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Surveillance des conditions en utilisant le lecteur comme capteur

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Les variateurs de vitesse sont utilisés depuis plus d'un demi-siècle, le principal avantage étant la réduction de la consommation d'énergie électrique. Avec les progrès d’industrie 4.0, le rôle du lecteur passe de celui de processeur de puissance pure à celui d’élément intelligent du système d’automation.

La capacité du lecteur à agir en tant que capteur intelligent en fait un choix naturel lors de la mise en œuvre de la surveillance des conditions. Dans cet article, nous présentons comment cela peut être utilisé dans des applications d’eau et d’eaux usées.

Par Norbert Hanigovszki, Jörg Dannehl, Sanjeet Kumar Dwivedi, Anna Hildebrand Jensen

Norbert Hanigovszki

Norbert Hanigovszki

Jorg Dannehl

Jorg Dannehl

Sanjeet Kumar Dwivedi

Sanjeet Kumar Dwivedi

Anna Hildebrand-Jensen

Anna Hildebrand-Jensen

1. Nouvelles capacités d'entraînement pour les applications d'eau et d'assainissement
Les variateurs de vitesse équipés de convertisseurs électroniques de puissance sont utilisés depuis plus d'un demi-siècle et aujourd'hui, plus de 20% des moteurs électriques sont entraînés par des variateurs de vitesse. La principale raison de l’utilisation de disques est la réduction de la consommation d’énergie.

Cependant, il existe également d'autres raisons d'utiliser des entraînements dans les applications d'eau et d'eaux usées, telles que le contrôle des processus (maintenir une pression constante de l'eau, évitant ainsi les fuites causées par une pression élevée), éviter les coups de bélier ou l'exploitation optimisée des puits.

Depuis l’introduction de microprocesseurs pour contrôler les disques, des fonctions supplémentaires ont été ajoutées à la fonction d’origine, à savoir celle d’un processeur de puissance. Par exemple, les entraînements sont capables de désencrasser les pompes dans les applications d’eaux usées, de contrôler plusieurs pompes dans un système en cascade dans les applications de pompage d’eau ou de contourner certaines fréquences pour éviter les résonances.

L'avancée de l'industrie 4.0 a donné un coup de pouce supplémentaire à ces fonctions supplémentaires. Alors que Industry 4.0 traite des informations et des réseaux, nous commençons à utiliser les disques en tant que capteurs intelligents et en réseau.

2. 4.0 de l'industrie dans les systèmes de moteur et d'entraînement
L'industrie 4.0 est un terme générique qui suggère une quatrième révolution industrielle qui peut être caractérisée par la mise en réseau (à la suite de la première révolution industrielle - la mécanisation, la deuxième - l'électrification et la troisième - l'automatisation).

Bien que le terme soit quelque peu vague, une définition possible pourrait être la suivante: «Industrie 4.0 décrit la mise en réseau intelligente des personnes, des objets et des systèmes en utilisant toutes les possibilités de la numérisation sur toute la chaîne de valeur».

L’impact de cette tendance sur les systèmes moteurs est une migration de ce que l’on appelle la «pyramide d’automatisation» vers les systèmes en réseau, voir la figure 1 (à gauche). Cela signifie que les différents éléments du système, tels que les moteurs, les entraînements, les capteurs et les commandes, sont interconnectés et également connectés à un nuage - où les données sont stockées, traitées, analysées et où des décisions sont prises, voir la figure 1 (à droite).

Fig1 automation pyramid left. Surveillance de l'état

Pyramide d'automatisation

Fig1 Systèmes en réseau. Condition de surveillance à droite

Systèmes en réseau

Figure 1: L'industrie 4.0 signifie la transition de la pyramide d'automatisation aux systèmes en réseau.

3. Le lecteur comme capteur
Dans les applications à variateur de vitesse, la disponibilité de microprocesseurs dans les options de communication entre variateur et bus, associée à des capteurs de courant et de tension, ouvre de nouvelles perspectives. De plus, des capteurs supplémentaires (tels que des capteurs de vibrations et de pression) peuvent être connectés au lecteur presque sans frais.

Cela permet au lecteur d'être utilisé comme capteur intelligent pour la surveillance des conditions (Figure 2). Les informations disponibles offrent divers cas d'utilisation, par exemple l'optimisation du système, l'optimisation de l'efficacité énergétique et la maintenance conditionnelle. La section suivante explore quelques exemples d'intégration de capteurs et de maintenance conditionnelle.

Fig2 Drive en tant que capteur. Surveillance de l'état

Figure 2: Lecteur en tant que capteur

4. Surveillance intégrée conditionnelle
La surveillance des conditions est une technique permettant de surveiller la santé des équipements en service. À cette fin, les paramètres clés doivent être sélectionnés en tant qu'indicateurs pour le développement de défauts. L'état de l'équipement se dégrade généralement avec le temps.

La figure 3 montre un schéma de dégradation typique, également appelé courbe PF. Le point de défaillance fonctionnelle est lorsque l'équipement ne parvient pas à fournir la fonction prévue. L'idée de la maintenance conditionnelle est de détecter la défaillance potentielle avant qu'elle ne survienne.

Dans ce cas, les actions de maintenance peuvent être planifiées avant une défaillance fonctionnelle, avec des avantages tels que: réduction des temps d'arrêt, suppression des arrêts de production inattendus, optimisation de la maintenance, réduction du stock de pièces de rechange, etc.

Courbe Fig3 PF. Surveillance de l'état

Figure 3: Courbe PF représentant l'état d'un composant jusqu'à la défaillance fonctionnelle.

4.1 Surveillance du niveau de vibration
De nombreuses défaillances mécaniques, telles que l'usure des roulements, un désalignement de l'arbre, des déséquilibres, créent une sorte de vibration. Ainsi, la surveillance des vibrations est devenue l’état de la technique pour la surveillance des machines tournantes. Il existe différentes méthodes allant de la surveillance simple de base à la surveillance hautement sophistiquée [3].

Une méthode largement utilisée est la surveillance efficace de la vitesse de vibration [2]. Il est basé sur la valeur efficace du signal de vibration mesurée par un capteur de vibration. De nombreux défauts mécaniques ont un impact significatif sur le RMS de la vibration, par exemple des déséquilibres, un désalignement de l'arbre et un relâchement.

Cependant, le défi dans les applications à vitesse variable est la dépendance de la vibration à la vitesse réelle. Les résonances mécaniques sont des exemples typiques. Celles-ci sont toujours présentes et un système de surveillance doit les gérer d'une manière ou d'une autre. Souvent, les niveaux de détection d’erreur sont définis pour le pire des cas afin d’éviter les fausses alarmes. Cela réduit la précision de la détection dans les zones de vitesse où aucune résonance n'est présente.

Si un transmetteur de vibrations approprié est monté et connecté au variateur, le variateur peut offrir une surveillance avancée en mettant en corrélation le signal du transmetteur avec des signaux internes au variateur, par exemple la vitesse, ou d'autres signaux pertinents pour l'application.

Le lecteur peut détecter les pannes à un stade précoce et donner des informations sur les feux de circulation (voir la figure 3) sur l'état d'intégrité du système pour éviter toute défaillance fonctionnelle. La maintenance peut être préparée et planifiée à l'avance, tandis que le système peut continuer à fonctionner jusqu'à la prochaine interruption de maintenance.

Le niveau de vibration dans des conditions normales et défectueuses dépend également du type, de l'emplacement et du montage du capteur. De plus, cela varie en fonction de l'application réelle à surveiller. Ainsi, une période d'apprentissage est requise. Cela peut être fait de différentes manières. La première approche consiste à apprendre les niveaux de vibration normaux pendant la période initiale de fonctionnement.

Cela signifie que l'application fonctionne normalement et que le variateur détecte les vibrations en parallèle sans affecter le fonctionnement. Lorsque suffisamment de données ont été collectées, le lecteur commence à surveiller les vibrations. Deuxièmement, le lecteur peut exécuter un cycle d'identification. Ici, le variateur commande le moteur de manière à collecter suffisamment de données.

La possibilité d'utiliser cette seconde approche dépend de l'application spécifique. Par exemple, dans un système d'alimentation en eau, la pompe peut ne pas fonctionner à pleine vitesse au moment de la mise en service.

Une configuration de test a été construite pour démontrer la fonctionnalité. Le défaut de cet essai est un désalignement de l’arbre du moteur. Un mauvais alignement de l'arbre ajoute une charge mécanique aux roulements et réduit ainsi leur durée de vie. De plus, il crée des vibrations pouvant entraîner des effets secondaires dans le système. La détection précoce d'un désalignement et d'une correction peut prolonger la durée de vie du roulement et éviter les temps d'immobilisation.

La figure 4 montre la configuration de test avec un moteur à induction entraînant une petite pompe. Un désalignement angulaire peut être créé en soulevant légèrement la plaque de base avec la poignée rouge. Un capteur de vibrations a été installé sur la plaque de base du moteur pour illustrer le concept. Le signal du capteur analogique analogique 4-20 a été connecté à l'entrée analogique du variateur.

Configuration du test Fig4. Surveillance de l'état

Figure 4: Configuration d’essai avec une petite pompe entraînée par un moteur à induction. Transmetteur de vibrations (noir / orange) monté sur la plaque de base à côté d'un moteur.

Fig5 mesure de vibration. Surveillance de l'état

Figure 5: données de test (valeur efficace de vibration en mm / s en fonction de la vitesse en tours / minute) pour deux scénarios: sans défaillance (noir, «baseline») et défectueux (en vert, «mal aligné»).


La figure 5 montre un exemple de résultats de test. La vibration mesurée en mm / s en fonction de la vitesse du moteur en valeur efficace est indiquée dans deux scénarios. Dans le premier scénario, le système est dans son état normal. Dans cet état, une mesure de base est exécutée. Les seuils d'avertissement et d'alarme sont dérivés sur la base mesurée. Pour le scénario défectueux, un désalignement de l'arbre est créé en soulevant légèrement l'embase du moteur par la poignée rouge, voir la figure 5. La vibration mesurée en mauvais état est indiquée en vert.

Dans l'exemple ci-dessus, le variateur peut détecter clairement ce défaut. Pour d'autres applications, les données de base peuvent être très différentes. Typiquement, même dans un état sain, la vibration dépend de la vitesse. Il peut même y avoir des points de résonance à prendre en compte lors de la surveillance. D'autres types de défauts, par exemple des déséquilibres, un jeu, créent des modèles différents.

Analyse de signature électrique 4.2
L'état du moteur et de l'application peut également être surveillé par analyse de signature électrique. Cette technique est à l’étude depuis de nombreuses années. Les premières études portaient sur des machines en ligne directes, et plus tard, les applications de variateur de vitesse ont également été étudiées [5,6,7]. Avec la puissance de traitement et la mémoire disponibles sur les lecteurs actuels, ces techniques peuvent désormais être intégrées aux produits en tant que fonctionnalités.

La figure 6 illustre le concept de base. Des indicateurs de condition de défaut peuvent être extraits des signaux de courant et de tension du moteur. Les composantes de fréquence des courants et des tensions peuvent être liées à des défauts du moteur ou de l'application, tels que des défauts d'alignement d'arbre ou des défauts d'enroulement du stator.

Les capteurs de courant et de tension sont des composants essentiels des entraînements. Ils fournissent les signaux nécessaires pour contrôler le moteur. Ces signaux peuvent être utilisés à des fins de surveillance. Ainsi, aucun coût de capteur supplémentaire n'est ajouté. Le traitement du signal et les techniques analytiques jouent un rôle important dans ce contexte.

Analyse du signal électrique Fig6. Surveillance de l'état

Figure 6: Analyse de signature électrique

Le variateur étant le contrôleur du moteur peut corréler les valeurs de surveillance, par exemple des harmoniques de courant spécifiques, avec d'autres informations disponibles à l'intérieur du variateur. Par exemple, connaissant l'état du contrôleur, le variateur sait quand des calculs de spectre significatifs peuvent être effectués. Comme pour la surveillance du niveau de vibration, la corrélation des valeurs surveillées avec la vitesse du moteur, la charge et d'autres données de processus pertinentes (par exemple, la pression dans les conduites d'eau) peut être effectuée pour obtenir des informations plus précises sur les défauts.

Surveillance de la charge 4.3 dans les pompes
Comme indiqué dans la section précédente, les variateurs mesurent le courant et la tension du moteur. L'objectif principal est d'utiliser ces mesures pour contrôler le moteur. La mesure primaire du courant et de la tension sert à calculer divers paramètres tels que la puissance du moteur, l’énergie, la vitesse réelle du moteur ou le couple. Et ces valeurs peuvent être utilisées pour surveiller la charge du moteur, par exemple une pompe.

Dans les applications où la charge dépend de la vitesse du moteur, l'estimation du couple peut être utilisée pour déterminer les écarts de surcharge et de sous charge. Au cours de la ligne de base, le lecteur «apprend» la distribution normale de la charge, ou l’enveloppe de charge - illustrée à la figure 7. Comme dans les fonctions précédentes, il existe une corrélation avec la vitesse du moteur.

Pendant la surveillance, le variateur peut détecter des conditions de surcharge et de sous-charge pouvant être causées par des défauts tels que: encrassement, ponçage, roue en panne, usure ou autre.

Conclusions 5
La surveillance des conditions peut être utilisée pour mettre en œuvre une maintenance conditionnelle, qui est une évolution de la maintenance corrective et préventive. Mais la surveillance des conditions repose sur les données du capteur. et l'installation de capteurs supplémentaires peut être coûteuse. Toutefois, si des variateurs de vitesse sont déjà utilisés dans l’application, ils constituent une source précieuse de données pouvant être utilisées pour la surveillance des conditions, ce qui évite des dépenses inutiles.

Références 6:
[1] DIN ISO 10816 Mechanische Schwingungen - Description de la fabrication de masques de protection contre l'usure
[3] Robert Bond Randall: Surveillance d'état basée sur les vibrations: applications industrielles, aérospatiales et automobiles
[4] Ifm: Manuel d'utilisation Capteur de vibrations VKV021, https://www.ifm.com/mounting/704575UK.pdf
[5] Hamid A. Toliyat, Subhasis Nandi, Seungdeog Choi, Homayoun Meshgin-Kelk: Machines électriques: modélisation, surveillance d'état et diagnostic des pannes, CRC Press, 2013
[6] Howard P. Penrose: Diagnostics de moteurs électriques, Success By Design; 2nd ed. édition (2008)
[7] Sanjeet Kumar Dwivedi, Jorg Dannehl: Modélisation et simulation des défauts stator et rotor des moteurs à induction et comparaison expérimentale, 2017 IEEE 11th Symposium international sur le diagnostic des machines électriques, de l'électronique de puissance et des entraînements (SDEMPED)

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