Come SAM4 rileva i guasti in fase di sviluppo nelle pompe industriali

SAM4 è un sistema di monitoraggio della salute degli asset basato sull'analisi di tensione e corrente guidata dall'intelligenza artificiale. In questo rapporto spieghiamo come SAM4 rileva i guasti più comuni nelle pompe industriali, utilizzando i risultati effettivi dei dati anonimizzati di SAM4, per aiutare gli ingegneri a valutare il valore di SAM4 per le loro operazioni.

Come funziona SAM4

Il SAM4 esegue operazioni guidate dall'intelligenza artificiale analisi della firma elettrica (ESA). L'ESA 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 esercizio. Utilizzando una serie di tecniche analitiche, l'ESA fornisce un quadro dettagliato di ciò che accade nella catena di trasmissione, dal motore alla trasmissione al carico.

SAM4 utilizza le prime quattro settimane di misurazioni di corrente e tensione per costruire un modello del normale comportamento operativo dell'asset collegato. Quando inizia a svilupparsi un guasto, i segnali di corrente e tensione cambiano. Analizzando questa variazione, SAM4 è in grado di determinare:

• il presenza di una faglia in via di sviluppo.
• lo specifico tipo di guasto.
• quanto tempo avete fino a quando il guasto non provoca un'avaria.

Quando SAM4 rileva un guasto in via di sviluppo, vi avviserà in due modi: attraverso un'analisi a semaforo nel dashboard online e attraverso un'e-mail con i dettagli dei cambiamenti osservati. Questi avvisi consiglieranno anche i passi successivi per risolvere il guasto specifico in questione.

Il sistema di notifica a semaforo di SAM4

SAM4 utilizza un semaforo a quattro colori sul cruscotto del cliente per rappresentare le condizioni attuali dell'asset, con un'analisi dettagliata.

1. Verde significa che l'asset funziona normalmente. Il cliente non viene contattato.

2. Giallo significa che è stata rilevata un'anomalia in fase iniziale. Non è necessaria un'azione immediata. Il cliente viene contattato via e-mail e informato della nuova situazione. Questa notifica verrà ripetuta una volta al mese finché lo stato dell'asset rimane giallo.

3. Arancione significa che l'anomalia ha raggiunto una gravità tale da richiedere un intervento. Il meccanismo di guasto dovrebbe essere individuabile al momento dell'ispezione. Il cliente viene contattato via e-mail e gli viene consigliato di ispezionare l'asset. Questa notifica verrà ripetuta una volta alla settimana finché lo stato dell'asset rimarrà arancione.

4. Rosso significa che l'anomalia ha raggiunto una gravità tale da richiedere un intervento immediato. Il cliente riceve un'e-mail e una telefonata che gli consiglia di intervenire sull'asset il prima possibile. Questa notifica viene ripetuta ogni giorno finché lo stato dell'asset rimane rosso.

Il cruscotto delle prestazioni della pompa di SAM4

Poiché SAM4 misura la corrente e la tensione, può calcolare la prevalenza e la portata istantanea di una pompa utilizzando le leggi di affinità e la curva di riferimento fornita dal cliente. Le metriche calcolate da SAM4 comprendono una curva delle prestazioni della pompa in tempo reale, che mostra il funzionamento effettivo della pompa rispetto al suo punto di massima efficienza (BEP), e una curva di potenza in tempo reale. Queste informazioni informano anche la previsione dei guasti e le analisi energetiche di SAM4.

Cosa può rilevare SAM4

SAM4 è in grado di rilevare guasti elettrici e meccanici in ogni fase del percorso di trasmissione, dall'alimentazione elettrica al carico.

Rete elettrica e VFD

SAM4 è in grado di rilevare e discriminare tra i cambiamenti relativi alla rete elettrica e quelli relativi al variatore di frequenza (se presente).

• Squilibrio di tensione/corrente
• Distorsione armonica di tensione/corrente
• Cadute di tensione* / sovratensione
• Problemi di qualità dell'alimentazione

Poiché SAM4 campiona il flusso di dati a intervalli discreti, non sempre vengono rilevati cali e picchi molto brevi.

Motori a corrente alternata

SAM4 rileva i guasti elettrici e meccanici dei motori CA trifase di qualsiasi tensione.

• Cortocircuiti dello statore tra i due giri
• Allentamento dell'avvolgimento dello statore
• Squilibrio elettrico
• Barre del rotore rotte/allentate
• Eccentricità del rotore
• Disallineamento
• Piede morbido
• Degrado dei cuscinetti
• Squilibrio meccanico

Trasmissione

SAM4 rileva i guasti meccanici che si verificano nel dispositivo di trasmissione di potenza.

• Eccentricità del giunto / squilibrio
• Denti di ingranaggio rotti/incrinati
• Disallineamento degli ingranaggi / eccentricità
• Squilibrio della puleggia
• Usura di cinghie e catene

Carico

SAM4 funziona su un'ampia gamma di applicazioni, tra cui i seguenti tipi di asset comuni:

• Pompe centrifughe e a palette
• Trasportatori
• Ventilatori e soffianti
• Miscelatori e agitatori
• Rotoli

SAM4 funziona anche su molte applicazioni specifiche del settore, come macchine per la piegatura della carta, centrifughe, gru, dispositivi antiscoppio, zangole e così via. (Chiedete pure se non vedete la vostra nell'elenco).

SAM4 è in grado di rilevare i seguenti guasti comuni della macchina:

• Cavitazione
• Danni alla girante
• Squilibrio meccanico
• Disallineamento

(Si noti che questi guasti si riferiscono alla macchina stessa; i guasti di accoppiamento/riduttore/ecc. sono coperti nella sezione Trasmissione, mentre i guasti elettrici sono coperti nella sezione Motori a corrente alternata).
Per molte applicazioni, SAM4 può rilevare ulteriori modalità di guasto di interesse.

Cosa non può fare SAM4

Il SAM4 è progettato per motori trifase in CA sincroni* e asincroni di qualsiasi tensione**. Non può essere utilizzato per sistemi azionati da altri mezzi, tra cui:

• Motori a corrente continua
• Servomotori
• Turbine a vapore

(I VFD vanno bene: l'AM4 funziona molto bene con i segnali modulati ad ampiezza di impulso prodotti dai variatori di frequenza per sintetizzare la corrente alternata).

Per monitorare i componenti al di là del motore, SAM4 deve essere in grado di misurare il loro impatto nei segnali di corrente e tensione. Più un componente si trova in fondo alla catena cinematica, meno informazioni avrà SAM4. Attività come pompe, nastri trasportatori, rulli e ventilatori hanno generalmente trasmissioni relativamente brevi, con un numero limitato di componenti rotanti e sistemi di azionamento semplici.

Attività come compressori, presse e macchine per l'imballaggio hanno in genere trasmissioni relativamente lunghe, con più componenti rotanti e sistemi di azionamento complessi. A volte SAM4 ha bisogno solo di più tempo per analizzare la situazione; a volte non ci sono abbastanza informazioni con cui SAM4 possa lavorare. Saremo lieti di aiutarvi a determinare quanto SAM4 sia adatto ai sistemi specifici e alle modalità di guasto che dovete monitorare.

In generale, i sistemi che utilizzano sensori localizzati in loco (come i sensori di vibrazione, di emissione acustica e di temperatura) possono essere una scelta migliore per i componenti collegati al motore tramite un accoppiamento flessibile che assorbe gli urti e per i componenti che si trovano a molti passi di distanza dal motore.

Particolarmente importante per i motori ad alta tensione: SAM4 non rileva attualmente le scariche parziali.

* Altri sistemi sono migliori per i motori sincroni a due poli, dove le armoniche elettriche si allineano e sovrastano le frequenze di guasto meccanico.

** A condizione che il trasformatore di tensione abbia un'uscita linea-neutro a bassa tensione (< 400 V).

LO SAPEVI?

Incorporando i dettagli di configurazione specifici del settore e del cliente, SAM4 può adattare la diagnosi e le raccomandazioni alla situazione specifica in cui si trova l'asset connesso.

Esempi di sviluppo di guasti nelle pompe industriali

Cavitazione

Sebbene la cavitazione non sia una causa immediata di guasto della pompa, nel tempo danneggia giranti, cuscinetti e guarnizioni. La causa principale del degrado dei componenti può essere identificata in genere da un aumento del rumore di fondo dello spettro di corrente, in particolare intorno alla frequenza di alimentazione. La valutazione in tempo reale del funzionamento della pompa rispetto al suo punto di massima efficienza (BEP) è una metrica di supporto.

Per l'immagine sopra e sotto: analisi del cruscotto SAM4 per una pompa a cavitazione. L'uso di un flusso elevato o di un flusso ridotto dipende dalla posizione dei punti di dati in tempo reale sulla curva di prestazione associata alla pompa.

Esempio 1: Pompa per condensa cavitante

Le variazioni dell'energia spettrale del motore alla frequenza fondamentale del treno (FTF, detta anche frequenza della gabbia del cuscinetto) hanno portato SAM4 a diagnosticare la cavitazione. La Figura 2 mostra l'energia della pompa nel tempo a due punti di funzionamento: a una potenza superiore (nero) e a una potenza inferiore (blu). Le letture elevate nel punto di funzionamento più basso (blu) indicano una possibile cavitazione e/o il degrado dei cuscinetti. I nostri scienziati dei dati hanno quindi esaminato i valori di SAM4 curva della pompa in tempo reale e il rumore di fondo nel dominio della frequenza per confermare la cavitazione.

Figura 3. Energia spettrale alla FTF in due punti di funzionamento. Il grafico registra valori anomali nel punto di funzionamento blu (potenza inferiore) ma non in quello nero (potenza superiore), indicando una possibile cavitazione nel punto di funzionamento blu. Un confronto nel dominio della frequenza ha rivelato un rumore di fondo elevato intorno alla frequenza di alimentazione, anch'esso indicativo di cavitazione. (Nota: i grafici di questo rapporto sono stati resi anonimi. I grafici SAM4 reali includono valori su entrambi gli assi).

Figura 4. Curva di pompaggio in tempo reale di SAM4 per questa pompa, con il punto di migliore efficienza (BEP) alla velocità di 100% contrassegnato dal triangolo verde. La striscia verde indica la finestra di prestazioni accettabili. I punti dei dati quando la pompa funziona a una potenza inferiore cadono molto a sinistra di questa finestra, in un'area notoriamente sensibile alla cavitazione.

Esempio 1: Pompa cavitante per prodotti

Un aumento temporaneo del rumore di fondo ci ha indotto ad avvisare il cliente. SAM4 ha continuato a rilevare periodi intermittenti di aumento dell'energia nel rumore di fondo, in più punti di funzionamento. Il cliente ha ispezionato la pompa e ha scoperto un filtro intasato. Una volta pulito il filtro, la pompa ha smesso di cavitare.

Figura 5. Mappa di calore che mostra le variazioni di energia legate alla cavitazione nella pompa. L'asse orizzontale è la frequenza; l'asse verticale è il tempo, dalla data più vecchia in alto a quella più recente in basso. Il colore indica l'energia, da alta in rosso a bassa in blu. Le aree sfocate rivelano la cavitazione, che all'inizio era intermittente (parte superiore del grafico) e nel tempo è diventata più frequente (parte centrale del grafico). L'ispezione ha rivelato un filtro intasato; una volta pulito, la cavitazione è cessata (parte inferiore del grafico).

Esempio 3: Pompa sommersa cavitante per torri di raffreddamento

SAM4 ha osservato un aumento improvviso dell'energia alla frequenza di rotazione del motore per uno dei punti di funzionamento della pompa. Nei giorni successivi, l'energia ha continuato ad aumentare gradualmente alla frequenza di rotazione. Un'ispezione dell'intero spettro di frequenza ha rivelato che anche il rumore di fondo intorno alla frequenza di alimentazione era aumentato. Abbiamo avvisato il cliente di una probabile cavitazione. In risposta, il cliente ha chiuso leggermente la valvola, arrestando la cavitazione. I livelli di energia sono poi tornati alla normalità. Il cliente ha notato che l'analisi di SAM4 è stata particolarmente utile per questa pompa, la cui posizione permanentemente sott'acqua rende difficile l'ispezione.

Figura 6. Energia spettrale della pompa durante il funzionamento sano (nero) e la cavitazione (blu). Si noti l'aumento del rumore di fondo intorno alla frequenza di alimentazione (il picco maggiore nel grafico).

Figura 7. Dopo che il cliente ha regolato la valvola, il comportamento cavitante non sano della pompa (blu) è tornato al normale comportamento sano (nero).

Esempio 4: palette della pompa danneggiate da una cavitazione prolungata

SAM4 ha osservato un aumento del rumore di fondo nello spettro di corrente e ha avvertito il cliente che la pompa stava cavitando. Il rumore di fondo ha continuato ad aumentare gradualmente. Tre mesi dopo il primo avviso di SAM4, il cliente ha sostituito le palette della pompa, che erano state danneggiate dalla cavitazione.

Figura 8. Energia spettrale della pompa quando il rumore di fondo ha iniziato ad aumentare (blu), due mesi dopo (nero) e tre mesi dopo (verde), poco prima che il cliente sostituisse le palette.

Esempio 5: Tenuta meccanica danneggiata da una cavitazione prolungata

SAM4 ha iniziato a segnalare una cavitazione occasionale cinque mesi prima che un aumento sostenuto del rumore di fondo dello spettro di corrente e un calo della potenza attiva indicassero lo sviluppo di un problema più grave. Il cliente ha ispezionato la pompa e ha scoperto che la sua tenuta meccanica stava iniziando a perdere. La guarnizione è stata sostituita e le prestazioni della pompa sono tornate alla normalità.

Figura 9. L'energia spettrale per la pompa sana (blu) e cinque mesi dopo (nero), quando la guarnizione ha iniziato a perdere.

Figura 10. Mappa di calore che mostra le variazioni di energia legate alla cavitazione nella pompa. L'asse orizzontale è la frequenza; l'asse verticale è il tempo, dalla data più vecchia in alto a quella più recente in basso. Il colore indica l'energia, da alta in rosso a bassa in blu. Le aree cerchiate in rosso sono quelle in cui la pompa era in cavitazione.

Indicatori meccanici (non legati alla cavitazione)

I componenti guasti lasciano tracce distinte nei segnali di corrente e tensione a frequenze correlate alla loro geometria. Ad esempio, i problemi dei cuscinetti a rulli possono essere identificati dalle variazioni di energia alle frequenze di passaggio e rotazione delle sfere e della gabbia, che dipendono in parte dal numero di rulli e dalle loro dimensioni.

Figura 11. I picchi intorno alla frequenza di alimentazione alle frequenze caratteristiche di questo cuscinetto indicano lo sviluppo di un danno al cuscinetto (blu = sano, nero = danneggiato, verde = dopo la sostituzione).

Figura 12. Esempio di analisi del cruscotto SAM4 per due diversi guasti meccanici.

Esempio 6: guasti meccanici multipli

SAM4 ha osservato un aumento dell'energia in corrispondenza di più armoniche della frequenza di rotazione della pompa, nonché un aumento del rumore di fondo. Un mese dopo, il cliente ha riscontrato tre componenti degradati: un giunto a ragno era usurato, le palette erano bloccate e i bulloni di fondazione erano allentati.

Figura 13. Confronto dell'energia spettrale della pompa quando è sana (blu) e non sana (nero). Si noti la natura periodica degli aumenti; questi picchi corrispondono alla frequenza di rotazione della pompa e alle sue armoniche. Si noti anche l'aumento del rumore di fondo in tutto lo spettro.

Esempio 7: disallineamento riduttore-motore su pompa di circolazione

SAM4 ha segnalato un aumento improvviso della frequenza di rotazione dell'asse di uscita del riduttore, indicativo di un disallineamento. Abbiamo informato il cliente e messo la pompa in allerta arancione, per essere monitorata da vicino dal nostro team di data science. Abbiamo aggiornato il cliente settimanalmente, mentre l'energia continuava ad aumentare.

Sette mesi dopo la nostra prima segnalazione, il ciclo di manutenzione preventiva del cliente ha confermato un disallineamento radiale e assiale tra il riduttore e il motore, oltre a blocchi di accoppiamento fortemente degradati. Durante questo controllo preventivo non è stato riscontrato alcun problema su altre pompe, e anche questo concorda con la valutazione di SAM4. Il cliente ha notato che questa precisione sia nei veri positivi (guasti) che nei veri negativi (assenza di guasti) era la prova che SAM4 poteva aiutarlo ad abbandonare le ispezioni basate sul tempo e la sostituzione preventiva delle parti.

Figura 14. Improvviso aumento dell'energia alla frequenza di rotazione dell'asse in uscita (freccia arancione), seguito da 7 mesi di aumento graduale. La freccia verde indica il punto in cui il cliente ha effettuato la manutenzione della pompa. I punti blu a destra della freccia verde indicano il ritorno della pompa al funzionamento normale.

Esempio 8: Bullone mancante sul giunto della pompa

SAM4 ha segnalato un lento aumento dell'energia alla frequenza di rotazione della pompa. Abbiamo informato il cliente e messo la pompa in allerta arancione, per essere monitorata da vicino dal nostro team di data science. Abbiamo aggiornato il cliente settimanalmente, mentre l'energia continuava ad aumentare. Tre settimane dopo il primo allarme, l'energia ha iniziato a salire rapidamente e la pompa è passata all'allarme rosso. Il cliente ha ispezionato la pompa in funzione tre giorni dopo e ha riferito che le misurazioni manuali delle vibrazioni indicavano un lieve disallineamento e uno squilibrio. L'ispezione con lo stroboscopio ha rivelato che il giunto mancava di uno dei bulloni. Il cliente ha programmato la riparazione della pompa alla prossima fermata prevista.

Figura 15. L'aumento di energia nei punti cerchiati corrisponde alla frequenza di rotazione della pompa.

Figura 16. Evoluzione dell'aumento di energia alla frequenza di rotazione della pompa nel tempo. Abbiamo avvisato il cliente in corrispondenza delle linee arancione e rossa; il cliente ha eseguito la manutenzione in corrispondenza della linea verde.

Indicatori elettrici

Lo sviluppo di problemi elettrici influisce istantaneamente sul campo magnetico del motore e lascia tracce distinte nei segnali di corrente e tensione. Ad esempio, una barra del rotore rotta crea un'asimmetria elettrica nel rotore che produce un campo magnetico controrotante, inducendo correnti di statore a multipli del doppio della frequenza di scorrimento intorno alla frequenza di alimentazione.

Figura 17. Un altro indicatore di rottura della barra del rotore: le deformazioni termiche del rotore che ne derivano inducono picchi alla frequenza di rotazione del motore (frecce) modulati intorno alle armoniche della frequenza di alimentazione (linee verticali).

Figura 18. Esempio di analisi del cruscotto SAM4 per due diversi guasti elettrici.

Esempio 9: Barra/e del rotore rotta/e

SAM4 ha rilevato un aumento di energia alla frequenza di rotazione del motore della pompa. Non si è verificato alcun aumento del rumore di fondo intorno alla frequenza di alimentazione, né alcuna diminuzione del carico, escludendo la cavitazione. Ulteriori analisi hanno indicato una probabile rottura delle barre del rotore all'interno del motore, con conseguente deformazione termica del rotore. Il cliente ha lasciato che il motore continuasse a funzionare senza manutenzione per quattro mesi dal nostro primo allarme (punto arancione nella figura 10), durante i quali il modello di degrado si è intensificato.

Figura 19. L'energia spettrale alla frequenza di rotazione del motore, che mostra un aumento chiaro e crescente. Il tempo trascorso dal primo allarme del cliente SAM4 (punto arancione) al lato destro del grafico è di circa quattro mesi.

Figura 20. Ulteriori analisi hanno rivelato picchi di energia a frequenze coerenti con la presenza di barre del rotore rotte. (Motore sano in blu, motore degradato in nero).

Esempio 10: squilibrio di corrente

SAM4 ha rilevato uno squilibrio continuo nelle fasi di corrente per il motore di questa pompa. Ulteriori indagini hanno rivelato che la differenza assoluta rimaneva essenzialmente costante tra i diversi carichi e che altri tre motori dello stesso gruppo elettrico mostravano tendenze simili. Ciò ha suggerito che la causa dello squilibrio potrebbe essere un carico monofase in un altro punto del sistema. Abbiamo informato il cliente di questa e di altre possibili cause (squilibrio di tensione nella rete elettrica, squilibrio della bobina del motore, un percorso di dispersione verso terra). Il cliente ha effettuato un meggering del motore e ha confermato lo squilibrio, ma senza danni. Abbiamo consigliato al cliente di indagare sulle possibili cause per evitare danni futuri dovuti a uno squilibrio a lungo termine.

Figura 21. La seconda fase del motore della pompa (in nero) assorbe una corrente notevolmente superiore alle altre due fasi.

Figura 22. Lo sbilanciamento della corrente aumenta con la diminuzione del carico del motore. (Lo squilibrio è la differenza relativa di corrente assorbita tra le fasi. La differenza assoluta, tracciata sull'asse verticale, è sostanzialmente costante, ma man mano che il carico diminuisce e il motore assorbe meno corrente, rappresenta una percentuale maggiore della corrente assorbita).

Conclusione

Ci auguriamo che questi esempi di rilevamento di guasti SAM4 vi aiutino a valutare se SAM4 può essere un'aggiunta utile alla vostra azienda. monitoraggio delle condizioni toolkit. Se desiderate vedere SAM4 in azione, contattate
per una dimostrazione non vincolante. Saremo inoltre lieti di rispondere a qualsiasi domanda sul valore di SAM4 per la vostra situazione specifica.