Monitoramento de sistemas de bombas e motores

Usando o sensor Bluetooth Lansitec com acelerômetro e o gateway Lansitec LoRaWAN

Introdução

Propósito

Este estudo de caso explora a importância do monitoramento de movimento em ambientes industriais. Aplicações industriais em qualquer escala dependem de diversos motores para fazer as máquinas funcionarem, e o monitoramento proativo desses motores pode ser crucial para os processos de fabricação. O estudo de caso explorará o uso da tecnologia Lansitec. B005 Farol Bluetooth com acelerômetros adicionais integrados e o Gateway Bluetooth SocketSync com LoRaWAN para monitorar um sistema de bomba e motor. Os sensores são implantados para medir vibrações e detectar anormalidades no comportamento operacional do sistema por meio de uma tecnologia de beacon, transmitindo dados em tempo real para a nuvem para monitoramento e emissão de alertas.

Importância do monitoramento de condições

Monitorar o estado dos motores é crucial para garantir seu desempenho eficaz e confiável. Sistemas industriais são suscetíveis a desgaste, desalinhamento e outros problemas que causam vibrações excessivas, podendo levar a paradas dispendiosas ou falhas no equipamento. O monitoramento contínuo ajuda a detectar problemas precocemente, permitindo a manutenção preventiva e reduzindo quebras inesperadas. O uso de tecnologias de IoT, como os sensores Lansitec, pode ajudar as empresas a aumentar a vida útil dos equipamentos, reduzir as despesas com manutenção e otimizar a eficiência operacional.

Visão geral do sistema

Sistema de bomba e motor

A configuração típica de motor-bomba, que estamos usando para ilustrar este caso de uso, é utilizada em setores como distribuição de água, HVAC e manufatura, e envolve a conversão de energia elétrica em movimento rotacional pelo motor. A bomba então transfere essa energia mecânica para mover líquidos através de sistemas de tubulação. Essa interação perfeita é fundamental para operações contínuas em diversos setores. Por exemplo, na distribuição de água, as bombas garantem vazões consistentes para atender à demanda, enquanto os sistemas HVAC dependem de bombas para circular fluidos para aquecimento e resfriamento.

Desafios

Sistemas de motobomba frequentemente enfrentam diversos desafios operacionais. Fatores como desgaste, desalinhamento de componentes e desequilíbrios do rotor podem causar vibração excessiva ao longo do tempo, o que é um sinal crucial de deterioração do sistema. As vibrações têm o potencial de danificar rolamentos, vedações e acoplamentos, resultando em esforços mecânicos e, por fim, levando a falhas prematuras. Problemas comuns incluem:

Monitoring Pump &Amp; Motor Systems Lansitec

Desalinhamento

O alinhamento incorreto dos eixos do motor e da bomba causa maior tensão nos rolamentos e vedações.

Desgaste do rolamento

O uso prolongado sem lubrificação adequada ou lubrificantes sujos acelera o desgaste dos rolamentos, diminuindo a eficiência.

Desequilíbrio

A distribuição desigual do peso nas peças rotativas leva ao aumento das vibrações, sobrecarregando os componentes mecânicos.

Tecnologia de sensores e gateways

Apresentando os dispositivos Lansitec que ajudam significativamente a monitorar a condição da bomba

Lansitec B005 Bluetooth Beacon com Acelerômetro

Este beacon Bluetooth pode ser integrado a um acelerômetro de alta precisão, capaz de detectar vibrações sutis e velocidades de rotação, o que é essencial para monitorar a saúde do motor e da bomba.

Os principais recursos incluem:

O beacon Bluetooth emite constantemente mensagens iBeacon de acordo com as configurações. Possui duas células-botão de alta capacidade integradas. A duração máxima da bateria é de aproximadamente 5 anos, com um intervalo de emissão de 500 ms.

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Bluetooth 5.0

Fornece comunicação sem fio de baixo consumo de energia, permitindo transmissão de dados em tempo real para gateways próximos em um alcance de 100 metros.

Acelerômetro

Mede vibrações em três eixos, detectando até mesmo pequenos desvios das condições normais de operação, como aumento de vibrações devido a desalinhamento ou desgaste mecânico.

Tamanho compacto e classificação IP67

O formato compacto e o invólucro robusto do beacon permitem que ele seja instalado em ambientes hostis, como estações de bombeamento, garantindo uma coleta precisa de dados sem a necessidade de conexões com fio.

Benefícios para o caso de uso

O tamanho compacto e a facilidade de instalação permitem que o sensor seja instalado diretamente em componentes críticos do motor e da bomba, como o rotor e a conexão da tubulação, onde pode monitorar continuamente vibrações excessivas e alertar os usuários sobre problemas antes que causem falha do sistema. Sua capacidade Bluetooth garante que os dados sejam transmitidos sem fio para o gateway, sem necessidade de fiação complexa, reduzindo o tempo de instalação e a complexidade da manutenção.

Gateway Bluetooth SocketSync da Lansitec

O Socket Sync Gateway atua como uma ponte de dados, coletando informações dos sensores Bluetooth e encaminhando-as para a nuvem para análise.

Suas especificações incluem:

O Gateway Bluetooth SocketSync foi projetado com base nas tecnologias BLE e LoRa. Com a avançada tecnologia LoRa e o módulo BLE integrado, o gateway BLE recebe e envia mensagens dos dispositivos BLE para o gateway LoRaWAN. As configurações de parâmetros, como o período de pulsação, o modo de operação LoRaWAN e os dados do sensor a serem enviados em uma mensagem BLE, são ajustáveis de acordo com as necessidades do cliente.

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Bluetooth 5.0

Permite que o gateway se conecte a vários sensores Bluetooth ao mesmo tempo, até uma distância de 100 metros.

Conectividade Wi-Fi e Ethernet:

Oferece várias maneiras de conexão para transferência de dados para a nuvem, garantindo confiabilidade em diferentes configurações de rede.

Encaminhamento de dados LoRaWAN:

O gateway transmite dados por longas distâncias por meio do protocolo LoRaWAN, ideal para configurações remotas ou de grande escala.

Benefícios para o caso de uso

A capacidade do gateway de lidar com múltiplas conexões de sensores o torna escalável para sistemas com diversas configurações de motobomba. Sua capacidade de se conectar para transmitir via LoRaWAN e o backhaul Wi-Fi garante que os dados sejam enviados para a nuvem sem problemas, mesmo em áreas sem acesso confiável à internet por celular ou cabo. Isso garante monitoramento contínuo e ativação de alarmes caso sejam detectadas leituras anormais dos sensores.

Introdução à Tecnologia LoRaWAN

O que é o protocolo de comunicação LoRaWAN?

LoRaWAN é uma tecnologia de comunicação sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia, uma das grandes vantagens de implantações em larga escala. Ela permite a transmissão de dados por vários quilômetros com consumo mínimo de energia. Isso é especialmente útil em ambientes industriais, onde os sistemas estão espalhados por grandes áreas.

Os principais recursos incluem:

Comunicação de longo alcance

Abrange distâncias de até 15 quilômetros em áreas rurais e vários quilômetros em ambientes urbanos.

Baixo consumo de energia

Ideal para implantações de IoT onde os dispositivos são alimentados por baterias ou energia solar, permitindo que sensores e gateways operem por longos períodos sem exigir manutenção frequente.

Benefícios para o caso de uso

Com o uso de LoRaWAN, o sistema pode enviar informações operacionais importantes da casa de bombas para a nuvem, mesmo em locais distantes. Esse recurso permite fácil integração em grandes instalações ou instalações espalhadas por uma ampla área, minimizando a necessidade de verificações manuais e garantindo um monitoramento consistente e confiável do motor e do sistema de bombas.

Processo de Implementação

Instalação

O Sensores Bluetooth são instalados diretamente no rotor do motor e na bomba, no ponto de conexão da tubulação, onde as vibrações têm maior probabilidade de revelar problemas operacionais. Seu design compacto e funcionalidade sem fio permitem fácil montagem usando adesivos ou grampos, sem interromper o maquinário existente. Gateway de sincronização de soquete Lansitec é montado no telhado da casa de bombas, onde tem uma linha de visão clara para os sensores, garantindo conectividade Bluetooth e intensidade de sinal ideais.

Para garantir leituras precisas, a calibração do acelerômetro é crucial. O sensor deve ser calibrado para vibração e velocidade de rotação de base em condições normais de operação. Esta etapa permite que o sistema diferencie entre vibrações operacionais aceitáveis e sinais de alerta de potenciais problemas mecânicos. A calibração pode ser feita via software, normalmente usando o aplicativo ou plataforma web associado.

Fluxo de dados

Após a instalação, o Lansitec Bluetooth Beacon com Acelerômetro captura continuamente dados sobre vibrações, aceleração e velocidade de rotação do motor e da bomba. O acelerômetro detecta até as menores irregularidades no comportamento mecânico do sistema. Aqui está uma análise mais detalhada, passo a passo, do fluxo de dados:

Captura de dados do sensor:
O acelerômetro monitora vibrações triaxiais e mede a velocidade de rotação para criar um perfil preciso do comportamento operacional do motor e da bomba. Ele captura dados como:
Alterações na intensidade da vibração (indicativas de desalinhamento, desgaste ou desequilíbrios).
Variações de velocidade de rotação, ajudando a identificar quaisquer problemas de carga mecânica.

Transmissão Bluetooth:
O sensor transmite esses dados em tempo real sem fio usando Bluetooth 5.0. Esta versão do Bluetooth garante baixo consumo de energia e conexões estáveis em um alcance de até 100 metros, ideal para cobrir a distância entre o sistema motobomba e o gateway localizado dentro ou perto da casa de bombas.

Agregação de dados de gateway:
O Lansitec Socket Sync Bluetooth Gateway atua como dispositivo intermediário. Ele recebe os sinais Bluetooth de vários sensores simultaneamente e consolida os dados. A capacidade do gateway de suportar múltiplas conexões garante escalabilidade para monitorar vários pares de motor-bomba simultaneamente.

Transmissão LoRaWAN para a Nuvem:
A transmissão de dados do gateway para a nuvem é feita utilizando a tecnologia LoRaWAN, permitindo o envio de dados com sucesso por longas distâncias. A capacidade de rede de longa distância e baixo consumo de energia da LoRaWAN é crucial para a transmissão confiável de dados em locais industriais ou estações de bombeamento remotas com conexões de internet convencionais instáveis ou indisponíveis. A LoRaWAN envia pacotes de dados com eficiência por longas distâncias sem consumir muita energia, o que é crucial para instalações que dependem de energia solar ou de baterias.

Processamento e alertas em nuvem:
Em seguida, as informações são enviadas para um sistema em nuvem, onde são armazenadas e analisadas imediatamente. Algoritmos de aprendizado de máquina ou limites pré-determinados podem identificar padrões incomuns nos dados de vibração ou rotação, alertando sobre possíveis problemas. Se o sistema detectar irregularidades, como muita trepidação ou mudanças repentinas de velocidade, ele envia imediatamente um alerta ao usuário por meio de um aplicativo móvel ou painel web.

Notificações e tarefas de manutenção: Essas notificações, juntamente com todas as informações operacionais, são exibidas em uma interface amigável, oferecendo insights práticos. Os usuários podem acompanhar tendências, analisar informações anteriores e, principalmente, receber alertas imediatos sobre possíveis problemas. Isso permite que ações imediatas sejam tomadas, seja configurando uma manutenção preventiva ou verificando uma leitura incomum antes que ela se transforme em um problema significativo.

Essa transmissão suave de dados garante a observação contínua em tempo real dos sistemas de motobomba, permitindo que as equipes de manutenção respondam a alertas antecipados, minimizando o tempo de inatividade e aumentando a eficácia operacional. Fluxo de trabalho de monitoramento e manutenção

Monitoramento em tempo real

As informações coletadas pelos sensores são exibidas em tempo real por meio de um painel ou aplicativo móvel baseado em nuvem. Essa interface oferece aos usuários uma visão geral completa das características operacionais do motor e da bomba, como níveis de vibração, aceleração e velocidade de rotação. Os usuários podem monitorar padrões a longo prazo, avaliar seu desempenho e detectar quaisquer desvios do funcionamento normal. O fluxo constante de dados em tempo real permite a identificação precoce de pequenos problemas, evitando que eles se transformem em avarias significativas do equipamento.

O monitoramento contínuo garante que as equipes de manutenção possam:
Identificar o desgaste gradual:Observando aumentos sutis na vibração ou outros indicadores.
Executar manutenção orientada por dados: Somente realizar reparos ou substituições quando os dados reais sugerirem um problema.

Sistema de alarme

O sistema foi projetado para detectar automaticamente anomalias, como vibração excessiva ou mudanças repentinas na velocidade do motor, que podem indicar problemas mecânicos como desalinhamento, desgaste dos rolamentos ou desequilíbrio. Veja como funciona o fluxo de alarme:

O sensor detecta vibrações ou velocidades anormais.
Ele transmite esses dados via Bluetooth para o Gateway de sincronização de soquete.
O gateway encaminha as informações por meio de LoRaWAN para a nuvem.
Se os algoritmos da plataforma de nuvem detectarem desvios dos limites normais, isso acionará um alarme.

O alerta é transmitido imediatamente aos operadores pelo aplicativo móvel ou painel, em tempo real. As notificações são acompanhadas de registros de dados detalhados, permitindo que os operadores avaliem a gravidade do problema e reajam prontamente, seja agendando manutenção ou parando a máquina para evitar danos adicionais. Esse método proativo ajuda a reduzir o tempo de inatividade e a chance de panes dispendiosas.

Por meio do monitoramento constante de vibrações e acelerações, o sistema detecta precocemente problemas mecânicos como desalinhamento, desgaste ou desequilíbrio. Esse método de detecção precoce ajuda a evitar quebras repentinas de equipamentos, permitindo que as equipes de manutenção resolvam os problemas com antecedência e reduzindo interrupções operacionais.

A economia de custos é alcançada pela identificação precoce de problemas, o que leva à redução de manutenções inesperadas e paradas, resultando em menores despesas com reparos e ineficiências operacionais. Garantir a boa manutenção dos equipamentos também pode resultar na economia de energia, já que motores e bombas defeituosos normalmente consomem maiores quantidades de energia.

A implantação é facilitada pelo uso de tecnologias sem fio, como sensores Bluetooth e LoRaWAN, para comunicação de longa distância, eliminando a necessidade de cabeamento complexo e caro. Isso reduz o tempo e o esforço necessários para a instalação, simplificando a implementação tanto para infraestruturas novas quanto existentes.

O gateway alimentado por energia solar reduz o consumo de energia ao utilizar energia renovável, criando assim um sistema sustentável e diminuindo a dependência de fontes externas de energia. Isso garante que o sistema de monitoramento funcione de forma eficaz em áreas distantes ou isoladas, resultando em economia adicional em despesas operacionais.

Cenário de estudo de caso

Imagine uma estação de bombeamento de distribuição de água onde um motor aciona a bomba principal para fornecer água a diversas áreas adjacentes. Ela fornece água a um município e opera um motor de 20 kW que aciona uma bomba centrífuga. Durante a operação normal, o Lansitec Bluetooth Beacon com Acelerômetro é calibrado para detectar vibrações dentro da faixa aceitável de 0,1-1,5 mm/s, conforme os padrões ISO 10816 para vibração de motores. Ao longo de uma semana, o sensor registrou um aumento constante nas vibrações de 1,1 mm/s para 2,5 mm/s no rotor do motor. Esse desvio é transmitido ao Lansitec SocketSync Gateway e encaminhado para a nuvem via LoRaWAN, onde a análise de dados em tempo real sinaliza a anomalia. O sensor, calibrado para monitorar a operação normal do motor, identifica esse desvio como anormal. Os dados são imediatamente transmitidos ao Gateway de sincronização de soquete Lansitec via Bluetooth e, em seguida, encaminhada para a nuvem usando LoRaWAN. Os algoritmos da plataforma de nuvem sinalizam essa vibração como indicativa de um possível desalinhamento no eixo do motor.

O alarme é acionado quando a vibração excede o limite predefinido de 1,5 mm/s, um valor crítico que sugere um potencial desalinhamento. A equipe de manutenção recebeu um alerta pelo aplicativo móvel, solicitando uma inspeção imediata. Após investigação, descobriu-se que o acoplamento do motor havia começado a se degradar, causando um desalinhamento. Se isso não fosse controlado, poderia ter causado danos graves ao motor, levando a reparos dispendiosos ou até mesmo à substituição completa do motor, o que resultaria em vários dias de inatividade.

Resultado

Graças à detecção precoce, a equipe de manutenção conseguiu reparar o acoplamento antes que ele causasse falha no motor, evitando paradas dispendiosas. Isso permitiu que a equipe substituísse o acoplamento a um custo mínimo de $500, evitando uma pane no motor que poderia ter custado até $10.000 e exigido um mínimo de 48 horas de paralisação para a substituição. A estação de bombeamento, que normalmente processa 500.000 litros de água por dia, conseguiu manter sua capacidade operacional plena sem interrupções. Essa abordagem proativa não apenas economizou custos de reparo, mas também manteve a eficiência operacional da estação de bombeamento, o que, a longo prazo, levou a uma redução de 70% nos custos de reparo e evitou interrupções significativas no fornecimento de água. Sem a necessidade de reparos emergenciais e com interrupções mínimas no fornecimento de água, a estação sofreu significativas economia de custos e aumento do tempo de atividade, demonstrando o valor do monitoramento contínuo na prevenção de falhas críticas do sistema e a eficácia do uso desses sistemas para estender a vida útil do equipamento, otimizar a eficiência operacional e minimizar os custos operacionais e de manutenção.

Desafios e Soluções

Obstáculos potenciais

Interferência de sinal: Em ambientes industriais com estruturas metálicas e máquinas, os sinais Bluetooth entre sensores e o gateway podem sofrer interferência, reduzindo a confiabilidade da transmissão.
Calibração incorreta do sensor: Se os sensores não forem calibrados corretamente, eles podem gerar alarmes falsos ou perder dados críticos, levando a uma tomada de decisão ruim.
Gerenciamento de energia: Sensores e gateways, especialmente em locais remotos, dependem de fontes de energia estáveis, o que pode ser um desafio em áreas sem eletricidade confiável.

Soluções

Calibração e posicionamento adequados: A calibração regular e o posicionamento ideal dos sensores (por exemplo, em peças críticas do motor e da bomba) garantem a coleta precisa de dados. A calibração inicial deve ser baseada nos níveis de vibração de referência da máquina, com recalibração periódica para levar em conta as mudanças ambientais.
LoRaWAN para comunicação confiável: Ao utilizar o LoRaWAN, o sistema garante comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia, sendo mais resistente a interferências em comparação com protocolos sem fio de curto alcance, como Wi-Fi ou Bluetooth. A capacidade do LoRaWAN de transmitir a distâncias de até 15 quilômetros em áreas rurais o torna ideal para estações de bombeamento remotas.
Gateways movidos a energia solar: Para instalações remotas, o uso de gateways alimentados por energia solar garante a transmissão ininterrupta de dados, mesmo em áreas com energia elétrica instável ou inexistente. Isso reduz os custos de manutenção e proporciona eficiência energética, além de permitir o monitoramento contínuo.

Conclusão

A combinação de um sensor com acelerômetro e beacon com um robusto gateway LoRaWAN proporciona uma solução confiável e escalável para o monitoramento de sistemas de motores e bombas. Não apenas no caso de uso demonstrado, mas em qualquer lugar onde haja motores envolvidos. A configuração sem fio reduz a complexidade da instalação, enquanto dados em tempo real e alertas antecipados permitem manutenção proativa, evitando falhas dispendiosas de equipamentos e tempo de inatividade. É disso que se trata a Indústria 4.0.

A escalabilidade deste sistema o torna adaptável a diversas aplicações, como sistemas HVAC, máquinas industriais e locais de monitoramento remoto. Os recursos de baixo consumo de energia e longo alcance do LoRaWAN permitem seu uso em locais de difícil acesso.