Az ipari automatizálási rendszerek evolúciója

Az ezredfordulót követően komoly technológiai változásokat tapasztaltunk, ami teljesen újfajta munkamódszerhez vezetett a digitális világban. Ez a negyedik ipari forradalom, ami a hálózatba kapcsolt számítógépek, emberek és eszközök hálózata révén jött létre. Bár az „Ipar 4.0” elég ködös fogalom, az Ipar 4.0 lehetséges definíciója az emberek, eszközök és rendszerek intelligens hálózata, amely a digitalizálás minden lehetőségét kihasználja a teljes értékláncban.

Az első ipari forradalom, a gőzmotor felfedezése által kiváltott mechanikai forradalom volt a 18. és 19. században. A 19. és korai 20. század végére a második ipari forradalom kibontotta a tömegtermelés, az elektrifikáció és a kommunikáció változásainak elfogadását. Ezt az időszakot elektromos forradalomnak is nevezzük. Később, a 20. században a harmadik ipari forradalom előrelépést mutatott a félvezetők, a számítástechnika, az automatizálás és az internet területén. Ezt a fázist digitális forradalomnak is nevezik.

Az Ipar 4.0 automatizálási rendszerek irányzatai

Az Ipar 4.0 hatása a hajtásrendszerekre az „automatizálási piramis”-ról a „hálózati rendszerekre” történő átrendeződés. Ez azt jelenti, hogy a rendszer különböző elemei, például a motorok, a frekvenciaváltók, az érzékelők és a vezérlőelemek össze vannak kapcsolva és csatlakoznak a felhőhöz, az adatközponthoz, ahol az adatok tárolása, feldolgozása, elemzése és a döntések meghozatala történik.

Automatizálási piramis

Az automatizálási hálózatban az adatok mennyisége kiemelten fontos. Mivel az adatok főként érzékelők révén nyerhetők, a korszerű automatizálási rendszerekben egyre több érzékelő található. A motorok és a hajtott gépek – mint például a ventilátorok, szivattyúk és szállítóművek – nem a legnyilvánvalóbb résztvevők az adathálózatban, ezért érzékelőkre van szükség, amelyek adatokat gyűjtenek a gépekről. Az érzékelők az adathálózathoz különféle módszerekkel csatlakoznak az adatok felhasználása érdekében. Egy fejlett állapotfigyelő rendszer bevezetése az érzékelők és a csatlakoztathatóság többletköltsége miatt gyakran korlátokba ütközik.

Automatizálási hálózat

A modern frekvenciaváltók új lehetőségeket nyitnak meg az Ipar 4.0 automatizálási hálózatában. A frekvenciaváltókat hagyományosan nagy teljesítményű feldolgozóegységnek tekintik a motorfordulatszám szabályozásához. A frekvenciaváltók ma már az információs lánc részét képezik, ami által számos előny tapasztalható – a frekvenciaváltó beépített feldolgozási teljesítménye, tárolási kapacitása és kommunikációs interfésze.

Mi az az intelligens frekvenciaváltó?

Az Ipar 4.0 hálózatban a frekvenciaváltó fontos szerepet játszik, és az alábbi funkciók jellemzik:

• Biztonságos csatlakozás: a frekvenciaváltóval biztonságosan csatlakozhat más elemekhez. A hálózat további elemei között lehetnek frekvenciaváltók, PLC-k, érzékelők és felhők.
• A frekvenciaváltó érzékelőként működik: a frekvenciaváltó motoráram- és feszültségjel-elemzéssel észleli a motor és az alkalmazás teljesítményét.
• A hajtás érzékelő agyaként működik: a frekvenciaváltó a folyamattal kapcsolatos külső érzékelőktől gyűjt adatokat, amelyeket maga vezérel.
• A frekvenciaváltó vezérlőként működik: a frekvenciaváltó bármikor kiválthatja a PLC-t, amikor az alkalmazási korlátozások ezt lehetővé teszik.
• Megvalósulhat saját eszközkoncepciója: vezeték nélküli kapcsolat az okoseszközökkel (okostelefon, táblagép).

A frekvenciaváltó adatai az alábbiak szerint azonosíthatók:

• Azonnali jelek: a frekvenciaváltó által közvetlenül, beépített érzékelők segítségével mért jelek. Olyan adatok, mint a motoráram, a feszültség, a hajtás hőmérséklete és ezek származékai, amelyek az áram és a feszültség vagy a motornyomaték szorzataként állnak elő. Emellett a frekvenciaváltó olyan külső érzékelők csatlakoztatására is használható, amelyek azonnali jeleket biztosítanak.
• Feldolgozott jelek: a pillanatnyi mérésekből származó jelek. Például statisztikai eloszlás (maximum, minimum, átlag és szórási értékek), frekvenciatartomány-elemzés vagy az adott alkalmazáshoz köthető változók.
• Elemzési jelek: a frekvenciaváltó, a motor és az alkalmazás állapotát jelző jelek, amelyek a karbantartás indítására vagy a rendszer kialakításának javítására szolgálnak.

A motoráram-elemzési technikákkal a frekvenciaváltó képes a motor és az alkalmazás állapotának figyelésére. A technika segítségével kiküszöbölhetők a fizikai szenzorok, illetve kiküszö­bölhetők a korai hibajelek, amelyek észlelése nem volt lehetséges. Például a technika alkalmazása lehetővé teszi a tekercselési hibák korai vagy a mechanikai terhelés excentrikusságának észlelését.
A frekvenciaváltó intelligens kialakításának hála, külső érzékelők csatlakoztathatók hozzá, így a fizikai érzékelőket nem kell közvetlenül összekapcsolni az adathálózattal. A rezgésérzékelők, nyomásérzékelők és hőmérséklet-érzékelők a frekvenciaváltóhoz csatlakoztatható érzékelők példái. A koncepció előnye nemcsak a költségekkel függ össze, hanem az érzékelőadatok és a frekvenciaváltó különböző adattípusai közötti egységes kezelést is lehetővé teszi. Nyilvánvaló példa a külső érzékelő rezgésszintjének és a motorfordulatszámnak az összefüggése, mivel a rezgés függ a fordulatszámtól.

Állapotalapú karbantartás

Az alábbiakban különféle karbantartási stratégiák szerepelnek:

• Javító karbantartás: a felmerülő hiba után az adott berendezés kicserélésére kerülhet sor.
• Megelőző karbantartás: sor kerülhet a berendezés kicserélésére még a felmerülő hiba előtt, amikor a hiba előfordulásáról a berendezés még nem küldött értesítést.
• Állapotalapú karbantartás: a berendezés figyelmeztetést küld, amikor bármilyen hibát kiváltó okok jelennek meg, amelyek azt eredményezhetik, hogy a gép tényleges élettartama eltér a várt élettartamtól.
• Előrejelző karbantartás: a berendezés figyelmeztetést küld, mielőtt elérné a tervezett üzemórát, hogy megkezdhesse a szervizelési műveletet.

Miért van szükség állapotalapú karbantartásra?

A javító és megelőző karbantartás hiba- (esemény) vagy időalapú, ezért karbantartásra meghibásodás(ok) esetén (korrekció miatt) vagy az üzemórák előzetes meghatározása után (megelőzőleg) kerül sor. Az ilyen típusú karbantartások nem használják az aktuális alkalmazás visszajelzéseit. Az Ipar 4.0 bevezetésével és a szenzoradatok elérhetővé tételével már lehetséges az állapotalapú és előrejelző karbantartás. Az ilyen karbantartási stratégiák tényleges szenzoradatokat használnak a berendezés állapotának meghatározásához (állapotalapú karbantartás) vagy a jövőbeli hibák előrejelzéséhez (előrejelző karbantartás).

Áttekintés és előnyök

Az állapotalapú karbantartás a legegyszerűbb és legintuitívabb karbantartási technika, amely az aktuális alkalmazás adatain alapul. A gyűjtött adatok a használatban lévő berendezés állapotának megfigyelésére szolgálnak. A megfigyeléshez kiválaszott fő paraméterek a kialakulóban lévő hibák azonosításának a mutatói.
A berendezések állapota idővel romlik. Ezt a P-f görbe szemlélteti a lenti ábrán, amely egy jellemző érték romló tendenciáját jelzi. Működési hiba lép fel, ha a berendezés nem a kívánt funkciót végzi el. Az állapotalapú karbantartás célja, hogy észlelje a potenciális hibát, még mielőtt a hiba bekövetkezne.

Egy tipikus degradációs mintázatot ábrázoló P-f görbe

Az állapotalapú karbantartási műveletek megtervezése számos előnnyel jár:

• Az állásidő csökkenése
• A termelés váratlan leállásainak megszűnése
• A karbantartás optimalizálása
• A pótalkatrész-készlet csökkenése

A frekvenciaváltók állapotfigyelő funkciói

Az állapotalapú karbantartás szerves részét képezi a berendezés állapotának felügyelete. Változtatható fordulatszámú alkalmazások esetén az alkalmazás állapota gyakran függ a fordulatszámtól. A rezgésszintek például nagyobb fordulatszámnál magasabbak lehetnek, bár ez a kapcsolat nem lineáris. Bizonyos fordulatszámok mellett rezonancia léphet fel, amely a fordulatszám növekedésével megszűnhet.
A változtatható fordulatszámú alkalmazások állapotát figyelő független rendszer használata bonyolult, mivel a fordulatszám és a korreláló, fordulatszámmal felügyelt érték ismerete szükséges. A frekvenciaváltók állapotfigyelési célú használata („hajtásérzékelőként” vagy „hajtásérzékelő agyként”) előnyös megoldás, mivel a frekvenciaváltóban már megtalálható az alkalmazás fordulatszámára vonatkozó információ. Emellett a terhelésről/motornyomatékról és a gyorsításról is információ áll rendelkezésre a frekvenciaváltóban.

Az állapotfelügyelet háromlépéses eljárást követ:

• A kiinduló állapot meghatározása
• Határértékek meghatározása
• Felügyelet végrehajtása

A kiinduló állapot meghatározása

A hatékony állapotfigyelő rendszer érdekében az első fontos lépés a normál üzemi körülmények meghatározása. Az alapvonal meghatározása azt jelenti, hogy meg kell határozni az alkalmazás normál működési feltételeit, amelyet alapvonalnak neveznek. A kiindulási értékek többféleképpen is meghatározhatók.

• Kézi bázisvonal: Az alapértékeket a korábbi tapasztalatok alapján határozták meg, az ismert értékek be vannak programozva a frekvenciaváltóba.
• Alapbázisvonal: Az alapvonal az üzembe helyezés során határozható meg. Ez a módszer egy sebességpásztázást hajt végre az üzemi forulatszám-tartományban, ami meghatározza a berendezésnek az egyes fordulatszámpontokhoz tartozó állapotát. Előfordulhat azonban, hogy az üzembe helyezés során bizonyos esetekben az alkalmazás nem működik teljes kapacitással. Ilyen esetekben a bejáratási időszak után el kell végezni az alap­bázisvonal felvételét üzemi időszakban, hogy a meghatározás a lehető legközelebb legyen a normál működéshez.
• Online alapvonal: Ez egy fejlett módszer, amely normál működés esetén rögzíti az alapadatokat. Ez olyan helyzetekben hasznos, amikor a kiindulási járatás nem hajtható végre, mert az alkalmazás nem teszi lehetővé a teljes fordulatszám-tartományban a működést.

Az alapvonal meghatározása után a következő lépés a figyelmeztetések és riasztások küszöbértékeinek beállítása. A küszöbértékek jelzik az alkalmazás állapotát, amelynek során a felhasználót értesíteni kell. A berendezés állapota többféleképpen is jelezhető, az iparágban pedig az egyik legnépszerűbb a forgalomirányító lámpa mint ál­lapotjelző használata, négy színnel. Ezeket a VDMA 24582 számú Fieldbus semleges referenciája ismerteti a gyári automatizálás állapotfelügyeletéhez.

A színek a következőket jelzik:

• Zöld: Azt jelzi, hogy a berendezés jó állapotban van és hatékonyan működik.
• Sárga: Az 1. figyelmeztetési fokozatot jelzi, és az első küszöbérték túllépését. A karbantartási műveleteket a karbantartó személyzet megtervezheti.
• Narancs: A 2. figyelmeztetés vagy kritikus szint jelzése, ami a második küszöbérték túllépését jelzi. Az azonnali karbantartási műveleteket a karbantartó személyzetnek kell elvégeznie.
• Piros: Riasztás, amely jelzi, hogy a gép leáll, és javító karbantartásra van szükség.

A figyelmeztetések és vészjelzések küszöbértékeinek megadása

A küszöbértékek megadására az alábbi módszerek szolgálnak:

• Abszolút – Ez a szokásos módszer, ha a berendezés értékei már ismertek. A küszöb egy rögzített értékkel rendelkezik, függetlenül a mért alapvonal értékétől. Például, ha a kezelő ismeri a berendezés abszolút határértékét, akkor abszolút érték kerül beállításra a riasztási küszöbhöz. A rezgésfigyelés esetében határértékként az ISO 10816/20816 szabványban leírt határértékek használhatók a riasztási küszöbértékhez.
• Eltolás – A küszöbértékek beállításának módszeréhez szükség van az alkalmazás és az alapértékek megismerésére. A küszöb a felhasználó által megadott eltoláshoz tartozó alapvonalértéktől függ. Ebben az esetben a kockázat nagyon alacsony vagy magas értéket állít be, ami hamis pozitív eredményekhez vezet. A rossz beállítások nem reagáló felügyeletet eredményezhetnek, még hiba esetén is.
• Faktor – Ezt a módszert könnyebb használni, mint az eltolást, mert kevesebb alkalmazási ismeretet igényel. A küszöb a kiindulási értéktől függ, amelyet meg kell szorozni egy tényezővel. Például a küszöbérték a kiindulási érték 150%-a lehet. Ebben az esetben a kockázat nagyon magas küszöbértéket állít be.

Felügyelet végrehajtása

A monitorozás a küszöbértékekkel való folyamatos összehasonlítással történik. A normál működés során a tényleges értékek összehasonlításra kerülnek a küszöbértékkel. Ha a figyelt paraméterek meghaladják az előre meghatározott időre vonatkozó küszöbértéket, figyelmeztetés vagy vészjelzés aktiválódik. Az időzítő úgy van beállítva, hogy szűrőként működjön, így a rövid tranziensek nem indítanak figyelmeztetéseket és riasztásokat.
Az aktuális figyelt értékek a frekvenciaváltóról az LCP-ről, a terepibusz-kommunikációból vagy az IoT-kommunikációból olvashatók le. Ezenkívül a digitális kimenetek beállíthatók úgy is, hogy reagáljanak a specifikus figyelmeztetésekre és riasztásokra. Egyes frekvenciaváltók beépített webszerverrel rendelkeznek, amely állapotuk kiolvasására is használható.

Állapotalapú felügyeleti technikák

Befejezés

Manapság a frekvenciaváltók nem csak egyszerű fordulatszám- szabályozók. Azáltal, hogy képesek érzékelőkként és szenzorfogadóként működni, képesek az adatok feldolgozására, tárolására és elemzésére, kulcsfontosságú elemei a korszerű automatizálási rendszereknek.
A frekvenciaváltók gyakran már jelen vannak az automatizálási rendszerekben, ezért nagyszerű lehetőséget kínálnak az Ipar 4.0-ra való frissítésre.
Ez új karbantartási módokat tesz lehetővé, például az állapotalapú karbantartást. Ezek a funkciók már elérhetők bizonyos frekvenciaváltókban, és több üzemeltető már elkezdte használni a frekvenciaváltóit érzékelőként.

Danfoss Kft.
1139 Budapest, Váci út 91.
Tel.: +36 1 450 3566
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://drives.danfoss.hu