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Opciones para el diseño de sistemas de monitorizado en continuo por vibraciones. Casos prácticos
Francisco Ballesteros
Reliability Solutions Sales Leader Iberia
Emerson Automation Solutions
En este artículo se va a realizar un recorrido por la instrumentación y sistemas desarrollados para la monitorización de maquinaria. Se analizan todas las opciones que ofrece el mercado desde un punto de vista actual y se comentan pros y contras. Además, se justificará la idoneidad de cada solución para contribuir a la digitalización de la monitorización de los activos, lo cual aporta indicadores de la salud de los activos críticos para optimizar su mantenimiento.
SISTEMAS DE PROTECCIÓN, SUPERVISIÓN Y DIAGNÓSTICO PREDICTIVO
Los sistemas de medida de vibración en continuo permiten, desde alertar o accionar el disparo de la máquina una vez alcanzado un nivel de vibración prefijado, hasta recoger y almacenar todos los datos necesarios para facilitar el diagnóstico predictivo. Los sistemas de monitorización en continuo pueden clasificarse según sus funciones de la siguiente manera:
- Sistemas de protección. Son dispositivos que actúan por nivel de vibración para accionar el disparo de la máquina antes de que llegue a niveles peligrosos. En este grupo podemos incluir desde los interruptores mecánicos por vibración (vibroswitches) hasta los monitores API670 que se instalan habitualmente en máquinas con cojinetes lisos (principalmente turbomaquinaria y compresores alternativos). Para contar con la función de protección es conveniente que el sistema pueda accionar relés de forma independiente que indiquen el momento en el cual se ha superado el nivel de vibración inaceptable y se actúe automáticamente para detener la máquina.
- Sistemas de supervisión. La supervisión de la maquinaria se realiza mediante el registro de las medidas de vibración y su seguimiento a partir de gráficas de tendencia. Los monitores de vibración suelen estar provistos de salidas analógicas o digitales que comunican los datos medidos a los sistemas de control distribuido (DCS), SCADAs, Plant Information Systems (PI) o Data Lakes. Aparentemente, la manera más económica de realizar la supervisión de la maquinaria en continuo es mediante la instalación de transmisores de vibración, que cuentan con una o dos salidas analógicas por cada canal de vibración, normalmente en 4-20 mA ó 0-10 V, aunque actualmente existen soluciones wireless que reducen en gran medida los costes de su despliegue.
- Sistemas de diagnóstico predictivo. Los sistemas de diagnóstico predictivo por medida de vibración en continuo diseñados para el mantenimiento predictivo de maquinaria rotativa crítica recogen y almacenan datos dinámicos de vibración y otros parámetros. Estos sistemas miden y registran tanto el valor global de la vibración, como los parámetros de seguimiento y gráficas de diagnóstico tales como espectros, ondas, PeakVue, demodulación, etc. Es realmente interesante en estos sistemas su capacidad para organizar los datos medidos de manera que el analista predictivo disponga de toda la información para comparar datos históricos o datos de máquinas similares de una manera práctica y efectiva.
- Sistemas de diagnóstico de turbomaquinaria. El análisis de turbomáquinas requiere equipos de medida de vibración con canales paralelos y con una elevada velocidad de registro de datos. Además, estos sistemas disponen de potentes herramientas gráficas de análisis para facilitar los diagnósticos.
Fig. 1 Los sistemas de monitorizado de maquinaria cuentan con funciones de protección, supervisión y diagnóstico predictivo.
LA CLAVE DE LA MONITORIZACIÓN: LA CURVA P-F (RCM)
El objetivo principal de la monitorización automatizada debe ser determinar temporalmente con precisión el punto donde se detecta el desarrollo de un fallo potencial. Según la terminología del RCM (Reliability Centered Maintenance), nos referimos a la ubicación del punto P en la curva P-F.
El punto F también se puede determinar, sobre todo al analizar los parámetros de proceso que mostrarán una evolución hacia condiciones de operación fuera de los límites establecidos.
Fig. 2 La curva P-F nos ayuda a determinar el momento óptimo para intervenir una máquina.
La estrategia reactiva consiste en programar la reparación tras el punto F, es decir, cuando Producción ya no puede operar correctamente porque la maquinaria no le responde según lo esperado.
La estrategia preventiva propone programar las reparaciones de forma periódica a intervalos fijos. Así se realiza un sobremantenimiento y se aumentan los riesgos por rearranques tras reparaciones innecesarias.
El punto óptimo para programar la intervención de una reparación se encuentra obviamente tras el punto P y antes de llegar al punto F, esto es lo que defiende la estrategia predictiva en el mantenimiento.
LA TRANSFORMACIÓN DIGITAL EN LA MONITORIZACIÓN DE ACTIVOS
En la era de la digitalización se están produciendo cambios tecnológicos y de gestión que tendrán como consecuencia un cambio de paradigma. Se está automatizando la toma de datos y se pretende aprovechar mejor a los analistas para que se concentren en elaborar informes de diagnóstico predictivo que aporten mayor certeza y detalle. Los analistas predictivos están pasando de realizar rutas de inspección a realizar rutas por excepción, puesto que es rentable la automatización de las mediciones en las máquinas.
Fig. 3 Cambio de paradigma en la monitorización de maquinaria a consecuencia de la transformación digital
TECNOLOGÍAS DISPONIBLES EN EL MERCADO PARA LA MONITORIZACIÓN DE MAQUINARIA
Los sistemas de medida de vibraciones para monitorización de maquinaria que ofrece el mercado clasificados por tipo y funcionalidad son los siguientes:
1. Interruptores por vibración o vibroswitches:
- Mecánicos. Cuentan con un relé que actúa cuando se alcanza el nivel de vibración prefijado. Disponen de un botón de reset que se puede accionar localmente. Su mecanismo es completamente mecánico. Existen modelos aptos para áreas clasificadas como potencialmente explosivas.
- Electrónicos. La funcionalidad es la misma que los anteriores, pero disponen de funciones adicionales opcionales como dos puntos de disparo de relés (alarma y paro), display indicador del nivel de vibración, salida de la vibración dinámica o salida DC del valor global de la vibración.
2. Transmisores de vibración:
- De salida directa. Se trata de sensores de vibración con salida del nivel de vibración en una señal DC. Normalmente el valor de la vibración se comunica en intensidad (4-20 mA). Estos transmisores son la forma más sencilla de incluir la supervisión de la maquinaria crítica por vibraciones en el sistema de control distribuido de planta (DCS), SCADA u otros sistemas de supervisión.
- En módulos de carril DIN. La función de estos transmisores es la misma que los transmisores de salida directa pero están diseñados en forma de módulos para montar en carril DIN. Opcionalmente estos transmisores ofrecen salida doble DC de vibración (ISO) y estado de rodamientos (PeakVue) u otro parámetro de alta frecuencia. Además, disponen de salida AC para su conexión con un analizador de vibraciones.
- Wireless. Los transmisores de vibración wireless comunican los valores de vibración (ISO) y opcionalmente parámetros de alta frecuencia para monitorizar el estado de rodamientos como el PeakVue. Existe multitud de formas de comunicación por radio para estos sensores wireless, pero los que ofrecen mejores resultados son los protocolos industriales como WirelessHART e ISA100.
3. Monitores de vibración:
- Protección básica. Cuentan con funciones de protección, supervisión y aportan la señal dinámica para su posterior análisis mediante analizadores portátiles. El valor de la vibración se comunica mediante conexiones 4-20 mA, 0-10 V o Modbus. Opcionalmente pueden incorporar un display local.
- Protección API670. Los monitores API670 tienen las mismas funciones que los anteriores, pero su fiabilidad es mayor y su tiempo de respuesta menor. Se aplican a turbomáquinas con cojinetes lisos y a compresores alternativos para monitorizar la caída de vástago. Muchos de estos monitores de protección también pueden realizar funciones de diagnóstico con alguna tarjeta y/o licencia adicional.
4. Sistemas de medida en continuo para diagnóstico predictivo.
- Para máquinas con rodamientos. Son sistemas que automatizan la toma de datos de vibración con fines predictivos. Registran los datos dinámicos de la vibración para la comprobación y posterior análisis por personal experto. Estos sistemas son capaces de monitorizar incluso máquinas en régimen variable, a pesar de que algunos de ellos multiplexan las mediciones de la vibración.
- Para máquinas con cojinetes lisos. Tienen la capacidad de registrar la vibración en tiempo real y en canales paralelos para facilitar el registro de transitorios. Se aplican al diagnóstico de turbomaquinaria mediante las gráficas como espectros, ondas, polares, órbitas, línea central de eje, Bode, Nyquist…
- Wireless. Son sistemas capaces de medir la señal dinámica de la vibración y transferirla a un software de diagnóstico predictivo. Estos sistemas reducen considerablemente los costes de instalación.
Fig. 4 Pros y contras de las tecnologías disponibles en el mercado para la monitorización de la maquinaria.
CÓMO AUTOMATIZAR LA MONITORIZACIÓN DE LA MÁQUINARIA
Los sistemas de monitorizado están evolucionando desde los operados manualmente a los totalmente automáticos. En el cuadro siguiente se comparan diferentes sistemas desde los clásicos, donde los diagnósticos se realizan por analistas hasta los basados en redes neuronales, que están todavía en desarrollo.
Fig. 5 Sistemas para la automatización de los diagnóstico predictivos en la monitorización de maquinaria
Los sistemas de medida de vibración clásicos ofrecen los datos en bruto para que los interprete un analista de vibraciones cualificado. Algunos sistemas más recientes realizan diagnósticos automáticos basados en reglas en el mismo dispositivo que procesa la señal de los sensores de vibración (Edge Analytics).
Una de las claves para la automatización de la monitorización de la maquinaria radica en la modelización de la curva P-F. El RCM define la curva P-F en un ámbito conceptual, pero podría modelizarse si somos capaces de determinar el punto P a partir de los datos que ofrecen las técnicas predictivas, el punto F a partir de la monitorización de datos de proceso y la velocidad de evolución hacia el fallo.
Fig. 6 Ubicación de los puntos P y F a partir de las tablas para la configuración de alarmas de PeakVue
CASOS PRÁCTICOS DE DIGITALIZACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE MONITORIZACIÓN DE MAQUINARIA
A continuación, se muestran cuatro diseños reales donde se comparten datos de vibración tomados por los sistemas de medida en continuo con otros sistemas de orden superior donde se busca disponer de datos del estado de salud de los activos críticos.
1. Sistema de monitorizado basado en reglas – planta farmacéutica
Fig. 7 Sistema para la monitorización de activos críticos basado en vibraciones mediante indicadores de salud (cortesía de Emerson)
2. Sistema de monitorizado wireless – fábrica de cemento
Fig. 8 Transferencia de datos desde sensores de vibración wireless al DCS para posteriormente analizarlos mediante sistemas de analítica predictiva desde un Data Lake en el Cloud
3. Sistema de monitorizado online – fábrica de papel
Fig. 9 Exportación de los datos de un sistema de vibración clásico al sistema de control distribuido (DCS) para integrar, correlacionar y analizar los datos en el PI de planta
4. Sistema de protección y monitorizado por vibración – planta desaladora
Fig. 10 Comunicación de los datos de vibración monitorizados al DCS para integrarlos en los mímicos y registrarlos y analizarlos con los otros parámetros de proceso
CONCLUSIONES
La digitalización de la monitorización de la maquinaria requiere de un análisis previo donde se determine la mejor opción tecnológica en función de los requerimientos de cada proyecto.
Los nuevos sistemas de monitorizado han de tener en cuenta que han de encajar en los sistemas diseñados para generar los indicadores de salud de los activos críticos y facilitar el cálculo de la duración remanente de sus componentes.
Las compañías que aprovechen las nuevas tecnologías para optimizar sus procesos conseguirán un mayor nivel de eficiencia, lo que se traducirá en un aumento de la productividad, rentabilidad, competitividad y supervivencia de la planta industrial.
