Implementar el mantenimiento predictivo para maximizar el beneficio en las instalaciones de la Industria 4.0

El mantenimiento predictivo (PdM) que aprovecha la analítica de datos y el aprendizaje automático (ML) es crucial en la Industria 4.0 porque permite una gestión proactiva de los equipos, optimizando la eficiencia, más la programación del mantenimiento y minimizando el tiempo de inactividad para apoyar una mayor sostenibilidad. La recogida oportuna y precisa de datos es clave para el éxito de la implementación del PdM.

Los datos también deben ser completos. Las fuentes de alimentación pueden controlar la tensión CC (V_CC) y la corriente (I_DC), la corriente de pico (I_PEAK), el tiempo de funcionamiento y el tiempo de sustitución. Los monitores de estado del motor son necesarios para las vibraciones, la temperatura, la corriente y la resistencia del aislamiento (fallo a tierra).

Los monitores de condiciones térmicas son necesarios para una serie de dispositivos como paneles de control de alta tensión, transformadores de potencia, equipos hidráulicos, motores y rodamientos, cajas de engranajes, etc. Todas esas fuentes de alimentación, motores y monitores térmicos necesitan conectividad Ethernet/IP o Modbus TCP para enviar los datos y poder analizarlos en tiempo real.

Este artículo comienza con una breve descripción del PdM, sus numerosas ventajas y cómo puede encajar en las arquitecturas de sistemas de la Industria 4.0. A continuación, se profundiza en los numerosos dispositivos PdM y el software que ofrece Omron. Concluye analizando cómo utilizar la inteligencia artificial (IA) para optimizar el rendimiento del PdM.

El PdM es uno de los tres enfoques del mantenimiento de equipos e instalaciones. En términos de equilibrio entre costos medioambientales y empresariales, se sitúa entre el mantenimiento reactivo y el preventivo (Figura 1). Un factor a la hora de elegir entre los tres enfoques es la importancia relativa que se concede a los costos medioambientales y empresariales.

Figura 1: El PdM se sitúa entre los enfoques de mantenimiento reactivo y preventivo y proporciona un equilibrio entre las consideraciones empresariales y medioambientales. (Fuente de la imagen: Omron)

El mantenimiento reactivo espera a que se produzcan fallos para ocuparse de ellos, lo que aumenta los costos tanto medioambientales como empresariales. El mantenimiento preventivo prioriza unos costos medioambientales mínimos mediante inspecciones manuales periódicas para detectar fallos inminentes, pero puede dar lugar a un tiempo de inactividad excesivo de los equipos y a elevados gastos empresariales. Se considera otra forma de mantenimiento reactivo en el que el factor determinante es un programa predeterminado, y en cierto modo arbitrario, y no un fallo directo del equipo.

La disponibilidad de sensores avanzados y la aparición de herramientas de IA y ML han permitido el desarrollo de PdM que implementan tecnología para equilibrar los costos medioambientales y empresariales.

Escalable y flexible

El PdM no es una opción de "talla única". Es escalable y flexible, y puede implantarse en un único equipo crítico para la empresa, en varios equipos o en toda una instalación mediante una supervisión centralizada. Esto permite a las empresas empezar con poco y ampliar la implementación de PdM con el tiempo, minimizando las interrupciones al adaptar las instalaciones existentes.

Las soluciones escalables se apoyan en una variedad de componentes compatibles como sensores, unidades de supervisión y controladores que pueden añadirse según sea necesario. El uso de protocolos de comunicación industrial como Ethernet/IP y Modbus TCP simplifica la integración con los sistemas existentes y admite funciones mejoradas como la supervisión remota de varios dispositivos simultáneamente.

Existen soluciones de software escalables para analizar datos y gestionar dispositivos desde un centro de control centralizado en una oficina o desde varias ubicaciones en las instalaciones.

Estas soluciones pueden integrarse en los equipos existentes sin grandes revisiones, lo que aumenta la flexibilidad. Pueden optimizarse para casi todos los sectores, como alimentación y bebidas, automoción, fabricación de dispositivos médicos, semiconductores y electrónica, militar y aeroespacial, logística y almacenamiento, etc.

Esta flexibilidad está respaldada por una amplia gama de dispositivos PdM, que incluyen soluciones para supervisar la alimentación eléctrica, el estado del motor (corriente, vibración, temperatura, resistencia del aislamiento) y las condiciones térmicas. Además, se dispone de bloques funcionales de software (FB) estándar para la adquisición de datos, las comunicaciones, el procesamiento y análisis de datos, la configuración de alarmas y el envío de notificaciones, el registro de datos y la generación de informes, así como para la implementación de análisis PdM personalizados basados en IA y ML.

Los monitores de estado sustituyen a los sensores simples

Una diferencia clave entre el PdM y otros enfoques es el uso de monitores de estado en lugar de simples sensores para controlar el rendimiento de los equipos y permitir un mantenimiento proactivo. Al igual que los sensores, los monitores de estado se colocan junto al equipo que supervisan.

Sin embargo, mientras que los sensores pueden implementarse con protocolos relativamente sencillos como IO-Link, los monitores de estado requieren una conectividad más sofisticada como EtherNet/IP o Modbus TCP. Los monitores de estado pueden realizar el procesamiento local de datos y a menudo incluyen pantallas de estado que no suelen estar asociadas a los sensores.

Los monitores de estado pueden conectarse a través de uno o más concentradores de comunicación a dispositivos de nivel superior como interfaces hombre-máquina (HMI) que pueden proporcionar una ubicación centralizada para la visualización de datos o a controladores lógicos programables (PLC) o sistemas de monitorización centralizados con herramientas de análisis de datos más completas, incluyendo IA y ML (Figura 2).

Figura 2: El conjunto de soluciones de PdM de Omron puede desplegarse individualmente para supervisar activos críticos, empezando por un tamaño reducido, y luego crecer gradualmente hasta abarcar centros de fabricación o logística completos para ofrecer soluciones integrales. (Fuente de la imagen: Omron)

Profundizar

Omron ofrece una selección de dispositivos y software PdM. Por ejemplo, las fuentes de alimentación inteligentes con conexión Ethernet S8VK-X miden numerosos aspectos del rendimiento, como Vout e Iout para controlar el consumo de energía I_PEAK para identificar posibles condiciones de sobrecarga.

Estas fuentes de alimentación miden las horas reales de funcionamiento. También calculan la vida útil restante de los capacitores electrolíticos mediante la ecuación de Arrhenius, que establece que la vida útil de un capacitor se reduce aproximadamente a la mitad por cada 10 °C de aumento de la temperatura, combinada con las temperaturas reales de funcionamiento, y muestra los resultados en años o en porcentaje de vida útil restante.

Las fuentes de alimentación S8VK-X están disponibles con potencias de 30 W a 480 W y tensiones de salida de 5 V_CC, 12 V_CC y 24 V_CC. También se ofrecen con una pantalla de monitor integrada, como el modelo S8VK-X48024A-EIP, con una potencia nominal de 24 V_CC y 480 W, o sin pantalla integrada, como el modelo S8VK-X03005-EIP, con una potencia nominal de 5 V_CC y 30 W.

La supervisión del estado de los motores eléctricos es un aspecto importante del PdM, y los monitores de mantenimiento de motores K6CM de Omron son adecuados para todo tipo de bombas de agua, además de motores de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), agricultura, escaleras mecánicas y la mayoría de las demás aplicaciones de motores eléctricos.

Los monitores de mantenimiento de motores están disponibles para la supervisión de vibraciones y temperatura, la supervisión de la resistencia del aislamiento y la supervisión de la corriente del motor. Los modelos están disponibles para alimentación de entrada de 100 a 240 V_CA trifásica o 24 V_CA/V_CC.

La vibración y la temperatura pueden controlarse mediante el K6CM-VBMD-EIP que funciona con 24 V_CA/V_CC. Todos los monitores de temperatura funcionan con el sensor de vibración y temperatura K6CM-VBS1, que consta de un cabezal sensor situado en el motor y un preamplificador que se conecta entre el sensor y el monitor.

El estado de la resistencia de aislamiento se puede supervisar mediante el K6CM-ISMD-EIP, que funciona con 24 V_CA/V_CC junto con el transformador de corriente cero (ZCT) K6CM-ISZBI52 y el sensor de transferencia de resistencia de aislamiento (IRT). La función ZCT mide la corriente de fuga en un circuito de motor trifásico, mientras que la función IRT mide la resistencia de aislamiento entre los devanados del motor y tierra.

El estado de los motores de inducción trifásicos también se puede supervisar utilizando el K6CM-CIMA-EIP que funciona de 100 V_CA a 240 V_CA, junto con el sensor de corriente K6CM-CICB400 de 400 A. Hay disponibles otros modelos de sensores de corriente de 5 A a 600 A.

Estos monitores utilizan la tecnología de diagnóstico de corriente completa de Omron. Pueden detectar anomalías como la cavitación o la contaminación por aire cuantificando la desviación entre una onda sinusoidal ideal y la forma de onda de la corriente medida. Condiciones como la desalineación, el desequilibrio de la carga o la adherencia de cuerpos extraños se cuantifican analizando los componentes de frecuencia de la forma de onda de la corriente medida.

El sistema K6PM Thermal Condition Monitor puede utilizarse para implementar PdM en una gran variedad de equipos industriales, como paneles de control de alta tensión, transformadores, equipos hidráulicos, centros de datos, rodamientos, cajas de engranajes, etc. Incluye el controlador de imagen térmica K6PM-THS3232 y el sensor de infrarrojos (IR) de imagen térmica K6PM-THMD-EIP que puede monitorizar temperaturas de 0 °C a +200 °C.

Un solo controlador de condiciones térmicas K6PM puede supervisar hasta 31 sensores IR. El software gratuito de supervisión para PC incluye algoritmos de detección de temperaturas anormales y alarmas de temperatura de tres niveles. El software también admite umbrales de alarma definidos por el usuario.

Figura 3: Las funciones básicas de la oferta PdM de Omron incluyen fuentes de alimentación inteligentes, además de monitores de estado térmico y del motor y sensores relacionados. (Fuente de la imagen: Omron)

Agregar IA PdM en el borde

La biblioteca AI PdM de Omron es uno de los componentes de funciones de software de la biblioteca Sysmac para utilizar las capacidades de inteligencia artificial de los controladores de automatización de máquinas (controladores de inteligencia artificial) de la serie NX/NY. La biblioteca AI PdM incluye FBs para cada mecanismo (dispositivos y componentes como un cilindro, un husillo de bolas o una polea de correa).

Los usuarios pueden crear e integrar FBs personalizados en forma de bloques de código reutilizables para implementar funciones PdM personalizadas. Los FB personalizados pueden utilizarse para:

• Desarrollo de algoritmos específicos para cada aplicación
• Interfaz con una gama más amplia de sensores u otros equipos para la adquisición de datos.
• Tratamiento de datos personalizado que se ajusta a las estrategias específicas de implantación de PdM

Los FBs generan variables que se utilizan como entradas para el motor de IA en los controladores NX/NY. El motor de IA analiza los datos recogidos en una base de series temporales en busca de patrones o comportamientos anómalos en los equipos. Todo el motor de IA está diseñado para funcionar de forma autónoma dentro de un controlador de IA.

Controladores de IA para PdM

Los controladores IA de la serie NX/NY de Omron incluyen el NX701-Z700, que puede implementar la IA PdM sin conectarse a la nube. El NX701 puede controlar hasta 256 ejes de movimiento en un solo programa, lo que reduce los costes de instalación y simplifica el diseño, la verificación y el control de revisión de los programas.

Incluye puertos de comunicación Ethernet/IP y EtherCAT integrados. Esto ofrece a los diseñadores de redes de control industrial la opción de aprovechar EtherNet/IP para paquetes de datos de mayor tamaño y EtherCAT para la entrega garantizada de paquetes para soportar el movimiento determinista. La memoria de programa de 80 MB admite numerosos FB, así como la biblioteca AI PdM de Omron (Figura 4).

Figura 4: El NX701-Z700 puede implementar la IA PdM sin conectarse a la nube y puede controlar hasta 256 ejes de movimiento en un solo programa. (Fuente de la imagen: Omron)

Entre las características adicionales del controlador de IA NX701-Z700 se incluyen:

• Integración "plug and play" (conectar y usar) con más de 120 unidades de entrada/salida (E/S) NX
• Completo entorno de software que incluye Sysmac Studio, Omron Vision, Omron Motion, Omron Robotics y Omron Safety Components.
• Compatible con varios protocolos de comunicación industrial, como EtherNet/IP, EtherCAT, Fail Safe Over EtherCAT, IO-Link y Factory Scale Motion.
• Tiempos de ciclo EtherCAT garantizados de 0.125 ms a 0.250 ms en incrementos de 0.125 ms y de 0.250 ms a 8 ms en incrementos de 0.250 ms

Conclusión

El PdM es un nuevo paradigma para optimizar el equilibrio entre las consideraciones medioambientales y empresariales en las fábricas y operaciones logísticas de la Industria 4.0. Aprovecha los sensores avanzados, las bases de datos de series temporales y los PLC con inteligencia artificial avanzada para supervisar continuamente el rendimiento y el estado de los equipos, predecir posibles fallos y programar el mantenimiento de forma proactiva.

La supervisión y el mantenimiento periódicos basados en los conocimientos de PdM ayudan a detectar y resolver posibles problemas en una fase temprana, evitando el desgaste prematuro y prolongando la vida útil de los activos. PdM ayuda a maximizar el tiempo de actividad de los equipos, reducir los residuos y mejorar la eficacia operativa. Por último, el PdM es muy flexible y escalable, por lo que una empresa puede implantarla en sus instalaciones con la rapidez o gradualidad que desee y seguir obteniendo importantes mejoras de rendimiento y ahorros de costos.

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