Neinvazívne monitorovanie stavu strojných zariadení prostredníctvom nástrojov CMTK

Iste sa zhodneme na tom, že v dnešnej dobe je zber a analýza čo najväčšieho množstva informácií už neoddeliteľnou súčasťou automatizovaného procesu i samotného konceptu inteligentného priemyslu (Industry 4.0). Takmer každý koncový zákazník dnes vyžaduje čo možno najpresnejšie informácie o stave a procese daného automatizovaného zariadenia či samotného stroja. Aplikáciou technológie IO-Link ako takej je možné rozšírenie sledovania dostupných veličín o ďalšiu širšiu škálu metadát (napr. počet cyklov, počet zopnutí, stav napájania). Samozrejme, okrem snahy merať čo najviac parametrov automatizovaných systémov je často konečným (a hlavným) cieľom najmä zníženie nákladov na údržbu a prebudovanie a optimalizovanie automatizovanej linky. To sa dá dosiahnuť viacerými spôsobmi. Jedným z nich (a treba povedať, že ide o elegantne fungujúce riešenie) je sledovanie takých ukazovateľov, s ktorými sa v pôvodnom koncepte riadiaceho systému neuvažovalo. Práve monitorovanie pomocou technológie CMTK (Condition Monitoring Tool-Kit, Balluff) umožňuje takúto ucelenú a funkčnú integráciu do existujúcej automatizovanej linky. Základom tohto riešenia je spojenie výhod komunikácie IO-Link, auto­matizovanej vyhodnocovacej jednotky a softvéru na princípe open source. Výstupom tejto technológie je zrozumiteľné monitorovanie, sprístupnenie a vizualizácia takýchto (doteraz nesledovaných či neuvažovaných) dát pre riadiace štruktúry firemnej spoločnosti (obr. 1).

Vieme, že každé automatizované zariadenie či samotný pohyblivý stroj je (ak má spoľahlivo pracovať počas celej plánovanej životnosti) treba udržovať „v kondícii“. Týka sa to najmä monitorovania a diagnostiky takých prevádzkových charakteristík, ktoré sa prejavujú napr. zvýšenými hodnotami vibrácií. Samozrejme, život daného zariadenia možno rozdeliť na viaceré etapy, počnúc jeho vznikom (vývoj, výroba, montáž a uvedenie do prevádzky) až po samotnú prevádzku.

Vhodná údržba počas prevádzky strojného zariadenia pre spoľahlivý chod je rovnako dôležitá ako správny návrh, výroba a montáž. Úlohou procesných inžinierov by nemala byť oprava poškodenia, ale najmä zabránenie (teda predchádzanie) jeho vzniku. Okrem toho chceme, aby strojné zariadenia pracovali efektívne, spoľahlivo a bezpečne. Cieľ údržby teda zjednodušene môžeme vyjadriť troma požiadavkami: dosiahnutie maximálnej produktivity, optimalizácia výkonnosti strojného zariadenia a zaistenie bezpečnej prevádzky. Pri prediktívnej údržbe je nutné zaisťovať (monitorovať, teda sledovať) aktuálny stav strojného zariadenia; možno teda povedať, že táto údržba sa nerealizuje vo vopred daných intervaloch, ale v prípade zmeny sledovaných parametrov strojného zariadenia. Na to je, samozrejme, nutné tento stav poznať a počas prevádzky ho sledovať (monitorovanie a diagnostika). Takýto prístup umožňuje predísť neplánovaným poruchám a odstávkam. Kľúčovou myšlienkou je správna informácia v správny čas. Ak vieme, ktorá časť strojného zariadenia vyžaduje výmenu alebo opravu, možno dopredu objednať náhradné diely, zaistiť personál a naplánovať odstávku. Takéto plánovanie je potom kratšie a menej nákladné i náročné. Ďalšími pridanými výhodami sú vyššia životnosť zariadenia, vyššia bezpečnosť, menej nehôd s negatívnym dosahom na životné prostredie, optimalizácia či hospodárenie s náhradnými dielmi.

Čo hovorí norma?

Signál od vibrácií nesie informáciu o príčine vibrácií a následne jeho analýzou pomocou rôznych metód vieme zistiť vznikajúcu alebo rozvíjajúcu sa poruchu. Pri rotačných strojných zariadeniach je to najčastejšie metóda, ktorá pokrýva najviac vyskytujúcich sa porúch. Predmetnú tematiku (Vibrodiagnostika) opisuje norma STN ISO 10816-1 Mechanické kmitanie. Snímače vibrácií zamerané na sledovanie kmitavého pohybu sa delia na:

• snímače výchyliek,
• snímače rýchlosti,
• snímače zrýchlenia.

Norma predpisuje a udáva možnosti pripevnenia snímača k vybranému (teda sledovanému či monitorovanému) strojnému zariadeniu (obr. 2). Existujú viaceré spôsoby pripevnenia, napr. skrutkou, lepidlom, magnetom.

Súčasťou uvedenej normy je aj predpísanie jasného postupu pre jednotlivé typy strojov.

Príklad neinvazívneho monitorovania

Vhodným príkladom neinvazívneho monitorovania stavu strojných zariadení je (už skôr spomínaná) technológia CMTK. Často sú fungujúce strojné zariadenia staršieho dáta, a tak možnosť integrovania špeciálnej meracej technológie môže byť problémom. Efektívnym riešením sa javí súprava nástrojov na monitorovanie stavu strojných zariadení (obr. 3) od spomínanej spoločnosti Balluff (kombinácia softvéru a hardvéru).

Tieto nástroje sú kompatibilné so všetkými snímačmi IO-Link, a tak umožňujú monitorovanie bežiaceho systému (napr. strojného zariadenia). Nakoľko sa v jednom celku nachádza softvér na spracovanie signálov aj samotný funkčný hardvér na zabezpečenie konektivity, vieme ho neinvazívnym spôsobom integrovať do existujúceho riešenia. Navyše, integrovaný systém nepotrebuje ďalší kontrolér typu PLC na správne fungovanie a je schopný zbierať a spracúvať dáta na základe nastavenej konfigurácie. Hlavné technické parametre sa nachádzajú v tab. 1.

Tab. 1 Hlavné technické parametre jednotky BAV

Snímače BCM (obr. 4) sú vhodným prostriedkom na neinvazívne monitorovanie stavu daného strojného zariadenia nielen preto, že dokážu zaznamenávať vibračné charakteristiky, teplotu či tlak vzduchu, ale najmä preto, lebo monitorujú svoj vlastný vnútorný stav (prehriatie snímača, zanesenie špinou, kvalitu napájania).

Tieto snímače možno štandardným spôsobom (pomocou IO-Link pripojenia) pripojiť do monitorovacieho hardvérového komponentu BAV (ktorý je súčasťou nástrojov CMTK), a tak sledovať existujúci monitorovací systém, teda napr. strojné zariadenie. Hlavné technické parametre snímača sa nachádzajú v tab. 2.

Tab. 2 Hlavné technické parametre snímača BCM

Vibrácie sú merané priamo v telese snímača BCM na základe technológie MEMS. Na meranie lineárneho pohybu sa odporúča zarovnanie snímača v smere hlavnej sily. BCM nie je špeciálnym meracím zariadením na zaznamenávanie stavov, ale je výnimočný tým, že dokáže získavať informácie o prebiehajúcom procese a monitorovať trendy v jednotlivých ukazovateľoch. Z hľadiska vibrodiagnostiky je snímač využiteľný v osiach X, Y a Z. Výstupom sú štatistické parametre. Na základe meranej rýchlosti vibrácií sú určené hodnoty RMS a peak-to-peak (špička – špička).

Okrem toho sa ukladajú nasledujúce parametre: priemerná hodnota, smerodajná odchýlka, faktor Crest, šikmosť či ostrosť špičky frekvenčného rozloženia krivky. Čo sa týka klasického prístupu technológie IO-Link: BCM poskytuje 20 byte procesných dát. V prípade pripojenia cez PLC alebo IO-Link Device Tool možno BCM konfigurovať cez tzv. index i a subindex i. Tu možno konfigurovať parametre ako ones­korenie monitorovania, profil pre procesné dáta, kritické hodnoty a iné (obr. 5).

Takáto konfigurácia je náročnejšia a vyžaduje znalosť riadiaceho systému a jeho ďalšie programovanie.

Základný konfiguračný proces neinvazívneho monitorovania

Konfigurácia prostredníctvom softvérovej časti CMTK predpokladá prítomnosť dvoch portov LAN. Prvý port LAN 1 je určený na priame pripojenie s PC. Druhý port LAN 2 je na pripojenie do siete, kde server DHCP pridelí IP adresu. Na lokálnej sieti je zariadenie dostupné na adrese http://cmtk. Druhou možnosťou je manuálne vyhľadanie pridelenej IP adresy, napríklad cez príkazový riadok s príkazom arp -a. Práca so zariadením prebieha v prehliadači počítača alebo zariadenia v rovnakej sieti. Prvé zapnutie vyžaduje prihlásenie používateľa admin a heslo. Takto vytvorené konto má najvyššie práva a rozhranie môže používateľ rôzne obmedziť. Po prihlásení sa dostaneme do úvodného okna, kde sa nachádzajú sledované zariadenia (obr. 6).

Okrem toho sa v okne sledovaného strojného zariadenia nachádzajú tlačidlá na konfiguráciu IP adresy, sledovanie alarmu a správu používateľov. V časti Settings možno editovať nasledujúce parametre:

• IO- Link Device Settings – ide o možnosť vyhľadania a konfigurácie jednotlivých snímačov, ktoré sú pripojené k jednotke BAV. Ak nie je zariadenie rozpoznané, treba nahrať súbor IODD, ktorý obsahuje vnútorné parametre snímačov.
• Database Setting – v podstate ide o konfigurovateľnú databázu, kde možno nastaviť interval logovania a dobu uchovania dát. Tiež sa tu nachádza funkcia na export a vymazanie databázy.
• Mail Settings – v tejto časti možno nakonfigurovať e-mailového klienta, ktorý vie poslať upozornenie v prípade, že nastane nežiadaný alebo nebezpečný stav.
• MQTT settings – táto položka poskytuje informácie potrebné na komunikáciu cez protokol MQTT s ďalšími HW alebo SW.
• Docker Settings – v tejto časti pripájame a konfigurujeme docker. Jeho využitie umožňuje pripájať ďalšie aplikácie, platformy a nástroje.
• Okrem opísaných nastavení sa tu ešte nachádzajú tlačidlá na reinicializáciu zariadenia a na znovuspustenie vizualizácie.

Zelené podfarbenie okna sledovaného strojného zariadenia hovorí o bezporuchovom stave na monitorovanom zariadení. Ak nakonfigurujeme limitné hodnoty a tie sa prekročia, podfarbenie okna sa zmení. Modrá farba indikuje nepripojenie monitorovacieho zariadenia a nenastavené alarmy. Zelená farba znamená, že systém je medzi stanovenými limitmi, pracuje v štandardnej prevádzke. Červená farba znamená aktívne upozornenie (obr. 7) na základe definovaného ALERT-u.

Proces sa začína stlačením tlačidla LOGGING. Automaticky sa spustí zaznamenávanie a následné ukladanie nakonfigurovaných dát do databázy. Predpokladom je korektné pripojenie snímača BCM a jeho rozpoznanie pomocou súboru IODD. Po kliknutí na monitorované zariadenie sa zobrazí tzv. dashboard. Je to grafické rozhranie – grafana, ktoré slúži na vytvorenie vizualizácie sledovaných parametrov. V našom prípade sme zvolili preddefinovaný PROFIL: Vibration Velocity, ktorý poskytuje parameter v-RMS v troch osiach a kontaktnú teplotu. Tieto parametre sa automaticky dopĺňajú do dashboardu vo forme ukazovateľov a grafov. Pre sledované veličiny možno, samozrejme, deklarovať rôzne limity i alarmové hodnoty. Na základe týchto pravidiel vieme generovať ďalšie upozornenia alebo meniť napr. farbu niektorej časti dashboardu. Časť dashboardu s monitorovanou kontaktnou teplotou a v-RMS pre os X je zobrazená na obr. 8. Tieto nástroje možno ďalej editovať a farebne rozlíšiť. Možno tiež nastaviť limity, ktoré vyvolajú zmenu alebo spustenie alarmového stavu.

Vytvorené ukazovatele možno optimalizovať aj na menšie displeje (napr. pre mobilné zariadenia). Na základe pridelených práv možno následne zdieľať a povoliť rôzne funkcie.

Iní výrobcovia a konkurencia

Konkurenčné prostredie sa skôr špecializuje na daný typ zaznamenávanej charakteristiky, pričom neposkytuje až takú variabilitu a jednoduchosť pripojenia (obvykle obsahuje iba jeden snímač, ktorý treba v rámci automatizovanej linky neustále presúvať). Treba povedať, že tieto profesionálne a na mieru šité riešenia predstavujú ucelený a funkčný koncept zberu, vyhodnocovania a spracovania potrebnej veličiny na vysokej úrovni. Spoločným znakom všetkých monitorovacích systémov (vrátane tohto predstaveného) je erudované sledovanie kritických ukazovateľov bez prerušenia štandardnej prevádzky automatizovanej linky. Ako vždy je hlavným kritériom posudzovania cena alebo jej pomer k výkonu. Práve tu môže byť toto riešenie efektívnym nástrojom, pretože svojou jednoduchosťou a relatívne nízkou cenou dokáže vhodne (a hlavne nepretržite) doplniť mnohé „uzatvorené“, hotové a nepomerne drahšie monitorovacie systémy. Viacerí výrobcovia totiž podporujú len ich vlastné snímače bez možnosti konfigurácie a výstupu. Na druhej strane tieto komplexné monitorovacie systémy pracujú vo vyšších meracích rozsahoch, nameraný signál sa vyhodnotí v pridanej jednotke a výstup dostávame priamo vo forme digitálneho alebo analógového výstupu.

Záver

Neinvazívne monitorovanie stavu strojných zariadení je neodmysliteľnou súčasťou moderných automatizovaných prevádzok. Je najmä na koncovom zákazníkovi, aby si určil podmienky a pravidlá nasadenia monitorovania stavu. Kombináciou automatizovaného monitorovacieho systému, ktorý podporuje snímače rôznych výrobcov, a open-source aplikácií dokáže uvedený prístup konkurovať aj najnáročnejším požiadavkám a potrebám prevádzky. V neposlednom rade výrobca myslel aj na budúce integrovanie do štruktúr a riešení IoT či IIoT.

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci projektov VEGA 1/0169/22 Nové metodiky prístupov k dátam automatizovaných a robotizovaných pracovísk a KEGA 044TUKE-4/2021 Diaľkový prístup k laboratórnym cvičeniam pre priemyselnú automatizáciu.

Literatúra

[1] Vagaš, M. – Galajdová, A. – Šimšík, D.: IO-Link field parameterization for data collection based on RFID technology. In: Cybernetics & Informatics (K&I): 30^th International Conference. Velké Karlovice, Czech Republic. p. 1 – 6. ISBN 978-1-7281-4381-1.

[2] e-F@ctory. Mitsubishi Electric systémy na monitorovanie a riadenie procesov. [online]. 

[3] Stratégia digitálnej transformácie Slovenska 2030. [online]. 

[4] Balluff. S IO-Link k vylepšeniu kvality procesov. [online] 

Ing. Róbert Rákay, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Katedra priemyselnej automatizácie a mechatroniky
Park Komenského 8
042 00 Košice
Tel.: +421 55 6023163
robert.rakay@tuke.sk