使用无线传感器在纸浆工业中的生产收益

Eldorado Brasil Celulose公司位于巴西Três Lagoas-MS市的工业园区，是世界上最大的单线硫酸盐纸浆工业，拥有每年180万吨纸浆的运营能力，使用市场上最先进的设备和工艺。本特利内华达与埃尔多拉多在失败预测和合作旋转机器保护技术。

作为双方合作的结果，与本特利内华达进行了概念验证的试点项目无线Ranger Pro振动传感器和系统1资产管理软件于2019年11月至2020年2月进行。下文将详细介绍所使用的体系结构、分析资源以及在此期间在设备中发现的两个故障案例。

无线系统的主要区别在于安装的实用性和灵活性。由于安装不需要主要的基础设施，这为项目带来了巨大的成本效益，使其非常有吸引力和竞争力。

Ranger Pro传感器，特别是三轴模型振动测量在X、Y和Z三个轴上，和温度，安装在生产区域中为测试选择的机器上，并通过ISA100工业协议(下图中绿色突出显示)与现场设备接入点(FDAP)进行通信。该系统的传感器与FDAP之间的通信距离约为150米。所有Ranger Pro传感器还具有信号中继器功能，这扩展了系统网络的总通信范围。FDAP通过常规网线(RJ45)连接到管理站(WDM - Gateway)。必须强调的是，每个管理站可以接收多个FDAP，这增加了系统的容量(传感器的总数)。

FDAP和管理站都安装在现场，由于现场缺乏可用的网络结构，使用IEEE 802.11a/n标准协议的通信无线电(下图中蓝色部分突出显示)作为两个网络之间的桥梁，在这里是现场网络和系统1软件服务器所在的Eldorado TA网络之间的桥梁。根据所选择的无线电型号和天线类型，这种类型的解决方案可以达到千米的通信范围。

必须强调的是，这种通信架构在整个审查期间工作得非常好，没有数据丢失。

收集到的数据是通过安装在连接到埃尔多拉多公司网络的用户计算机上的System 1软件进行访问的。除了本地访问(在工厂内)，您还可以通过公司的VPN进行远程访问。在此期间，Bently Nevada团队还可以通过VPN进行远程访问，以提供技术支持。

为了更好地理解这个网络架构，下面将给出这个网络架构:

的状态监测软件系统1已配置好监控设备故障预测所需的所有关键参数。基本上，这包括机器转速信息、轴承型号(以及相应的故障频率)、波形和频谱采集参数(Fmax、分辨率线、采集率等)，以及在发现异常情况时自动向设备负责人发送电子邮件的智能通知和报警计划。

另一个重点是通过Eldorado数据服务器提供的OPC协议集成在同一设备中已经监测到的其他(工艺)参数，如电机电流、泵流量、产量等。通过更全面的信息视图，可以构建特定的人机界面(HMI)屏幕来简化数据可视化和故障分析。下图是该人机界面的一个示例，其中可以看到泵在增白阶段之间与泥浆一起工作，包含电机电流、液位、单元产量和Ranger Pro振动数据。

该设备具有分离纤维中不良物质的功能，在故障情况下功能丧失的潜在影响是吹扫线的关闭，使工厂纸浆产量减少110t/h。

电机技术资料:

• 力量:710千瓦
• 电压:660 v
• 转速:1938转/分钟
• 型号:HGF 450
• 轴承:滚动轴承

2020年1月20日，电机在NDE轴承(非驱动端轴承)的振动水平上呈现指数级演变，并伴有机械间隙症状。在例行检查中发现故障时，安装Ranger Pro无线传感器在线监测故障，收集间隔比通常的时间短得多。

早在2020年1月22日的黎明时分，系统1报警管理系统就发现了一个异常情况，并自动向维护团队发送了一封电子邮件(上午5:11)，警告电机已达到临界振动水平。请看下面的图片和通过电子邮件发送的信息。

有了这些信息，管理人员能够以预定的方式预测他们更换电机的行动，执行生产区域的操作平衡，从而使工厂的操作流程不会受到很大的干扰。

下图6所示的趋势图(左侧)显示了振动值在速度(rms)中的指数演变。分析频谱(右图)，我们可以看到电机具有机械间隙特性。

加速度时间波形信号如下图7所示，在电机基频处显示了具有时间间隔(ms)的峰值(冲击)，这是机械间隙的特征。

下图8的瀑布图(时间谱)显示了更换电机后故障所定义的谐波峰值的缺失。

该案例说明了收集动态振动数据(波形和频谱)对判断设备故障的重要性。

在电机维护期间，分析中发现的故障得到了确认。由于电机间隙增加，轴承的润滑剂密封帽与轴接触，导致严重发热。

由于这种加热，密封帽必须被打破(图9)，以拆卸和更换一个新的。

如果埃尔多拉多维修团队没有迅速采取行动，电机(转子和其他内部部件)的损坏将是有害的，这将导致维修成本的增加，以及恢复电机运行所需的时间，对工厂运行可用性指数产生负面影响。

由于所有数据可用性、早期通知和来自系统的诊断，因此采取了及时计划和执行维护的行动。因此，避免了440吨纸浆生产的损失。考虑到每吨纸浆平均684美元到2020年1月，节省了约30万美元。

该设备的作用是调节浆料的稠度和冷却浆料在消化池中排出。由于故障而导致资产功能丧失的潜在影响是消化器生产中断，从而在纸浆生产中造成229吨/小时的损失。

技术数据:

• 力量:670千瓦
• 电压:660 v
• 转速:1800转/分
• 型号:HGF 450
• 轴承:滚动轴承

在2019年12月21日，电机在PeakDemod(峰值)振动水平上出现了演变，在联轴器(NDE)对面的轴承中出现了BPFI(球通过频率内圈)故障的症状。

PeakDemod是Ranger Pro无线传感器中出现的一种算法，它可以解调高振动频率信号，从而能够早期识别滚动元件轴承故障。

该部门的运营团队计划在2020年9月1日关闭，资产监控中心(AMC)团队面临的挑战是在计划关闭日期之前跟进并找到缓解故障影响的方法。这是预测性资产维护的一个经典示例。

在下面图11的图中，您可以注意到PeakDemod变量从2019年12月22日到2020年1月9日程序化关闭当天的跟踪(趋势图-左)，以及变量在轴承更换后的行为。右图显示了PeakDemod中的频谱，其中清楚地表明了2019年12月25日该轴承内部轨道故障频率(及其谐波)的主要振幅。

Ranger Pro传感器用于跟踪故障的演变，并决定采取何种措施来减轻故障的影响，例如对轴承进行偶尔润滑。

下面的图12显示了加速度波形，显示了对BPFI(球通过频率内跑)故障频率的影响。请注意，冲击(绿色和橙色)之间的时间差为7.812 ms，对应的频率约为128 Hz，恰好对应于该轴承的内圈故障。

图13中的瀑布图显示了更换电机轴承后冲击产生的能量下降。

在电机维护之后，Eldorado的轴承专家团队对轴承进行了分析，证明轴承内圈出现故障，如下图14所示。

这一故障一直在线跟踪到计划维修的当天，从而避免了紧急维修的需要和约2 740吨纸浆生产的损失。考虑到平均每吨纸浆684.00美元到2020年1月，节省了约187.4万美元。

在线状态监测系统在减少维护成本和由于计划外故障(和停机)造成的生产损失方面带来了巨大的回报。在这个项目中使用的Ranger Pro无线监控系统被证明是一个很好的选择。它易于实现且快速，不需要大型的组装基础设施，并且具有出色的特性，包括用于系统1软件故障诊断的动态数据。

即使在很短的时间内，通过本文中介绍的两个非常重要的案例，也可以注意到系统在关键时刻支持维护团队的效率。