Machine Condition Monitoring con LabVIEW

Transcript

1

2 Machine Condition Monitoring con LabVIEW Enrico De Marchi Territory Sales Engineer - National Instruments Italy

3 Condition Monitoring Un elemento chiave nel Predictive Maintenance Tiene sotto controllo i parametri chiave del sistema nel tempo per indicare il momento opportuno di mettere in atto azioni di manutenzione o riparazione L analisi e la correlazione dei dati relativi a parametri diversi del sistema sono gli elementi fondamentali: in pochi casi i guasti sono determinati dall analisi di un singolo parametro Riduce o elimina le ispezioni di routine Richiede un minor numero di ore uomo Evita i guasti inaspettati Genera una lunga lista di benefici Ciascuno ha un valore diverso sulla base di applicazione o ambiente specifici

4 Aumentare la System Availability Salute del Sistema o del Singolo componente Preventative Maintenance Zona operativa accettabile Predictive Maintenance Run to-failure Tempo

5 Perché Condition Monitoring? Aumenta la fiducia del cliente Aumenta la capacità produttiva Riduce gli scarti e l utilizzo di materie prime Aumenta la qualità del prodotto Riduce il tempo di riparazione e la necessità di componenti di ricambio Allunga il ciclo di manutenzione Annulla le interruzioni non programmate Ottimizza le prestazioni della macchina Previene guasti catastrofici Aumento delle entrate Controllo qualità Riduzione dei costi Produzione certa Previene gli infortuni e i danni ambientali Sicurezza

6 REQUISITI DI SISTEMA

7 Cinque classi di macchine Macchine a motore elettrico Macchine alternative Macchine in movimento Macchine Turbo Generatori eolici a turbina

8 Sistema di Condition Monitoring di base* 8 accelerometri 7 misure di temperatura 1 particolato olio Interfaccia SCADA Salvataggio dati Analisi di segnale Analisi *Germanischer Lloyds 2007

9 Componenti di un sistema di misura Sensori Input Signals Acquisizione dati Analisi V Output Signals V Signal Conditioning A/D D/A DIO TIO

10 Componenti di un sistema di misura Sensori Input Signals Acquisizione dati Analisi V Output Signals V Signal Conditioning A/D D/A DIO TIO

11 Accelerometri Misurano Accelerazione Velocità e spostamento (con integrazione nel tempo) I dati sono espressi in g o in m/s 2 1g = 9.81 m/s 2 Accelerometri monoassiali o triassiali Possibilità di calibrazione

12 Sonde di spostamento Image courtesy of Lion Precision Misurano Distanza o spostamento I dati sono espressi in mm Tecnologia del sensore Correnti di Foucault Facilmente interfacciabile in uscita e potenza 0-5 VDC Out, VDC In Compatibile TEDS

13 Contagiri Misurano Posizione e velocità angolare (RPM) Uscita Onda quadra / treno di impulsi (contagiri analogico) Eccitazione Diversa a seconda del tipo di contagiri: laser, keyphasor (sonda di prossimità) Laser tachometer courtesy of PCB Piezotronics

14 Termocoppie Misurano Temperatura Uscita mv Condizionamento del segnale Amplificazione Compensazione giunto freddo Filtraggio (50/60 Hz)

15 Sensori di particolato olio Misurano Quantità di particelle metalliche nel lubrificante Uscita Corrente Tensione Comunicazione seriale

16 Interfaccia SCADA Supervisory Control and Data Acquisition Fornisce informazioni operative e controlla le operazioni del sistema Comunica tramite Profibus Modbus OLE for Process Control (OPC)

17 Caratteristiche dei sensori Accelerometri Eccitazione IEPE Filtraggio Campionamento simultaneo Sonde di posizione Eccitazione Filtraggio Contagiri Termocoppie Amplificazione Compensazione giunto freddo Filtraggio Particolato olio Tensione, corrente o comunicazione seriale SCADA Protocolli di comunicazione

18 Advantages of Dynamic Signal Acquisition (DSA) DSA devices use Delta-Sigma ( /Σ) A/D converters /Σ A/D converters Oversample (more than 100X sample frequency) to achieve high resolution (24-bits) Low noise, low distortion, almost perfect linearity Integrated digital filter for alias protection Digital Filter Low-pass filter with an auto-adjustable cutoff frequency (at all sample rates) Flatter response and more linear phase than analog filters

19 In che modo i Dynamic Signal Analyzers si diversificano dagli altri prodotti di misura NI? D S A >100 db Dynamic Range DSA M-Series S-Series Digitizers 24-bit Resolution Simultaneous Sampling Multi-Chassis Synchronization Anti-Aliasing Filters ICP (IEPE) Excitation AC Coupling Analog Output

20 A/D Resolution 16 bits 24 bits 12 bits

21 Intervallo dinamico Un elevato intervallo dinamico permette di individuare sia le componenti di segnale forti che quelle deboli allo stesso tempo. 16-bit Measurement 90 db

22 Intervallo dinamico Un elevato intervallo dinamico permette di individuare sia le componenti di segnale forti che quelle deboli allo stesso tempo. 24-bit Measurement 90 db Low level vibrations detected 140 db

23 Filtro Anti-Aliasing Rimuove le componenti di frequenza superiori alla frequenza di Nyquist Deve essere applicato prima della digitalizzazione del segnale DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel Mix di filtri analogici e digitali 0 Caratteristiche richieste: Risposta in frequenza flat sulla banda del segnale Buon grado di reiezione degli alias in alta frequenza Alta attenuazione nella banda di transizione -140 Filter Response(dB) 20 Bessel, Fc=15 khz Analog Bessel Filter attenuates signals in band of interest Signal Bandwidth Bessel, Fc=22.5 khz Bessel, Fc=30kHz DSA Digital Filter F Nyquist NI 4472 at ks/sec F Nyquist 150 ks/sec Frequency (Hz)

24 Campionamento simultaneo Dispositivo MIO tradizionale Analog MUX ADC Architettura multiplexata N canali, 1 ADC ERRORE DI FASE ADC Dispositivo DSA ADC ADC Architettura simultanea N canali, N ADC NO ERRORE DI FASE ADC

25 Condizionamento del segnale aggiuntivo Accoppiamento DC e AC Accoppiamento AC = AC Accoppiamento DC = AC+DC IEPE (ICP) = Integrated Electronic Piezoelectric Alimentatore di corrente costante 5 volts 0 volts Accoppiamento DC= AC+DC AC DC Accoppiamento AC = NO DC

26 Prodotti National Instruments DSA Good Better Best Fc massima 51.2 ks/s ks/s ks/s ks/s Intervallo dinamico 102 db 101 db 113 db 118 db Prezzo/Canale ,000 Modello C-Series 9234 USB-443x PXI-449x PXI/PCI-446x Foto PXIe-449x

27 Il nuovo NI 9232 NI canali simultanei NI canali simultanei Connettore a vite Eccitazione 4 ma IEPE BNC Eccitazione 2 ma IEPE 22 V IEPE Compliance Voltage 19 V IEPE Compliance Voltage ±30 V Input ±5 V Input ks/s 51.2 ks/s 0.1 Hz AC Coupling Filter 0.5 Hz AC Couple Filter Sensor Open Short Detection Accelerometri Sonde di prossimità Contagiri None Accelerometri in bassa tensione Microfoni

28 Componenti di un sistema di misura Sensori Input Signals Acquisizione dati Analisi V Output Signals V Signal Conditioning A/D D/A DIO TIO

29 Tre tipi di Condition Monitoring Route Based NI USB NI CompactDAQ Factory Acceptance Test NI PXI Distributed Online NI CompactRIO

30 Route Based Monitoring Datalogger piccoli e portatili Connetività semplice Analisi di base

31 NI USB USB 4432 Industrial Performance ks/s ±40 V Input Eccitazione 2 ma IEPE USB 9234 Low Price Point 51.2 ks/s ±5 V Input Eccitazione2 ma IEPE BNC per una facile connessione BNC per una facile connessione Compatibilità TEDS

32 NI CompactDAQ Punti di forza Alimentato DC Portabile Streaming dati ad alta velocità Sincronizzazione tra i canali e triggering integrato

33 WinTek Noise and Vibration Analyzer Prodotti: Sound and Vibration, LabVIEW, USB-9234 Sfida: Sviluppo di un sistema portatile chiavi in mano basato su un architettura di acquisizione aperta e dotato di un sistema di analisi di segnali sonori e vibrazionali. Soluzione: Utilizzando LabVIEW e USB-9234, Wintek ha creato un sistema di acquisizione e diagnostica portatile da utilizzare in una vasta gamma di soluzioni di analisi di acustica e vibrazioni.

34 Factory Assurance Test Alte prestazioni, alto numero di canali Alta capacità di storage dei dati Alta varietà di misure

35 NI PXI Windows or Real-Time Computer High Channel Count Systems High Performance, Embedded Signal Conditioning Module Based Solution for Custom Systems

36 PXIe-449x 113 db intervallo dinamico, ks/s Banda garantita per 8 o 16 canali DSA 17 slot = 272 canali NI Confidential

37 Aircraft Gearbox Test System Prodotti: Sound and Vibration, LabVIEW, NI PXI Sfida: Sviluppare un sistema di test integrato, configurabile, affidabile per acquisire dati da vari tipi di sensori, come termocoppie, RTD, pressostati, flussimetri, celle di carico, velocità, e vibrazioni, nonché controllare il modello di carico di un cambio aeromobile. Soluzione: Utilizzo di NI LabVIEW, piattaforme PXI, SCXI e NI DAQmx per creare un sistema di test altamente flessibile, scalabile e potente in sole 12 settimane.

38 Distributed Condition Monitoring Dispositivi di acquisizione dati robusti Decision Based Data Logging Intelligenza a bordo macchina Storage a bordo macchina Comunicazione con un server dati centralizzato

39 Distributed Condition Monitoring Telefono Satellite Centro di diagnostica Beneficio per il cliente: Internet Monitoraggio automatico e avvertimento immediato in caso di problema Contromisure consigliate da personale esperto

40 Rilevamento dati tipico Turbina a gas 4 Accelerometer 4 Bearing RTD 1 Gas Generator Speed 1 Power Turbine Speed 1 Fuel Flow 1 Ambient Temperature 1 Compressor Discharge Pressure 1 Compressor Discharge Temperature 1 Exhaust Gas Temperature 1 Power Turbine Exhaust Temperature 1 Power Turbine Exhaust Pressure 1 Air Mass Flow 4 Lube Oil Level Temp, Pressure, Level Compressore 4 Radial Vibration Proximeter Probe 2 Axial Positioner 4 RTD 1 Suction Pressure 1 Discharge Pressure 1 Flow 1 Inlet Temperature 1 Discharge Temperature Cambio 8 Radial Vibration Proximeter Probe 2 Axial Positioner 6 Bearing RTD 1 High Speed Keyphasor 1 Low Speed Keyphasor 1 Gearbox Accelerometer

41 Decision Based Data Logging 8 accelerometri x 51.2 ks/s x 32 bits 1.64 MB/s 1 TB/settimana Riduce la mole di dati registrando solamente dati rilevanti sulla base di: Tempo Parametri misurati Input utente

42 NI CompactRIO Rugged Industrial Form Factor 50 g shock rating Class 1, Dev 2 with ATEX certification FPGA Backplane Advanced control Onboard Signal Processing Filtering Amplification IEPE Real-Time Computer and Storage Autonomous analysis and logging Module Based Solution for Custom Systems Over 50 available modules

43 MCM Application Pattern

44 Architettura crio RT Normal Priority Communication to Host Data management Alarm / limit test Web Server Inter-Thread Communication RT Time Critical Diagnostics Analysis FPGA Interface FPGA Data Acquisition Measurements Machine Control Custom IP

45 Architettura di sistema

46 Architetture di riferimento Deploy rapido Ottimizzazioni del codice built in Modulare ed espandibile

47 Monitoraggio continuo di reattori nucleari Prodotti: Sound and Vibration, LabVIEW, NI CompactRIO Wired Network Wireless Receiver Wireless Repeater WRLSS059-2 Sfida: Sviluppo di una soluzione di monitoraggio online (OLM) per i reattori ad acqua bollente, che contengono macchine in zone pericolose e di difficile accesso. Data Acquisition and Analysis Workstation Wireless Transmitter Wireless Transmitter Soluzione: Utilizzo di un sistema embedded integrato NI CompactRIO per sviluppare l'hardware EWV- 1 e OLM-32 per implementare un monitoraggio wireless in tempo reale degli asset in combinazione con il software di monitoraggio AMS. A T S Accelerometer Temperature Sensor Speed Sensor

48 Componenti di un sistema di misura Sensori Input Signals Acquisizione dati Analisi V Output Signals V Signal Conditioning A/D D/A DIO TIO

49 Requisiti software Dati Scalatura Condizionamento del segnale Level, Octave, Frequency, Swept Sine, Distortion, Order Visualizzazione, Reportistica

50 Sorgenti di vibrazioni Loose Mechanical Mechanical Components Looseness Slot Frequency / EM related Bent Shaft Alignment Gears Unbalance Blade Pass / Fluid Related Sam Shearman National Instruments Motor Mechanical Resonances Couplings Journal (Fluid Film) Bearings Rolling Element Bearings

51 Spettro tipico indice di guasti comuni Velo ocity (ips) unbalance misalignment bearing frequencies gear mesh frequencies Frequency (Hz) Courtesy of

52 Analisi di segnale per vibrazioni

53 Normal Orbit Orbit Plot Just misalignemnt Locked up Coupling Misalignemnt with the lock up Severe Shaft Misalignment Unbalance

54 Data Storage: Autodescrittivo, ad alta velocità, facilmente indirizzabile Test Results Test Notes Fixture Setup Bulk Measurement Data Test Req. Test Spec. DAQ Config.

55 Formato file TDMS Compatibile con Excel, Math Packages, C, ecc.

56 Tecnologia DataFinder Crea automaticamente un indice per i dati di test. Permette una ricerca interattiva per informazioni specifiche dei dati di test. Permette di operare un analisi dei dati automatica o interattiva e generare reportistica.

57 PARTNER NI

58 Steam & Gas Turbine Monitoring System Industria: Energy/Power Prodotti: CompactRIO, LabVIEW, Real-Time Module, FPGA Module Sfida: La crescente domanda di energia elettrica ha portato ad un aumento della domanda di efficienza e disponibilità, realizzabile con un monitoraggio continuo dei parametri relativi alle macchine installate, attraverso sistemi di acquisizione dati in tempo reale a distanza e consentendo la manutenzione predittiva e un veloce recupero in caso di guasto. Soluzione: Sviluppo rapido di un sistema remoto di monitoraggio delle macchine in grado di acquisire e registrare tutti i parametri di turbina a gas/vapore rilevanti.

59 DIAGEN, remote diagnostics system for large electric power generators Industry: Energy/Power Prodotti: CompactRIO, Real-Time Module, FPGA Module, LabVIEW Sfida: Con questa applicazione si vuole fare un hardware integrato e software diagnostico per il monitoraggio remoto di generatori elettrici di alta potenza ( MVA) costruito da Ansaldo Energia SpA (Genova). Soluzione: La soluzione adottata è stata quella di creare un sistema di monitoraggio in tempo reale basato su piattaforma NI CompactRIO può quindi eseguire in sicurezza in una acquisizione dati in tempo reale e un post-trattamento degli stessi efficacemente.

60 Per maggiori informazioni Visita Chiama il numero Scrivi a enrico.de.marchi@ni.com

61