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Autodiagnóstico en las máquinas

27/03/2014

Un nivel de temperatura por encima de la media habitual o una vibración inusual en un elemento rotativo son síntomas de que una máquina puede necesitar un mantenimiento urgente.

Son sólo dos ejemplos de lo que algunos sistemas de diagnóstico pueden medir e identificar actualmente en el entorno de las máquinas industriales. El mantenimiento predictivo y la monitorización en continuo son varias de las principales aplicaciones de los sistemas de adquisición y análisis de datos.

 

Recabar información

La supervisión del funcionamiento mecánico de los componentes de las máquinas de una instalación industrial pasa por varias fases: recabar datos estadísticos sobre diversos parámetros –temperatura, vibración, etc.–, enviarlos a un ordenador y efectuar un diagnóstico.

El primer requisito para la realización de mediciones y toma de datos es contar con un sensor y un transductor. Este último aparato convierte en eléctricas las señales físicas que provoca el sensor cuando reacciona a un estímulo.

De la misma manera que un teléfono transforma la voz en una señal eléctrica y es ésta la que viaja a miles de kilómetros de distancia y no el sonido articulado, el transductor es capaz de traducir al lenguaje eléctrico, – es decir, a diferencias en el voltaje o la corriente – una medida física, como puede ser, por ejemplo, la temperatura de una máquina, el nivel de oxígeno en una dependencia o las frecuencias de vibración de un dispositivo.

Las señales generadas por el transductor pasan al acondicionador de señal, un aparato que se encarga de amplificarlas, modificarlas o seleccionar partes de ellas, con el fin de proteger o facilitar la comunicación con las llamadas unidades de adquisición de datos. Dependiendo del tipo de transductor de que se trate es necesario contar con un acondicionador de señal de unas características u otras.

Así, National Instruments –una de las empresas punteras internacionalmente en este tipo de equipamiento– especifica que para un sensor de temperatura de tipo RTD se precisa un transductor que permita la amplificación, el filtrado y la excitación de corriente; idénticas características son requeridas en el caso de que sea un sensor termistor; mientras que para un termopar, además de la amplificación y el filtrado es indispensable una compensación de unión fría (se aplica un sensor de referencia que evita que el calor que genera el propio circuito o el ruido externo influya en la medición de la temperatura que se quiere tomar).

 

El papel del DAQ

Del acondicionador de señal, los impulsos eléctricos pasan a las unidades de adquisición de datos (DAQ). La mayoría de las veces estos elementos son empleados para transformar las señales analógicas generadas por el transductor en un lenguaje que entiendan los ordenadores, es decir, una señal digital.

No es la única función que podría desempeñar un DAQ, ya que también puede tener otras capacidades, como por ejemplo disponer de contadores y temporizadores, así como de entradas y salidas analógicas y digitales. Los DAQ se integran de distintas formas con los sistemas de análisis de la instalación. La más habitual es mediante una conexión con un PC.

Para realizarla se puede optar por distintas posibilidades. La comunicación en serie está indicada en situaciones en las que los aparatos de medición se encuentran a una gran distancia del ordenador que actuará como estación de trabajo. Las conexiones en serie son normalmente del tipo RS232,pero se usan también RS485, que admite distancias de hasta 1.500 m.

Para conexiones más cercanas hay DAQ que están dotados de conexión USB, que permite un buen ancho de banda y, además, hoy cualquier ordenador viene con uno de estos conectores de fábrica. Otra opción muy utilizada son las tarjetas o placas que se pinchan a un bus del ordenador. Las ventajas de este sistema es que la velocidad de transmisión de datos es la máxima, puesto que el DAQ está conectado directamente a la computadora.

Empresas como National Instruments tienen módulos de adquisición de datos que se pueden conectar por PCI (para PC normales y por PXI/CompactPCI, para aplicaciones más robustas) y recientemente han lanzado diferentes módulos que aprovechan conexiones más novedosas, como PCI Express y PXI Express. En el mercado también es posible encontrar otros módulos que trabajan con conexiones más clásicas como por ejemplo un puerto paralelo.

 

Compra sin cables

Además de los sistemas de conexión tradicionales entre los DAQ y los PC,cada vez más aparecen en el mercado soluciones inalámbricas que permiten prescindir de las conexiones físicas.

La gran ventaja es que se ahorra tiempo de instalación, se eliminan engorros en el despliegue y resulta ideal para equipos móviles que vayan a realizar mediciones in situ, ya que se puede dejar el DAQ junto con el sensor en el lugar de medición– por ejemplo,en un entorno ruidoso, caluroso o peligroso – y efectuar la monitorización desde otro lugar más apropiado para un trabajo de análisis o supervisión.

Los sistemas sin cables son, además, menos propensos a las interferencias, ya que la comunicación se acomete de modo digital, limpiamente. Hace siete u ocho años esta posibilidad estaba en fase de pruebas –y los resultados no eran del todo satisfactorios –,pero actualmente casi todos los fabricantes ofertan algún tipo de aparato o solución con esta característica.

Es posible encontrar productos creados a partir de sistemas de alto rendimiento (que requieren también una alimentación eléctrica a tener en cuenta),soportadas en el estándar 802.11b/g (Wi-Fi), que están indicados para aplicaciones de prueba y diagnóstico, unidades DAQ móviles y análisis de vibraciones.

Otras soluciones se basan en mecanismos de bajo rendimiento, que tienen como desventaja un alcance más limitado que el Wi-Fi y un menor ancho de banda en la comunicación, pero dado su reducido consumo eléctrico (no usan pilas, pero pueden estar años funcionando) son ideales para su integración en máquinas y elementos a los que no se tenga un acceso directo, como por ejemplo en el caso de algunos elementos rotatorios o que están en condiciones medioambientalmente peligrosas.

La empresa MicroStrain comercializa un sistema que consiste en unos nodos dotados de sensores. Estos nodos codifican las señales analógicas y envían los datos por radiofrecuencia a unas bases conectadas a un PC o un portátil. Las bases leen esos datos, reconstruyen la señal analógica original y la envían al sistema de adquisición de información.

Esta firma también vende un pequeño sensor con DAQ incorporado y completamente inalámbrico. El aparato se integra en la máquina o en el elemento que va a medir y toma datos como la temperatura o las tensiones. Para la lectura de la información recabada y su paso al ordenador en el que se analizarán se utiliza una conexión por inducción. Ç

 

Análisis y control

Una vez que los datos llegan al ordenador (o al servidor,en el caso de grandes instalaciones en las que hay multitud de sensores y DAQ) entra en juego otra disciplina que abre el abanico de posibilidades en todas direcciones: la informática.

Si los datos están en un ordenador y éste se halla conectado a una red (que puede ser Internet, por ejemplo), es posible incluso acceder en tiempo real a la monitorización o al diagnóstico de una máquina desde cualquier lugar por lejano que se halle.

Cada vez hay más fabricantes y desarrolladores que consideran la adquisición de datos como un elemento añadido en la gestión total de la producción y, por lo tanto, incluyen en su software la posibilidad de conectarlo a otros paquetes y herramientas.

National Instruments dispone de programas de software para el control y análisis de los datos tomados por los sistemas de adquisición, como VirtualBench, una solución que integra el análisis del proceso de recogida de información y su presentación en pantalla. Similar a la solución anterior también se puede citar DaqView, de Iotech. Ambos sistemas hacen posible supervisar el estado de los dispositivos de los DAQ y facilitan organizar y parametrizar el hardware empleado.

Este tipo de software permite también registrar datos, bien para realizar una supervisión rápida o visual, bien para pasar esos datos posteriormente a un software especializado en el análisis que se requiera en la aplicación concreta. De la misma manera, otro paso posible para la información recopilada es su uso e integración en soluciones HMI o SCADA o en distintos paquetes de software, como los destinados al control de calidad.

En cualquier caso, es conveniente contar con la ayuda de una compañía especializada en la solución concreta que requiera la empresa (diagnósticos, mantenimientos predictivos, etc.),como puedan ser Preditec o SCM, por ejemplo, que además de orientar al cliente en la mejor solución para cada caso, tienen desarrolladas herramientas y respuestas completas (hardware y software). Algunos de estos proveedores, además, proporcionan una asistencia integral, encargándose incluso de servicios de monitorización a través de Internet.

 

Malas vibraciones

En la recopilación de datos una de las medidas que más se utilizan para la supervisión de una máquina es –según la empresa SNR – el análisis de vibraciones, especialmente en aquellas herramientas que tienen un movimiento giratorio.

Según esta firma, con este tipo de análisis se logra identificar la mayoría de los defectos encontrados en las máquinas de producción, como pueden ser el desequilibrio de los ejes, la degradación de los juegos, el desgaste de rodamientos, etc.

Además, las vibraciones provocan otro tipo de fallos a medio plazo (como el desgaste de materiales), por lo que con su análisis se detectan posibles problemas actuales y se previenen otros futuros.

 

Toma de muestras

De nada sirve tener los mejores componentes electrónicos para la adquisición de datos si luego éstos no se analizan en función de una expectativa o necesidad. En el caso del mantenimiento predictivo, es necesario saber de antemano cuáles son las pistas que indican un mal funcionamiento y luego buscar patrones similares en los datos recopilados para detectar un posible fallo o para realizar un ajuste.

Por ejemplo, en el caso de los análisis de vibraciones se pone en funcionamiento el componente del que se quiera tomar una muestra y se mide la vibración periódicamente, hasta que la pieza falle. Con esos datos en la mano ya se pueden determinar todos los límites y las señales de desgaste que aparecen, por lo que sólo hay que programar al software para que efectúe una comparación entre el modelo del laboratorio y los datos que está recopilando de la máquina en cuestión.

 

Detectar fallos

Los sistemas de detección de temperatura también pueden indicar, conforme a un modelo probado en laboratorio, si se producirá un fallo, ya que en las máquinas éste suele ir precedido de calor (debido a un excesivo rozamiento)