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Saiba como criar um caso de negócio para a monitorização do estado das suas bombas submersas.

Monitorização de condições: Guia para as 5 principais tecnologias

Índice

Saiba quando utilizar monitorização do estadoA tecnologia de monitorização de condições é uma das mais eficazes para eliminar o tempo de inatividade não planeado e reduzir o risco, e quais os factores a considerar ao selecionar um sistema de monitorização de condições.

Desde alimentos e água a combustíveis, papel e medicamentos, inúmeras máquinas accionam processos industriais críticos que alimentam as nossas vidas. Estes activos mecânicos estão frequentemente sujeitos a condições adversas, alterações de processos e simples desgaste. Por esse motivo, é importante estar atento ao estado real das máquinas para planear e programar acções de manutenção adequadas antes de estas avariarem. É aqui que várias tecnologias de monitorização do estado das máquinas apoiam as equipas de manutenção na prevenção de períodos de inatividade não planeados, optimizando a programação da manutenção, poupando nos custos de manutenção e aumentando a fiabilidade dos activos.

O que é a monitorização de condições?

Tal como o nome sugere, a monitorização do estado é o nome de uma classe de técnicas que medem um ou mais parâmetros físicos do estado do equipamento - corrente, tensão, lubrificante, temperatura, vibração, ondas de tensão, etc. - para identificar alterações no comportamento de uma máquina que sinalizam uma falha em desenvolvimento.



Estas técnicas são utilizadas para permitir manutenção preditiva (também conhecido como manutenção baseada em condições), em que se tenta estimar o estado atual, ou mesmo futuro, das máquinas para programar intervenções de manutenção atempadas antes da sua falha funcional.

Quando utilizar a monitorização de condições

Atualmente, as equipas de manutenção de todas as indústrias utilizam várias estratégias de manutenção no seu arsenal para garantir o tempo de funcionamento, aumentar a fiabilidade e melhorar a segurança dos funcionários. Algumas das estratégias de manutenção mais conhecidas incluem: reactiva, correctiva, preventiva, baseada no tempo, preditiva e baseada na condição. Algumas delas são formas diferentes de dizer a mesma coisa, e outras são meta-estratégias que agrupam várias outras. Quaisquer que sejam os nomes utilizados, cada estratégia tem o seu lugar - mesmo a de correr para o fracasso. (Considere as lâmpadas, baterias e telhas do teto de uma instalação).

Então, quando é que se deve utilizar a monitorização do estado?

As estratégias baseadas na monitorização do estado são úteis para as máquinas mais críticas, cuja avaria seria muito dispendiosa. Esse custo pode ser financeiro, como a perda de receitas ou de mão de obra, ou pode ser de reputação, como no caso de um derrame de águas residuais. A monitorização baseada no estado fornece um meio de evitar estas perdas.

A par da monitorização do estado, existem outros métodos tradicionais que continuam a ser amplamente utilizados pelas equipas de manutenção e que ajudam a evitar falhas nos activos mais críticos. Um deles é o baseado no tempo, também conhecido como manutenção preventiva, e outro é a redundância de máquinas, aliada a uma sólida gestão de inventário de peças. No entanto, com a ascensão da inteligência artificial (IA) e da Internet das coisas industrial (IIoT), as soluções de monitorização do estado tornaram-se concorrentes sérios. A sua capacidade de recolher dados de monitorização de condições 24 horas por dia e de efetuar análises em tempo real dos dados de saúde dos activos pode, por vezes, proporcionar melhores resultados a um custo muito inferior.

Miniatura da análise da assinatura de corrente do motor

Monitorização de condições e a IIoT

Conforme discutido acima, as tecnologias de monitorização de condições baseadas em IA e na IIoT tornaram-se sérios concorrentes dos métodos de manutenção mais tradicionais quando se trata de evitar falhas catastróficas e dispendiosas nas máquinas mais críticas das fábricas. Abaixo estão várias vantagens trazidas pelo casamento entre a inteligência artificial e a Internet industrial das coisas que diferenciam esses sistemas de monitorização de condições:

Recolha de dados em tempo real

Em vez de depender da recolha manual de dados, em que um engenheiro de manutenção percorre a fábrica para efetuar leituras num intervalo definido (manutenção baseada no tempo), as técnicas comprovadas de monitorização do estado podem agora ser utilizadas para recolher pontos de dados sobre o estado dos activos não apenas uma vez por mês ou de seis em seis semanas, mas milhares de vezes por segundo, durante todo o dia, todos os dias. Estes dados sobre o estado da máquina, tal como é comum em qualquer programa inteligente de monitorização de condições atualmente, são recolhidos através de sensores permanentes (sem fios na maioria dos casos) que captam continuamente sinais de alta frequência.

Análise contínua de dados

Assim que os dados sobre o estado dos activos são captados e armazenados na nuvem ou na periferia, os algoritmos de aprendizagem automática começam a processar esses dados em tempo real para detetar automaticamente as falhas em desenvolvimento e identificar em que ponto da máquina estão a surgir. Estão a trabalhar 24/7/365, processando terabytes de dados sem parar. Para além da análise contínua e rápida, os algoritmos de aprendizagem automática são capazes de detetar pequenas alterações que normalmente passariam despercebidas ao observador humano. Tudo isto significa que os sistemas de monitorização de condições baseados em IA se aproximam consistentemente da perfeição em termos de deteção de falhas em desenvolvimento.

Informações escaláveis

Outra vantagem das tecnologias de monitorização do estado baseadas em IA é que estão constantemente a melhorar as suas previsões com base em novos dados que chegam a cada segundo, e as suas conclusões são sempre baseadas em factos, nunca em intuição. Tudo isto significa que se tornam cada vez melhores no que fazem ao longo do tempo. À medida que as suas bibliotecas de padrões de falha conhecidos (a que chamamos "impressões digitais da falha") aumentam, acabam por aprender a associar esses padrões à sua causa subjacente, permitindo uma manutenção proactiva e não apenas preditiva.

Os benefícios mencionados acima são o que torna os sistemas de monitorização de condições do século XXI tão escaláveis. O software de IA faz todo o trabalho pesado, alertando apenas quando há uma falha iminente real e identificando em que ponto da máquina está a desenvolver-se. Ao utilizar sistemas de monitorização de condições online baseados em IA e na IIoT, as equipas de manutenção recebem informações baseadas em factos e em tempo real sobre o seu equipamento mais crítico, que as podem ajudar a tomar melhores decisões e a obter melhores resultados.

Quais são as vantagens da monitorização baseada no estado?

Como temos vindo a discutir até agora, as estratégias de monitorização baseadas no estado são utilizadas atualmente para máquinas críticas cuja falha seria dispendiosa. O aumento da IA e da IIoT tornou os sistemas modernos de monitorização do estado um sério concorrente das estratégias de manutenção mais tradicionais, como a manutenção baseada no tempo, uma vez que podem fornecer resultados melhores e mais rápidos a um custo mais baixo. Esta visão contínua da monitorização do estado proporciona benefícios importantes às equipas de manutenção e operações, tais como

Evitar tempos de inatividade não planeados

A capacidade de planear o tempo de inatividade num ambiente industrial é muito benéfica porque o verdadeiro custo do tempo de inatividade não planeado devido a uma máquina avariada é muitas vezes subestimado. Seguem-se vários factores de custo que são habitualmente ignorados:

  • perda de produção a um nível de qualidade especificado
  • custos de emergência para substituir o ativo (entrega, instalação, etc.)
  • consoante a gravidade e o tipo de avaria da máquina, outras máquinas podem ser danificadas devido à avaria do equipamento
  • o custo da necessidade de armazenar e gerir um grande número de peças sobresselentes em caso de avaria
  • danos à reputação (como no caso de um derrame de esgotos ou de produtos químicos)

Ao sinalizar com precisão quando uma máquina vai avariar, a monitorização do estado não só permite que as equipas programem inspecções, reparações ou substituições muito antes da falha funcional, como também fornece os meios para evitar estes custos de manutenção desnecessários e devastadores.

Melhorar a segurança dos trabalhadores

Uma avaria inesperada de uma máquina pode representar uma grande ameaça para a segurança dos funcionários, especialmente dos que estão a trabalhar na zona. Ao sinalizar com precisão uma falha iminente, os gestores das instalações podem garantir reparações e substituições atempadas e ajudar a facilitar um ambiente de trabalho seguro.

Reduzir a redundância e a manutenção baseada no tempo

No mundo industrial, existem dois tipos de paragens: as planeadas e as não planeadas. O caso do tempo de inatividade não planeado foi discutido acima. Por outro lado, o tempo de inatividade planeado ocorre quando os funcionários da manutenção efectuam uma manutenção programada recorrente, normalmente num intervalo de tempo fixo. Com a monitorização do estado, os gestores de manutenção podem reduzir ambos os tipos de tempo de inatividade e deixar de fazer a manutenção "por precaução".

Ao monitorizar o estado da máquina, uma equipa de manutenção pode saber qual o equipamento que está em bom estado e qual o que está a falhar, e prestar assistência apenas às máquinas que dela necessitam - o que é essencial quando se trata de abandonar a manutenção baseada no tempo. E ao detetar com precisão uma falha iminente, as equipas de manutenção podem programar reparações muito antes da avaria do ativo, reduzindo não só os eventos de inatividade não planeados, mas também a necessidade de redundância de activos. Isto também permite que as equipas de manutenção optimizem a sua programação de manutenção, colocando os seus principais recursos em equipamentos que realmente precisam de ajuda.

Tecnologias de monitorização de condições

Para detetar com precisão as falhas em desenvolvimento, a monitorização do estado requer uma análise sofisticada de uma fonte fiável de dados ricos em informação. Existem cinco tecnologias principais, categorizadas por fonte de dados: lubrificantes, vibrações, ondas de tensão, temperatura e sinais eléctricos.

Lubrificantes

Os lubrificantes são indispensáveis para o bom funcionamento das chumaceiras, caixas de velocidades e sistemas hidráulicos. Existem várias técnicas analíticas que são utilizadas por rotina para analisar a qualidade e a composição dos lubrificantes para revelar qualquer presença de contaminação ou envelhecimento, fornecendo, por sua vez, um diagnóstico do estado da máquina. Historicamente, estas técnicas têm sido efectuadas offline, mas os recentes avanços na tecnologia de sensores tornam agora possível analisar os lubrificantes em tempo real. Abaixo estão alguns exemplos de análise do óleo técnicas:

  • Espectroscopia de emissão atómica
  • Espectroscopia de infravermelhos com transformada de Fourier
  • Titulação Karl Fischer
  • Ferrografia
  • Monitorização online do estado do óleo (tecnologia de sensores)

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Vibrações

Tal como acontece com a utilização quotidiana da palavra "vibração", todos os equipamentos industriais produzem algumas vibrações. Na monitorização de condições, análise de vibrações é um processo de recolha, medição e análise dos padrões de vibração de uma máquina para detetar quaisquer sinais de alterações invulgares que possam apontar para uma potencial falha em desenvolvimento. As medições de vibração podem ser recolhidas através de um dispositivo portátil ou de vários tipos de sensores de vibração instalados diretamente no bem. Também aqui, existem várias técnicas analíticas que medem diferentes características de vibração:

  • Monitorização do pulso de choque
  • Medição da curtose
  • Análise do cetro
  • Monitorização de frequências discretas

Ondas de tensão

Algumas falhas, tais como fissuras, fugas e rutura de fibras, produzem ondas elásticas (ou ondas de tensão) no interior do material que está a fissurar, a verter ou a partir. Esta é a base para análise de emissões acústicas. As ondas de tensão acústica são uma fonte de dados particularmente boa para detetar fissuras superficiais e próximas da superfície e fissuras por picadas, delaminação e fadiga por corrosão em betão, metal e fibra de vidro. Tal como acontece com as outras tecnologias acima referidas, as medições são recolhidas através da tecnologia de sensores, normalmente transdutores piezoeléctricos.

As técnicas mais comuns incluem:

  • Análise de ultra-sons no ar
  • Análise de ultra-sons estruturais

Temperatura

Máquinas avariadas, cabos eléctricos corroídos e outras peças podem levar a alterações de temperatura invulgares. Na monitorização do estado, a termografia por infravermelhos é utilizada para medir e analisar a radiação (calor) emitida por uma máquina ou por uma área inteira, de modo a determinar o seu estado. Para a medição, os sensores de temperatura variam desde simples termopares que medem a temperatura num local até câmaras de infravermelhos que podem captar o mapa de calor de toda uma área.

Também aqui existem várias técnicas, nomeadamente:

  • Termografia comparativa
  • Termografia absoluta
  • Termografia de bloqueio

Sinais eléctricos

Existe uma série de métodos de monitorização do estado elétrico, que se dividem em duas categorias básicas: a análise da assinatura eléctrica (ESA), que é realizada enquanto a máquina está a funcionar normalmente (ou "online"), e a análise do circuito do motor (MCA), que é realizada enquanto a máquina está sem energia ("offline"). Enquanto outros tipos de técnicas de monitorização do estado analisam as vibrações, os lubrificantes ou a temperatura, a ESA analisa a corrente e a tensão para determinar o estado de um equipamento.

As técnicas mais comuns incluem:

O que deve ser considerado ao escolher um sistema de monitorização de condições

Cada uma das 5 fontes de dados que mencionámos na secção anterior contém informações diferentes sobre o estado de uma máquina, o que significa que não existe a "melhor" escolha. Em condições ideais, as equipas de manutenção utilizariam combinações de várias técnicas de monitorização do estado das suas máquinas críticas para garantir o máximo conhecimento. Na prática, as restrições de custo e acessibilidade forçá-los-ão a escolher. Para encontrar o melhor ajuste para cada máquina e aplicação, é importante considerar os seguintes factores:

Conheça as suas máquinas críticas

Como mencionámos anteriormente, a monitorização do estado é utilizada para máquinas críticas cuja falha seria muito dispendiosa em termos de impacto financeiro e de reputação. Cada fábrica e processo industrial tem uma lista selecionada de "maus actores", ou por outras palavras, equipamento crítico dentro de sistemas chave que são mais propensos a avarias e cuja falha resultaria em consequências graves.

Para escolher o sistema ou sistemas correctos de monitorização do estado, é importante conhecer e dar prioridade aos activos mais críticos para a monitorização baseada no estado. Uma abordagem comum é efetuar uma análise de criticalidadeA análise do estado de conservação é um processo utilizado pelas equipas de manutenção e fiabilidade para atribuir a um ativo uma classificação de criticidade com base nos riscos potenciais que a sua falha pode ter nas operações. Se a sua organização tiver efectuado uma análise deste tipo, utilize-a para informar a sua escolha da tecnologia de monitorização do estado. (Se não, consulte este artigo útil sobre como iniciar este processo.)

Conheça os seus modos de falha

Uma vez efectuada a análise de criticalidade para determinar os activos e componentes mais críticos dos sistemas, o próximo passo útil seria efetuar uma Análise de Modos de Falha, Efeitos e Criticidade (FMECA) no topo 20% dos activos mais críticos. Cada modo de falha tem um padrão distinto em termos de fonte de dados (vibração, ondas de tensão, corrente, etc.), e alguns destes padrões são tão pronunciados que um sensor pode detectá-los assim que começam a desenvolver-se, enquanto outros podem nem sequer atingir um nível mensurável até que o sistema se avarie. É por isso que determinar a utilidade de cada fonte de dados de monitorização de condições depende dos modos de falha que são essenciais para monitorizar em termos de criticidade.

Pensar no ambiente da máquina

Outro fator importante a considerar ao selecionar um sistema de monitorização de condições é o ambiente em que uma máquina crítica selecionada funciona. Tal como acontece com qualquer programa inteligente de monitorização de condições atualmente, a maior parte das vezes a recolha de dados é realizada através de sensores sem fios. Estes sensores de monitorização de condições são peças de equipamento delicadas, o que significa que têm de ser protegidos de extremos ambientais como temperaturas muito elevadas, substâncias corrosivas, etc. Além disso, pode ser difícil montar sensores diretamente em equipamentos de difícil acesso, como bombas submersíveis para furos. O mesmo se aplica ao equipamento localizado em zonas ATEX e noutros locais restritos.

Fazer corresponder o caso de utilização à fonte de dados

Depois de selecionar as máquinas críticas e os modos de falha, bem como de considerar o ambiente em que funcionam, o passo seguinte seria saber mais sobre os vários fornecedores da solução de monitorização de condições selecionada. É aqui que é importante compreender como cada sistema recolhe e mede os dados, como é o processo de instalação e se a tecnologia selecionada cumpre todos os requisitos de conetividade e regulamentares.

Se está a planear implementar um programa de manutenção preditiva e não sabe por onde começar, escrevemos um guia que foi concebido para o orientar através dos passos concretos desde a ideia até à implementação. Além disso, existem várias fichas de trabalho de apoio para o ajudar em cada passo. Não deixe de o consultar aqui.

Exemplo de uma aplicação de monitorização de condições

Uma instalação de armazenamento de óleo de tanque tem várias bombas centrífugas que transferem líquidos a taxas de fluxo pré-determinadas. A equipa determinou que estas bombas são propensas à cavitação, um modo de falha crítico a monitorizar e detetar. Embora a cavitação não resulte imediatamente numa falha funcional da bomba, com o passar do tempo conduzirá ao desgaste dos vedantes e dos rolamentos, a danos por erosão e, possivelmente, a uma rutura súbita do impulsor. Além disso, a cavitação prolongada reduz a vida útil do equipamento de uma bomba e desperdiça energia. Para determinar qual a melhor tecnologia de monitorização do estado, a equipa de manutenção considerou as 5 principais tecnologias. Descobriram que os sensores de vibração, de ondas de tensão e eléctricos são as melhores escolhas, porque todas as 3 fontes de dados podem detetar antecipadamente os padrões de cavitação. Além disso, descobriram que, através das leis de afinidade da bomba, os dados eléctricos também podem ser utilizados para rastrear a pressão e o caudal de uma bomba em tempo real, para identificar adicionalmente o funcionamento da bomba em tempo real em relação ao seu ponto de melhor eficiência (isto pode identificar onde a cavitação está provavelmente a ocorrer em tempo real). Prosseguem com a investigação dos fornecedores seleccionados para determinar se a tecnologia cumpre todos os requisitos regulamentares e de conetividade.

Samotics' Sistema de monitorização de condições baseado no SCE

Como temos vindo a discutir, existem 5 tecnologias principais de monitorização do estado que são categorizadas por fontes de dados. Uma delas é a análise da assinatura eléctrica (ESA), que é um método de monitorização eléctrica para determinar o estado de uma máquina. É realizada enquanto a máquina está a funcionar online, permitindo uma visão em tempo real do estado de saúde da máquina. O sistema ESA da Samotics, denominado SAM4, utiliza transformadores de corrente e derivações de tensão que são instalados no quadro de controlo do motor, onde captam as três fases da corrente e da tensão a uma frequência elevada, 24 horas por dia. Mas o sistema vai mais longe, implementando algoritmos avançados de aprendizagem automática para analisar os dados em tempo real e identificar atempadamente quando os danos começam a desenvolver-se. Estas capacidades, em conjunto, proporcionam várias vantagens únicas que ainda não discutimos até agora:

Monitorização remota do estado

Uma vez que os sensores do SAM4 são instalados dentro da segurança do quadro de controlo do motor, permitem às equipas de manutenção captar dados fiáveis sobre o estado do ativo à distância. Isto é especialmente útil quando se torna difícil e impraticável montar sensores diretamente em equipamentos de difícil acesso, tais como bombas submersas ou motores encapsulados em máquinas maiores. As zonas ATEX e outros locais restritos também representam um problema. Além disso, o armário de controlo do motor é um local barato, seguro e conveniente para a instalação do sensor, que normalmente não demora mais de 30 minutos por máquina.

Tecnologia fiável de deteção de falhas

É um equívoco comum pensar que o SCE apenas se destaca na deteção de falhas eléctricas. Os sistemas baseados no SCE podem detetar e localizar falhas eléctricas e mecânicas em toda a unidade de tração. Por exemplo, falhas mecânicas como o acoplamento desalinhado causam vibrações que influenciam o espaço de ar entre o estator e o rotor do motor, causando perturbações no campo magnético e, por sua vez, afectando a tensão de alimentação e a corrente de funcionamento. Até à data, a tecnologia SAM4 do Samotics detecta mais de 90% de falhas - tanto mecânicas como eléctricas - com uma antecedência de até 5 meses.

Métricas de desempenho e energia em tempo real

Como referimos anteriormente, os sistemas ESA podem monitorizar uma série de métricas adicionais que o ajudam a aumentar a eficiência, reduzir os custos e diminuir a pegada ambiental da sua empresa. Todas estas métricas requerem informação de corrente e tensão; não podem ser calculadas a partir de dados de vibração, térmicos, acústicos ou baseados em óleo. A SAM4 desenvolveu as seguintes ferramentas avançadas para lhe fornecer informações sobre o desempenho e a energia. (Nem todos os sistemas ESA fornecem estas ferramentas, por isso certifique-se de que compara as características).

Três das funcionalidades avançadas de energia e desempenho do SAM4:

  • um monitor de bombas em tempo real para o ajudar a orientar uma bomba para o seu melhor ponto de eficiência, reduzindo a cavitação e aumentando a vida útil dos rolamentos e vedantes. Com o passar do tempo, os dados podem indicar-lhe onde uma nova conceção ou substituição poderia resultar em grandes ganhos de custo e eficiência.
  • um monitor de energia para acompanhar a eficiência operacional de um ativo. Ao longo do tempo, os dados podem indicar-lhe onde a remodelação ou a substituição traria grandes ganhos em termos de custos e eficiência. (Leia mais em o nosso livro branco sobre a indústria sustentável.)
  • um monitor de qualidade de energia para identificar e resolver problemas do lado da alimentação, tais como desequilíbrio de tensão e distorção harmónica.

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