Podstawą do skutecznego utrzymania ruchu w zakładach przemysłowych są obecnie systemy diagnostyki i monitorowania maszyn. Coraz częściej zintegrowane są z innymi systemami informatycznymi, w szczególności z sieciami teleinformatycznymi. W ten sposób stają się elementem spójnej koncepcji Przemysłu 4.0.
Obecnie w zakładach przemysłowych poza pomiarami wykonywanymi urządzeniami przenośnymi prowadzi się też stały monitoring pracy maszyn, urządzeń i całych linii produkcyjnych – online oraz w czasie rzeczywistym. Wykorzystuje się do tego celu technologie związane z Przemysłowym Internetem Rzeczy (Industrial internet of Things – IIoT) oraz przetwarzaniem danych zgromadzonych w chmurze obliczeniowej.
Zasadniczo można wyróżnić systemy służące do monitoringu zabezpieczającego oraz te do monitoringu predykcyjnego. Obecnie coraz częściej spotyka się układy, które łączą w sobie oba te zastosowania. Stały postęp zarówno w zakresie budowy czujników, jak i powiązanej z nimi elektroniki, w tym obniżenie
kosztów związanych z implementacją takich rozwiązań, spowodował, że jest to atrakcyjne również ze względów ekonomicznych.
Równocześnie coraz więcej działań i prac realizowanych w zakładach przemysłowych wspieranych jest przez roboty, sztuczną inteligencję (artificial intelligence – AI) i inne nowoczesne technologie.
Efektywna konserwacja
Wydaje się, że w dzisiejszej rzeczywistości produkcyjnej o wydajności całego zakładu w znacznym stopniu decyduje efektywna konserwacja predykcyjna (predictive maintenance – PdM). W opracowaniu dotyczącym usprawnienia konserwacji dzięki wykorzystaniu i integracji sieci cyfrowych, którego autorami są analitycy Deloitte: Chris Coleman, Satish Damodaran, Mahesh Chandramouli i Ed Deuel, zwrócono uwagę, jak bardzo złe strategie konserwacji (polegające np. na przedwczesnej wymianie części) mogą obniżyć zdolności produkcyjne. Jak podano, zastosowanie niewłaściwych strategii konserwacji może zmniejszyć całkowitą zdolność produkcyjną zakładu od 5% do 20%. Jednakże przy działaniu serwisów w trybie offline trzeba się liczyć z ryzykiem przerw w produkcji w wyniku niespodziewanych awarii. Nieplanowane przestoje mogą kosztować producentów przemysłowych nawet 50 mld dolarów rocznie. Można tego uniknąć dzięki zastosowaniu stałej diagnostyki maszyn i monitorowaniu parametrów ich pracy. Pozwalają one zaplanować okresy przeglądów i remontów maszyn oraz znacznie wydłużyć czas ich eksploatacji.
Analitycy Deloitte zwracają uwagę, że właściwa konserwacja predykcyjna stała się możliwa dzięki inteligentnym, połączonym technologiom, które łączą zasoby cyfrowe i fizyczne. Wysoka dostępność i niskie koszty technologii cyfrowych, w połączeniu z rozwojem cyfrowej sieci dostawczej (DSN), umożliwiły skalowanie PdM.
Warto też wspomnieć o koncepcji edge computing, czyli implementacji na urządzeniach brzegowych sieci (routery, niewielkie serwery automatyki itp.) algorytmów diagnostycznych, co pozwala na stały monitoring i detekcję odstępstw od typowej pracy maszyny przy wykorzystaniu automatycznie wyuczonego profilu jej pracy.
Konkludując, należy stwierdzić, że tylko pełna cyfryzacja procesu produkcyjnego, dzięki rozwiązaniom Przemysłu 4.0, pozwala efektywnie zmniejszać koszty i zwiększać elastyczność produkcji. Opłaca się więc zbudować w zakładzie zintegrowaną warstwę informacji, obejmującą również przetworzone dane zbierane z urządzeń i maszyn.
Nowoczesne metody diagnostyczne
Wśród nowoczesnych metod badań diagnostycznych maszyn można wskazać zwłaszcza analizy wibroakustyczne. Przy każdym praktycznie procesie produkcyjnym występują drgania i towarzyszą im zjawiska akustyczne. Analizując je, można uzyskać informacje o dynamicznych procesach, które zachodzą w urządzeniach i maszynach. Pozwala to wykryć pierwsze objawy pojawienia się uszkodzenia oraz obserwować jego rozwój i określać trendy zmian w czasie. Do oceny wykorzystywane są normy i dane dostarczane przez producentów urządzeń. Stosuje się też ekstrapolację wyników pomiarów, co pozwala przewidzieć, kiedy będzie konieczne zatrzymanie zespołu maszyn.
Mówiąc o diagnostyce maszyn przemysłowych, warto wspomnieć o normach ISO 10816. Na przykład o ISO 10816-1 z 1995 r., dostępnej w wersji polskiej jako PN-ISO 10816-1:1998 – „Drgania mechaniczne. Ocena drgań maszyny na podstawie pomiarów na częściach niewirujących. Wytyczne ogólne”. Określono w niej ogólne warunki i procedury pomiarów oraz oceny drgań niewirujących części maszyn, w tym ogólne kryteria oceny prób w warunkach eksploatacyjnych oraz prób odbiorczych. Zawarte w normie wytyczne opracowano w celu zapewnienia niezawodnej i długotrwałej eksploatacji maszyn.
W marcu 2018 r. norma ta została wycofana, co jednak nie znaczy, że nie warto się z nią zapoznać. Na pewno jeśli chce się skorzystać z zalet metody pomiarów przedstawionych w normach ISO, należy wykonywać je zgodnie z procedurą, umieszczając czujniki w określonych miejscach i kierunkach.
Na polskim rynku dostępne są oferty urządzeń mobilnych i systemów do stałego rejestrowania online drgań i innych parametrów pracy maszyn, takich jak temperatura oraz prędkości obrotowe. Na przykład firma AERZEN, producent dmuchaw i sprężarek śrubowych, w ramach diagnostyki dostarczanych maszyn oferuje pomiar przy użyciu mobilnego urządzenia do rejestrowania drgań, temperatury i prędkości obrotowej oraz pomiar przy użyciu zainstalowanego na stałe systemu ciągłego monitoringu online. Pomiar i ocena drgań w sprężarkach śrubowych i dmuchawach rotacyjnych są wykonywane zgodnie ze standardem VDI 3836 (DIN ISO 10816-1/3).
Oferowany przez firmę system Delta Real Time Monitoring nadzoruje, analizuje oraz porównuje wartości rzeczywiste i zadane drgań, ciśnienia, a także temperatury online w czasie rzeczywistym. Dane są przesyłane przez sieć wewnętrzną intranet do serwera lub przez sieć Internet, Ethernet lub modem GSM na serwer firmy AERZEN. Jeśli zmierzone wartości rzeczywiste przekraczają zdefiniowane wartości zadane, wskazane osoby otrzymują informację za pomocą wiadomości SMS lub e-mail.
Inna firma – AMC VIBRO, producent i dystrybutor systemów monitorowania i diagnostyki stanu maszyn oraz centrum kompetencji z zakresu utrzymania ruchu, jeśli chodzi o wibrodiagnostykę, reprezentuje firmy: IFM, Meggitt, Monitran, North Protection. W ofercie posiada szeroką gamę rozwiązań do wibrodiagnostyki maszyn, począwszy od prostych systemów monitorujących, po rozbudowane systemy diagnostyczne. Oferuje też usługę zdalnego nadzoru diagnostycznego MC Vibro Expertise Care. Do systemu dane przesyłane są z systemów AVM 4000 (są to modułowe, wielokanałowe i autonomiczne systemy pracujące przy maszynie). System ten monitoruje stan oraz zabezpiecza pracę maszyn, a dzięki technologii True Data Validator i weryfikacji danych w czasie rzeczywistym automatycznie wykrywa stan maszyny oraz identyfikuje anomalie we wczesnym stadium rozwoju. Łączność w ramach usługi odbywa się przez bezpieczne połączenie internetowe.
Również firma SKF, producent łożysk, oferuje usługę zdalnego monitorowania stanu (SKF Remote Monitoring Service), która pozwala każdemu klientowi/firmie z dostępem do Internetu na wdrożenie programu prognozowanego utrzymania ruchu. SKF może zarządzać całym programem zdalnego monitorowania lub skonstruować dostosowaną do potrzeb infrastrukturę pod klucz.
Warto też wspomnieć o technologii SKF Insight, czyli zabudowywanych w łożysku lub oprawie czujnikach bezprzewodowych, pracujących niezależnie od zewnętrznego zasilania. SKF Insight monitoruje pracę łożysk w czasie rzeczywistym. Dynamiczne warunki pracy łożyska, takie jak obciążenie, obroty, drgania, nasmarowanie i temperatura, są przesyłane do usługi chmury (SKF Cloud). Użytkownicy mogą bezpośrednio łączyć się z usługami obsługi zdalnej (SKF Remote Diagnostic Services), gdzie dostępne są wyniki i wsparcie w zakresie monitorowania stanu.
Firma GE ma w ofercie system monitorowania Bently Nevada 3500, który zapewnia ciągłe monitorowanie w trybie online. System charakteryzuje się m.in. wytrzymałą konstrukcją zgodną z wymaganiami standardu API 670 i API 618 Kanadyjskiego Instytutu Naftowego (Canadian Petroleum Institute – CSA), Factory Mutual (FM), GOST, ATEX i CE. Jest kompatybilny z wieloma lokalnie lub zdalnie montowanymi wyświetlaczami. Ma opcjonalne certyfikaty DNV i Class NK dla aplikacji morskich oraz moduł bramy komunikacyjnej do łączenia z systemami sterowania i automatyki zakładu, a także certyfikat bezpieczeństwa funkcjonalnego TÜV, który może być dostarczany dla aplikacji wymagających poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) 2, gdy produkt używany jest jako element systemu bezpieczeństwa.
Kolejny przykład to oferta szwedzkiej firmy SPM Instrument. Firma AS Instrument Polska jest jej przedstawicielem na naszym rynku i w ofercie ma np. przyrządy przenośne do monitorowania stanu maszyn, w tym wielofunkcyjne analizatory LEONOVA DIAMOND (3 kanały drgań) i EMERALD (1 kanał) oraz instalowane na stałe systemy monitorowania stanu maszyn CMM (Condition Monitoring Modules); MG4 (Machine Guard); CMS (Continous Monitoring System); Intellinova (jednostki logiczne z bezprzewodową transmisją danych). Oferuje również współpracujące z przyrządami przenośnymi i systemami kontroli ciągłej oprogramowanie komputerowe CONDMASTER-RUBY.
Firma Brüel & Kjær ma w ofercie oprogramowanie dźwiękowe i wibracyjne BK Connect, zorientowane na użytkownika i oparte na konfigurowanych przez niego zadaniach i przepływach pracy. Jest to platforma programowa do wielokanałowego gromadzenia danych (ze sprzętem pomiarowym Pulse LAN-XI), przetwarzania danych, zarządzania danymi i raportowania. Podstawowe moduły programowe BK Connect są przeznaczone do ogólnego zastosowania w inżynierii dźwięku i drgań. Razem zapewniają kompleksowy zestaw narzędzi do pomiarów i przetwarzania danych w czasie rzeczywistym.
To oczywiście tylko kilka przykładów takich rozwiązań i usług dostępnych na rynku.
Nie tylko wibrodiagnostyka
Analizy diagnostyczne obejmują też ultradźwiękowe wykrywanie nieszczelności, którego rezultaty i dane można wykorzystać z większym wyprzedzeniem niż te uzyskiwane w systemach opartych na wibracjach lub podczerwieni. Zastosowanie tego rodzaju technologii pozwala znaleźć awarie uszczelnień próżniowych, a także wycieki powietrza i gazu.
Stan urządzeń można również monitorować przez wczesne wykrywanie tarcia między komponentami, wyładowanie elektryczne koronowe. Główni dostawcy tego typu narzędzi to firmy: Texas Instruments, Cisco i Intel.
Na polskim rynku znane są urządzenia firmy UE Systems – specjalizującej się w dziedzinie rozwoju urządzeń detekcji ultradźwięków powietrznych i strukturalnych. Działa ona już od 1973 r. Firma oferuje bogaty wybór instrumentów Ultraprobe, co daje możliwość dopasowania ich do konkretnych potrzeb. Dostępne są również modele do inspekcji w technologii ultradźwiękowej w obszarach wymagających certyfikatów ATEX.
Z kolei firma SKF ma w ofercie np. urządzenie TKSU 10 – ultradźwiękowy wykrywacz nieszczelności. Wbudowany ekran LED wspomaga użytkownika w regulowaniu czułości, a prezentując mierzony poziom hałasu ultradźwiękowego z wycieku powietrza, umożliwia ujmowanie wycieków ilościowo i na tej podstawie ustalanie priorytetu poszczególnych napraw.
Kolejny rodzaj diagnostyki to czujniki termowizyjne. Nadmierne ciepło jest poważnym zagrożeniem np. dla silników elektrycznych. Termowizja wykorzystuje obrazy w podczerwieni do monitorowania temperatur współpracujących części maszyn. Tak jak w innych rodzajach nowoczesnej analizy diagnostycznej, zmiany w odczytach wykorzystywane są do automatycznego podjęcia odpowiednich działań w celu zapobieżenia awariom komponentów.
Dzięki wykorzystaniu termowizji można monitorować procesy, sprzęt elektromechaniczny, rozdzielnie energii elektrycznej. Wykorzystuje się je w konserwacji prewencyjnej systemów HVAC, budynków, dachów i izolacji. Dostawcy rozwiązań do diagnostyki termowizyjnej to np. firmy Flir, Fluke.
Na rynku dostępne są m.in. kamery termowizyjne Fluke Ti480 i Ti450 z serii PRO. Zostały one zoptymalizowane, tak aby ułatwić technikom, inżynierom i elektrykom szybsze znajdowanie źródłowych przyczyn problemów dzięki wykrywaniu gorących i zimnych punktów oraz różnic pozornych temperatur powierzchni z większą dozą pewności. Zwiększona czułość czujnika wewnętrznego kamery pomaga rejestrować mniejsze różnice temperatur powierzchni, dzięki czemu można łatwiej wizualizować wyniki. Obrazy termograficzne udostępniane są za pomocą oprogramowania SmartView i Fluke Connect, co pozwala na większe możliwości tworzenia kompleksowych, profesjonalnych raportów z inspekcji termograficznych.
Termowizja jest obecnie wykorzystywana również jako element innych urządzeń pomiarowych. W ofercie firmy Flir dostępny jest np. DM285 – uniwersalny multimetr cyfrowy z kamerą termowizyjną True RMS. Dzięki technologii pomiaru wspomaganego podczerwienią (Infrared Guided Measurement) i wbudowanemu czujnikowi termowizyjnemu pozwala on precyzyjnie zlokalizować problem w układach i instalacjach elektrycznych bez bezpośredniego kontaktu. DM285 pomaga również usprawnić inspekcje, łącząc się bezprzewodowo z oprogramowaniem FLIR Tools lub aplikacją do zarządzania przepływem pracy FLIR InSite.
Podsumowanie
Wyposażenie maszyn i urządzeń w wiele czujników monitorujących różne parametry pozwala wcześniej zapobiegać awariom i wynikającym z nich przestojom. Poza samymi czujnikami należy również zwrócić uwagę na potencjał rozwiązań Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT).
Coraz powszechniej wykorzystywane sieci cyfrowe umożliwiają monitorowanie i kontrolowanie procesów oraz analizę sprawności urządzeń. Dane zebrane z połączonych inteligentnych maszyn i urządzeń pozwalają skutecznie przewidywać, kiedy i gdzie mogą wystąpić awarie.
Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
