Monitorowanie stanu

W technice maszyn i pojazdów monitorowanie stanu służy do rejestrowania i oceny zachowania maszyny poczynając od technologii sterowania, a na poziomie komponentów kończąc. Z jednej strony chodzi tu o wymianę części zużywających się dopiero po osiągnięciu funkcjonalnego zużycia z drugiej strony, dzięki czynności jaką jest monitorowanie stanu, komponenty o zmienionych właściwościach, które nie są spowodowane normalnym zużyciem, są wykrywane z odpowiednim wyprzedzeniem, zanim spowodują problemy. Monitorowanie stanu ma wiele zalet nie tylko w inżynierii mechanicznej, ale także w przypadku innych systemów, na przykład systemów zaopatrzenia w energię i wodę oraz elementów istotnych dla bezpieczeństwa w budynkach, takich jak mosty, tunele, wieże i wysokie budynki.

Zakłady produkcyjne, zakłady przetwarzania i wytwarzania energii, pojazdy, technika przenośników i wiele innych ważnych zakładów i urządzeń są regularnie serwisowane w celu uniknięcia awarii. W trakcie planowej konserwacji, elementy lub materiały eksploatacyjne są często wymieniane zapobiegawczo w ustalonych odstępach czasu lub po określonym przebiegu, aby zapewnić, że system nie zawiedzie w wyniku zużycia tych elementów. Ze względu na swój skład niektóre komponenty lub materiały eksploatacyjne starzeją się niezależnie od obciążenia, ale w przypadku innych zależy to w dużej mierze od żywotności i ewentualnych zabrudzeń lub np. dodatkowych naprężeń. Ogromne oszczędności można osiągnąć, jeśli krytyczne elementy maszyny nie będą wymieniane w ustalonych odstępach czasu, ale tylko wtedy, gdy zostanie osiągnięta ich maksymalna żywotność. Można to osiągnąć przez monitorowanie stanu. W tym celu należy jednak zdefiniować jasne kryteria dla odpowiednich komponentów i regularnie je monitorować. Wartości takie jak temperatura, ścieranie, ugięcie lub stopień zanieczyszczenia można rejestrować w sposób ciągły i wyciągać wnioski na temat dalszego zużycia. Ponadto należy zapewnić szybką dostępność części zamiennych lub materiałów eksploatacyjnych oraz szybką wymianę. Jeśli konserwacja nie może zostać przeprowadzona natychmiast, pomimo potrzeby, w niektórych przypadkach możliwe jest zmniejszenie obciążenia systemu ze względów bezpieczeństwa.

Inwestycje w urządzenia z kategorii monitorowanie stanu pozwalają na wczesne wykrywanie zbliżających się awarii systemu i unikanie przestojów w produkcji. Dodatkowe wydatki związane z wprowadzeniem monitorowania stanu są rekompensowane niższymi kosztami personelu konserwacyjnego, części zamiennych i przestojów instalacji. Elementy, których obecny stan może prowadzić do niebezpiecznych sytuacji i szkód ekonomicznych, są szybko identyfikowane, dzięki czemu można w odpowiednim czasie podjąć środki zaradcze. Monitorowanie stanu prowadzi również do wyższej jakości produkcji i bezpieczeństwa planowania, ponieważ monitorowanie pomaga również uniknąć niedopuszczalnych tolerancji produkcyjnych.

Monitorowanie stanu i konserwacja predykcyjna
Podczas czynności jaka jest monitorowanie stanu rejestrowane są typowe zmienne mierzone, które dostarczają informacji o stanie komponentów. Należą do nich na przykład temperatura, poziom napełnienia, ciśnienie, natężenie przepływu, oscylacje, wibracje, prędkość, częstotliwość, objętość. Do monitorowania stanu można wykorzystać systemy lub pojedyncze urządzenia, które są w stanie wyzwalać alarmy po osiągnięciu zadanych wartości granicznych. Oznacza to, że środki zaradcze można podjąć w odpowiednim czasie, nawet w systemach, które nie są stale monitorowane przez personel obsługujący. Monitorowanie stanu pozwala w dużej mierze uniknąć awarii, dłuższych przestojów i wynikających z nich szkód, pomimo dłuższego użytkowania zużywających się części i materiałów eksploatacyjnych.

Jeśli czas i zakres naprawy ustalany jest na podstawie aktualnego stanu podzespołów zarejestrowanego w trakcie monitoringu stanu, nazywamy to konserwacją predykcyjną. Konserwacja zapobiegawcza jest zwykle tańsza niż konserwacja zapobiegawcza w stałych odstępach czasu, a także konserwacja operacyjna po uszkodzeniu, ponieważ komponenty i materiały eksploatacyjne są używane dłużej, ale nie do momentu awarii.

Obecne czujniki mogą już mierzyć minimalne zmiany temperatury, wibracji, poziomu dźwięku lub ultradźwięków lub składu chłodziwa lub smaru. Dane te są często porównywane z określonymi specyfikacjami podłączonych urządzeń. W przypadku konserwacji zapobiegawczej wszystkie dane pomiarowe monitorowania stanu są przechowywane i oceniane w celu znalezienia optymalnego czasu na działania zastępcze.

Monitorowanie stanu może odbywać się zarówno przy zastosowaniu czujników mobilnych, jak i zainstalowanych na stałe. Urządzenia wielokanałowe mogą jednocześnie odbierać sygnały z czujników zainstalowanych w różnych punktach pomiarowych. Ocenę zarejestrowanych wartości pomiarowych można zazwyczaj przeprowadzić bardzo wygodnie za pomocą specjalnego oprogramowania na komputerze PC lub dane można przenieść do istniejącego oprogramowania. Analiza drgań wyświetlana wyraźnie na komputerze pokazuje na przykład najmniejsze nieprawidłowości w elementach napędowych, takich jak silniki i przekładnie oraz w łożyskach tocznych na wczesnym etapie. Maszynę można wyłączyć natychmiast lub przy najbliższej dogodnej okazji, aby zbadać i usunąć przyczynę usterki, zanim dojdzie do uszkodzenia.

Monitorowanie stanu w zautomatyzowanej produkcji
Efektywna praca jest pożądana nie tylko przez ludzi, również systemy produkcyjne w przemyśle powinny być utrzymywane w taki sposób, aby awarie z powodu wadliwych poszczególnych elementów prawie nigdy nie występowały. Monitorowanie stanu próbuje przewidzieć zachowanie maszyny od technologii sterowania aż do poziomu komponentów. Chodzi o wymianę części zamiennych tuż przed tym, jak przestaną działać, a nie po pewnym czasie lub po określonym z góry czasie. Wymienione elementy mogą pozostać nienaruszone przez długi czas. Ważna jest znajomość stanu maszyn produkcyjnych we wszystkich obszarach, aby na wczesnym etapie zidentyfikować możliwe źródła błędów, aby móc w odpowiednim czasie zaplanować prace konserwacyjne. Jeśli krytyczne elementy maszyny są używane do maksymalnego wykorzystania, dzięki czynności jaka jest monitorowanie stanu można osiągnąć ogromne oszczędności.

Monitorowanie stanu maszyn i instalacji polega na kontroli obszarów krytycznych w sposób ciągły lub w ustalonych odstępach czasu. Testy można podzielić na kontrole wizualne i pomiary. Na przykład kontrola wzrokowa może wykryć brud, przebarwienia, nierównomierne zużycie, wgniecenia, pęknięcia i pęknięcia. Pomiary umożliwiają automatyczne porównanie z wartościami docelowymi. Zmierzone wartości pewnych wielkości fizycznych, które są zbyt wysokie lub zbyt niskie, często bezpośrednio wskazują na usterki w częściach instalacji lub elementach maszyn.

Zmienne mierzone w monitorowaniu stanu obejmują na przykład:

• Temperatury
• Poziomy dźwięku i ultradźwięków
• Wibracje • Grubość materiałów i powłok
• Poziomy
• Prędkości
• Twardość
• Ciśnienia w układach hydraulicznych i pneumatycznych
• Liczby i rozmiary cząstek
• Czujniki zmętnienia

Podczas pracy maszyny wykonuje się wiele pomiarów z kategorii monitorowanie stanu. Inne, których nie można wykonać podczas pracy maszyny, są wykonywane podczas postoju planowego. W przypadku maszyn ważnych dla procesu, najdalej idące opcje sterowania są brane pod uwagę już w fazie planowania. Obejmuje to na przykład otwory w obudowach dla mobilnej techniki pomiarowej i zintegrowane czujniki, które są planowane w standardzie. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie testów nawet w trudno dostępnych miejscach bez demontażu podzespołów.

Do urządzeń, za pomocą których znacznie można rozszerzyć możliwości oględzin, można zaliczyć endoskopy, stroboskopy, kamery slow-motion oraz mikroskopy. Istnieje duży wybór modeli o różnych specyfikacjach i wyposażeniu dodatkowym dla tego typu urządzeń. Wiele z nich dobrze nadaje się do monitorowania stanu. Tam, gdzie to możliwe, dobrze jest wybrać urządzenia, za pomocą których można również zapisywać i przekazywać obrazy. Ułatwia to ocenę i porównanie z wcześniejszymi nagraniami.

W przypadku endoskopów oprócz jakości i wielkości obrazu należy zwrócić uwagę na rozmiar kamery, sterowalność kamery oraz długość i mobilność tubusu kamery. Niektóre modele umożliwiają podłączenie różnych węży do kamer. Zwiększa to znacznie możliwości zastosowań endoskopu. W zależności od zadania sensowne może być robienie nie tylko zdjęć, ale także filmów i dodawanie komentarzy.

Stroboskopy umożliwiają dostrzeżenie nieprawidłowości w szybkich sekwencjach ruchu. Aby to zrobić, zapewniają one widok kontrolowanego obiektu tylko przez krótki czas poprzez błyski światła. Zmiana pozycji jest znacznie bardziej zauważalna dzięki pojedynczym obrazom generowanym w regularnych odstępach czasu. Czas między błyskami światła można regulować, aż odchylenia będą najlepiej rozpoznawalne. Niektóre stroboskopy oferują również możliwość dostosowania cyklu błysków światła do badanej maszyny lub systemu za pomocą połączenia wyzwalającego.

Na wielu maszynach i instalacjach przeprowadzane są nie tylko oględziny, ale również pomiary pozwalające ocenić aktualny stan. Pomiary te mogą być wykonywane jako pojedyncze pomiary w ustalonych odstępach czasu lub jako pomiary ciągłe w celu stałego monitorowania.

W przypadku parametrów, które są stale monitorowane, istnieje możliwość podjęcia automatycznych działań zaradczych w przypadku zbyt dużych odchyleń. Urządzenia pomiarowe z interfejsami analogowymi lub przełączającymi mogą wyzwalać procesy w przypadku przekroczenia lub spadku wartości granicznych w celu ponownego dostosowania wartości charakterystycznej. Tam, gdzie stały monitoring nie jest możliwy lub zbyt kosztowny, indywidualne pomiary przeprowadzane są za pomocą urządzeń mobilnych. W celu dokumentacji i oceny danych należy zapisać wszystkie zmierzone wartości wraz z dodatkowymi informacjami. Pomaga to w wyjaśnianiu nieprawidłowości i optymalizacji procesów utrzymania ruchu.

Monitorowanie stanu - pomiar drgań i analiza drgań
Z reguły części maszyn wzbudzane są podczas pracy impulsami lub ruchami do drgań. Monitorowanie stanu i ocena tych drgań pozwala na wnioskowanie o stanie elementów obciążonych. Jeśli wartości drgań odbiegają od oczekiwanych wartości bardziej niż tolerancyjnie, ważne jest wyjaśnienie przyczyny, aby uniknąć uszkodzeń i awarii.

Monitorowanie stanu - pomiary ultradźwiękowe
Za pomocą ultradźwiękowych urządzeń pomiarowych można wykryć nawet niewielkie nieszczelności w systemach przewodów sprężonego powietrza lub chłodziwa podczas monitorowania stanu. Możliwe jest również wykorzystanie specjalnych urządzeń ultradźwiękowych do wizualizacji wad materiałowych w strukturze mocno obciążonych elementów.

Monitorowanie stanu - pomiar temperatury
Niezwykle wysoka temperatura części maszyn jest często oznaką wadliwego działania. Monitorując temperaturę, na przykład, niewystarczające chłodzenie silnika i zwiększone tarcie spowodowane brakiem smarowania, zanieczyszczenie lub niewspółosiowość części można wykryć niezawodnie i wcześnie. Stosowanie zainstalowanych na stałe czujników temperatury i przenośnych urządzeń do pomiaru temperatury jest szeroko rozpowszechnione w monitorowaniu stanu. Kamery termowizyjne są również coraz częściej wykorzystywane do monitorowania stanu.