono prevedere e agire in modo proattivo per mantenere le loro risorse in funzione in modo più efficiente, più a lungo.

Riferimenti

[1] "Electrical Signature Analysis (ESA) for Condition Monitoring & Condition based Maintenance" dell'Oak Ridge National Laboratory (2001).