利用无线传感器提高纸浆工业的产量

Eldorado Brasil Celulose是一家位于巴西Lagoas-MS Três市的工业园区公司，是世界上最大的单线硫酸盐纸浆工业，年生产能力为180万吨纸浆，使用市场上最先进的设备和工艺。本特利内华达公司与埃尔多拉多公司在故障预测和旋转机器保护技术。

由于双方之间的这种合作关系，一个试点项目的概念证明与本特内华达无线游侠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。下面将详细介绍所使用的体系结构、分析资源以及在此期间发现的两个设备故障案例。

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，使其非常具有吸引力和竞争力。

Ranger Pro的传感器，特别是三轴模型振动测量在X、Y、Z和温度3个轴上，安装在生产区域选择用于测试的机器上，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，扩展了系统网络的总通信范围。FDAP通过常规网线(RJ45)连接到管理站点(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，因此使用IEEE 802.11a/n标准协议的通信无线电(下图中蓝色突出显示)作为两个网络之间的桥梁，在本例中是现场网络与System 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，这种解决方案可以达到公里的通信范围。

必须强调的是，在整个审查期间，这一通讯结构运作良好，没有数据丢失。

访问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软件完成的。除了本地访问(工厂内)，您还可以通过公司的VPN进行远程访问。本报告所述期间还向本特利内华达小组提供了通过VPN的远程访问，以获得技术支持。

为了更好地理解，下面给出了这个网络架构:

的状态监测软件系统1已经配置了所有必要的关键参数，以便对被监测设备进行正确的故障预测。基本上，这包括机器速度信息、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)以及智能通知和报警计划，当发现异常情况时，自动向设备负责人发送电子邮件。

另一个重点是，通过Eldorado数据服务器提供的OPC协议，集成了在同一设备中已经监控的其他(过程)参数，如电机电流、泵流量、产量等。有了更全面的信息视图，就可以构建特定的人机界面(HMI)屏幕，以简化数据可视化和故障分析。该HMI的示例如下图所示，其中可以看到泵在漂白阶段之间与浆液一起工作，包含电机电流、液位、单位产量和Ranger Pro振动数据。

该设备具有分离纤维中不需要的物质的功能，如果发生故障，其潜在影响是功能丧失，即吹扫线关闭，使工厂的纸浆产量减少110t/h。

电机技术参数:

• 力量:710千瓦
• 电压:660 v
• 转速:1938转/分
• 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演变，并伴有机械间隙的症状。在常规检查中检测到故障后，安装Ranger Pro无线传感器在线监测故障，收集间隔比通常短得多。

早在2020年1月22日黎明时分，System 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(5点11分)，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，管理人员就能够以预定的方式预测更换电机的行动，实现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(均方根)上的指数演变。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，显示了在电机基频处的峰值(冲击)的时间间隔(毫秒)，具有机械间隙的特征。

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的缺失。

这个案例说明了收集动态振动数据(波形和频谱)对于确定设备故障的重要性。

在电机维修过程中，分析中发现的故障得到了确认。由于电机间隙增大，轴承的润滑油密封盖接触到轴，造成严重的发热。

在这种加热过程中，密封帽必须被打破(图9)，然后取下并用一个新的代替。

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，以及电机恢复运行所需的时间，对工厂运行可用性指数产生负面影响。

由于所有的数据可用性、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操作。从而避免了440吨纸浆产量的损失。考虑到每吨纸浆的平均价格为684美元到2020年1月，节省了约30万美元。

该设备的功能是调节蒸煮器排出的浆料的稠度和冷却浆料。由于故障导致资产功能损失的潜在影响是蒸煮器生产中断，从而导致纸浆生产损失229 t/h。

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，电机的峰值振动水平出现了变化，联轴器(NDE)对面的轴承出现了BPFI(球通频率内圈)故障的症状。

PeakDemod是无线Ranger Pro传感器中的一种算法，可以解调高振动频率信号，从而早期识别滚动元件轴承故障。

该装置的作业团队计划在2020年9月1日关闭，资产监控中心(AMC)团队面临的挑战是，在计划的关闭日期之前，跟踪并找到减轻故障影响的方法。这是预测性资产维护的一个经典例子。

在下面的图11中，您可以注意到PeakDemod变量从2019年12月22日到2020年9月1日程序化停机当天的跟踪(趋势图-左)，以及轴承更换后变量的行为。右图显示了PeakDemod中的频谱，它清楚地表明了2019年12月25日该轴承内部轨道故障(及其谐波)频率的主导幅度。

Ranger Pro传感器用于跟踪故障的演变，并做出决策以减轻故障的影响，例如偶尔对轴承进行润滑。

下面的图12显示了加速度波形，显示了对BPFI(球通频率内圈)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毫秒，对应于大约128 Hz的频率，正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撞击产生的能量下降。

在电机维护之后，埃尔多拉多的轴承专家团队对轴承进行了分析，证明轴承内圈存在故障，如下图14所示。

对这一故障进行在线跟踪，直到安排维修的那一天，从而避免了紧急维修的需要和大约2,740吨纸浆生产的损失。考虑到每吨纸浆684.00美元2020年1月，节省了约187.4万美元。

在线状态监测系统在降低维护成本和因意外故障(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。它易于快速实现，不需要大型装配基础设施，并且具有出色的功能，包括用于诊断System 1软件中的故障的动态数据。

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