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Ventajas y limitaciones de la aplicación de los sensores wireless de vibración a la monitorización de maquinaria
Francisco Ballesteros Robles
Reliability Solutions Sales Leader Spain & Portugal
EMERSON
1. INTRODUCCIÓN
Entre las nuevas tecnologías de monitorizado de maquinaria encontramos los sensores de vibración wireless. Estos desarrollos pueden aplicarse con éxito a la maquinaria de nuestras plantas industriales, pero no todas las aplicaciones son idóneas para esta tecnología. En este artículo vamos a analizar las ventajas de los sensores de vibración wireless y sus limitaciones en su aplicación en la industria.
Figura 1. Sensor de vibración wireless (cortesía de Emerson)
2. POR QUÉ APLICAR SENSORES DE VIBRACIÓN WIRELESS
Existe un interés innegable acerca de los sensores de vibración wireless, pero más allá de modas, vamos a enumerar unos cuantos motivos por los cuales vale la pena plantearse incorporar esta nueva tecnología al programa predictivo nuestra compañía.
Figura 2. Ventajas por aplicar sensores de vibración wireless en el diagnóstico predictivo de la maquinaria
Los principales beneficios derivados de la aplicación de los sensores de vibración wireless son:
2.1. Automatización de la toma de datos
En los programas predictivos clásicos se dedica gran parte del tiempo del personal a la toma de datos de vibración en rutas manuales. Si se automatiza la toma de datos y la generación de alertas, se puede dedicar el tiempo de los analistas a analizar en detalle los fallos detectados automáticamente y así focalizar a los analistas en tareas de más valor.
2.2. Contribución a la digitalización
Las tecnologías wireless de medición de parámetros para la monitorización de la maquinaria facilitan los procesos de digitalización al aportar datos medidos en las máquinas que se integran en plataformas IIoT y son utilizados para generar alertas y diagnósticos automáticos. La integración de estos datos con otros sistemas y facilitan la posibilidad de realizar análisis de datos más complejos y, por lo tanto, obtener mayor valor de los mismos.
Figura 3. Esquema de comunicaciones entre sistemas de medición de vibraciones y otros sistemas de monitorizado
Los datos se transfieren a soluciones centralizadas o cloud, donde algoritmos de IA emiten alertas cuando un activo experimenta alguna desviación en su estado de salud.
2.3. Mejora del OPEX del plan predictivo
La inversión en sensores de vibración wireless y su mantenimiento se amortiza rápidamente en aquellos activos donde se toman datos con una periodicidad mayor. Para las máquinas donde la periodicidad de las medidas es mensual o más frecuente, el despliegue de la tecnología de medida de vibración wireless se paga con el ahorro en mano de obra para la toma de datos manual.
2.4. Reducción del CAPEX de la instalación comparado con los sistemas de medida en continuo
El coste de instalación del cableado es un asunto a tener en cuenta cuando se aborda un proyecto de instalación de sistemas de medida de vibración con fines predictivos. En un proyecto de monitorización de maquinaria en continuo, la partida dedicada a la instalación de cables para conectar los sensores de vibración hasta las unidades de medida y la conexión de éstas con su servidor tendrá un coste considerable.
Figura 4. Comparación de costes de instalación entre sistemas de monitorizado en continuo y sensores de vibración wireless
Los cables, conectores, cajas intermedias, mangueras multipar, armarios para equipos de medida, ingeniería del proyecto y la instalación física de lo anterior son partidas que se reducen o desaparecen si diseñamos el sistema de medida aprovechando las ventajas de los sensores wireless.
Por otra parte, se trata de sistemas fácilmente escalables, puesto que se pueden añadir más sensores sin reconfigurar el sistema. Además, los sensores de vibración wireless son fácilmente reubicables.
2.5. Obtención de datos más fiables
Los sistemas diseñados mediante sensores de vibración wireless aportan datos más fiables que los tomados manualmente porque:
- Siempre toman las medidas en el mismo punto exacto.
- Las medidas se realizan siempre con el mismo sensor.
- Pero, sobre todo, porque el intervalo entre mediciones suele ser de una hora, en vez de semanas.
Figura 5. Comparación entre medidas de vibración tomadas mediante sensores wireless y medidas tomadas mediante rutas manuales
La consecuencia principal de tener más y mejores datos es que se pueden obtener alertas fiables con mayor antelación. En la figura 5 se puede ver cómo a finales de marzo se toma una medida trimestral manual y la siguiente se toma en julio, en ese momento salta la alerta. Mientras que al medir mucho más frecuentemente con sensores inalámbricos la alerta se detecta a principios de abril.
2.6. Facilita el diagnóstico remoto
La falta de recursos locales en instalaciones industriales de tamaño mediano o pequeño puede resolverse mediante servicios de diagnóstico remoto, tanto internos como externos. Uno de los obstáculos que se encuentran los planes predictivos basados en centros remotos de diagnóstico es la toma de datos por parte del personal local. Si se automatiza la toma de datos mediante sistemas de medida wireless o en continuo, los analistas, ubicados en un centro de diagnóstico remoto, pueden acceder a los datos necesarios para detectar alertas y emitir sus informes de diagnóstico predictivo.
Figura 6. La toma automática de las medidas de vibración facilita el diagnóstico en remoto
2.7. Alertas locales
Los datos recopilados por los sensores de vibración wireless pueden ser compartidos con los sistemas de información de planta tales como el DCS, SCADA, HMI o historiadores de planta.
El objeto de conectar los sistemas de monitorizado por vibraciones con los sistemas de información de planta es alertar a Operaciones y Mantenimiento de los fallos a corto plazo. Esta información automática e inmediata servirá para tomar decisiones informadas, abordar reparaciones en slots cortos entre lotes de producción y evitar paradas no previstas en periodos productivos.
2.8. Mejora de la seguridad
Se trata de evitar situaciones de riesgo durante las rutas de toma de datos de vibración. Ejemplos son la toma de datos en las máquinas en altura, evitar que el personal trabaje innecesariamente en áreas clasificadas como potencialmente explosivas o impedir que se entre a medir en zonas con máquinas protegidas mediante jaulas de protección.
3. LIMITACIONES DE LOS SENSORES DE VIBRACIÓN WIRELESS
Si bien es cierto que los argumentos expuestos en el punto anterior han generado muchos entusiastas de los sensores de vibración wireless, nos encontramos con proyectos donde no son la tecnología idónea. Concretamente podemos destacar los siguientes:
3.1. No aplicar como sistema de protección por vibraciones
Los sensores de vibración wireless no miden de forma continua. Para que las baterías de estos sensores wireless duren entre tres y cinco años, se recomienda una periodicidad mínima de una hora entre medidas. Estos dispositivos, se activan, toman y envían una medida y se quedan durmientes hasta la próxima medición. Si en ese intervalo se desarrolla un fallo de evolución rápida, éste no será detectado.
3.2. No aplicar a máquinas con modos de fallo de evolución rápida (cojinetes lisos)
Las maquinas equipadas con cojinetes lisos se monitorizan mediante sistemas de protección API 670, que también pueden transmitir la información necesaria para el diagnóstico predictivo.
3.3. Maquinaria con condiciones de funcionamiento variables
En máquinas con velocidad o carga sustancialmente variables se recomienda seleccionar el momento de la medida para tomar mediciones en condiciones similares y así generar gráficas de tendencia estables. Esta funcionalidad es propia de sistemas de monitorizado en continuo que pueden sincronizar el registro de la vibración con rangos de velocidad o carga.
3.4. Condiciones ambientales extremas
Los sensores de vibración wireless incluyen una batería que no puede operar normalmente a temperaturas superiores a +85°C, en el mejor de los casos. Por lo tanto, para aplicaciones con altas temperaturas conviene buscar soluciones basadas en sistemas de medida en continuo o mixtos donde se puedan aplicar sensores cableados especiales para altas temperaturas.
3.5. Wireless ≠ Online
Los sistemas de monitorización wireless se han desarrollado para sustituir las rutas manuales de toma de datos de vibración. Si pretendemos sustituir sistemas de medida en continuo con sensores wireless, perderemos funcionalidades.
Figura 7. Comparativa de tecnologías de monitorizado por vibraciones
4. PRECAUCIONES – CAUTION!
A continuación, se enumeran unos puntos a tener en cuenta para evitar fracasos en la selección de la tecnología wireless.
4.1. Problemas de cobertura e interferencias
No todos los protocolos de comunicación wireless han sido diseñados para un uso industrial. La comunicación en entornos industriales se hace más difícil por los campos electromagnéticos generados por los motores eléctricos, cables de tensión y las barreras metálicas y de hormigón. Las redes WirelessHART e ISA100 han sido diseñadas específicamente para entornos industriales y, por lo tanto, son las adoptadas por los fabricantes con diseños industriales robustos.
Para evitar problemas de conexión se recomienda realizar pruebas de cobertura y reforzar con más gateways y repetidores donde sea necesario para garantizar que todos los sensores de la instalación transmitan los datos satisfactoriamente.
4.2. Número de sensores por gateway
Es recomendable seleccionar una tecnología que permita conectar un gran número de sensores inalámbricos (>200 unidades) para evitar un aumento significativo en los costos de las pasarelas y de su instalación.
4.3. Baterías
Con respecto a las baterías, se debe considerar su duración, coste y si son reemplazables por el usuario.
4.4. Limitaciones en las medidas
Para obtener mediciones de calidad que permitan realizar diagnósticos precisos, es necesario considerar factores como el rango frecuencial (>10 kHz), el rango dinámico (>80 dB) y el rango de amplitud (>50 g).
Figura 8. Medida de vibración, espectro y onda, realizado mediante un sensor de vibración wireless (cortesía de Emerson)
4.5. Software de análisis y gestión de datos
Para realizar diagnósticos predictivos a partir de espectros y ondas, es recomendable verificar la compatibilidad del sistema con software profesional de análisis y gestión de datos de vibración.
4.6. Parámetros medidos
La vibración ISO es un parámetro excelente en la monitorización de maquinaria, pero no es el único. Parámetros de estado de rodamientos y lubricación, bandas frecuenciales, espectros y ondas son deseables.
4.7. Facilidad de instalación
Que la instalación física sea sencilla es algo a tener en cuenta. Los sensores triaxiales requieren una orientación precisa en los ejes X, Y y Z para obtener mediciones correctas.
Hay que evitar los sensores de vibración wireless que no tienen el aspecto típico de un sensor de vibración, pues en el mercado encontramos diseños con carcasas que provocan resonancias y limitan la calidad de las medidas.
4.8. Condiciones físicas del entorno
Cuidado con la temperatura, humedad y las sustancias corrosivas.
4.9. Vulnerabilidad
La ciberseguridad es otro aspecto que no puede olvidarse. Se recomienda involucrar a los responsables de IT/OT en estos proyectos, quienes obligarán a cumplir con todos los requerimientos necesarios para diseñar un sistema ciberseguro.
4.10. Protocolos de comunicación compatibles
Incluso aunque se compruebe que se utiliza el mismo protocolo de comunicaciones, es recomendable de realizar las pruebas oportunas para garantizar que la comunicación entre sistemas se realiza correctamente.
4.11. Sistemas automáticos de generación de alertas o diagnósticos
Cuidado con esperar que el algoritmo del software de Machine Learning haga milagros con los datos de vibración ISO y la temperatura. Si no le enviamos los datos que cambian cuanto se desarrolla un fallo en un rodamiento o falla la lubricación, el sistema reaccionará demasiado tarde.
4.12. Costes de suscripción
En algunos sistemas se han de considerar los costes de acceso a los datos mediante suscripciones a software o a plataformas Cloud.
4.13. Estabilidad del fabricante
En relación a estas nuevas tecnologías hemos visto aparecer y desaparecer muchos productos. La elección de nuevos fabricantes con productos que no han conseguido unas ventas suficientes para que su producto perdure en el tiempo, añade una componente de riesgo.
5. APLICACIONES
Las máquinas donde los sensores de vibración wireless se aplican con mayor éxito son bombas, ventiladores, soplantes, compresores rotativos, reductoras, motores eléctricos, agitadores, torres de refrigeración, aerorrefrigerantes, grúas, molinos rotativos, etc.
6. CONCLUSIÓN
Los sensores de vibración wireless han revolucionado la forma en la que se toman los datos de vibración. No son aplicables a todas las configuraciones de máquinas, pero sí a gran parte de ellas. Se espera que, en los próximos años, todas las medidas que puedan automatizarse se tomen de forma automática. El tiempo que se libera a los analistas debe aprovecharse para profundizar en los análisis y así obtener mejores diagnósticos.
