Escrito por Grant Maloy Smith, el experto en adquisición de datos

Las máquinas se rompen, eso es inevitable. Mediante el monitoreo de condiciones, los ingenieros pueden predecir con precisión cuándo es probable que esto suceda. En este artículo aprenderemos:

  • ¿Por qué fallan las máquinas?
  • ¿Qué tipos de mantenimiento de máquinas existen?
  • ¿Por qué es importante prevenir fallas en las máquinas?
  • ¿Qué es realmente la monitorización del estado de la máquina?

¿Por qué fallan las máquinas?

Las máquinas fallan por diferentes razones y no todas las fallas son iguales. La maquinaria falla o pierde su utilidad cuando deja de funcionar de la manera para la que fue diseñada.

Machine catastrophic failure - condition monitoringFigura 1: Falla catastrófica de la máquina

Esta pérdida de utilidad se desglosa en tres categorías principales:

  • degradación de la superficie
  • obsolescencia y
  • accidentes

La degradación de la superficie de las piezas de la máquina da como resultado la pérdida de utilidad de la máquina en la gran mayoría de los casos y comprende principalmente desgaste mecánico y corrosión.

¿Por qué es importante prevenir las fallas de la maquinaria?

Cada parada inesperada en la producción, debido a fallas en los equipos, tiene una influencia significativa en la productividad, reparación y otros costos, ingresos, ganancias y, finalmente, competitividad de la empresa. Se estima que el tiempo de inactividad cuesta a los fabricantes de automóviles alrededor de 22 mil USD por minuto o 1,4 millones de USD por hora. Esta es la razón por la que los propietarios de las instalaciones buscan constantemente formas de eliminar las fallas y, al mismo tiempo, mantener los costos de mantenimiento al nivel más bajo posible.

Este es el punto en el que entra en juego la monitorización de condiciones como base para el mantenimiento predictivo.

La monitorización adecuada del estado ayuda a las empresas a:

  • Reducir los costos de reparación
  • Reducir los costos de mantenimiento
  • Incrementa la vida de las plantas
  • Incrementar la seguridad del personal
  • Aumentar los ingresos
  • Incrementar la rentabilidad

Machine Condition Monitoring BenefitsFigura 2: Beneficios del monitoreo del estado de la máquina

Tipos de mantenimiento de maquinaria

Existen varios tipos diferentes de mantenimiento de maquinaria pero, en general, los dividimos en dos categorías:

  • Mantenimiento preventivo
  • Mantenimiento correctivo

¿Qué es el mantenimiento correctivo?

El mantenimiento correctivo es una técnica en la que se realiza la corrección después de que ocurre la falla. Se utiliza para máquinas que son de muy bajo costo, fáciles de reemplazar y su mal funcionamiento no afecta significativamente la productividad.

¿Qué es el mantenimiento preventivo?

El mantenimiento preventivo es una técnica en la que se realiza el mantenimiento antes de que ocurra la falla. Las técnicas de mantenimiento preventivo más reconocidas son:

  • Mantenimiento basado en el tiempo (TBM)
  • Mantenimiento predictivo
  • Mantenimiento basado en condiciones (CBM)

En 1736, cuando abogaba por una mejor prevención de incendios en Filadelfia, Benjamin Franklin defendió con fama, "una onza de prevención vale una libra de cura". Seguramente es mejor prevenir un incendio que intentar extinguirlo. Este enfoque de sentido común está en el centro del mantenimiento preventivo.

Mantenimiento basado en el tiempo (TBM)

El mantenimiento basado en el tiempo se realiza a intervalos regulares. Se refiere a la reposición de un artículo independientemente de su estado real. Normalmente se realiza a intervalos prescritos por el fabricante de la máquina y utiliza como base los datos del tiempo medio entre fallos (MTBF).

Mantenimiento predictivo

El objetivo del mantenimiento predictivo es predecir cuándo ocurrirá una falla, basándose en los datos obtenidos del sistema de monitoreo de condición. Cuando se alerta a los ingenieros de que se está desarrollando un problema, pueden tomar medidas para sacar el sistema afectado de una posición crítica mientras se realiza el mantenimiento. Cuando se resuelve el problema, lo mueven hacia atrás sin problemas después. Por lo tanto, el mantenimiento predictivo no puede existir sin Condition Monitoring.

Mantenimiento basado en condiciones (CBM)

El mantenimiento basado en condiciones (CBM) es una estrategia de mantenimiento que monitorea la condición real de un activo para decidir qué mantenimiento debe realizarse. CBM dicta que el mantenimiento solo debe realizarse cuando ciertos indicadores muestran signos de disminución del rendimiento o fallas próximas.

Condition based maintainance

¿Qué es la monitorización del estado de la máquina?

El monitoreo del estado de la máquina es un proceso de verificación del estado de la maquinaria durante su operación normal. Consiste en la adquisición de datos, el procesamiento de datos y la comparación de datos con tendencias, línea de base y datos representativos de máquinas similares.

Monitoreo del estado de la máquina con Dewesoft

Antecedentes de la monitorización del estado de la máquina

Los seres humanos están sujetos a un control de la condición cada vez que visitan a un médico para un chequeo médico. Para conocer el estado general de salud de un paciente y seguir la evolución de una enfermedad, se incluyen varias exploraciones en función de la edad y estado del paciente.

Doctor hearth checkFigura 3: Verificación de estado

Generalmente, un chequeo incluye:

  • Un interrogatorio: el médico le pide al paciente que describa los síntomas que siente.
  • Auscultación: con un estetoscopio, el médico escucha los sonidos corporales como los latidos del corazón, los sonidos transmitidos por el agua y los sonidos de las arterias carótidas y femorales.
  • Un electrocardiograma o ECG: este examen corresponde a la actividad eléctrica del corazón a través de electrodos colocados en los tobillos, las asas y el pecho.
  • Radiografía de tórax: puede detectar posibles problemas en el tórax, pulmones y corazón.

En la industria, el control de la condición de las máquinas es realizado por médicos de máquinas llamados ingenieros de mantenimiento predictivo (PdM). Su función es utilizar sistemas de diagnóstico para evitar paradas de producción inesperadas y fallas catastróficas con paradas de producción mínimas y costos de mantenimiento mínimos. ¿Qué parámetros comprueban? Hay muchos parámetros que se pueden verificar que van desde la inspección visual, los niveles de aceite, los residuos de aceite, las temperaturas, la corrosión, la vibración, las presiones, etc.

El desarrollo del monitoreo de condición comenzó hace mucho tiempo con algunas mediciones muy simplificadas. A finales de 1850, los técnicos de mantenimiento de ferrocarriles utilizaban martillos para golpear las ruedas para comprobar el estado de las ruedas de las locomotoras. Al golpear las ruedas y analizar el sonido, fueron capaces de evaluar el estado de las ruedas (una rueda con una grieta emitía un sonido sordo).

Wheel tapperFigura 4: Roscadora de ruedas

El progreso en la electrónica y el desarrollo de software está cambiando drásticamente el monitoreo del estado de la máquina, haciéndolo más simple de usar y mucho más confiable. 

Aplicaciones de monitoreo de condición

El monitoreo de condición se aplica a miles de aplicaciones, pero las más conocidas incluyen:

  • Planta industrial e instalaciones de todo tipo: Reductores, UPS, AC, motores eléctricos, ventiladores, bombas.
  • Pulpa y papel: Sopladores, cintas transportadoras, astilladoras, clasificadores de viruta, refinadores, cribas de presión, transportadores de tornillo, agitadores, monitoreo de nip, rodillos de fieltro, etc.
  • Hierro y acero: Máquinas de manipulación de materias primas, cintas transportadoras, descargadores de barcos, plantas de galvanización, recuperadores de pilas, coladas continuas, grúas, trenes de laminación, maquinaria de recocido, y también bombas, ventiladores y cajas de engranajes, etc.
  • Automotriz: Túneles de viento, Unidades de tratamiento de aire y bombas en talleres de pintura así como prensas y prensas transfer, etc.
  • Cemento: trituradoras, cajas de engranajes, cintas transportadoras, separadores, ventiladores, molinos de crudo, molinos de bolas, elevadores y sopladores.
  • Plantas de generación de energía: turbinas de gas, turbinas de vapor, bombas de agua, etc.

Pasos para el monitoreo del estado de la máquina

Para implementar con éxito un programa de monitoreo de máquinas, es esencial seguir un enfoque bien estructurado en los siguientes pasos:

Veamos cada uno de los pasos en detalle.

PASO 1: Configuración del registro de equipos

Este paso tiene como objetivo crear un registro de todos los activos de las instalaciones de producción. El registro suele incluir:

  • Dibujos de proceso
  • Diagramas de cableado
  • Detalles exactos de cada máquina (tipo, velocidad, acoplamiento, potencia, etc.)
  • Posición de activos para encontrarlos fácilmente
  • Número de identificación único

PASO 2: Evaluación del estado de la maquinaria y su importancia para la operación de la instalación

Se debe obtener revisión de fallas de activos pasados, análisis de MTBF (tiempo medio entre fallas) y MTTR (tiempo medio de reparación), costos promedio de reparación y reemplazo, costo de tiempo de inactividad, riesgo de daño secundario. Esto nos ayudará a identificar y seleccionar las técnicas y tecnologías adecuadas para el control del estado de la máquina.

MTBF and MTTR formula

PASO 3: Identificación de la técnica apropiada de monitoreo del estado de la máquina para cada uno de los activos disponibles

Existen varias técnicas de supervisión del estado de la máquina que se utilizan para evaluar el estado de la máquina. Echemos un vistazo a los que se utilizan con más frecuencia.

Monitoreo de temperatura

Se ha adoptado para la evaluación del estado de la máquina durante las últimas décadas. Hay varios métodos de monitoreo de temperatura que van desde pasivos, sin contacto (usando cámaras IR) hasta basados en sensores activos (usando termopares y RTD).

El escaneo IR puede brindar una buena descripción general de las máquinas o la electrónica de control e indicar problemas de sobrecalentamiento. La medición por contacto es muy útil para la detección temprana de problemas relacionados con la lubricación, pero no tanto para detectar daños físicos como grietas y desconchados en los rodamientos.

Temperature measurement using a thermal imaging cameraFigura 5: Medición de temperatura con una cámara termográfica

Monitoreo de vibraciones

Es un método muy antiguo y el más utilizado para evaluar el estado de la máquina. Nos ayuda a detectar la falla y comprender su causa raíz. Los acelerómetros se utilizan para controlar los cambios de amplitud en un amplio rango de frecuencias. El monitoreo de vibraciones le permite comprender fenómenos como desalineación, desequilibrio, flojedad, problemas con los dientes de los engranajes o desgaste de los rodamientos antes de fallar.

Vibration monitoring with a data acquisition systemFigura 6: Monitoreo de vibraciones con un sistema de adquisición de datos

Emisión acústica

Los sensores de emisión acústica se están utilizando cada vez más para el monitoreo basado en condiciones debido a muchas ventajas para la detección temprana de fallas. Pero no es un método adecuado para instalaciones de monitoreo permanente debido a su problema de requisitos de almacenamiento masivo de datos debido a su funcionamiento en alta frecuencia (unos pocos kHz a MHz) y altos precios en comparación con otras soluciones disponibles en el mercado. También es difícil identificar la fuente de los sonidos que miden los sensores.

Prueba de ultrasonido

Es una tecnología muy rentable que se utiliza especialmente para responder a la pregunta inicial si una máquina está en buen estado o no. Los detectores de ultrasonido normalmente miden ondas de presión sonora en el rango de frecuencia entre 30 kHz y 40 kHz.

Las ondas de presión se miden utilizando un sensor resonante que transforma las ondas en una pequeña carga eléctrica. Normalmente se utiliza de la mano de técnicas de monitorización de vibraciones. Los técnicos normalmente usan ultrasonido para filtrar las máquinas buenas de las malas y luego realizan un análisis de vibración en profundidad del equipo defectuoso para encontrar la causa raíz de los problemas.

Análisis de aceite

Normalmente se realiza en laboratorios mediante pruebas químicas para determinar el estado del aceite. Actualmente existen sensores de tribología para el control permanente de la calidad del aceite. Los resultados indican si se debe cambiar el aceite.

Esta tecnología se utiliza muy raramente para evaluar el estado del activo y se centra más en determinar el estado del lubricante (viscosidad, basicidad, etc.). Sin embargo, el nivel de aceite y el seguimiento de la calidad son muy importantes para evitar reparaciones costosas.

Motor oil analysisFigura 7: Análisis de aceite de motor

PASO 4: Selección de tecnologías disponibles en el mercado

Como aprendimos hasta ahora, existe una amplia gama de técnicas disponibles para el monitoreo del estado de la máquina. La mejor estrategia de todo técnico de mantenimiento sería utilizar una combinación de todos ellos para obtener los mejores resultados. Sin embargo, debido a las limitaciones de tiempo y presupuesto, los diagnósticos de vibración en combinación con las mediciones de temperatura han demostrado ser los más efectivos hasta ahora.

PASO 5: Instalación de los sensores de monitoreo de condición

La instalación de los sensores de monitoreo de condición es vital para su desempeño. Lo más probable es que un montaje incorrecto le proporcione datos que se relacionan no solo con un cambio en las condiciones, sino también con la inestabilidad del sensor en sí. Por lo tanto, los datos del sensor no son confiables.

schematic of frequency range and sensor mounting methodFigura 8: esquema del rango de frecuencia y método de montaje del sensor

Existen varios métodos de montaje diferentes:

  • Montaje con cera: es muy conveniente pero no recomendamos utilizar este método para montar acelerómetros. La inconsistencia en el espesor y el efecto amortiguador (baja rigidez) de la cera hacen que los resultados sean poco fiables a frecuencias más altas.
  • Montaje adhesivo: muy apropiado cuando el montaje con espárragos no es práctico o incluso no es posible porque no se permite la perforación.
  • Montaje magnético: apropiado para resolución de problemas o mediciones periódicas. Los adaptadores de montaje magnéticos se utilizan para unir acelerómetros al material ferromagnético.
  • Montaje con espárrago: muy apropiado para el monitoreo de vibraciones permanente y de alta frecuencia

Los sensores de vibración deben montarse en lugares que aseguren la medición del movimiento vertical, horizontal y axial:
Para detectar problemas de desbalance y rodamientos, es necesario tomar medidas horizontales. En este caso, los sensores deben montarse lo más cerca posible de los cojinetes del motor y de la bomba.

Para detectar holguras y problemas con la rigidez estructural o la base, es necesario realizar una medición vertical con sensores colocados cerca del motor y los cojinetes del extremo de transmisión de la bomba.

Para detectar una desalineación entre el motor y la carga, es necesario realizar mediciones axiales. En este caso, los sensores deben colocarse cerca del motor y los cojinetes del extremo de transmisión de la bomba.

Los acelerómetros deben montarse lo más cerca posible de la fuente de vibración que se mide. Se recomienda encarecidamente el montaje en una superficie limpia, lisa, plana y sin rayar a través de un orificio perforado y roscado para obtener una posición estable del sensor, especialmente cuando se miden vibraciones de alta frecuencia. Asegúrese de que el tornillo no sea más largo que el orificio roscado. No debe haber espacio entre el sensor y el objeto medido.

En caso de que no se permita taladrar en la maquinaria, se puede utilizar pegamento con propiedades metálicas. Esto asegura una buena transición de vibraciones.

PASO 6: Recopilación e interpretación de datos

Las máquinas nos hablan pero, lamentablemente, no hablan inglés ni ningún otro idioma que los humanos comprendan. Se comunican a través de señales de vibración generadas mientras la máquina está en funcionamiento. Por lo tanto, es esencial comprender la vibración para poder evaluar el estado de la máquina. Pero cómo hacemos eso?

Para traducir las señales de vibración a un lenguaje legible por humanos, utilizamos las llamadas herramientas de diagnóstico de vibraciones compuestas por tres partes principales:

  • Sensores
  • Hardware de adquisición de datos
  • Software de monitoreo de condición

Sensores

Los sensores son dispositivos conectados al punto de medición cuyo propósito es detectar eventos o cambios de fenómenos físicos y traducirlos a valores eléctricos proporcionales. Se utilizan diferentes sensores en el monitoreo de condiciones y van desde transductores de desplazamiento, acelerómetros, transductores de pulso de choque y transductores de velocidad.

Cada uno de ellos se ajusta al propósito para el que ha sido desarrollado. La principal diferencia es la precisión que ofrecen en un rango de frecuencia específico:

  • Los transductores de desplazamiento son muy buenos en el rango de frecuencia de 0 Hz a 200 Hz.
  • Los transductores de velocidad son perfectos para frecuencias de rango medio desde 2 Hz hasta 1 kHz.
  • Los acelerómetros son los mejores en el rango de 5 Hz a 20 kHz.

Además de la precisión y el rango de frecuencia, también hay varios otros factores a considerar al seleccionar el transductor, como:

  • Rango de temperatura
  • Peso
  • Tamaño
  • Gama dinámica
  • Sensibilidad
  • Precio
  • Aislamiento
  • Posibilidades de montaje
  • IP: protección de entrada
  • Inalámbrico o cableado

Para elegir el correcto, debe comprender lo que va a medir.

Para medir el desplazamiento de señales estacionarias (DC) o señales de muy baja frecuencia se utilizan sensores de desplazamiento denominados sondas de proximidad de corrientes parásitas. Estos sensores detectan la falta de homogeneidad del material metálico al detectar cambios en un campo magnético generado por una bobina de referencia. Las sondas de proximidad se utilizan para mediciones de desplazamiento sin contacto y, por lo general, deben montarse de forma permanente en la máquina.

Eddy Current transducer principle of operationFigura 9: Principio de funcionamiento del transductor de corriente de Foucault

Los sensores más utilizados para medir la vibración son los acelerómetros. Hay varios tipos de acelerómetros. Los más utilizados son:

  • MEMS capacitivos
  • FBA (acelerómetros de equilibrio de fuerza)
  • Acelerómetros piezoeléctricos (acelerómetros IEPE)

Los acelerómetros pueden ser inalámbricos o cableados. Los acelerómetros inalámbricos son muy fáciles de montar, ya que no se requieren cables, pero no son del todo apropiados cuando se necesitan mediciones dinámicas (alta velocidad) en tiempo real debido a las limitaciones de duración de la batería.

Permanent single-channel Data Acquisition Module with a Vibration and Temperature sensor probeFigura 10: Módulo de adquisición de datos de un solo canal permanente con una sonda de sensor de temperatura y vibración

Recopiladores de datos: hardware de adquisición de datos

El propósito del hardware de adquisición de datos es convertir señales eléctricas (analógicas) en digitales.

Multiple-channel High-End Data Acquisition systemFigura 11: Sistema de adquisición de datos de gama alta de múltiples canales

Los elementos clave de un sistema de adquisición de datos son:

  • acondicionamiento de señal
  • convertidores de analógico a digital (ADC)
  • interfaz de computadora / bus

Acondicionamiento de señal

El acondicionamiento de señales es la parte del circuito de la unidad de adquisición de datos que prepara la señal analógica que proviene del sensor para que esté lista para ser adquirida por el ADC. El circuito de acondicionamiento de la señal transforma la señal amplificándola, filtrándola, atenuándola y posiblemente aislándola.

Convertidores de analógico a digital (ADC)

Los ADC son circuitos integrados que transforman la señal analógica del circuito de acondicionamiento de señal en digital antes de enviarla a la computadora para su posterior cálculo. Las principales características de un convertidor ADC son la resolución y la frecuencia de muestreo.

Interfaz de computadora / bus

Es una interfaz de comunicación entre la unidad de adquisición de datos y la computadora. Hay varias opciones disponibles en el mercado, incluyendo PCI, USB, Ethernet, Wi-Fi, además de las cuales se pueden implementar diferentes protocolos como TCP / IP, EtherCAT, ProfiNet, etc. La selección de la interfaz de comunicación depende principalmente de los datos requeridos. tasa, la distribución espacial de los dispositivos y el medio ambiente (laboratorio o industrial).

Al igual que los acelerómetros, también hay muchos sistemas de adquisición de datos, compuestos por hardware y software de adquisición de datos, en el mercado. Nuevamente, existen grandes diferencias entre ellos, especialmente cuando profundizamos en la comprensión de su principio de funcionamiento, confiabilidad, características del software, repetibilidad de las mediciones, método de uso (portátil o permanente / en línea), distribuido versus centralizado, etc.

Software de monitoreo de condición

El software de monitoreo de condición se puede construir expresamente para monitorear el estado de máquinas específicas o se puede reconfigurar y, por lo tanto, es apropiado para aplicaciones de diagnóstico de maquinaria complejas.

Dewesoft condition-based monitoring Paper Mill user interfaceFigura 12: Monitoreo basado en condiciones de Dewesoft Interfaz de usuario de Paper Mill

El software puede ser muy básico y fácil de usar, y ofrece solo algunos valores estadísticos generales. En otros casos, el software puede tener todas las características necesarias para analizar los datos brutos obtenidos de los dispositivos de adquisición de datos. También puede tener almacenamiento de datos históricos a largo plazo y posibilidades de visualización de tendencias, lo que permite a los usuarios detectar todas las posibles fallas de la máquina. Las mejores soluciones de software también ofrecen conectividad directa y transferencia de datos a sistemas de control distribuidos de terceros a través de diferentes protocolos disponibles.

Existen diferencias entre los proveedores de software de monitoreo de condición también en términos de acceso a los datos. Puede estar basado en computadora con acceso local o software basado en web para monitoreo remoto.

Herramientas de software para la detección de fallas típicas de la máquina:

Funciones de software Fallos típicos de la máquina
  Desequilibrio del eje Desalineación Pie / cimientos sueltos Excentricidad del estator Defectos de los rodamientos Desgaste del cojinete de diario Fallo del diente de engranaje Cavitación Desgaste de las palas de la turbina Resonancias estructurales
FFT de banda base
Detección de sobres
Rastreo de orden
Análisis cepstrum
Función de respuesta de frecuencia
Gráfico de órbita
Gráfico de la línea central del eje
Equilibrado de dos planos
Desplazamiento, velocidad, aceleración
RMS, pico-pico, pico
Curvas de tolerancia
Ancho de banda y resolución de análisis
Multi-análisis
Tacómetro y gatillo
Registrador de datos de tiempo
Edición de datos de tiempo
Formas de deflexión operativa

PASO 7: Determinación de las tareas de mantenimiento

Cuando tenga todos los datos en su escritorio, para tomar las medidas de mantenimiento adecuadas, debe interpretar la aceleración, el desplazamiento, la temperatura y otros datos recopilados mediante las herramientas de software descritas anteriormente.

Hay dos formas de hacerlo:

  • Manualmente con un ingeniero de mantenimiento predictivo calificado (PdM). Pueden ser empleados o subcontratados de empresas que ofrecen servicios de PdM.
  • Con interpretación automática de datos utilizando las soluciones de software de mantenimiento predictivo disponibles en el mercado.

Ambas opciones tienen sus ventajas e inconvenientes. Los PdM calificados suelen ser costosos y dedican mucho tiempo a analizar los datos. Sin embargo, una vez que conocen la máquina en detalle, pueden predecir de manera muy confiable su falla y establecer las tareas de mantenimiento programadas apropiadas con mucha anticipación.

Por otro lado, las soluciones de software de mantenimiento predictivo son mucho menos costosas pero mucho menos confiables. Piense en cuántos tipos diferentes de equipos existen, en cuántos entornos y condiciones diferentes funcionan. Por eso, es imposible establecer una línea de base única para todos ellos y establecer umbrales únicos para alarmar.

Hoy en día, la mejor solución probablemente sea una combinación de automática, utilizada para maquinaria no crítica y manual para maquinaria crítica.

Conclusión

Las eficiencias de los equipos mecánicos se pueden aumentar mediante el uso de soluciones adecuadas de Monitoreo de la condición de la máquina.
La elección del sistema depende de la criticidad del activo, el costo de reemplazo / falla, las posibilidades de acceso a los activos, el costo de monitoreo y la tasa de progresión de fallas esperada.

Los sistemas portátiles de bajo costo se utilizan normalmente para activos no críticos con bajos costos de reemplazo y tasas de progresión de fallas lentas.

Sin embargo, los grandes avances tecnológicos de los últimos tiempos han permitido que las soluciones de monitorización permanente sean muy rentables. Debido a la disminución de costos, mayor confiabilidad y eficiencia del trabajo, cada vez más clientes optan por soluciones permanentes.