Machine Conditions Monitoring (MCM)

Sensoristica di misura per applicazioni industriali di machine condition monitoring

Enrico Bello - MeasureIT

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Sommario
Sensori per misure su macchine rotanti/dinamiche
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Parole chiave
Conclusioni

Sommario

- Chi è MeasureIT; - Obiettivi del Machine Conditions Monitoring (MCM); - Componenti del sistema Machine Conditions Monitoring (MCM); - Parametri da monitorare e sensoristica; - Interfacciamento ai sistemi Machine Conditions Monitoring (MCM).

Definizione Machine Conditions Monitoring (MCM) ed obiettivi

Processo di monitoraggio dei parametri descrittivi del funzionamento di una macchina per valutarne gli scostamenti nel dominio del tempo e della frequenza:
- Prodotto: miglioramento della qualità della produzione e standardizzazione;
- Macchina: aumento del ciclo di vita;
- Macchina: prevenzione di guasti critici ed economicamente dannosi;
- Operatore: protezione degli addetti.

Definizione
Sensorizzare: installare una serie di sensori e strumenti che siano in grado di trasformare un fenomeno fisico in altrettante grandezze elettriche prima e digitali poi in modo che possano essere analizzate e condivise.

Vantaggi

sensorizzare = conoscere
- R&D: fornire all'R&D informazioni per affinare la progettazione e migliorare lo sviluppo di nuovi apparati;
- Simulazione: fornire agli ingegneri impegnati in simulazioni dati reali per accelerare e semplificare la risoluzione delle equazioni;
- Produzione: fornire ai tecnici un supporto per migliorare la lavorazione e la realizzazione del macchinario o l'installazione;
- Service: definire le strategie di manutenzione del macchinario per evitare fermi macchina e pianificare gli interventi.

Un nuovo approccio...

sensorizzare = cambiare marcia
- + dati, + metodo: grande mole di dati da analizzare; necessità di creare un metodo;
- Modelli: la quantità di informazioni diventa vero ritorno di investimento quando migliora la strategia di controllo o la manutenzione; è necessario implementare algoritmi o modelli matematici che descrivano la macchina e la vita residua (DigitalTwin);
- ICT: l'azienda deve investire su tutto il comparto ICT, non solo sui sensori. Sistemi di misura sincronizzati/server/infrastrutture di rete/software/database/consulenze;
- Fare rete: entrare a far parte di ATI/consorzi/reti di imprese/compentence centers per sfruttare la piattaforma comune di innovazione.

Metodo!
- Funzionamento Standard: conoscere/valutare/misurare le condizioni operative del funzionamento standard della macchina; anche attraverso campagna di misure con << esperti >>;
- Tolleranze: definire delle fasce di accettabilità nell'intorno delle condizioni standard di ciascun parametro di interesse; il controllo sarà in differenziale;
- Soglie: definire la minima soglia di criticità;
- Scelta: scegliere il sensore insieme a fornitore selezionato;
- Installare: scegliere opportunamente dove montare il sensore e come.

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Machine Condition Monitoring (MCM)

Sensori per misure su macchine rotanti/dinamiche

Vibrazioni, definizione

Accelerometro:
un sensore che misura direttamente la vibrazione di un componente convertendo il suo valore in una grandezza elettrica senza influenzare il componente stesso.

Prevede che la misura sia a contatto.
Se non è possibile bisogna utilizzare altre tecniche

Accelerometri: tipi e tecnologie
1. IEPE x sismica: massima sensitività, minimo rumore, applicazioni strutturali;
2. IEPE x Test and Measurements: applicazioni di R&D ma anche per collaudi fine linea;
3. IEPE Industrial: per applicazioni industriali o di monitoraggio permanente in condizioni gravose;
4. MEMS x Test and Measurements: usati in casi particolari dove gli IEPE non sono utilizzabili (DC response);
5. MEMS Lowcost: applicazioni con tanti sensori ma performance non critiche;
6. IEPE x Shock: applicazioni aerospazio e militari.

Variabili da considerare
1. Ampiezza della vibrazione: 0.5/5/50/500/5000g;
2. Range frequenza: 10Khz/100Khz/1MHz;
3. Risonanza;
4. Risoluzione;
5. Numero di assi: singolo o triassiale?
6. Dimensioni e peso;
7. Range di temperatura: standard (-50 +120°C), HT (da 120 a 350°C), >350°C;
8. Taratura/certificazioni: accredited, traceble, direttiva ATEX;
9. Isolamento elettrico?
10. Tipologia installazione: magnetica/filettata/adesiva/cera.

Acquisire accelerometri con

PLC
1. Sistemi consolidati;
2. Ampia diffusione negli impianti;
3. Tempo ciclo >1ms;
4. Bus industriali;
5. Sicurezza/ridondanza;
6. Money saving;
7. Ridotte performance.

EMBEDDED
1. Sistemi innovativi;
2. Performance di misura;
3. Tempo ciclo <10µs;
4. Ethernet/TSN;
5. Ampia modularità;
6. Budget elevato;
7. Signal conditioning integrato.

Vibrazioni, altri metodi

Microfono: un sensore che misura direttamente la variazione localizzata della pressione dell'aria generata da un componente che vibra in rapporto alla pressione atmosferica.
Il microfono converte la variazione istantanea della pressione ambiente in una grandezza elettrica altrettanto istantanea.
Il vantaggio è che la misura non è a contatto.

Un corpo che vibra oscilla, durante questa oscillazione l'assorbimento della corrente di alimentazione non è costante.
Valutando l'entità istantanea della corrente assorbita potrei analizzare il fenomeno meccanico subito dal componente stesso senza bisogno di installare sensori a contatto.

La misura dello spostamento
Un corpo che vibra oscilla, quindi si sposta alternativamente dalla posizione di equilibrio.
Valutando l'entità di questo spostamento e la frequenza con cui avviene potrei analizzare indirettamente e non a contatto la vibrazione del componente stesso.

La misura della corrente assorbita
Un corpo che vibra oscilla, durante questa oscillazione l'assorbimento della corrente di alimentazione non è costante.
Valutando l'entità istantanea della corrente assorbita potrei analizzare il fenomeno meccanico subito dal componente stesso senza bisogno di installare sensori a contatto.

Sensoristica di misura per applicazioni industriali di machine condition monitoring

Conclusioni

- La mission di MeasureIT è di essere il riferimento per la scelta della catena di misura in applicazioni di Machine Conditions Monitoring (MCM);
- La vibrazione e l'insorgere di fenomeni vibrazionali sono un ottimo indice per conoscere e monitorare istantaneamente lo stato di una macchina o componente in condizioni di esercizio;
- Le tecniche di monitoraggio delle vibrazioni prevedono l'installazione di un'opportuna sensoristica che può essere sia a contatto diretto (accelerometri) che non (microfoni/sensori spostamento): le analisi sui segnali acquisiti si eseguono in differenziale;
- Una soluzione interessante, al momento ancora poco sfruttata per difficoltà legate all'implementazione del modello matematico, si basa sulla corrente assorbita da una macchina.