כיצד ניטור נכסים רבי-חיישנים יכול לשפר את הביצועים במפעלים ובלוגיסטיקה של Industry 4.0 ובמרכזי נתונים

ניטור מכונות אחר פרמטרים כמו רעידות וטמפרטורה יכול לספק נתונים בזמן-אמת על ביצועי ותקינות המכונה ולתת ליצרנים את הנתונים הדרושים כדי לתזמן תחזוקה יזומה, להפחית את זמני ההשבתה ולשפר את הפרודוקטיביות.

ניטור לחות וטמפרטורה במתקנים לוגיסטיים או במהלך הובלה יכול לשפר את הביצועים התפעוליים ולשמר סחורות כמו חיסונים או תוצרת טרייה. קיימות מערכות ניטור סביבה עם חיבוריות חוטית ואלחוטית כדי להתאים ליישומים שונים, כולל מרכזי נתונים ארגוניים וענן.

ניטור רעידות יכול להיות מועיל לזיהוי בעיות פוטנציאליות במכונה לפני שהן מתרחשות. תקן 10816 של ארגון התקינה הבינלאומי (ISO) יכול להיות ייחוס חשוב. הוא מספק הנחיות להערכת חומרת הרעידות במנועים המשמשים עבור משאבות, מאווררים, מדחסים, תיבות הילוכים, מפוחים, מייבשים, מכבשים ומכונות דומות הפועלות בתחום התדרים של Hz‏ 10 עד Hz‏ 1,000‏.

מאמר זה מציג כמה שיקולים מרכזיים לבחירה בין חיבוריות חוטית ואלחוטית עבור מערכות ניטור וכיצד השימוש ברשתות חוטיות ואלחוטיות אינו בחירה של או/או. לאחר מכן הוא בוחן את ארבעת הקטגוריות של חומרת רעידות כפי שהוגדרו בתקן ISO 10816. המאמר מסיים בדיון באפשרויות שונות עבור מימוש מערכות ניטור מצב חוטיות ואלחוטיות כאחד, כולל שימוש במספר חיישנים לניטור רעידות, טמפרטורה, לחות ויישומים מייצגים.

Banner Engineering מציעה מבחר של שערים (Gateways‏) עבור ניטור בריאות ציוד (EHM‏) המספקים גישה נוחה לנתוני רשת EHM. מתכנני EHM תעשייתי יכולים לבחור בין פתרונות שערים חוטיים SNAP ID‏ של החברה עם תצוגה מקומית לקריאת חיישנים או לוח מחוונים אופציונלי בענן לבין שערים אלחוטיים CLOUD ID‏ המתוכננים להתחבר ישירות ללוח המחוונים בענן (איור 1). מאפיינים נפוצים של שתי בחירות אלו כוללים:

• מגוון של חיישנים לבחירה כדי למטב את פעולת EHM
• פריסה מהירה הנתמכת על ידי זיהוי אוטומטי של חיישנים מחוברים ללא תכנות נוסף
• נתוני חיישנים זמינים בקלות להתאמת ציוד או לתזמון תחזוקה נדרשת כדי לקצר את זמן ההשבתה ולמקסם את הפרודוקטיביות
• תמיכה בחיבוריות ענן על ידי שתי המערכות
• קיימים לוחות מחוונים מוגדרים-מראש וניתנים להתאמה מיוחדת עבור הדמיה אופטימלית של הנתונים

איור 1: לשער EHM‏ חוטי SNAP ID‏ (משמאל) ואלחוטי CLOUD ID (מימין) של Banner יש כמה מאפיינים נפוצים. (מקור התמונה: DigiKey‏)

שער EHM‏ חוטי או אלחוטי?

למרות שיש להם כמה מאפיינים נפוצים, יש הבדלים מהותיים בין שער EHM חוטי ואלחוטי. שער ניטור נכסים (AMG‏) AMG-SNAP-ID‏ תומך בהתקנה והפעלה ראשונית, ניטור והתרעות עבור עד 20 חיישנים וממירים. הוא תומך בחיבוריות Modbus‏ ו-SNAP SIGNAL של Banner‏ וסורק אחר חיישנים בודדים או ממירים תוך שהוא מגלה אוטומטית את פרטי הדגם. המשתמשים יכולים לשנות ולהקצות מספרי מזהה (ID‏) של שרת Modbus כדי לבנות ולהפעיל פתרונות EHM מותאמים-במיוחד. ניתן לקבץ התקנים מחוברים ולהקצות ספים אינדיבידואליים. סטטוס ההתרעה מוצג במסך המגע ולפי צבע האור בחלק העליון של המארז.

כאשר נדרשת גישה ישירה עד לענן, מתכנני מערכות EHM יכולים להשתמש בשער IIoT‏ DXM1200-X2‏ כדי לחבר עד 200 התקנים הן של Banner‏ והן של צדדים שלישיים כדי לספק נתוני ביצועים ובריאות מכונה. השער יכול לגלות ולהתחבר באופן אוטומטי לצומתי חיישנים ולהעביר נתונים לתוכנת הענן של Banner‏. המפתחים יכולים לבחור בין כלי תכנות פשוטים או מורכבים. שער IIoT יכול לעבד מידע בקצה ולאחר מכן לשלוח אותו גם דרך ה-Ethernet וגם דרך רשתות סלולריות היכולות להיות מנוטרות מכל מקום בעולם באמצעות לוח מחוונים ענן אינטואיטיבי (איור 2).

איור 2‏: שערי רשת חיישנים IIoT‏ אלחוטית (משמאל) וחוטית (מימין) הכוללים מספר מאפיינים נפוצים. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

ארכיטקטורות EHM חוטיות ואלחוטיות

ארכיטקטורות EHM חוטיות ואלחוטיות אינן מנוגדות אחת לשנייה. למערכות חוטיות יכולים להיות אלמנטים אלחוטיים, וארכיטקטורות אלחוטיות כוללות לעתים קרובות חיבוריות חוטית.

לדוגמה, ארכיטקטורת EHM חוטית בסיסית יכולה לכלול מספר תיבות חיבורים המחוברות למספר חיישנים כמו ה-R50-4M125-M125Q-P‏ עם 4 נקודות-חיבור ו-R95-8M125-M125Q-P‏ עם 8 נקודות-חיבור. התקני רדיו נתונים טוריים R70SR‏ Sure Cross‏ של Banner‏, כגון ה-R70SR9MQ‏ MHz‏ 900‏ ו-R70SR2MQ‏ GHz‏ 2.4‏, יכולים להרחיב את טווח הרשת ללא כבלים נוספים. המאפיינים של התקני רדיו אלו כוללים (איור 3‏):

• ממשק RS-485 טורי
• תמיכה בטופולוגיות רשת כוכב ועץ
• תמיכה ברשת תדר רדיו (RF) עם ריפוי-עצמי וניתוב אוטומטי של עם ריבוי דילוגים (Hops‏) כדי להרחיב עוד יותר את טווח הרשת
• ספקטרום מפוזר עם דילוג תדרים (FHSS‏) עבור שידורי נתונים אמינים

איור 3: טופולוגיית ניטור נכסים חוטית בסיסית (משמאל) עם דוגמה של אשכול חיישנים מרוחק מחובר אלחוטית (מימין). (מקור התמונה: DigiKey‏)

במתקן גדול ניתן לפרוס מערכות רבות על פני שטח רחב, כולל:

• מדחסי אוויר
• מערכות שאיבה
• מערכות מסועים
• מספר מכונות ומנועים חשמליים
• תיבות הילוכים
• מערכות סינון אוויר
• מדידת מפלס וניטור במכלי אגירה

במקרים אלה ניתן לשפר את ביצועי מערכת EHM על ידי שילוב טכנולוגיות חוטיות ואלחוטיות. שער IIoT אלחוטי DXM1200-X2 שהוזכר לעיל כולל חיבוריות חוטית Modbus. אם יש צורך ב-Ethernet, המתכננים יכולים להשתמש ב-DXMR90-X1‏. ה-DXMR90-4K‏ יכול לממש פונקציות מאסטר/בקר של IO-Link. בנוסף לבחירה של Modbus, Ethernet ו-IO-Link, המתכננים יכולים להשתמש בהתקני רדיו נתונים טוריים R709‏ כדי לספק חיבוריות אלחוטית לנכסים מפוזרים פיזית (איור 4).

איור 4‏: שערי אלחוט IIoT‏ (משמאל למטה) זמינים עם חיבוריות Modbus‏, Ethernet‏ ו-IO-Link‏. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

תקן ISO 10816‏ עבור חומרת רעידות

ה-ISO 10816 הוא תקן חשוב עבור מערכות EHM. הוא מכמת את חומרת הרעידות עבור מכונות כמו מנועים חשמליים, משאבות וגנרטורים. התקן משתמש בערך שורש ממוצע הריבועים (rms) של תאוצה, תזוזה או מהירות הרעידות. תקן ISO 10816 כולל גם שיקולים עבור ערכי שיא-לשיא. לחומרת הרעידות יש את ערך ה-rms הגבוה ביותר בעת מדידת שני פרמטרים או יותר. התקן מסווג את חומרת הרעידות לארבע רמות:

• טוב בדרך כלל מעיד על מכונות שהופעלו לאחרונה.
• רעידות משביעות רצון מציינות אזור פעולה בלתי-מוגבל.
• רעידות לא מספקות מציינות צורך בפעולה מוגבלת ובתזמון תחזוקה מונעת.
• רעידות לא מתקבלות מצביעות על כך שסביר שנגרם נזק למכונה.

איור 5‏: תקן IEC 10816‏ כולל ארבע קטגוריות של חומרת רעידות. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

רעידות ולמידת מכונה

אפילו מכונות "זהות" אינן העתקים מדויקים. זה המקום שבו למידת מכונה (ML) נכנסת לתמונה. Banner Engineering‏ מציעה את VIBE-IQ‏, חבילת תוכנה לניטור רעידות המשתמשת בלמידת מכונה (ML) כדי לקבוע ערך פעולה התחלתי ייחודי עבור הרעידות של כל מכונה. לאחר מכן תוכנת ML מגדירה אוטומטית ספי אזהרה והתרעה. היא יכולה לבצע אוטומטית חישובי וניתוחי EHM‏ מורכבים. כמה מאפיינים של VIBE-IQ‏ כוללים:

• ניטור רציף של מהירות rms‏ מ-Hz‏ 10 עד Hz‏ 1,000‏, תאוצת תדר-גבוה rms‏ מ-Hz‏ 1,000‏ עד Hz‏ 4,000, וטמפרטורה
• מנטרת רק מנועים שפועלים
• משתמשת בנתונים לניתוח מגמות כמו גם לניטור בזמן-אמת כדי לזהות תנאים כמו:
  • מערכות לא-מאוזנות או לא-מיושרות
  • רכיבים בלויים או רופפים
  • בלאי מסבים חריג
  • מנועים המורכבים או נדחפים שלא-כראוי
  • מצבי טמפרטורת-יתר
• שולחת באופן יזום התרעות לבקר המארח או לענן

רעידות וטמפרטורה

הרעידות אינן הרמז היחיד לכך שמכונה עשויה להזדקק לתחזוקה מונעת. מגמת עלייה בטמפרטורה יכולה גם כן להתריע בפני מערכת EHM על בעיות פוטנציאליות, במיוחד אם הטמפרטורה העולה מתואמת עם רעידות גוברות.

שילוב שני הפרמטרים נותן תמונה מלאה יותר של מצב הציוד. הם יכולים להתריע בפני מפעילים על קטגוריות שונות של תנאים ולהעניק מספר יתרונות:

• רעידות יכולות לזהות בעיות מכניות כמו סטיות-יישור, אי-איזון, בלאי מסבים וכו'.
• עליות טמפרטורה יכולות לזהות בעיות חשמליות כמו התחממות-יתר של ליפופים או בעיות סיכה.
• כאשר מגלים פעולה חריגה, הקורלציה בין הרעידות מחוץ-לפס לבין הטמפרטורה יכולה לעזור לזהות סיבות אפשריות. לדוגמה, דפוסי רעידות יכולים לסייע בזיהוי גורם השורש.
• ניתן לסייע בתכנון תחזוקה מונעת על ידי ניטור טמפרטורה ורעידות כאחד. עליית טמפרטורה הדרגתית אינה בהכרח בעיה כמו הגברת רעידות העלולות לדרוש תיקון מיידי יותר.
• למדו כיצד לשפר את בחירת הנכסים והשימוש לטווח ארוך יותר באמצעות נתוני חיישנים כדי לזהות מגבלות פעולה פוטנציאליות לפני שהן הופכות לבעיות.

כאשר יש צורך לנטר טמפרטורה ורעידות, מתכנני מערכות EHM יכולים לפנות לחיישן QM30VT2‏ במארז אלומיניום או ל-QM30VT2-SS-QP‏ במארז פלב"ם, שניהם שלBanner Engineering‏. שני החיישנים יכולים להתחבר לרדיו Modbus או לכל רשת Modbus כהתקן נשלט (Slave‏)באמצעות RS-485. גורם הצורה הקטן שלהם מאפשר להם להשתלב במקומות צפופים (איור 6). מאפיינים אחרים כוללים:

• מדידות טמפרטורה ורעידות בדיוק גבוה
• תחום מדידת טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+, עם רזולוציה של C‏°‏1‏ ודיוק של C‏°‏3‏±
• מגלה רעידות דו-ציריות עד רוחב-פס של kHz‏ 4‏ עם דיוק של ±10% ב-25°C ותדר דגימה ברירת מחדל של kHz‏ 20‏
• היציאות עבור מהירות rms‏, תאוצת תדר-גבוה rms‏, מהירות שיא ופרמטרים אחרים מעובדים תחילה מתוך צורות-הגל של הרעידות

איור 6‏: ניתן להרכיב חיישני רעידות דו-ציריים פלוס טמפרטורה ישירות על בית המנוע (מימין). (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

עיבוד של מספר פסי-תדר ספקטרליים של הרעידות מהווה יכולת מתקדמת יותר. זה מאפשר למשתמשים לפצל טרנספורמציית פורייה (Fourier‏) מהירה (FFT‏) עם פס-רחב כדי לקבל נתוני מהירות או תאוצה rms עבור פסי-תדר צרים יותר, בנוסף לנתונים הסקאלרים של Hz‏ 10‏ עד Hz‏ 1,000‏ ו-Hz‏ 1,000‏ עד Hz‏ 4,000‏. בהתאם לצורכי המשתמשים, ניתן להזין את תדרי הפס באופן ידני או להפיק אוטומטית על סמך כניסת מהירות דינמית או סטטית. ניתוח פס ספקטרלי יכול לסייע באבחון בעיות במכונות מסתובבות באופן ספציפי יותר.

טמפרטורה ולחות

ניטור טמפרטורה ולחות יכול להיות חשוב במרכזי נתונים, מחסנים, חדרים נקיים, מקררים או צ'ילרים. חיישן טמפרטורה ולחות כמו DX80N9Q45THA‏ יכול לעזור עבור:

• שימור סחורות כמו תוצרת טרייה או חיסונים שבהם הכרת הטמפרטורה והלחות חיונית לשמירה לטווח ארוך ולמניעת קלקול
• הגנה על ציוד כמו שרתים והתקני אחסון במרכז נתונים שבו טמפרטורה או לחות חריגות עלולות להפריע לפעולה רגילה או להוביל לתקלות
• שיפור הבריאות והבטיחות של אנשים במחסנים ובמתקנים אחרים שבהם לחות גבוהה עלולה להקשות על העובדים לשמור על קור בטמפרטורות גבוהות ולהוביל לתשישות חום

תחום מדידת טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד C‏°‏85‏+ עם רזולוציה של C‏°‏0.1‏ ודיוק של C‏°‏0.6‏± מ-C‏°‏40‏- עד C‏°‏0‏, C‏°‏0.4‏±‏ מ-C‏°‏0‏ עד 60°C‏+, ו-C‏°‏1.2‏±‏ מ-C‏°‏60‏- עד 85°C‏+. חיישן הלחות יכול למדוד RH‏ מ-0% עד 100% עם דיוק של ±2% ב- C‏°‏25‏+, %‏3‏± מ-C‏°‏0‏ עד 70°C‏+, RH‏ מ-%‏10‏ עד %‏90‏, ו-%‏7‏±‏ מ-C‏°‏0‏ עד 70°C‏+ ו-RH‏ %‏0‏ עד %‏10‏ או %‏90‏ עד %‏100‏.

כשהיחידה מופעלת, היא פועלת במצב דגימה מהיר ושולחת נתונים כל שתי שניות. לאחר חמש דקות, הצומת נכנס לאופן ברירת המחדל ושולח נתונים במרווחים של חמש דקות. קצבי דגימה של 15 דקות או 64 שניות ניתנים לבחירה על-ידי המשתמש.

דגמים עם התקני רדיו של MHz‏ 900‏ משדרים ב-W‏ 1‏ (dBm‏ 30‏) או mW‏ 250‏ (dB‏ 24‏ ניתן-לבחירה על-ידי המשתמש). אופן mW‏ 250‏ מקטין את הטווח אך משפר את חיי הסוללה ביישומים קצרי-טווח. עבור דגמי GHz‏ 2.4‏, הספק השידור הוא קבוע סביב mW‏ 65‏ (dBm‏ 18‏). כאשר הוא פועל באופן אחסנה, התקן הרדיו כבוי כדי לחסוך בחיי הסוללה.

סיכום

מערכות EHM יעילות במפעלי Industry 4.0 מנטרות רעידות וטמפרטורה כדי להבטיח רמות גבוהות של זמינות הציוד. חיישני לחות וטמפרטורה יכולים גם לשפר את ביצועי הפעולה של מרכזי נתונים ולשמור סחורות כמו חיסונים או תוצרת טרייה בפעולות מחסן ולוגיסטיקה. מערכות אלו יכולות להשתמש בחיבוריות חוטית או אלחוטית כדי לנטר מספר פרמטרים.