Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Prvky pro prediktivní údržbu strojů

Společnost ifm electronic se kromě dodávek snímačů zabývá také vývojem a dodávkami přístrojů pro prediktivní údržbu strojů. Pro zákazníky jsou nejzajímavější systémy pro vibrodiagnostiku, jimž je věnována podstatná část článku, avšak do této části nabídky patří též snímače pro kontrolu tlakového vzduchu, pro měření spotřeby vody a sledování kvality hydraulického oleje, jimž je věnován závěr článku. Ve všech případech jde o produkty určené jak pro nové stroje, tak i pro retrofit či dovybavení již existujících technologických zařízení.

 

On-line vibrační diagnostika – efector octavis

Jedním ze zajímavých nástrojů pro monitoring strojů je vibrační diagnostika. Společnost ifm electronic v této oblasti nabízí široký sortiment produktů od jednoduchých snímačů až po vyspělé vyhodnocovací systémy. Veškeré snímače této skupiny jsou zaměřeny na on-line monitoring vibrací, tzn. kontinuální měření vibrací strojů prostřednictvím snímačů (akcelerometrů) trvale instalovaných na stacionárních částech rotačních strojů.
 
V porovnání s minulostí je on-line měření vibrací cenově dostupnější, téměř za ceny pochůzkového měření (tj. měření ručním analyzátorem). Nespornou výhodnou moderní on-line diagnostiky je nepřetržité měření a kontrola technického stavu stroje bez nutnosti lidské obsluhy. Náhlé zhoršení parametrů, které nemusí být pochůzkovou formou kontroly včas zachyceno, je pomocí on-line systému rozpoznáno ihned. Na základě alarmových signálů jsou automaticky provedeny naprogramované úkony, např. odeslána varovná hlášení a spuštěna signalizace, popř. přerušen chod stroje. Okamžitá reakce údržby na signalizované zvýšení vibrací může zabránit vážné havárii.
 
Vibrační diagnostika obecně přispívá k efektivnímu plánování údržby, zvýšení spolehlivosti výrobních zařízení, zamezení nečekaných odstávek ve výrobě, snížení nákladů na údržbu a na skladování náhradních dílů atd.
 
Je využívána zejména v oblasti rotačních strojů (elektromotory, ventilátory, čerpadla, kompresory, vývěvy), u kterých se nejčastěji vyskytují závady jako nevyváženost, mechanické uvolnění, zvětšené vůle, poškozená valivá ložiska, opotřebení a poškození ozubených převodů, kavitace a mechanické a elektrické závady elektromotorů. Včasná detekce závady a její odstranění mají výrazný vliv na životnost ostatních komponent stroje. Typickým příkladem je nevyváženost oběžných kol ventilátorů. Postupné zanášení lopatek způsobuje nerovnoměrné rozložení hmoty – nevyváženost, tím roste namáhání ložisek a zkracuje se jejich životnosti. Nevyváženost ventilátorů bývá častou příčinou totální havárie.
 
Techniku pro on-line vibrační diagnostiku nabízenou společností ifm electronic lze rozdělit do dvou základních kategorií. První kategorie je reprezentována jednoduchými akcelerometry s analogovým a digitálním výstupem, které monitorují celkové vibrace zařízení podle normy ČSN ISO 10816-1 (Vibrace – Hodnocení vibrací strojů na základě měření na nerotujících částech – Část 1: Všeobecné směrnice). Snímače této kategorie jsou vhodné zejména k detekování vibrací dynamického charakteru (nevyváženost, mechanické uvolnění, nesouosost). Druhá kategorie zahrnuje senzory s vyhodnocovací jednotkou VSExxx. Jde o systém umožňující spektrální analýzu a monitoring konkrétních frekvencí. Výhodou je otevřenost systému a široké možnosti integrace vyhodnocovací jednotky přímo do nadřazených řídicích systémů. Jednotka disponuje nástroji pro podrobnou diagnostiku ložisek. Spektrální analýza a monitoring separovaných frekvencí umožňují určit typ závady. Více informací o možnostech vyhodnocovací jednotky VSExxx lze nalézt v [1].
 

Novinky v oblasti vibrační diagnostiky od ifm electronic 

V následujících odstavcích jsou představeny některé novinky z oblasti on-line vibrační diagnostiky nabízené společností ifm electronic. Kompletní přehled techniky pro vibrační diagnostiku je dostupný na www.ifm.com/cz.
 

Nová řada kompaktních snímačů vibrací

Přístroj VNB001 (obr. 1) je prvním členem nové řady kompaktních snímačů vibrací. Snímač měří celkové hodnoty vibrací podle již uvedené ČSN ISO 10816-1. Nabízí několik možností nastavení, např. volbu frekvenčního rozsahu od 2 Hz do 1 kHz nebo od 10 Hz do 1 kHz, měření efektivní (RMS) nebo špičkové hodnoty (peak) rychlosti, libovolné nastavení dvou limitních hodnot, průměrování měřené hodnoty atd. Měřicí rozsah je v závislosti na frekvenci vibrací 0 až 500 mm/s. Charakteristickou vlastností přístroje je jednoduché nastavení pomocí dvou tlačítek bez nutnosti použít parametrizační software. Měřená hodnota a spínací stavy jsou zobrazeny na numerickém displeji přímo na těle snímače. Překročení mezí je signalizováno změnou barvy displeje. Vstupy a výstupy snímače lze nastavit buď na dva spínací výstupy, nebo jeden spínací a jeden analogový výstup. Další možností je využití analogového vstupu ke sledování další provozní hodnoty, např. teploty. Veškeré měřené hodnoty jsou ukládány v intervalu 5 min do vnitřní paměti snímače. Doba záznamu je přibližně tři roky. Při překročení kapacity paměti jsou přepisována data od nejstarších záznamů. Zaznamenané časové průběhy hodnot je možné uložit pomocí kabelu USB a softwaru VNS003. Integrované rozhraní USB může být využito také k napájení snímače. K přístroji lze připojit baterii a použít jej jako přenosné zařízení.
 

Měření vibrací v prostředí s nebezpečím výbuchu

Pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu jsou k dispozici dva typy snímačů. Prvním je jednoduchý snímač VTV12A (obr. 2), který má osvědčení ATEX, skupina II, kategorie 3D/3G. Kapacitní akcelerometr typu MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) měří efektivní hodnotu rychlosti vibrací (true RMS) ve frekvenčním pásmu od 10 Hz do 1 kHz podle normy ČSN ISO 10816-1. Výstupním signálem je proudová smyčka 4 až 20 mA, která odpovídá měřenému rozsahu 0 až 25 mm/s. Snímač má krytí IP67 (při použití mimo prostředí s nebezpečím výbuchu IP69K) a lze jej umístit do prostředí s okolní teplotou –20 až +60 °C. Typickým příkladem použití je např. monitorování nevývahy ventilátorů.
 
Druhou možností je použití piezoakcelerometrů IEPE (Integral Electonic Piezo-Electric) s označením VSP01A a VSP02A. První z uvedených senzorů má osvědčení ATEX, skupina II, 1G/1D, druhý má osvědčení ATEX, skupina I, M1. Obě varianty senzorů řady VSP mají frekvenční rozsah od 2 Hz do 10 kHz, dynamický rozsah 80 gg a lze je využít v prostředí s okolní teplotou –55 až +90 °C. Senzory řady VSP potřebují ke zpracování signálu diagnostickou jednotku VSE002/VSE100, k níž jsou připojeny prostřednictvím Zenerovy bariéry ZB0633. Zenerova bariéra a vyhodnocovací jednotka jsou umístěny v rozváděči mimo zónu s nebezpečím výbuchu. Diagnostické jednotky nově umožňují připojit až čtyři piezoakcelerometry nebo MEMS akcelerometry. Ve spojení s diagnostickou jednotkou VSExxx je možné podrobně monitorovat stav valivých ložisek a specifikovat zdroj zvýšených vibrací (nevývaha, nesouosost, opotřebení ložiska atd.). Senzor VSP01A je vhodný pro použití v chemickém a farmaceutickém průmyslu. Senzor VSP02A je vhodný pro monitoring strojů v důlním průmyslu., citlivost 100 mV/
 
Nové vyhodnocovací jednotky VSE002 a VSE100 Počátkem roku 2014 uvedla společnost ifm electronic na trh novou verzi vyhodnocovacích jednotek VSE002 a VSE100. Tyto jednotky dávají uživateli možnost definovat až 128 monitorovaných frekvencí, výsledky přehledně zobrazovat v podobě stavových grafů a měřit rychlosti, výchylky a zrychlení vibrací. K dispozici je obálková metoda pro diagnostiku valivých ložisek a databáze poruchových frekvencí ložisek. K uvedení do provozu lze využít funkci autoteach a přednastavené funkce – nevývaha, RMS podle ČSN ISO 10816-1, efektivní hodnota zrychlení, diagnostika ložisek apod. Ve vyhodnocovací jednotce VSE100 je navíc integrováno osm konfigurovatelných digitálních vstupů a výstupů určených k přepínání variant měření nebo k signalizaci vybraných alarmů.
 
Významnou novinkou je možnost připojit piezoelektrické akcelerometry IEPE na všechny čtyři senzorové vstupy. Další vylepšení a možnosti nových jednotek VSExxx jsou shrnuty v bodech:
  • nastavitelný monitor špičkové a efektivní hodnoty (peak/RMS) na frekvencích 0, 2, 10 Hz až 1 kHz,
  • kratší doby reakce i pro měřené efektivní hodnoty (RMS) podle normy ČSN ISO 10816-1 pro paralelní diagnostiku nebo vícekanálové měření s několika senzory,
  • vylepšená přesnost a velké rozlišení v širokém měřicím rozsahu,
  • rozšířená vnitřní paměť jednotky pro nastavení intervalu ukládání hodnot od 1 min (dříve 5 min) a zaznamenání až 600 000 hodnot včetně časové značky a aktuální hodnoty otáček.
Vyhodnocovací jednotka komunikuje s nadřazeným systémem prostřednictvím Ethernetu s protokolem TCP/IP. Tuto komunikaci lze využívat k programování, vizualizaci dat a vzdálené správě. Pro nastavení jednotky, monitorování měřených hodnot a zobrazení frekvenčních spekter je určen volně dostupný software VES003. Pro rozsáhlejší úlohy s vizualizací naměřených hodnot je vhodné využít OPC Server VOS00x, jehož cena je odstupňovaná podle počtu připojení. Pomocí OPC Serveru lze číst měřené hodnoty, popř. měnit některé parametry, a zajistit tak integraci do nadřazeného systému vizualizace (obr. 5).
 

Další nabízená technika pro prediktivní údržbu strojů

V nabídce společnosti ifm electronic je, kromě na trhu již dobře zavedené vibrodiagnostiky, také mnoho dalších přístrojů pro preventivní údržbu strojů. Standardními prvky určenými pro tuto moderní disciplínu jsou snímače proudění pro detekci spotřeby nebo úniku tlakového vzduchu a průtoku vody nebo chladicí kapaliny. Méně obvyklými snímači jsou snímače pro měření kvality oleje: snímač vlhkosti LDH100 a snímač přítomnosti pevných částic LDP100.
 

Měření spotřeby tlakového vzduchu

K měření spotřeby tlakového vzduchu jsou určeny snímače proudění efector metris. Velká dynamika měření, přesnost a rychlá odezva umožňují měření úniku vzduchu i běžné měření spotřeby. Snímač měří kromě proudění i teplotu, a obě hodnoty je tedy možné současně vizualizovat, ukládat apod. V rozsáhlých kompresorovnách se uplatní jak na potrubích s velkým průměrem na centrálním zásobování stlačeným vzduchem, kde se vyplatí hlídat spotřebu vzduchu, tak i na podružných větvích, kde hrozí úniky (obr. 6). Snímač je k dispozici pro potrubí od DN15 až po DN200, výstupy mohou být analogové, impulzní pro měření spotřeby nebo digitální. Lze využít i připojení IO-Link.
 

Měření spotřeby vody

Snahy o snížení spotřeby vody předpokládají znalost její aktuální spotřeby. Magneticko-indukční nebo ultrazvukové snímače proudění od ifm electronic lze použít i v okruzích s pitnou vodou. Univerzální spojky a příruby umožňují různé napojení do potrubí. Magneticko-indukční snímače měří nejen průtok kapaliny, ale i její teplotu, a spolehlivě detekují prázdné potrubí. I tento snímač je vybaven rozhraním IO-Link, které díky přenosu digitálních hodnot dovoluje plně využít všechny informace poskytované snímačem.
 

Měření kvality oleje

U oleje je z hlediska prevence třeba hlídat výskyt rozptýlených pevných částic a vlhkost, která znehodnocuje mazací funkci oleje. K měření kvality oleje jsou určeny dva nové snímače ze sortimentu ifm electronic: výskyt částic měří snímač LDP100 (obr. 7) a vlhkost LDH100 (obr. 8).
 
Snímač LDP100 na displeji zobrazuje třídu čistoty oleje v souladu s normou ISO 4406:99 (jako ČSN EN ISO 4406 má název Hydraulické kapaliny – Kapaliny – Metoda kódování úrovně znečištění pevnými částicemi) nebo v souladu s obdobnou americkou normou SAE AS4059E, určenou pro letecký a automobilový průmysl. Snímač je vybaven rozhraním CANOpen, které jej přímo předurčuje ke spolupráci s řídicím systémem pro mobilní techniku ecomat mobile, o němž byla zmínka v článku [2]. Senzor detekuje výskyt pevných částic na základě zeslabení procházejícího světla: změny v intenzitě světla laserového paprsku způsobené částicemi v médiu, které protéká měřicí buňkou, jsou zjišťovány fotodetektorem. Snímač se kalibruje v souladu s normou ISO 11943 Hydraulic fluid power – On-line automatic particle-counting systems for liquids – Methods of calibration and validation. Robustní tlakově lité hliníkové pouzdro umožňuje dimenzování na až 42 MPa, což je také důležitý argument pro použití na mobilních pracovních strojích.
 
Snímač LDH100 využívá kapacitní senzor a výstupem je hodnota v rozsahu 0 až 100 %. Oleje mohou být minerální povahy, syntetické, popř. i živočišného či rostlinného původu. Snímač má výstupy měřených hodnot vlhkosti a teploty standardním analogovým signálem 4 až 20 mA.
 
Oba posledně zmíněné snímače lze použít i pro jiná média, než je tlakový olej, čímž se jim do budoucna otvírají širší možnosti využití. Nicméně použití v průmyslových i mobilních strojích je oblast, kde je prediktivní údržba nejvíce pokročilá.
 

Závěr

Vibrodiagnostika patří v rámci prediktivní údržby a v rámci nabídky společnosti ifm electronic do popředí zájmu. Jednak jde z hlediska pozornosti zákazníků o již etablovanou disciplínu, jednak je v tomto oboru jak u firmy ifm electronic, tak u jejích partnerů již rozvinuto dostatečné know-how. Avšak i další podobory prediktivní údržby mají zajímavou budoucnost. Snímače proudění a průtoku jsou běžné produkty a jde jen o to, použít je v příslušných úlohách. Snímače kvality oleje jsou u ifm electronic naprostými novinkami, ale v různých zemích Evropy a světa již své místo našly a v České republice se jistě prosadí také.

 
Literatura:
[1] ZATLOUKAL, J. – HEISIG, L.: On-line diagnostika obráběcích strojů. Automa, 2013, č. 8, s. 63–65.
[2] BOČEK, P.: Prvky řídicích systémů v podání ifm electronic. Automa, 2014, č. 1, s. 54–56.
 
Ing. Petr Boček, Ing. Jan Zatloukal,
ifm electronic, spol. s r. o.
 
Obr. 1. Kompaktní snímač vibrací VNB001
Obr. 2. Kapacitní akcelerometr VTV12A pro měření vibrací i v prostředí s nebezpečím výbuchu
Obr. 3. Piezoakcelerometr VSP
Obr. 4. Vyhodnocovací jednotky VSE002 a VSE100
Obr. 5. Vizualizace výrazně usnadní správu, vyhodnocení a záznam naměřených hodnot
Obr. 6. Snímač efector metris pro měření spotřeby tlakového vzduchu v kompresorovně
Obr. 7. Snímač výskytu pevných částic v oleji LDP100 instalovaný na hydraulickém agregátu
Obr. 8. Snímač vlhkosti oleje LDH100