V současném průmyslu a strojírenství se dynamicky rozvíjejí technologie, které jsou neodmyslitelnou součástí automatizace a optimalizace výrobních procesů.
Klíčovou roli zde hrají pohony a motory, které představují srdce každého stroje, zajišťují jeho pohyb a funkcionalitu. Významnou roli v těchto systémech zaujímá také výkonová elektronika, která zajišťuje efektivní řízení a regulaci výkonu, což umožňuje maximální využití energetických zdrojů a minimalizaci ztrát.
Další oblastí, která je pro průmyslové aplikace klíčová, jsou kompresory, které se využívají nejen v chladicích systémech, ale i v různých technologiích pro stlačený vzduch. Spolu s nimi jsou důležitými komponenty také hydraulické a pneumatické systémy. Tyto fluidní technologie nacházejí uplatnění v široké škále aplikací, od přesného řízení pohybu v průmyslové automatizaci až po robustní a výkonné systémy
v těžkém průmyslu.
Tento článek se zaměří na současné trendy prediktivní údržbě těchto systémů, která se opírá o měřicí přístroje umožňující monitorování a včasnou detekci potenciálních problémů. Výsledkem bude komplexní přehled o tom, jak se tyto technologie vzájemně doplňují, jak jejich měření a údržba přispívají k minimalizaci poruch, a společně tak zajišťují vyšší efektivitu a spolehlivost.
1. Pohony
Současné průmyslové podniky jsou plné řízených pohonů, které spotřebovávají až 70 % celkové energie v průmyslu a jejichž provoz zásadně ovlivňuje plynulost výroby. Poruchy těchto pohonů vedou k významným ztrátám, proto je klíčové provádět měření elektrických a teplotních parametrů, které umožňuje sledovat jejich stav a předcházet až 44 % poruch způsobených elektrickým stárnutím. Správná údržba a monitorování přetížení mohou výrazně zlepšit ekonomiku provozu, stabilitu výroby a snížit počet poruch.
Elektrické parametry napájecí sítě mají zásadní vliv na provozní schopnosti měniče a motoru. V současnosti napětí a proudy v síti již nejsou ideálně sinusové kvůli využívání výkonové elektroniky a nelineárních zátěží. Tento nesinusový průběh proudu i napětí ovlivňuje nejen výkon motoru a měniče, ale také zpětně působí na napájecí síť závodu. Před zahájením měření na vstupních svorkách je tedy důležité rozumět základním parametrům elektrické energie, které tyto interakce určují.
Norma ČSN EN 50160 stanovuje základní parametry kvality elektrické energie a její limity, nicméně tyto limity jsou určeny hlavně pro vztah mezi dodavatelem a odběratelem. Pro provoz a údržbu zařízení připojených na vnitřní síť závodu, včetně pohonů, jsou tyto limity často příliš benevolentní, protože kvalitu elektrické energie uvnitř závodu si provoz ovlivňuje především vlastní technologií. Proto je důležité, aby si uživatelé sami monitorovali a optimalizovali kvalitu elektrické energie.
O to je tedy důležitější vědět, které že to parametry jsou a jaké vlastnosti sítě jsou již škodlivé pro technologii a jaký vliv mají, v našem případě, na pohony. (kolísání napětí, napěťová a proudová nesymetrie, napěťové špičky, přechodové jevy a zákmity, zkreslení napětí a proudu, harmonické a neharmonické složky napětí a proudu, jejich vliv na činnost motoru a pohonu).
Výstupní napětí z měniče, které je přiváděno na pohon, se výrazně liší od napětí napájecí sítě, jak tvarem, tak frekvencí. Toto napětí není sinusové, ale obdélníkové, vzniká spínáním stejnosměrného napětí, a jeho frekvence může dosahovat až stovek kilohertzů. Výběr měřicích přístrojů pro sledování těchto parametrů musí zohlednit specifika tohoto nesinusového napětí. Účinnost měniče závisí na rychlosti přechodu spínacích prvků mezi sepnutým a rozepnutým stavem, výrobci usilují o to tento stav co nejvíce zkrátit, aby zlepšili výkon zařízení.
Měření napětí či výkonu na výstupu měniče pomocí přístrojů určených pro síť 50 Hz poskytuje nesprávné výsledky. Pro správné měření je nutné použít průmyslový osciloskop s rozsahem alespoň 100 MHz a čtyřmi izolovanými kanály, který zajišťuje bezpečnost a odolnost proti přepětí.
Použití běžného osciloskopu s více kanály pro měření napětí mezi fázemi na výstupu měniče vede k mezifázovému zkratu. Připojení prvního kanálu osciloskopu může přivést napětí výstupu měniče na kostru osciloskopu. Připojením druhého kanálu dojde k propojení fází přes kostru, což způsobí tvrdý zkrat.
Běžné osciloskopy, zejména ty s bezpečnostní kategorií II CAT 300 V, nejsou dostatečné pro měření na silových částech, což představuje riziko napěťového průrazu, poškození měniče, nebo dokonce odstavení výrobního zařízení. Proto je nutné používat osciloskopy s izolovanými kanály a vhodnou bezpečnostní kategorií, minimálně CAT III 600 V, nejlépe CAT IV 1 000 V jako je Fluke MDA-550 řady III.
Pro správnou funkci motoru napájeného z měniče nebo přímo ze sítě je nutné ověřit napěťovou symetrii všech tří fázových napětí. Vzhledem k vysoké frekvenci nelze použít standardní funkce analyzátorů kvality sítě, takže je třeba provést výpočet nesymetrie a měření napětí pomocí bezpečného osciloskopu. Je důležité také ověřit proudovou symetrii, protože i při symetrickém napětí může být proud v jednotlivých fázích odlišný, což může naznačovat problém s motorem. K měření proudu se doporučuje použít osciloskop s třemi vstupy a proudovými kleštěmi.
2. Elektromotory
Klíčovým parametrem, který je nutné kontrolovat při údržbě, je izolační stav vinutí motoru. Tento parametr zásadně ovlivňuje provozní schopnosti motorů a většina poruch motorů je způsobena zhoršením nebo poškozením izolace vinutí, ať už proti kostře motoru, mezi jednotlivými cívkami, nebo mezi závity vinutí.
Základní měření izolačního stavu vinutí motoru se provádí přiložením stejnosměrného napětí na jednotlivé cívky a výpočtem odporu. To se dá provést pomocí běžného měřiče izolačního stavu. Izolační stav vinutí se ale mění s časem a teplotou, což ovlivňuje životnost izolace. Pouhé měření izolačního odporu nemusí být dostatečným ukazatelem stavu motoru, protože dlouhodobé překračování provozní teploty již jen o 10 °C může zkrátit životnost izolace o 50 %.
Při měření izolačního stavu vinutí motoru se sleduje proud, který je zpočátku, díky kapacitní složce, je vysoký a postupně klesá. Tento pokles je ovlivněn stavem a "elektrickým" stářím izolace. Pro hodnocení stavu izolace je vhodné využívat polarizační index (PI), což je poměr odporu naměřeného po jedné a deseti minutách od připojení napětí. Vysoké PI (> 4) znamená dobrou, mladou izolaci, zatímco nízké PI (<1,5) indikuje velmi starou izolaci, která může způsobit poruchu. Je důležité sledovat PI v čase a zaznamenávat výsledky, zvláště u velkých a drahých motorů.
Měření izolačního odporu a polarizačního indexu (PI) je užitečné pro posouzení stavu izolace motoru, ale nedává dostatek informací o potenciálních mezizávitových zkratech nebo napěťově závislých poruchách. Pro diagnostiku těchto problémů se doporučuje test rázovou vlnou, který umožňuje detekci změn v indukčnosti, odporu a kapacitě vinutí motoru, což odhalí problémy jako mezizávitové zkraty. Dále je možné použít mikroohmetr s čtyřvodičovou metodou pro přesné měření odporu cívek, což kompenzuje vliv měřicích kabelů a přechodového odporu.
Přístroj MotorAnalyzer 2 integruje několik metod měření včetně PI, DAR, rázové vlny a měření izolačního odporu do 6 kV, což umožňuje komplexní diagnostiku motoru bez nutnosti přepojování během testů.
Mezi doplňkové testy při údržbě motorů patří měření indukčnosti cívek, kapacity vinutí vůči kostře, test směru otáčení motoru, hledání neutrální zóny komutátoru a mezizávitových zkratů. MA 2 umožňuje automatické testování, při kterém se jedním stiskem tlačítka změří odpory, indukčnosti, impedance, izolační odpor a provede se rázový test na všech vinutích. Díky integrovaným relé není nutné přepojovat měřicí kabely. Tento přístroj také umožňuje testovat s rostoucím napětím až k přednastavené hodnotě, což pomáhá odhalit napěťově závislé poruchy vinutí. Pravidelná kontrola pomocí tohoto zařízení může významně přispět k předcházení haváriím motorů.
Změny teploty v jednotlivých částech pohonu jsou indikátorem škodlivých jevů nebo odchylek od optimálního stavu. Monitorování teploty umožňuje identifikovat problémová místa a potřebu dalších měření. Dnes je možné efektivně a pohodlně kontrolovat teplotu pomocí bezkontaktních metod, jako je použití termokamery.
Při používání termokamery ke kontrole stavu pohonů je klíčové vybrat správný typ kamery. Ne všechny kamery jsou vhodné pro tento účel, a proto se nelze spoléhat jen na barevný obraz na displeji nebo nízkou cenu. Na trhu je široký sortiment termokamer s velmi odlišnými vlastnostmi, a levné modely často nesplňují požadavky potřebné pro měření v údržbě. Je důležité vybírat kamery, které jsou optimalizované pro konkrétní účel a nejsou levnými nebo nevyhovujícími produkty, často pocházejícími z čínské výroby.
Výrobní závody, které fungují nepřetržitě, musí předcházet neplánovaným výpadkům, což je hlavní úkol údržby. V moderních závodech se proto zavádí prediktivní údržba, která zahrnuje častější kontroly klíčových zařízení, jako jsou rozváděče, a monitorování jejich stavu před a po opravách. Aby se předešlo závislosti na externích inspektorech, mít vlastní termovizní kameru vyškoleného pracovníka na úroveni termografisty tak, aby mohl provádět tyto kontroly interně a hlavně pravidelně.
Při údržbě pohonů je termokamera klíčovým nástrojem pro detekci počínajících problémů. Například malá nesymetrie napětí (1 %) může způsobit výraznou nesymetrii proudu (až 9 %), což vede k přehřívání vinutí motoru a snížení jeho životnosti. Toto přehřívání je viditelné na povrchu motoru, svorkách, nebo i dalších částech pohonu. Kvalitativní kontrola termokamerou by se neměla provádět jen jednou ročně, ale minimálně jednou měsíčně, zvláště u kritických pohonů, aby se včas detekovaly a vyhodnotily případné změny teploty a předcházelo se poruchám.
Termokamerou se měří povrchová teplota, zatímco vnitřní teplota vinutí motoru je obvykle o 10 °C vyšší. Při měření je důležité správně nastavit emisivitu povrchu motoru na kameře, což umožňují všechny vhodné termokamery pro údržbu pohonů. Správné zaostření kamery je klíčové, protože nezaostřený snímek může mít chybu až 5 °C. Kamery jako: FLUKE Ti300+, Ti401 PRO nebo Ti480 PRO + mají automatické ostření pomocí laserového měření vzdálenosti, což umožňuje zaostření na správné místo i přes překážky, jako je plot. Kamery s běžným způsobem zaostřování to nezvládnou.
Po vyhodnocení změny teploty je třeba zjistit příčiny a zkontrolovat elektrické poměry na svorkách pohonu pomocí analyzátoru, nebo klešťového multimetru, který lze přes Bluetooth připojit k termokameře, vyhodnotit nesymetrii napětí a proudu, přítomnost harmonických, a také prověřit meziobvod a výstup měniče osciloskopem. Pravidelná kontrola teplotního stavu pohonů umožňuje včas identifikovat počínající selhání, což umožňuje vyměnit nebo opravit pohon s nižšími náklady, než kdyby došlo k jeho úplnému zničení.
Pro správné vyhodnocení měřené teploty je kromě správně nastavené emisivity důležité i rozlišení kamery a vzdálenost, ze které se měří. Čím je kamera dále a má nižší rozlišení, tím větší plochu měřeného místa zachytí. Klíčovým parametrem pro tuto schopnost kamery je IFOV (udávaný v miliradiánech), který určuje minimální potřebné rozlišení pro danou vzdálenost. V elektrotechnice je minimální bezpečná vzdálenost obvykle 80 cm, a pro měření v údržbě pohonů se doporučuje rozlišení kamery alespoň 240 × 180 bodů.
V neposední řadě musíme zmínit vibrace. Pochopení a správa vibrací motorových soustrojí jsou klíčové pro zdraví a výkon průmyslových zařízení. Je to důležitý faktor při hodnocení dynamických podmínek, včetně vyvážení, vad ložisek a namáhání komponentů.
Vibrace pohonů jsou kmitání nebo pohyby, které motor nebo jeho součásti produkují během provozu strojů. Měření vibrací na motorech se provádí pomocí akcelerometrů a měřičů vibrací pro posouzení amplitud a frekvencí vibrací.
Amplituda vibrací udává velikost pohybu mechanických částí. Amplituda vibrací se měří v mikrometrech, milimetrech nebo metrech v jednotkách vibrací zrychlení, posunutí nebo rychlosti.
Mezi příčiny vibrací motorových soustrojí patří nevyvážené zátěže, nedostatečná souosost soustrojí a opotřebovaná nebo poškozená ložiska. Detekce těchto příčin pomocí měření vibrací umožňuje včasnou diagnózu a prevenci potenciálních poruch, čímž se zajišťuje jejich spolehlivost.
Zde technici údržby váhají s ověřování stavu vibrací vzhledem k roky budované aureole složitosti tohoto měření. Při použití přístroje Fluke 810 může kontrolu stavu mechanické části, především ložisek provádět i technik, který není specialistou ve vibrotechnice. Přístroj je totiž vybaven vlastní databází naměřených spekter a je schopen vést pracovníka v postupu měření, automaticky měření vyhodnotit a označit stav jednotlivých ložisek.
U vibrací musíme brát v potaz, že prvotní jev při nastávajícím problému na ložiscích je zvuk. Tento zvuk se nicméně nachází ve frekvencích, které lidské ucho není schopné zaznamenat, jedná se o ultrazvuk. Po ultrazvuku přicházejí vibrace, následuje teplota (termovize), slyšitelný hluk, kontaktní teplota a jak to, tak bývá v pátek odpoledne se ložisko zadře.
Detekcí ultrazvuku, který je prvotní indikací degradujícího ložiska. Přístroj, který touto diagnostikou disponuje je akustická kamera Fluke ii910 s režimem MecQ™ představuje moderní průmyslový detekční nástroj.
S využitím akustického zobrazování kamera ii910 zachycuje a analyzuje ultrazvuk produkovaný opotřebenými mechanickými součástmi. Velká výhoda ii910 je, že nevyžaduje těsný kontakt s kontrolovanými objekty. Umožňuje uživatelům rychle a přesně určit počínající závadu(problém), dokonce i při hlučném výrobním procesu.
3. Pneumatika
Pneumatika hraje v průmyslu zásadní roli, neboť stlačený vzduch je široce využívané médium v mnoha aplikacích, ať už jde o pohon strojů, nářadí, dopravu materiálu, nebo chlazení. Jedná se o médium, které je praktické, čisté a relativně bezpečné, avšak jeho výroba je energeticky velmi náročná. Proto je stlačený vzduch považován za jedno z nejdražších energetických médií v průmyslu.
Výroba stlačeného vzduchu vyžaduje značnou spotřebu energie, což často představuje až 10 % celkové spotřeby elektrické energie v průmyslových závodech. Pro srovnání, výroba stlačeného vzduchu může být až desetkrát energeticky náročnější než přímé elektrické napájení strojů. Velké množství energie se přeměňuje na teplo a pouze část se využije pro samotnou výrobu stlačeného vzduchu. Ztráty při výrobě a distribuci stlačeného vzduchu mohou dosahovat až 30 % energetických nákladů, což znamená značné finanční výdaje.
Kromě energetické náročnosti je dalším důležitým faktorem údržba a efektivní správa systémů pro stlačený vzduch. Velmi častým a nákladným problémem jsou úniky stlačeného vzduchu. Tyto úniky mohou zůstat dlouho neodhaleny, protože stlačený vzduch je neviditelný a v hlučném prostředí neslyšitelný, ale jejich důsledky mohou být pro firmu finančně velmi náročné. I drobné úniky mohou přispět k výraznému zvýšení spotřeby energie a snížení účinnosti celého systému. Studie ukazují, že úniky stlačeného vzduchu mohou představovat až 30 % veškeré spotřeby tohoto média v průmyslových podnicích. Při dostatečně velkém počtu úniků to znamená, že firmy platí nemalé peníze za vzduch, který není využitý pro výrobu.
Řešením problému energetické náročnosti pneumatických systémů a úniků stlačeného vzduchu je pravidelná údržba a využívání moderních technologií pro detekci úniků. Jedním z nejpokročilejších nástrojů je akustická kamera Fluke ii910, která dokáže detekovat úniky stlačeného vzduchu, vakua a vzácných plynů během plného provozu. Kamera pracuje na principu zachycování ultrazvukových vln, které úniky vytvářejí, a pomocí systému SoundMap™ zviditelňuje zvukové vlny na vizuálním obrazu, čímž umožňuje technikům snadno identifikovat problémová místa. Tento přístroj umožňuje nejen odhalit úniky v těžko dostupných místech, ale také kvantifikovat velikost netěsností a odhadnout jejich finanční dopad pomocí režimu LeakQ™. Vzhledem k tomu, že detekce úniků stlačeného vzduchu může výrazně snížit energetické ztráty, investice do tohoto přístroje se rychle vrátí v podobě úspor energie a zvýšení efektivity.
K ještě pokročilejším řešením patří Fluke SV600, autonomní akustický snímač, který umožňuje nepřetržité monitorování úniků vzduchu, páry a vzácných plynů v reálném čase. Tento systém je schopen detekovat změny v akustických signaturách zařízení, což umožňuje odhalit problémy ještě před tím, než způsobí závažné poruchy. SV600 lze integrovat do systémů řízení výroby (PLC), což umožňuje nastavení automatických alarmů, zastavení výroby a preventivní údržbu. Tímto způsobem se minimalizuje riziko nákladných odstávek a maximalizuje bezpečnost a efektivita provozu. Přístroj lze umístit i do nebezpečných nebo těžko přístupných oblastí a je schopen vizualizovat a lokalizovat zvukové události, což z něj činí ideální řešení pro nepřetržitý dohled nad průmyslovými systémy.
Další výhodou je možnost použití SV600 v kombinaci s mobilním robotem Spot od společnosti Boston Dynamics, který je schopen autonomně se pohybovat po výrobním prostředí a provádět inspekce i v těžko dostupných nebo nebezpečných oblastech. Spot, vybavený akustickým snímačem SV600, může na základě předem naprogramovaných tras a časových harmonogramů monitorovat úniky a zvukové anomálie, aniž by bylo nutné fyzické zapojení člověka. Toto řešení umožňuje nepřetržité sledování, snižuje riziko pro pracovníky a optimalizuje procesy údržby.
Celkově lze říci, že pneumatika v průmyslu je velmi užitečný nástroj, ale její energetická náročnost a ztráty způsobené úniky vzduchu mohou výrazně zvýšit provozní náklady. Firmy, které se zaměřují na efektivní správu svých pneumatických systémů, mohou dosáhnout významných úspor, zvýšení produktivity a snížení ekologické zátěže CO2 spojené s energetickou náročností tohoto média.
Blue Panther s.r.o.
Mezi Vodami 29, 143 00 Praha
Tel.: +420 241 762 724
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.blue-panther.cz
