Strumenti per un analisi predittiva ai fini di una manutenzione efficace.

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1 Tema del convegno: Manutenzione delle macchine Strumenti per un analisi predittiva ai fini di una manutenzione efficace. Relatori: Ing. Alessio Forafò Application Engineer Technical Department Panasonic Electric Works Italia srl Via del Commercio, 3/ BUSSOLENGO (VR) Phone: alessio.forafo@eu.panasonic.com 1

2 1. Ciclo di vita della macchina Il ciclo di vita di una macchina, specialmente nei periodi di crisi come quello che stiamo vivendo, assume un ruolo sempre più importante nei bilanci aziendali. Ecco quindi che concetti come manutenzione, prevenzione guasti, ecc. vanno considerati e analizzati fin dalla progettazione della macchina. 1.1 Guasti L insorgere di un guasto, inteso come l evento di cessazione dell attitudine di un entità a svolgere la specifica funzione richiesta, può portare a ingenti sperperi di denaro che un buon amministratore deve cercare di prevedere e ridurre al minimo possibile. Oltre al danno economico per la sostituzione del componente danneggiato si hanno una serie di costi indiretti quali: - Mancata produzione/erogazione del servizio; - Scarsa qualità del prodotto; - Riduzione dei volumi di produzione; - Ritardo nelle consegne; - Diverse tipologie di guasto possono verificarsi durante il ciclo di vita della macchina che possono essere rappresentate dal seguente grafico: Fig. 1 Andamento del tasso di guasto dei componenti in funzione dell età - Guasti infantili: sono in gran parte dovuti a inadeguatezza delle tecniche di costruzione e di controllo della qualità durante il processo di fabbricazione dei componenti. Solitamente si possono eliminare mediante il processo di rodaggio ; 2

3 - Guasti per usura: si verificano soltanto se l apparato non è sottoposto a perfetta manutenzione. Nota la distribuzione statistica dei guasti per usura è possibile calcolare per via matematica la probabilità di guasto per usura a qualsiasi età del componente. È possibile quindi stabilire i periodi di revisione o di sostituzione preventiva; - Guasti causali: tipo di guasti che nessun rodaggio, per quanto accurato, né alcuna manutenzione possono eliminare. Sono provocati da improvvisi accumuli di sollecitazioni oltre la resistenza massima di progetto del componente. Si verificano ad intervalli casuali in maniera improvvisa del tutto inaspettata. La miglior cosa che si può fare durante il periodo di vita utile è sostituire i componenti appena si guastano ed effettuare una sostituzione preventiva dei componenti poco prima del termie del ciclo di vita degli stessi. Risulta quindi fondamentale prevedere un piano dettagliato di manutenzione preventiva per ridurre al minimo la probabilità di guasto. 1.1 Manutenzione Nel corso degli anni il termine manutenzione ha subito diverse mutazioni e cambiamenti. Tradizionalmente la manutenzione nasce con questi due obiettivi principali: - ripristinare le funzionalità interrotte in seguito all insorgere di guasti; - impedire o limitare l insorgere di guasti e/o l impatto sulle funzionalità del sistema. Attualmente l obiettivo riconosciuto dalla manutenzione è quello di: - massimizzare la vita utile della macchina con il minimo costo globale; ciò si traduce nella riduzione della durata e della frequenza dei guasti. La progettazione di una macchina deve quindi tener conto del tipo di manutenzione cui sarà soggetta; se il manutentore è attrezzato e formato ad operare in maniera predittiva, allora la macchina deve permettere l inserimento della strumentazione per i rilievi, oppure addirittura integrarlo a bordo macchina. In questo contesto si può parlare di Manutenzione su condizione (Condition Based Managment, CBM), che costituisce un alternativa rispetto alla programmazione degli interventi a determinate scadenze temporali, essendo dinamicamente legata alla conoscenza dello stato attuale del sistema. Il risultato atteso è un aumento della disponibilità e della sicurezza del sistema ed una diminuzione dei costi. Infatti, si procede sempre, ma solo quando necessario- con l intervento manutentivo in presenza di 3

4 evidenze di un prossimo guasto critico. Per fare ciò occorre predisporre di diverse tecnologie: - Per il monitoraggio dello stato della macchina e delle condizioni ambientali in cui lavora; - Per l elaborazione dei segnali ricevuti; - Per L Information and Communication Technology (ICT), ossia la remotizzazione dei dati, il tele-controllo e la tele-manutenzione. Oltre alle informazioni sullo stato attuale di un componente e/o sistema, la manutenzione su condizione richiede: - la conoscenza delle modalità di guasto e dei fenomeni di degrado; - il monitoraggio delle condizioni in esercizio; - la tempestiva rilevazione e identificazione delle condizioni di guasto, degrado e preguasto; - la capacità di predire la vita utile residua a partire dai risultati del monitoraggio. 2. Monitoraggio dei fattori critici La manutenzione su condizione necessita di conoscere lo stato attuale in cui la macchina lavora. Occorre quindi analizzare tutti i fattori che possono portare ad un degrado delle prestazioni dei componenti costituenti la macchina per poter intervenire in tempo utile. 2.1 MTTF L MTTF (Mean Time To Failure) è un parametro molto importante per la scelta dei componenti. Esso indica il tempo medio di funzionamento prima che si verifichi un guasto dello stesso. Per tutti i componenti elettromeccanici, idraulici e meccanici soggetti a usura (es. relè ed elettrovalvole) il tasso di guasto aumenta con il numero di cicli lavorati, pertanto la loro affidabilità non viene riferita al tempo per cui hanno lavorato bensì al numero di cicli effettuati. Si parla in questo caso di B10, e viene espresso in numero di manovre dopo il quale si verificano guasti nel 10% dei componenti esaminati durante una prova della durata di esercizio sotto carico specificato. Questi parametri devono essere monitorati per poter informare l utilizzatore/manutentore della necessità di effettuare la sostituzione preventiva del componente prima dell insorgere di un possibile guasto d usura. 4

5 Ecco quindi che scegliere, in fase di progettazione, componenti con un MTTF/B10 elevato, può portare ad un allungamento dei tempi di manutenzione preventiva. 2.2 Condizioni di esercizio Di fondamentale importanza risulta essere il monitoraggio delle condizioni di esercizio della macchina. I parametri forniti dai costruttori dei componenti si riferiscono sempre a test effettuati in determinate condizioni di lavoro (temperatura controllata, umidità, ecc.). Nel caso di apparati elettronici, ad esempio, si considera indicativamente un dimezzamento dell'mttf ad ogni innalzamento di 10 C della temperatura (equazione di Arrhenius). In fase di progettazione della macchina occorre prevedere l installazione di opportuni trasduttori di temperatura (termocoppie, termo-resistenze al platino (PT100 o PT1000), termistori a semiconduttore (NTC e PTC)) per mantenere la temperatura di esercizio ottimale. Questi segnali vengono integrati a bordo del PLC mediante apposite schede e successivamente elaborati con opportune funzioni di regolazione della temperatura (es. PID) che andranno ad intervenire in modo efficace sui sistemi di riscaldamento e/o condizionamento. Fig. 2 Funzione di regolazione della temperatura (PID) a bordo PLC Nel caso di macchine pneumatiche o oleodinamiche è necessario predisporre appositi trasduttori di pressione per evitare che la pressione superi i valori ottimali. È per esempio possibile utilizzare sensori di pressione con uscita analogica da porre in ingresso ad una scheda analogica sul PLC che si occuperà di tenere monitorato il valore delle pressioni in funzione del ciclo di lavoro della macchina. Un aumento o un 5

6 abbassamento anomalo dei valori di pressione potrà essere segnalato con appositi sistemi di allarmistica. Molto importante risulta essere anche l analisi della qualità dell energia elettrica fornita alla macchina. L utilizzo di analizzatori di rete per la misura del tasso di distorsione armonica, per l analisi della simmetria e sbilanciamento delle fasi agevolano l identificazione di sovraccarichi della rete di distribuzione e consentono di poter prevenire eventuali guasti o malfunzionamenti dell impianto elettrico. Con questi sistemi è anche possibile monitorare i consumi istantanei e cumulativi delle potenze in ingresso e in uscita dalla macchina per effettuare tutti i controlli del caso (es. un consumo eccessivo di corrente durante un ciclo produttivo in cui il consumo medio risulta essere mediamente inferiore può essere considerato come possibile presenza di un guasto). Tutti i dati acquisiti e analizzati da questi sistemi possono essere inviati in qualsiasi momento al sistema di elaborazione dei dati utilizzando protocolli di comunicazione standard (es. Modbus RTU), o registrati su file CSV. Opportuni software di calcolo aiutano l operatore ad interpretare i dati acquisiti. Fig. 3 Analisi dei consumi e della qualità dell energia tramite opportuni software L analisi dell andamento delle varie grandezze, sia in tempo reale che lo storico, può essere fatto anche via pagine HTML, visualizzabili da qualsiasi browser installato su PC o dispositivo portatile (smartphone o tablet). 6

7 Fig. 4 Analisi dei consumi e della qualità dell energia via pagine HTML Le vibrazioni meccaniche e il rumore acustico generato rappresentano segnali e informazioni preziose per una manutenzione predittiva. L usura della parti rotanti e striscianti genera variazioni nel regime vibratorio e in quello acustico. La metrologia della vibrazione in qualche caso correlata con la fonometria, permette di individuare la modifica d uno stato. In fase di progettazione occorre quindi prevedere sistemi di misurazione di tali grandezze nei punti in cui rischi di questo genere possono insorgere più frequentemente. Questi sono solo alcune esempi di monitoraggio delle condizioni di lavoro della macchina; a seconda della tipologia di lavorazione e dei componenti costituenti, occorrerà fare un analisi dettagliata dei possibili guasti e inserire gli opportuni sistemi di rilevamento. 7

8 3. Elaborazione dei dati L insieme di informazioni acquisite sullo stato della macchina devono essere elaborate e processate da un sistema di calcolo (solitamente un PLC). Occorre quindi che ogni dispositivo di rilevazione presente in macchina sia collegato al sistema di elaborazione dei dati; per un maggiore scambio di informazioni è possibile utilizzare sensori connessi in rete tramite bus seriale o Ethernet (es. EtherCAT, DeviceNet, CCLink, RS-485). Tramite questi moduli di comunicazione è possibile remotare la lettura del sensore, modificare a distanza i parametri di funzionamento (un sensore guasto può essere sostituito semplicemente dall operatore in campo e la programmazione dello stesso essere effettuata a distanza dal manutentore) e disporre di una diagnostica avanzata del sensore (errori di funzionamento) lato sistema di elaborazione dei dati. Per avere il quadro completo sullo stato della macchina il sistema di elaborazione deve monitorare costantemente il numero di cicli effettuati dalla macchina e le ore di lavoro. Queste informazioni sono indispensabili per poter effettuare una manutenzione preventiva dei componenti in base ai loro valori di MTTF e/o B10. Lato PLC è quindi possibile monitorare per ogni ingresso/uscita (selezionabili e configurabili tramite software di programmazione) il numero di transizioni effettuate e il tempo di permanenza in un determinato stato. Fig. 5 Funzioni per il controllo dello stato degli ingressi/uscite a bordo PLC Tutte queste informazioni saranno confrontate costantemente con i dati di targa di ogni componente/attuatore per poter fornire in modo tempestivo lo stato e la necessità di eventuali sostituzioni per raggiungimento del periodo di vita utile. 8

9 L utilizzatore della macchina potrà essere sempre aggiornato sullo stato della macchina mediante appositi schermi e/o pannelli operatore. L insorgere di eventuali guasti o la necessità di manutenzione preventiva potranno essere segnalati con appositi banner luminosi direttamente sui pannelli operatori presenti in macchina e/o inviati agli interessati mediante SMS o . La segnalazione dovrà essere dettagliata specificando la posizione e la tipologia di componente danneggiato per agevolare l operatore/manutentore nell individuazione e riparazione del guasto nel minor tempo possibile, onde evitare il protrarsi del fermo macchina. Il sistema di segnalazione potrà quindi inviare delle o degli SMS agli operatori di turno specificando nel testo la tipologia di guasto o il componete che richiede una sostituzione preventiva e, laddove possibile, le modalità di intervento. Nel caso di sarà anche possibile allegare dei file CSV o di testo con i quali analizzare l andamento della macchina poco prima del guasto. Fig. 6 Configurazione del sistema di invio /sms Opportuni sistemi di memorizzazione consentiranno di registrare tutte le operazioni eseguite dalla macchina e le eventuali anomalie di funzionamento riscontrate (funzionamento in condizioni critiche, violazioni del sistema, ecc.). 9

10 Fig. 7 Logging delle operazioni effettuate dal/sul PLC Queste informazioni potranno facilitare il manutentore nell individuazione della causa di un malfunzionamento o guasto della macchina. 4. Information and Communications Technology (ICT) La crescente e costante evoluzione dell Information and Communications Technology (ICT) consente di delocalizzare la manutenzione e la gestione della macchina. Le piccole macchine che non dispongono di un sistema di elaborazione a bordo possono inviare i dati acquisiti ad un sistema di calcolo centralizzato che si occuperà di tutto. Sarà inoltre possibile inviare ad intervalli regolari, o su evento (ad esempio in caso di allarme), i dati di processo, acquisiti e salvati a bordo macchina, a dei server remoti via FTP o via e- mail, oppure utilizzare sistemi di invio dati sul cloud (HTTP POST e GET). Fig. 8 Salvataggio e invio dei dati di lavorazione ad un Server FTP 10

11 Fig. 9 Scambio dati sul cloud (HTTP POST e GET) Grazie a queste nuove tecnologie anche il concetto di manutenzione subisce una sostanziale revisione. Il manutentore può fornire assistenza all operatore da remoto con conseguente possibilità di riduzione dei canoni di assistenza. Tramite opportune pagine web è possibile monitorare lo stato dell impianto da qualsiasi posizione ed intervenire nel caso di guasti risolvibili senza l intervento di persona. La creazione di pagine web diventa semplice e intuitiva anche per coloro che hanno poca familiarità con la programmazione HTML, PHP, Javascript o Java, grazie all utilizzo di editor dedicati. Fig. 10 Pagine web per la visualizzazione dello stato della macchina da remoto L utilizzo di connessioni VPN e di server remoti dislocati sul cloud consentono di eseguire le operazioni di tele-manutenzione in totale sicurezza e senza doversi preoccupare della tipologia del servizio internet fornito dal gestore di connettività internet utilizzato dalla macchina (indirizzi IP pubblici, statici, ecc.). E quindi solamente necessario fornire un punto di accesso della macchina ad internet, che esso sia via cavo (es. ADSL, rete LAN aziendale), o senza fili (es. WI-FI, GPRS, 3G, ecc.) non importa, e 11

12 avremo che sarà possibile manuntenere e visualizzare lo stato della macchina da qualsiasi postazione remota. La macchina dovrà essere collegata in rete tramite opportuni router industriali che supportano lo standard VPN (es. OpenVPN), mentre lato Client sarà sufficiente usare un PC con connessione internet sul quale sarà installato il tool per la connessione VPN. Fig. 11 Connessione macchina in rete VPN per la manutenzione remota in sicurezza Qualora vi fossero dei problemi durante il trasferimento del progetto della macchina, il PLC offre la possibilità di ripristinare il programma originale di cui viene fatta una copia nella memoria di backup (ROM secondaria o SD Card). In questo modo non si rischia di avere dei fermi macchina a causa di problemi della rete. Fig. 12 Ripristino programma di backup sul PLC 12

13 5. Manutenzione vs. Sostituzione L introduzione della manutenzione predittiva porta sicuramente a dei miglioramenti nell affidabilità della macchina, ma d altro canto comporta un rincaro non indifferente del costo della macchina che deve essere valutato caso per caso. Possiamo classificare le macchine in due macro categorie: - Macchine non critiche: sono quelle caratterizzate da semplicità costruttiva, da facilità di manutenzione o marginalità di utilizzo nel contesto produttivo, per le quali può essere sufficiente o conveniente adottare una politica di attesa del guasto (manutenzione correttiva). In tal caso la loro eventuale messa fuori servizio non implica problemi al processo produttivo, né alla qualità del prodotto; - Macchine critiche: sono quelle sulle quali è necessario concentrare gli sforzi per minimizzare guasti o fermate non previsti, perché incidono direttamente e drasticamente su quantità e qualità del processo produttivo. Per esse è necessario adottare tecniche preventive e, quando possibile, predittive. Un altro fattore importante che aiuta nella scelta di adottare una manutenzione predittiva o meno è l invecchiamento tecnologico. Caso per caso va valutato se al termine del periodo di vita utile della macchina vale la pena di sostituire i componenti usurati o se è meglio sostituire l intera macchina con una più performante e che consente di ottenere risultati migliori con tempi e costi inferiori. Il confine tra manutenzione e sostituzione è quindi molto labile e deve essere valutato caso per caso in base alla tipologia di macchina e al suo utilizzo nel contesto produttivo. 6. Conclusioni Qualora si decida di adottare una manutenzione predittiva è quindi necessario introdurre sulla macchina, se possibile già in fase di progettazione, le tecnologie analizzate. E quindi opportuno prevedere dei sistemi di acquisizione dello stato di funzionamento della macchina e delle condizioni di lavoro in cui opera, che consentano di scambiare i dati con il PLC tramite bus standard, meglio ancora se si utilizzano dei moduli che permettono di monitorare, diagnosticare e configurare questi dispositivi da remoto. Il sistema di elaborazione dei dati (PLC) deve essere in grado di analizzare le ore di lavoro e il numero di cicli effettuati da ogni attuatore e componente elettromeccanico; tutte le operazioni e i dati di funzionamento devono essere salvati su apposite aree di memoria consultabili in qualsiasi momento dagli operatori/manutentori; in caso di guasto o al bisogno di 13

14 manutenzione/sostituzione di un componente, occorre avvisare gli interessati tramite opportuni sistemi di visualizzazione a bordo macchina o tramite l invio di SMS o . La macchina dovrà inoltre essere connessa al web per poter visualizzare in qualsiasi momento lo stato di funzionamento via pagine html e per poter eseguire alcune operazioni di manutenzione da remoto (tele-manutenzione e telecontrollo). La connessione potrà essere eseguita con opportune connessioni VPN che garantiscono la sicurezza dei dati scambiati e possono funzionare con qualsiasi provider del servizio internet. L introduzione di tutte queste tecnologie comporta sicuramente un incremento del costo complessivo della macchina, ma in caso di macchine critiche, in cui un guasto può generare ingenti perdite di denaro, può rilevarsi essere una scelta irrinunciabile. 14