Vzdrževanje z napovedovanjem

eestecRutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Avtor: Stephan Menze
2019_274_10

Danes skrbimo za jutri. Prelaganje vzdrževanja pomeni nenadne izpade strojev, zaustavitve linij ali napake v proizvodnji. Pri tem je vseeno, ali je do tega prišlo zaradi varčevanja, pomanjkanja strokovnjakov ali pomanjkljive motivacije: Vzdrževanje z napovedovanjem pomeni, da se to ne more več zgoditi. Pri izvedbi pa je treba upoštevati določene točke.

Kako uspešno izvesti vzdrževanje z napovedovanjem?
274 10 02 172x300 - Vzdrževanje z napovedovanjemVsak projekt vzdrževanja z napovedovanjem se začne z ugotavljanjem lastnosti stroja med običajnim obratovanjem, na primer zvočnih ali lastnih frekvenc, ki se prenašajo po konstrukciji ali zraku, ki se nato digitalizirajo in posredujejo v računalnik ali oblak. Pri krajevni obdelavi podatkov uporabljamo tudi izraz Edge Computing. Tukaj se lahko uporabljajo tudi krajevne rešitve z umetno inteligenco, na primer Intel Movidius. Pri računalniški obdelavi v oblaku je na voljo neomejena ponudba najrazličnejših ponudnikov storitev za analiziranje podatkov. Pri izvedbi s krajevno obdelavo je mogoče reagirati v nekaj milisekundah. Vseeno pa je nujna internetna povezava za posodobitve vgrajene programske opreme in nadzor na daljavo. Načeloma pa v procesih učenja in izboljšav ne uporabljamo inteligence roja ter smo omejeni na krajevno dostopno računsko moč in lastne izkušnje. Računalništvo v oblaku je drugačno, saj omogoča primerjavo z vsemi sistemi in s tem sklepanje o spremembah posameznih naprav na podlagi podatkov o drugih napravah. Poleg inteligence roja tam tudi nismo omejeni glede računske moči ali kapacitete za shranjevanje in lahko prilagodljivo spreminjamo uporabljene algoritme – s statične analize podatkov na primer na strojno ali globoko učenje.

Ne glede na razlike v izvedbi sta v praksi vedno potrebni internetna povezava in krajevna prva analiza podatkov tipala. Razlikujeta pa se dimenzioniranje gradnikov in tekoči stroški obratovanja, tako da je natančnejša analiza razmerja med stroški ter koristmi bolj zapletena.

Odločilno je mesto tipala
Ne glede na kraj analiziranja velja razjasniti, kje lahko pride do škode in kako jo je najlaže zaznati. Pa je mogoče tam tudi vgraditi tipalo? Je mesto dostopno in je na voljo dovolj prostora? So tam številni viri hrupa oziroma močen hrup iz okolice? Je ta hrup stalen ali neenakomeren?

Ko je razjasnjeno optimalno mesto namestitve tipala, s tem največkrat določimo tudi že vrsto tipala: Če se zdi najprimernejša vgradnja na napravo ali stroj, zaznavamo hrup, ki se prenaša po konstrukciji. To pomeni, da lahko izbiramo med tipali udarcev in tresljajev ali tipalom pospeška. Pri postavitvi zunaj stroja zaznavamo zračni hrup. Tukaj so na voljo mikrofonska tipala MEMS za določeno frekvenčno območje, na primer izdelki podjetij STMicroelectronics in Infineon. Ker imajo vedno odprtino za zaznavanje zvočnega valovanja, jih brez posebnih ukrepov ne moremo uporabljati v vlažnih ali prašnih okoljih. To pomeni, da se moramo vrniti k tipalom udarcev in tresljajev ali tipalom pospeška.

Pri vprašanju, katero frekvenčno območje mora pokrivati sistem za vzdrževanje z napovedovanjem, velja približno pravilo: Višje zaznane frekvence pomenijo hitrejšo zaznavo poškodb. V ultrazvočnem območju nad 16 kHz lahko prve znake zaznavamo že mesece pred dejansko poškodbo. Pri zaznavanju v slišnem območju do 16 kHz imamo do poškodbe le še nekaj tednov. To lahko zadostuje za nekatere stroje ali naprave, za druge pa je že prepozno – to je treba preveriti za vsak primer posebej: Kako resen je lahko izpad zaradi morebitne poškodbe? Kako dolgo traja nakup nadomestnih delov in prihod serviserja? Je mogoče stroj kadar koli zaustaviti za popravilo ali vzdrževanje? Pri preverjanju puščanja plinskih vodov je zaznavanje v ultrazvočnem območju obvezno. Če je puščanje slišno, je za preventivno vzdrževanje že prepozno.

Če zadošča zaznavanje v slišnem območju, odloča o frekvenčnem območju tipala vrsta stroja oz. dela. Hitrejše ko je vrtenje zadevnih delov, višje frekvence je treba zaznavati. Pri sistemih za usmerjanje zraka se na primer poškodbe praviloma pojavijo zaradi neuravnoteženosti, napačne nastavitve ali zrahljanih povezav. To se dogaja v območju približno 2 kHz. Pri zelo počasi premikajočih se delih lahko namesto mikrofonskega tipala boljše rezultate dosežemo s tipalom pospeška.

Za izboljšanje pokritosti iskanja napak je mogoče kombinirati mikrofonska tipala, tipala pospeška in tipala udarcev ter tresljajev. Še več informacij zagotavljajo dodatne vrste tipal na primer temperature, vlažnosti ali tlaka. Najbolje je, kadar je taka kombinacija medsebojno povezana v omrežje. Vendar pa to ne podraži le tipal in povezovanja, ampak tudi pomeni več podatkov ter dela z vrednotenjem. Kombinacija več tipal je zato smiselna le, kadar bi lahko sicer prišlo do večje škode, na primer zaradi zaustavitve linije ali dalj časa neopaženih napak pri proizvodnji. Smiselna je lahko tudi pri odročnih sistemih, na primer vetrnih elektrarnah na morju, saj je tam nepotrebno delo serviserjev povezano z visokimi stroški. Celovito zaznavanje je posebno priporočljivo v varnostno kritičnih sistemih, kot je zavorni sistem v avtomobilu.

Nove brezžične tehnologije za posredovanje podatkov
Odvisno od načina uporabe morajo posamezna tipala izmerjene podatke najprej posredovati v krajevno napravo za zbiranje podatkov. V ta namen se uporabljajo mikrokrmilniki z vgrajenimi radijskimi vmesniki in A/D-pretvorniki, brezžični sistemi na integriranem vezju – SoC. Pogosto so mikrokrmilniku prilagojeni skladi protokolov za radijsko komunikacijo priloženi brezplačno, tako da je treba izvesti le še samo aplikacijo, torej digitalizacijo analognih vrednosti in prenos v napravo za zbiranje podatkov, za kar zadostuje že nekaj vrstic programa. Naprava za zbiranje podatkov lahko nato podatke vrednoti krajevno in svojo funkcijo prehoda uporablja le za programske posodobitve ali občasno poročanje. V takem primeru več kot zadošča internetna povezava LTE, za katero bo zanesljiva infrastruktura na voljo še veliko let. Pri časovno kritični analizi podatkov v oblaku, kjer je potrebna povratna informacija v nekaj milisekundah, bo odlično omrežje 5G. Povezovanje tipal z napravo za zbiranje podatkov ni vedno izvedljivo z žičnimi povezavami. Največkrat je tukaj cenejša, bolj prilagodljiva in trpežnejša radijska tehnologija. Pri sistemu nRF52840 podjetja Nordic Semiconductor lahko na primer udobno izbiramo med protokolnimi skladi Bluetooth Mesh, ZigBee ali Gazell, brezplačnim odprtokodnim skladom za zvezdaste topologije. Tehnologija NFC omogoča nezapleteno povezovanje tipal s poljubnimi napravami za zbiranje podatkov. Vgrajeni vmesnik USB omogoča prvo umerjanje tipal s prenosnikom. Če že vnaprej vemo, da bomo uporabljali le Bluetooth 5 ali Bluetooth Mesh, se lahko odločimo za cenovno ugodnejše izvedbe, na primer nRF52810. Najnovejša različica Bluetooth 5 omogoča v načinu Long Range doseg nad kilometer. S tem je ta tehnologija zanimiva tudi tam, kjer smo do zdaj uporabljali tehnologije v megaherčnem območju.

Pri tipalih, ki ne uporabljajo naprave za zbiranje podatkov, ali napravah za zbiranje podatkov, ki morajo zaradi močnega stiskanja podatkov zaradi krajevne obdelave prenašati le majhne količine podatkov, so lahko uporabne nove kategorije LTE. Te omogočajo vzpostavljanje neposredne internetne povezave med tipalom in oblakom, tako da se izmerjene vrednosti v oblak prenašajo brez ločenega prehoda.

Nove kategorije LTE
Najnovejši kategoriji LTE NB1 in M1, ki ju poznamo tudi kot NB-IoT ter LTE-M1 oz. LTE-M, sta idealni za načine uporabe, kot je vzdrževanje z napovedovanjem, kjer se občasno prenašajo manjše količine podatkov.

LTE-M in NB-IoT podpira družina nRF91 iz podjetja Nordic Semiconductor. Visoko integrirani sistem v enem ohišju (SiP – System in Package) ima vgrajen mikrokrmilnik ARM Cortex M33 za uporabniško prilagojeno programiranje aplikacij, tipal in izvršnih členov. S svojo računalniško močjo že omogoča uporabo bolj kompleksnih algoritmov za analiziranje podatkov. To pomeni: Brezžična enota iz izmerjenih podatkov tipal že na kraju samem pridobi potrebne informacije in je mogoče za pošiljanje porabiti bistveno manjšo količino podatkov. To optimizira skupno porabo energije in omejuje količine prenesenih podatkov. Več kot 32 priključkov GPIO omogoča poleg priključitve tipal tudi priključitev lučk LED, na primer za opozorilo na kraju samem, kadar tipalo javi previsoko vrednost. Priključiti je mogoče tudi tipke ali releje. Tipalo lahko tako po potrebi izklopi celoten sistem ali pa lahko uporabnik potrdi različna stanja stroja.

SiP nRF91 je na voljo tudi s tehnologijo Assisted GPS. Z uporabo NB-IoT ali LTE-M omogoča to hitro določanje položaja po hladnem zagonu za nadzor vozil ali drugih mobilnih naprav.

Zaščita pred krajo podatkov
Ker lahko iz izmerjenih vrednosti tipal sklepamo marsikaj o rabi teh strojev, sistemov in naprav, jih je treba zaščititi pred nepooblaščenim dostopom. Tudi tu nRF91 že ponuja rešitev: Gostiteljski procesor s tehnologijo TrustZone uporablja zaupanja vredno okolje za izvajanje v procesorju in sistemu, kar pomaga zaščititi podatke aplikacij, vgrajeno programsko opremo ter priključeno periferijo. Tehnologija ARM CryptoCell zagotavlja varen dostop do pomnilnika, tehnologiji TLS in SSL pa zagotavljata šifriranje podatkov skozi celotno prenosno pot. Sistem nRF91 je pri tem odlična kombinacija z nRF52, kot je uporabljen tudi na razvojnem kompletu nRF91. To pomeni, da lahko s to rešitvijo z dvema večjedrnima integriranima vezjema uporabljate radijsko povezavo za krajše razdalje za povezovanje s tipalom in mobilno radijsko povezavo za povezovanje z internetom. Če izberete sistem nRF52840 iz družine nRF52, tudi ta ponuja tehnologiji ARM TrustZone in CryptoCell.

Analiza podatkov kot dejavnik uspeha
Po posredovanju podatkov iz tipala se začne najbolj kočljiva naloga: analiza podatkov. Kaj pomeni, če se spremeni frekvenca valjčnega ležaja? Ali grozi okvara, so bile samo spremenjene proizvodne nastavitve ali pa se je stroj zaustavil za konec tedna? Je morda za spremembo kriva motnja? Katera odstopanja še spadajo pod običajna nihanja? In na koncu: Kolikšna je verjetnost, da bo prišlo do poškodbe, tj. kdaj je treba ukrepati?

S tem nastanejo določeni profili, ki so v programski opremi shranjeni z ustreznimi parametri in pragovnimi vrednostmi. Morda bo po prvem praktičnem preizkusu potrebno naknadno nastavljanje. Sistem za vzdrževanje z napovedovanjem bo prav tako treba prilagoditi pri spremembi proizvodnih nastavitev, spremembah nabora strojev in podobnem. Če upoštevate vse to, vam je uspelo: Nikoli več ne bo nepričakovanih poškodb strojev, izpadov ali zaustavitev linij zaradi neodkritega staranja opreme. Obseg vzdrževanja boste lahko bolje načrtovali in imeli na zalogi le še dejansko potrebne nadomestne dele. To ne prinaša prednosti le za uporabnike, ampak tudi za proizvajalce strojev. Če v svoje izdelke vgradite sistem za vzdrževanje z napovedovanjem, s tem svojim strankam zagotovite resnično dodano vrednost zaradi višje razpoložljivosti stroja. Poleg tega lahko analize izkušenj na terenu uporabite pri svojem nadaljnjem razvoju.

Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5
1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
www.rutronik.com
Tags: