Comment la surveillance multicapteur des actifs peut améliorer les performances dans les data centers et dans les usines et la logistique de l'Industrie 4.0

La surveillance des machines pour des paramètres tels que les vibrations et la température peut fournir des données en temps réel sur les performances et l'état de la machine, et offrir aux fabricants les données dont ils ont besoin pour planifier une maintenance proactive, réduire les temps d'arrêt et améliorer la productivité.

La surveillance de l'humidité et de la température dans les installations logistiques ou pendant le transport peut améliorer les performances opérationnelles et préserver les marchandises comme les vaccins ou les produits frais. Des systèmes de surveillance environnementale avec connectivité filaire et sans fil sont disponibles pour s'adapter à diverses applications, y compris les data centers d'entreprise et cloud.

La surveillance des vibrations peut être utile pour identifier les problèmes potentiels des machines avant qu'ils ne surviennent. La norme 10816 de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) peut être une référence importante. Elle fournit des conseils pour évaluer la sévérité des vibrations dans les moteurs utilisés pour les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les boîtes de vitesses, les souffleurs, les séchoirs, les presses et les machines similaires qui fonctionnent dans la gamme de fréquences de 10 Hz à 1000 Hz.

Cet article présente quelques considérations clés sur le choix entre une connectivité filaire et sans fil pour les systèmes de surveillance, et explique pourquoi l'utilisation de réseaux filaires et sans fil n'est pas un choix entre l'un ou l'autre. Il détaille ensuite les quatre classes de sévérité vibratoire telles que définies dans la norme ISO 10816. Il se termine par l'examen de diverses options pour la mise en œuvre de systèmes de surveillance filaires ou sans fil, y compris l'utilisation de multiples capteurs pour la surveillance des vibrations, de la température, de l'humidité et des applications représentatives.

Banner Engineering offre un choix de passerelles de surveillance de l'état des équipements (EHM) qui fournissent un accès aisé aux données du réseau EHM. Les concepteurs EHM industriels peuvent choisir entre les solutions de passerelles filaires SNAP ID de l'entreprise avec un affichage local pour les mesures des capteurs ou un tableau de bord cloud en option, et les passerelles sans fil CLOUD ID conçues pour se connecter directement à un tableau de bord cloud (Figure 1). Les caractéristiques communes de ces deux options incluent les suivantes :

• Gamme de capteurs parmi lesquels choisir pour optimiser le fonctionnement EHM
• Déploiement rapide, soutenu par la reconnaissance automatique des capteurs connectés sans programmation supplémentaire
• Données de capteurs facilement disponibles pour ajuster l'équipement ou planifier la maintenance nécessaire afin de minimiser les temps d'arrêt et de maximiser la productivité
• Prise en charge de la connectivité cloud par les deux systèmes
• Tableaux de bord préconfigurés disponibles et personnalisables pour une visualisation optimale des données

Figure 1 : Les passerelles EHM filaires SNAP ID (à gauche) et sans fil CLOUD ID (à droite) de Banner présentent plusieurs fonctionnalités communes. (Source de l'image : DigiKey)

Passerelle EHM filaire ou sans fil ?

Bien qu'elles présentent certaines caractéristiques communes, il existe des différences essentielles entre les passerelles EHM filaires et sans fil. La passerelle de surveillance des actifs (AMG) AMG-SNAP-ID prend en charge la mise en service, la surveillance et les alarmes pour jusqu'à 20 capteurs et convertisseurs. Elle prend en charge la connectivité Modbus et SNAP SIGNAL de Banner et recherche des capteurs ou des convertisseurs individuels, en détectant automatiquement les informations relatives au modèle. Les utilisateurs peuvent modifier et attribuer des numéros d'identification de serveur Modbus pour créer et mettre en service des solutions EHM personnalisées. Les dispositifs connectés peuvent être regroupés et des seuils peuvent être attribués aux alarmes individuellement. L'état de l'alarme est visible sur l'écran tactile et par la couleur du voyant sur le dessus du boîtier.

Si une connexion directe au cloud est nécessaire, les concepteurs de systèmes EHM peuvent se tourner vers la passerelle IIoT DXM1200-X2 permettant de connecter jusqu'à 200 dispositifs de Banner et de tiers pour fournir des données sur les performances et l'état des machines. Elle peut détecter automatiquement les nœuds de capteurs, s'y connecter et transmettre des données au logiciel Banner Cloud. Les développeurs peuvent choisir entre des outils de programmation simples ou complexes. La passerelle IIoT peut traiter les informations en périphérie, puis les envoyer via les réseaux Ethernet et cellulaires afin de les surveiller partout dans le monde avec un tableau de bord cloud intuitif (Figure 2).

Figure 2 : Les passerelles de réseau de capteurs IIoT sans fil (à gauche) et filaire (à droite) incluent plusieurs fonctionnalités communes. (Source de l'image : Banner Engineering)

Architectures EHM filaires et sans fil

Les architectures EHM filaires et sans fil ne s'excluent pas mutuellement. Les systèmes filaires peuvent contenir des éléments sans fil, et les architectures sans fil incluent souvent une connectivité filaire.

Par exemple, une architecture EHM filaire de base peut inclure plusieurs boîtes de jonction connectées à plusieurs capteurs tels que le R50-4M125-M125Q-P à 4 ports et le R95-8M125-M125Q-P à 8 ports. Les radios de données série Sure Cross R70SR de Banner, comme les radios R70SR9MQ 900 MHz et R70SR2MQ 2,4 GHz, peuvent étendre la portée du réseau sans câblage supplémentaire. Les caractéristiques de ces radios incluent les suivantes (Figure 3) :

• Interface série RS-485
• Prise en charge des topologies de réseau à structure arborescente et en étoile
• Prise en charge d'un réseau radiofréquence auto-régénérateur à routage automatique multi-sauts pour étendre davantage la portée du réseau
• Technologie d'étalement du spectre à sauts de fréquence (FHSS) pour des transmissions de données fiables

Figure 3 : Topologie de surveillance des actifs filaire de base (à gauche), et exemple d'un groupe de capteurs à distance connectés sans fil (à droite). (Source de l'image : DigiKey)

Dans une grande installation, de nombreux systèmes peuvent être répartis sur une vaste zone, notamment :

• Compresseurs d'air
• Systèmes de pompage
• Systèmes de convoyeurs
• Nombreux moteurs et machines électriques
• Boîtes de vitesses
• Systèmes de filtration d'air
• Mesure et surveillance du niveau dans les réservoirs de stockage

Dans ces cas, les performances du système EHM peuvent être améliorées en combinant les technologies filaires et sans fil. La passerelle IIoT sans fil DXM1200-X2 mentionnée ci-dessus inclut une connectivité filaire Modbus. Si Ethernet est nécessaire, les concepteurs peuvent se tourner vers le DXMR90-X1. Le DXMR90-4K peut implémenter les fonctions maître/contrôleur IO-Link. En plus du choix entre Modbus, Ethernet et IO-Link, les concepteurs peuvent utiliser les radios de données série R709 pour fournir une connectivité sans fil aux actifs physiquement dispersés (Figure 4).

Figure 4 : Les passerelles sans fil IIoT (en bas à gauche) sont disponibles avec une connectivité Modbus, Ethernet et IO-Link. (Source de l'image : Banner Engineering)

Sévérité vibratoire selon ISO 10816

La norme ISO 10816 est une norme importante pour les systèmes EHM. Elle quantifie la sévérité des vibrations pour des machines telles que les pompes, les générateurs et les moteurs électriques. La norme utilise la valeur efficace (rms) de l'accélération, du déplacement ou de la vitesse de vibration. La norme ISO 10816 tient également compte des valeurs crête-à-crête. La sévérité vibratoire a la valeur efficace la plus élevée lorsque deux paramètres ou plus sont mesurés. La norme classe la sévérité vibratoire en quatre niveaux :

• « Good » (bon) indique généralement des machines récemment mises en service.
• « Satisfactory » (satisfaisant) indique la région de fonctionnement sans restriction.
• « Unsatisfactory » (non satisfaisant) indique que le fonctionnement doit être limité et qu'une maintenance préventive doit être planifiée.
• « Unacceptable » (inacceptable) indique que la machine risque d'être endommagée.

Figure 5 : La norme CEI 10816 comprend quatre catégories de sévérité vibratoire. (Source de l'image : Banner Engineering)

Vibration et apprentissage automatique

Même les machines « identiques » ne sont pas des répliques exactes. C'est là que l'apprentissage automatique (ML) entre en jeu. Banner Engineering propose VIBE-IQ, un progiciel de surveillance des vibrations qui utilise l'apprentissage automatique pour établir une valeur de fonctionnement de base unique pour les vibrations de chaque machine. Le logiciel ML définit ensuite automatiquement les seuils d'avertissement et d'alarme. Il peut automatiser les calculs et analyses EHM complexes. Les fonctionnalités de VIBE-IQ incluent les suivantes :

• Surveillance continue de la vitesse efficace de 10 Hz à 1000 Hz, de l'accélération haute fréquence efficace de 1000 Hz à 4000 Hz, et de la température
• Surveillance des moteurs en fonctionnement uniquement
• Utilisation des données pour l'analyse des tendances et la surveillance en temps réel pour identifier des conditions telles que :
  • Systèmes désalignés ou déséquilibrés
  • Composants usés ou desserrés
  • Usure excessive des roulements
  • Moteurs incorrectement montés ou entraînés
  • Conditions de surchauffe
• Envoi proactif d'alertes au contrôleur hôte ou au cloud

Vibration et température

Les vibrations ne sont pas le seul signe indiquant qu'une machine doit faire l'objet d'une maintenance préventive. Une tendance à la hausse de la température peut également alerter le système EHM de problèmes potentiels, en particulier si la hausse de la température est corrélée à une augmentation des vibrations.

La combinaison des deux paramètres donne une image plus complète de l'état de l'équipement. Ils peuvent alerter les opérateurs sur différents ensembles de conditions et offrir de multiples avantages :

• Les vibrations peuvent mettre en évidence des problèmes mécaniques tels que des désalignements, des déséquilibres, l'usure des roulements, etc.
• L'augmentation de la température peut indiquer des problèmes électriques tels que la surchauffe des enroulements ou des problèmes de lubrification.
• Lors de la détection d'un fonctionnement anormal, la corrélation des vibrations hors bande et de la température peut aider à identifier les causes possibles. Par exemple, les modèles de vibrations peuvent aider à identifier la cause profonde.
• La planification de la maintenance préventive peut être facilitée par la surveillance de la température et des vibrations. Une augmentation progressive de la température n'est pas nécessairement aussi problématique qu'une augmentation des vibrations pouvant exiger une correction plus immédiate.
• Apprenez comment améliorer la sélection et l'utilisation des actifs à long terme en utilisant les données des capteurs pour identifier les limites de fonctionnement potentielles avant qu'elles ne deviennent des problèmes.

Lorsque la température et les vibrations doivent être surveillées, les concepteurs de systèmes EHM peuvent se tourner vers le capteur QM30VT2 en boîtier en aluminium ou le QM30VT2-SS-QP en boîtier en acier inoxydable, tous les deux de Banner Engineering. Ces deux capteurs peuvent se connecter à une radio Modbus ou à tout réseau Modbus en tant que périphérique esclave via RS-485. Grâce à leur facteur de forme compact, ils peuvent s'intégrer dans des espaces restreints (Figure 6). Les autres fonctionnalités incluent :

• Mesures haute précision de la température et des vibrations
• Plage de mesure de température de -40°C à +105°C, avec une résolution de 1°C et une précision de ±3°C
• Détection des vibrations sur deux axes jusqu'à une bande passante de 4 kHz avec une précision de ±10 % à 25°C et une fréquence d'échantillonnage par défaut de 20 kHz
• Sorties pour la vitesse efficace, l'accélération haute fréquence efficace, la vitesse de crête et d'autres paramètres pré-traités à partir des formes d'ondes vibratoires

Figure 6 : Des capteurs de vibrations et de température à deux axes peuvent être montés directement sur le logement du moteur (à droite). (Source de l'image : Banner Engineering)

La mesure de la bande spectrale des vibrations est une fonctionnalité avancée. Elle permet aux utilisateurs de diviser la transformation de Fourier rapide (FFT) à large bande pour obtenir des données de vitesse ou d'accélération efficaces pour des bandes de fréquences plus étroites en plus des données scalaires de 10 Hz à 1000 Hz et de 1000 Hz à 4000 Hz. Selon les besoins des utilisateurs, les fréquences de bande peuvent être saisies manuellement ou générées automatiquement en fonction d'une entrée de vitesse dynamique ou statique. L'analyse de bande spectrale peut aider à diagnostiquer les problèmes des machines tournantes de manière plus spécifique.

Température et humidité

La surveillance de la température et de l'humidité peut être importante dans les data centers, les entrepôts, les salles blanches, les réfrigérateurs ou les refroidisseurs. Un capteur de température et d'humidité comme le DX80N9Q45THA peut aider dans les tâches suivantes :

• Conservation de marchandises tels que des produits frais ou des vaccins, pour lesquels il est essentiel de connaître la température et l'humidité afin de garantir leur viabilité à long terme et d'éviter leur détérioration
• Protection d'équipements tels que des serveurs et des dispositifs de stockage dans un data center où une température ou une humidité excessive peut interférer avec le fonctionnement normal ou entraîner des pannes
• Amélioration de la santé et de la sécurité des personnes dans les entrepôts et autres installations où une humidité élevée peut affecter les travailleurs en cas de hautes températures, pouvant entraîner un épuisement dû à la chaleur

La plage de mesure de la température s'étend de -40°C à +85°C avec une résolution de 0,1°C et une précision de ±0,6°C de -40°C à 0°C, ±0,4°C de 0°C à +60°C et ±1,2°C de +60°C à +85°C. Le capteur d'humidité peut mesurer de 0 % à 100 % HR avec une précision de ±2 % à +25°C, ±3 % de 0°C à +70°C et de 10 % à 90 % HR, et ±7 % de 0°C à +70°C et de 0 % à 10 % ou de 90 % à 100 % HR.

Lorsque le dispositif est activé, il fonctionne en mode d'échantillonnage rapide et envoie des données toutes les deux secondes. Après cinq minutes, le nœud entre en mode par défaut et envoie des données à des intervalles de cinq minutes. Des fréquences d'échantillonnage de 15 minutes ou de 64 secondes sont sélectionnables par l'utilisateur.

Les modèles équipés de radios 900 MHz transmettent à 1 W (30 dBm) ou 250 mW (24 dB, sélectionnable par l'utilisateur). Le mode 250 mW réduit la portée mais améliore la durée de vie de la batterie dans les applications à courte portée. Pour les modèles 2,4 GHz, la puissance de transmission est fixée à environ 65 mW (18 dBm). En mode stockage, la radio s'éteint pour préserver la durée de vie de la batterie.

Conclusion

Les systèmes EHM efficaces dans les usines de l'Industrie 4.0 surveillent les vibrations et la température pour garantir des niveaux élevés de disponibilité. Les capteurs d'humidité et de température peuvent également améliorer les performances opérationnelles des data centers et préserver les marchandises telles que les vaccins ou les produits frais dans les installations de stockage et de logistique. Ces systèmes peuvent utiliser une connectivité filaire ou sans fil pour surveiller plusieurs paramètres.