Monitoraggio dei sistemi di pompe e motori

Utilizzo del sensore Bluetooth Lansitec con accelerometro e gateway LoRaWAN Lansitec

Introduzione

Scopo

Questo caso di studio esplora l'importanza del monitoraggio del movimento negli ambienti industriali. Le applicazioni industriali di qualsiasi scala si basano su vari motori per il funzionamento dei macchinari e il monitoraggio proattivo di tali motori può rivelarsi cruciale per i processi produttivi. Il caso di studio esplorerà l'utilizzo di Lansitec. B005 Faro Bluetooth con accelerometri integrati aggiuntivi e Gateway Bluetooth SocketSync con LoRaWAN per il monitoraggio di un sistema di pompe e motori. sensori vengono impiegati per misurare le vibrazioni e rilevare anomalie nel comportamento operativo del sistema tramite una tecnologia di beaconing, trasmettendo dati in tempo reale al cloud per il monitoraggio e l'invio di avvisi.

Importanza del monitoraggio delle condizioni

Monitorare lo stato dei motori è fondamentale per garantirne prestazioni efficaci e affidabili. I sistemi industriali sono soggetti a usura, disallineamenti e altri problemi che causano vibrazioni eccessive, con conseguenti potenziali costosi tempi di fermo o guasti alle apparecchiature. Il monitoraggio continuo aiuta a rilevare tempestivamente i problemi, consentendo una manutenzione preventiva e riducendo i guasti imprevisti. L'utilizzo di tecnologie IoT come i sensori Lansitec può aiutare le aziende a migliorare la durata delle apparecchiature, ridurre le spese di manutenzione e ottimizzare l'efficacia operativa.

Panoramica del sistema

Sistema pompa e motore

La tipica configurazione motore-pompa, che stiamo utilizzando per illustrare questo caso d'uso, è utilizzata in settori come la distribuzione idrica, la climatizzazione e la produzione manifatturiera, e prevede che il motore converta l'energia elettrica in movimento rotatorio. La pompa trasferisce quindi questa energia meccanica per spostare i liquidi attraverso le tubazioni. Questa interazione fluida è fondamentale per il funzionamento continuo in diversi settori. Ad esempio, nella distribuzione idrica, le pompe garantiscono portate costanti per soddisfare la domanda, mentre i sistemi HVAC si affidano alle pompe per far circolare i fluidi per il riscaldamento e il raffreddamento.

Sfide

I sistemi motore-pompa si trovano spesso ad affrontare diverse sfide operative. Fattori come usura, disallineamento dei componenti e sbilanciamenti del rotore possono causare vibrazioni eccessive nel tempo, un segno cruciale del deterioramento del sistema. Le vibrazioni possono danneggiare cuscinetti, guarnizioni e giunti, provocando sollecitazioni meccaniche e, in ultima analisi, guasti precoci. I problemi più comuni includono:

Monitoraggio di sistemi di pompe e motori Lansitec

Disallineamento

Un allineamento non corretto degli alberi del motore e della pompa comporta una maggiore sollecitazione sui cuscinetti e sulle guarnizioni.

Usura dei cuscinetti

L'uso prolungato senza lubrificazione adeguata o con lubrificanti sporchi accelera l'usura dei cuscinetti, riducendone l'efficienza.

Squilibrio

Una distribuzione non uniforme del peso nelle parti rotanti provoca un aumento delle vibrazioni, mettendo a dura prova i componenti meccanici.

Tecnologia dei sensori e dei gateway

Presentazione dei dispositivi Lansitec che aiutano in modo significativo a monitorare le condizioni della pompa

Lansitec B005 Bluetooth Beacon con accelerometro

Questo Faro Bluetooth può essere integrato con un accelerometro ad alta precisione, in grado di rilevare anche le più piccole vibrazioni e velocità di rotazione, il che è fondamentale per monitorare lo stato di salute del motore e della pompa.

Le caratteristiche principali includono:

Il beacon Bluetooth invia costantemente messaggi iBeacon in base alle impostazioni. È dotato di due celle a bottone ad alta capacità integrate. La durata massima della batteria è di circa 5 anni, con un intervallo di trasmissione di 500 ms.

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Bluetooth 5.0

Fornisce comunicazioni wireless a basso consumo energetico, consentendo la trasmissione di dati in tempo reale alle persone vicine portali entro un raggio di 100 metri.

Accelerometro

Misura le vibrazioni su tre assi, rilevando anche piccole deviazioni dalle normali condizioni operative, come l'aumento delle vibrazioni dovuto a disallineamenti o usura meccanica.

Dimensioni compatte e grado di protezione IP67

Le dimensioni ridotte del faro e la sua robusta custodia ne consentono l'installazione in ambienti difficili, come le stazioni di pompaggio, garantendo una raccolta dati accurata senza la necessità di collegamenti cablati.

Vantaggi per il caso d'uso

Le dimensioni ridotte e la facilità di installazione consentono di posizionare il sensore direttamente sui componenti critici del motore e della pompa, come il rotore e il collegamento dei tubi, dove può monitorare costantemente eventuali vibrazioni eccessive e avvisare gli utenti di eventuali problemi prima che causino guasti al sistema. La funzionalità Bluetooth garantisce la trasmissione wireless dei dati al gateway senza cablaggi complessi, riducendo i tempi di installazione e la complessità della manutenzione.

Gateway Bluetooth Lansitec SocketSync

Socket Sync Gateway funge da ponte dati, raccogliendo informazioni dai sensori Bluetooth e inoltrandole al cloud per l'analisi.

Le sue specifiche includono:

Il gateway Bluetooth SocketSync è progettato sulla base delle tecnologie BLE e LoRa. Grazie all'avanzata tecnologia LoRa e al modulo BLE integrato, il gateway BLE riceve e segnala i messaggi dei dispositivi BLE al gateway LoRaWAN. Le impostazioni dei parametri, come il periodo di heartbeat, la modalità di funzionamento LoRaWAN e i dati dei sensori da inviare in un messaggio BLE, sono regolabili in base alle esigenze del cliente.

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Bluetooth 5.0

Consente al gateway di connettersi contemporaneamente a numerosi sensori Bluetooth fino a una distanza di 100 metri.

Connettività Wi-Fi ed Ethernet:

Offre diverse modalità di connessione per il trasferimento dei dati al cloud, garantendo l'affidabilità in diverse impostazioni di rete.

Inoltro dati LoRaWAN:

Il gateway trasmette dati su lunghe distanze tramite il protocollo LoRaWAN, ideale per installazioni remote o su larga scala.

Vantaggi per il caso d'uso

La capacità del gateway di gestire più connessioni di sensori lo rende scalabile per sistemi con diverse configurazioni motore-pompa. La sua capacità di connettersi per trasmettere tramite LoRaWAN e il backhaul Wi-Fi garantisce che i dati vengano inviati al cloud senza problemi, anche in aree prive di accesso a Internet cellulare o cablato inaffidabile. Ciò garantisce un monitoraggio continuo e l'attivazione di allarmi in caso di rilevamenti anomali dei sensori.

Introduzione alla tecnologia LoRaWAN

Che cos'è il protocollo di comunicazione LoRaWAN?

LoRaWAN è una tecnologia di comunicazione wireless a basso consumo e a lungo raggio, uno dei grandi vantaggi delle implementazioni su larga scala. Consente la trasmissione di dati su diversi chilometri con un consumo energetico minimo. Ciò è particolarmente utile in contesti industriali in cui i sistemi sono distribuiti su vaste aree.

Le caratteristiche principali includono:

Comunicazione a lungo raggio

Copre distanze fino a 15 chilometri nelle aree rurali e diversi chilometri in ambienti urbani.

Basso consumo energetico

Ideale per le implementazioni IoT in cui i dispositivi sono alimentati da batterie o energia solare, consentendo a sensori e gateway di funzionare per periodi prolungati senza richiedere una manutenzione frequente.

Vantaggi per il caso d'uso

Grazie all'utilizzo di LoRaWAN, il sistema può inviare importanti informazioni operative dalla sala pompe al cloud, anche quando la postazione è distante. Questa funzionalità consente una facile integrazione in grandi strutture o installazioni distribuite su un'ampia area, riducendo al minimo la necessità di controlli manuali e garantendo un monitoraggio costante e affidabile del motore e del sistema di pompaggio.

Processo di implementazione

Installazione

IL Sensori Bluetooth Vengono installati direttamente sul rotore del motore e sulla pompa nel punto di collegamento delle tubazioni, dove le vibrazioni possono più facilmente rivelare problemi di funzionamento. Il loro design compatto e la funzionalità wireless consentono un facile montaggio tramite adesivi o morsetti, senza interferire con i macchinari esistenti. Gateway di sincronizzazione socket Lansitec è montato sul tetto della sala pompe, dove ha una visuale libera sui sensori, garantendo una connettività Bluetooth e una potenza del segnale ottimali.

Per garantire letture accurate, la calibrazione dell'accelerometro è fondamentale. Il sensore deve essere calibrato in base alle vibrazioni e alla velocità di rotazione in condizioni operative normali. Questa fase consente al sistema di distinguere tra vibrazioni operative accettabili e segnali di allarme di potenziali problemi meccanici. La calibrazione può essere eseguita tramite software, in genere utilizzando l'app o la piattaforma web associata.

Flusso di dati

Dopo l'installazione, il Beacon Bluetooth Lansitec con accelerometro Acquisisce costantemente dati relativi a vibrazioni, accelerazione e velocità di rotazione del motore e della pompa. L'accelerometro rileva anche le più piccole irregolarità nel comportamento meccanico del sistema. Ecco una ripartizione più dettagliata, passo dopo passo, del flusso di dati:

Acquisizione dati del sensore:
L'accelerometro monitora le vibrazioni triassiali e misura la velocità di rotazione per creare un profilo preciso del comportamento operativo del motore e della pompa. Acquisisce dati come:
Variazioni nell'intensità delle vibrazioni (indicative di disallineamento, usura o squilibri).
Variazioni della velocità di rotazione, che aiutano a identificare eventuali problemi di carico meccanico.

Trasmissione Bluetooth:
Il sensore trasmette in modalità wireless questi dati in tempo reale utilizzando Bluetooth 5.0Questa versione di Bluetooth garantisce un basso consumo energetico e connessioni stabili su una distanza fino a 100 metri, ideale per coprire la distanza tra il sistema motore-pompa e il gateway situato all'interno o in prossimità della stazione di pompaggio.

Aggregazione dati gateway:
Il Lansitec Gateway Bluetooth di sincronizzazione Socket Funge da dispositivo intermediario. Riceve i segnali Bluetooth da più sensori contemporaneamente e consolida i dati. La capacità del gateway di supportare connessioni multiple garantisce la scalabilità per il monitoraggio simultaneo di più coppie motore-pompa.

Trasmissione LoRaWAN al cloud:
La trasmissione dei dati dal gateway al cloud avviene tramite Tecnologia LoRaWAN, consentendo l'invio di dati su lunghe distanze. La capacità di rete WAN a basso consumo energetico di LoRaWAN è fondamentale per la trasmissione affidabile dei dati in aree industriali o stazioni di pompaggio remote con connessioni Internet convenzionali inaffidabili o non disponibili. LoRaWAN invia efficacemente pacchetti di dati su lunghe distanze senza consumare molta energia, il che è fondamentale per le installazioni che utilizzano energia solare o a batteria.

Elaborazione cloud e avvisi:
Successivamente, le informazioni vengono inviate a un sistema basato su cloud, dove vengono archiviate e analizzate immediatamente. Algoritmi di apprendimento automatico o soglie predeterminate possono identificare modelli insoliti nei dati di vibrazione o rotazione, segnalando possibili problemi. Se il sistema rileva irregolarità come vibrazioni eccessive o improvvisi cambiamenti di velocità, invia immediatamente un avviso all'utente tramite un'app mobile o una dashboard web.

Notifiche e attività di manutenzione: Queste notifiche, insieme a tutte le informazioni operative, vengono visualizzate in un'interfaccia intuitiva, offrendo spunti pratici. Gli utenti possono monitorare le tendenze, analizzare i dati passati e, soprattutto, ricevere avvisi immediati su possibili problemi. Ciò consente di intervenire tempestivamente, sia che si tratti di impostare una manutenzione preventiva o di analizzare una lettura insolita prima che si trasformi in un problema significativo.

Questa trasmissione fluida dei dati garantisce un'osservazione continua e in tempo reale dei sistemi motore-pompa, consentendo alle squadre di manutenzione di rispondere tempestivamente agli avvisi, riducendo al minimo i tempi di fermo e migliorando l'efficacia operativa. Flusso di lavoro di monitoraggio e manutenzione

Monitoraggio in tempo reale

Le informazioni raccolte dai sensori vengono visualizzate in tempo reale tramite una dashboard o un'app mobile basata su cloud. Questa interfaccia offre agli utenti una panoramica completa delle caratteristiche operative del motore e della pompa, come livelli di vibrazione, accelerazione e velocità di rotazione. Gli utenti possono monitorarne gli andamenti a lungo termine, valutarne le prestazioni e rilevare eventuali deviazioni dal funzionamento tipico. Il flusso costante di dati in tempo reale consente l'identificazione precoce di piccoli problemi, evitando che si trasformino in guasti significativi delle apparecchiature.

Il monitoraggio continuo garantisce che i team di manutenzione possano:
Identificare l'usura graduale: Osservando sottili aumenti nelle vibrazioni o altri indicatori.
Eseguire la manutenzione basata sui dati: Eseguire riparazioni o sostituzioni solo quando i dati effettivi suggeriscono un problema.

Sistema di allarme

Il sistema è progettato per rilevare automaticamente anomalie, come vibrazioni eccessive o improvvise variazioni di velocità del motore, che potrebbero indicare problemi meccanici come disallineamento, usura dei cuscinetti o squilibrio. Ecco come funziona il flusso di allarme:

IL sensore rileva vibrazioni o velocità anomale.
Trasmette questi dati tramite Bluetooth al Gateway di sincronizzazione socket.
Il gateway inoltra le informazioni tramite LoRaWAN verso la nuvola.
Se gli algoritmi della piattaforma cloud rilevano deviazioni dalle soglie normali, viene attivato un allarme.

L'avviso viene trasmesso immediatamente agli operatori tramite l'app mobile o la dashboard in tempo reale. Le notifiche sono corredate da dati dettagliati, consentendo agli operatori di valutare la gravità del problema e di reagire tempestivamente, predisponendo interventi di manutenzione o fermando la macchina per evitare ulteriori danni. Questo metodo proattivo contribuisce a ridurre i tempi di fermo e il rischio di costosi guasti.

Grazie al monitoraggio costante di vibrazioni e accelerazioni, il sistema rileva tempestivamente problemi meccanici come disallineamenti, usura o squilibri. Questo metodo di rilevamento precoce aiuta a evitare guasti improvvisi alle apparecchiature, consentendo agli addetti alla manutenzione di intervenire tempestivamente e ridurre le interruzioni operative.

I risparmi sui costi si ottengono identificando tempestivamente i problemi, riducendo così la manutenzione imprevista e i tempi di fermo, con conseguente riduzione delle spese di riparazione e delle inefficienze operative. Garantire una buona manutenzione delle apparecchiature può anche tradursi in un risparmio energetico, poiché motori e pompe difettosi consumano in genere quantità maggiori di energia.

L'implementazione è semplificata dall'utilizzo di tecnologie wireless come sensori Bluetooth e LoRaWAN per la comunicazione a lunga distanza, eliminando la necessità di cablaggi complessi e costosi. Ciò riduce i tempi e gli sforzi necessari per l'installazione, semplificando l'implementazione sia per le infrastrutture nuove che per quelle esistenti.

Il gateway ad energia solare riduce il consumo energetico utilizzando energia rinnovabile, creando così un sistema sostenibile e riducendo la dipendenza da fonti di energia esterne. Ciò garantisce il funzionamento efficace del sistema di monitoraggio anche in aree remote o isolate, con un conseguente ulteriore risparmio sui costi operativi.

Scenario di studio del caso

Immaginate una stazione di pompaggio per la distribuzione idrica in cui un motore aziona la pompa principale per fornire acqua a diverse aree circostanti. Fornisce acqua a un comune e aziona un motore da 20 kW che aziona una pompa centrifuga. Durante il normale funzionamento, il beacon Bluetooth Lansitec con accelerometro è calibrato per rilevare vibrazioni entro l'intervallo accettabile di 0,1-1,5 mm/s, secondo gli standard ISO 10816 per le vibrazioni dei motori. Nell'arco di una settimana, il sensore ha registrato un aumento costante delle vibrazioni sul rotore del motore, da 1,1 mm/s a 2,5 mm/s. Questa deviazione viene trasmessa al gateway SocketSync Lansitec e inoltrata al cloud tramite LoRaWAN, dove l'analisi dei dati in tempo reale segnala l'anomalia. Il sensore, calibrato per monitorare il normale funzionamento del motore, identifica questa deviazione come anomala. I dati vengono immediatamente trasmessi al Gateway di sincronizzazione socket Lansitec tramite Bluetooth e poi inoltrati al cloud tramite LoRaWAN. Gli algoritmi della piattaforma cloud segnalano questa vibrazione come indicativa di un potenziale disallineamento dell'albero motore.

L'allarme scatta quando la vibrazione supera la soglia preimpostata di 1,5 mm/s, un valore critico che suggerisce un potenziale disallineamento. Il personale addetto alla manutenzione ha ricevuto un avviso tramite l'app mobile, che ha richiesto un'ispezione immediata. Dopo un'indagine, si è scoperto che l'accoppiamento del motore aveva iniziato a degradarsi, causando un disallineamento. Se non fosse stato controllato, questo avrebbe potuto causare gravi danni al motore, con conseguenti costose riparazioni o addirittura la sostituzione completa del motore, con conseguenti diversi giorni di fermo macchina.

Risultato

Grazie al rilevamento tempestivo, il team di manutenzione è stato in grado di riparare il giunto prima che causasse un guasto al motore, evitando costosi tempi di fermo. Ciò ha consentito al team di sostituire il giunto con un costo contenuto di $500, evitando un guasto al motore che avrebbe potuto costare fino a $10.000 e richiedere un minimo di 48 ore di fermo per la sostituzione. La stazione di pompaggio, che normalmente tratta 500.000 litri d'acqua al giorno, è stata in grado di mantenere la piena capacità operativa senza interruzioni. Questo approccio proattivo non solo ha ridotto i costi di riparazione, ma ha anche mantenuto l'efficienza operativa della stazione di pompaggio, il che, a lungo termine, ha portato a una riduzione di 70% dei costi di riparazione e ha evitato significative interruzioni dell'approvvigionamento idrico. Senza la necessità di riparazioni di emergenza e con interruzioni minime della distribuzione idrica, la stazione ha subito un significativo calo. risparmio sui costi E aumento del tempo di attività, dimostrando il valore del monitoraggio continuo nella prevenzione di guasti critici del sistema e l'efficacia dell'utilizzo di tali sistemi per prolungare la durata delle apparecchiature, ottimizzare l'efficienza operativa e ridurre al minimo i costi di manutenzione e operativi.

Sfide e soluzioni

Potenziali ostacoli

Interferenza del segnale: Negli ambienti industriali con strutture e macchinari metallici, i segnali Bluetooth tra i sensori e il gateway potrebbero subire interferenze, riducendo l'affidabilità della trasmissione.
Errore di calibrazione del sensore: Se i sensori non sono calibrati correttamente, potrebbero generare falsi allarmi o perdere dati critici, con conseguenti problemi decisionali.
Gestione dell'alimentazione: Sensori e gateway, soprattutto in luoghi remoti, dipendono da fonti di alimentazione stabili, il che può rappresentare una sfida nelle aree prive di elettricità affidabile.

Soluzioni

Calibrazione e posizionamento corretti: La calibrazione regolare e il posizionamento ottimale dei sensori (ad esempio, su componenti critici del motore e della pompa) garantiscono una raccolta dati accurata. La calibrazione iniziale deve basarsi sui livelli di vibrazione di base della macchina, con ricalibrazioni periodiche per tenere conto delle variazioni ambientali.
LoRaWAN per comunicazioni affidabili: Sfruttando la tecnologia LoRaWAN, il sistema garantisce comunicazioni a lungo raggio e a basso consumo energetico, più resistenti alle interferenze rispetto ai protocolli wireless a corto raggio come Wi-Fi o Bluetooth. La capacità di LoRaWAN di trasmettere su distanze fino a 15 chilometri nelle aree rurali lo rende ideale per le stazioni di pompaggio remote.
Gateway alimentati ad energia solare: Per le installazioni remote, l'utilizzo di gateway alimentati a energia solare garantisce una trasmissione dati ininterrotta anche in aree con alimentazione elettrica inaffidabile o assente. Ciò riduce i costi di manutenzione e garantisce l'efficienza energetica, consentendo al contempo un monitoraggio continuo.

Conclusione

La combinazione di un sensore dotato di accelerometro e beacon con un robusto gateway LoRaWAN offre una soluzione affidabile e scalabile per il monitoraggio di motori e pompe. Non solo nel caso d'uso illustrato, ma ovunque siano coinvolti motori. La configurazione wireless riduce la complessità di installazione, mentre i dati in tempo reale e gli avvisi tempestivi consentono una manutenzione proattiva, prevenendo costosi guasti alle apparecchiature e tempi di inattività. Questo è ciò che rappresenta l'Industria 4.0.

La scalabilità di questo sistema lo rende adattabile a diverse applicazioni, come sistemi HVAC, macchinari industriali e siti di monitoraggio remoto. Le capacità a basso consumo e a lungo raggio di LoRaWAN ne consentono l'utilizzo in luoghi difficili da raggiungere.