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sensori monitoraggio di vibrazione nell'industria 4.0

Monitoraggio delle vibrazioni nell’industria 4.0

I sensori intelligenti sono una componente essenziale dell’Industria 4.0. Raccolgono dati sui processi industriali dei dispositivi connessi alla rete Internet e li trasmettono ai sistemi di controllo e di automazione. Riescono a fornire informazioni in tempo reale sull’ambiente circostante e sono utilizzati per monitorare macchine, strumenti, processi e altri dispositivi industriali, fornendo informazioni precise e dettagliate sul loro stato e prestazioni.
Ci sono tipi diversi di sensori utilizzati nell’Industria 4.0, tra cui i sensori di posizione, i sensori di velocità, i sensori di forza, i sensori di temperatura, i sensori di umidità e i sensori di pressione e controllano la produzione, migliorando l’efficienza energetica e garantire la qualità del prodotto. Inoltre, i sensori possono essere utilizzati per la manutenzione predittiva, che consente di identificare i problemi prima che causino guasti o il fermo delle macchine.

La vibrazione anomala di un macchinario

Le oscillazioni o le vibrazioni di un macchinario possono essere rilevate mediante sensori di vibrazione. Questi sensori sono utilizzati in diversi settori, tra cui il monitoraggio delle apparecchiature e il controllo della qualità in fabbrica. Il loro funzionamento prevede la conversione di un valore fisico in un segnale elettrico.
Le strategie per monitorare le vibrazioni sono diverse e contemplano i sensori piezoelettrici, capacitivi e di deformazione, che funzionano in base a principi fisici diversi. Essi misurano diverse grandezze come accelerazione, velocità e ampiezza delle vibrazioni.
Queste tipologie di sensori sono progettate per essere robusti e resistenti alle sollecitazioni meccaniche ed è importante, altresì, verificare che siano adatti all’ambiente in cui verranno utilizzati. Il monitoraggio delle vibrazioni è, solitamente, integrato in un sistema di manutenzione predittiva basato sull’Internet delle Cose (IoT).

Quando un macchinario inizia a vibrare in maniera anomala, c’è qualcosa che non va. Sono i primi segnali di eventuali anomalie o guasti in una macchina, anche nel lungo termine. Conoscere e osservare immediatamente tali segnali consente di intervenire tempestivamente per evitare guasti più gravi e interruzioni future delle attività produttive. Eventuali difetti della struttura della macchina dovrebbero essere corretti in tempo. Le relative strutture fisiche, infatti, sono caratterizzate da frequenze naturali di risonanza (vedi figura 1) che potrebbero innalzare il tasso di vibrazioni, pur non esistendo alcun difetto apparente.

In un motore tutte le parti vibrano in modo differente
Figura 1: tutti i corpi sono caratterizzati da frequenze naturali di risonanza

Monitoraggio vibrazioni nell’Industry 4.0: il valore dei sensori

Il monitoraggio delle vibrazioni è effettuato attraverso speciali sensori (vedi il diagramma mostrato in figura 2), adibiti proprio a tale scopo, che rilevano le vibrazioni meccaniche di una macchina. Essi sono posizionati sulla macchina stessa oppure sulla struttura generale del sistema. Le informazioni acquisite e i dati raccolti dai sensori di vibrazione vengono trasmessi a un PC o una scheda di acquisizione che elabora i dati in tempo reale e fornisce una analisi generale delle vibrazioni della macchina, nonché una diagnostica del relativo stato di salute, assieme a eventuali previsioni di funzionamento futuri, a medio e lungo termine, secondo modelli matematici ben precisi (manutenzione predittiva).

In questo modo sarà possibile intervenire tempestivamente per evitare guasti più gravi. Aumentano anche i parametri di efficienza e, soprattutto, di sicurezza delle macchine, riducendo i costi di manutenzione e i tempi di inattività. I sensori hanno diversi scopi, ma principalmente prevedono il monitoraggio della qualità di un processo di produzione, la verifica dei componenti di una macchina, l’identificazione di eventuali problemi di manutenzione o di deterioramento e, soprattutto, il miglioramento della sicurezza delle macchine, rilevando vibrazioni anomali che potrebbero indicare un malfunzionamento o un pericolo imminente.

Un tipico diagramma di flusso del processo seguito per il monitoraggio delle vibrazioni di un macchinario
Figura 2: un tipico diagramma di flusso del processo seguito per il monitoraggio delle vibrazioni di un macchinario

I sensori di vibrazione: caratteristiche e vantaggi

Il fatto che le macchine industriali subiscano delle vibrazioni, durante il loro processo lavorativo, è un fatto assolutamente normale. E’ il cambiamento nei modelli di vibrazione che può indicare potenziali problemi. La misurazione dei cambiamenti di tali è utile a identificare diverse tipologie di problematiche. Una variazione della normale vibrazione può indicare lo squilibrio, l’usura o il disallineamento del sistema. I sensori sono montati direttamente sui macchinari per monitorare l’ampiezza, la frequenza, l’intensità e la tipologia delle vibrazioni. Il centro di controllo monitora costantemente tali valori e, in caso di valori anomali, attiva subito le strategie di manutenzione da porre in atto con urgenza. La maggior parte dei casi prevede l’adozione di accelerometri.

Questi sono particolarmente adatti a questa tipologia di problematiche, specialmente i modelli MEMS che, in uno spazio estremamente ridotto, riescono a fornire il loro contributo ai massimi livelli. I sensori MEMS sono leggeri, piccoli ed economici e offrono una lunga durata della batteria. La loro struttura li rende adatti a misurare un largo intervallo di frequenze. Per applicazioni più critiche, anche in ambienti ostili, sono utili anche i sensori di vibrazione piezoelettrici, che risultano impermeabili all’umidità, alla polvere e al fumo. Un sensore sicuro deve poter prevedere anche un basso numero di ispezioni che i tecnici della manutenzione devono compiere. A volte, infatti, i macchinari sono ubicati in locazioni estremamente impervie e pericolose.

Per questa serie di applicazioni è utile affidarsi ai sensori wireless remoti, che possono essere utilizzati per monitorare le vibrazioni dei macchinari e trasmettono i dati a distanza, senza alcun rischio da parte del personale. Alcune tipologie di dispositivi inglobano anche diversi sensori insieme come, ad esempio, quello per temperatura, le vibrazioni e i parametri della corrente elettrica. Il monitoraggio a distanza per la previsione di guasti è continuo e i dispositivi di controllo possono anche inviare messaggi via SMS, e-mail o telefono.

I sensori di vibrazione capacitivi si basano sulla variazione di capacità del componente in caso di vibrazione. L’entità del movimento è proporzionale alla forza di vibrazione, il che consente al sistema di calcolare non solo la frequenza di oscillazione, ma anche la sua entità.

I sensori piezoresistivi utilizzano lo stesso approccio della versione piezoelettrica ma a differenza di questi, il dispositivo prevede anche un materiale piezoresistivo la cui resistività cambia in caso di deformazione meccanica. Infine, i sensori termici sono composti da piccole cavità sigillata contenente molecole di gas che vengono riscaldate da una pila. Le eventuali vibrazioni accelerano le molecole in modo che la distribuzione diventi asimmetrica, registrando la variazione della distribuzione del gas e convertendola in accelerazione.

Sensori di vibrazione nell’industria: un esempio

Esaminiamo, adesso, un modello di esempio di sensore di rilevazione di vibrazioni, tra i tanti che il mercato dell’industria offre. Il sensore in questione è un accelerometro triassiale industriale a basso costo della PCB Piezotronics modello 604B31, visibile in figura 3. E’ un dispositivo triassiale ad anello, a uso industriale con taglio ceramico.

Il sensore triassiale 604B31 di PCB Piezotronics
Figura 3: il sensore triassiale 604B31 di PCB Piezotronics

Si tratta di un accelerometro triassiale piezoelettrico a bassa impedenza progettato per misurare le accelerazioni lungo tre assi (x, y e z) ed è utilizzato principalmente nell’industria automobilistica, aerospaziale, dell’energia e delle costruzioni e per testare la resistenza e la durata dei materiali e delle strutture. Il 604B31 ha una risposta in frequenza da DC a 10 kHz, una gamma dinamica di +/- 50 G e un’alta stabilità termica. E’ disponibile in diversi tipi di montaggio, tra cui montaggio a vite, montaggio a incastro e montaggio con adesivo. La seguente tabella riporta le caratteristiche più rilevanti:

CaratteristicaValore
Fattore di conversione 1G9.81 m/s^2
Sensibilità10.2 mV / (m/s^2)
Intervallo di misura+/- 490 s/s^2 (50 G)
Intervallo di frequenzaCompresa tra 0.5 e 5000 Hz
Frequenza di risonanza10 kHz
Risoluzione di banda larga3434 µm/sec^2
Non linearità+/- 1%
Sensibilità trasversale<=5%
Limite di sovraccarico (Shock)49050 m/s^2 pk
Intervallo di temperaturaCompresa tra -54 °C e +121 °C
Diametro35.1 mm
Altezza35.1 mm
Peso124 gr.

La gravità delle vibrazioni secondo la norma ISO 10816

La norma internazionale ISO 10816 fornisce una valutazione degli effetti di vibrazione di motori, pompe, ventilatori, compressori, riduttori, soffianti, essiccatori, presse e altre macchine che operano in una gamma di frequenza compresa tra 10 e 1000 Hz. Essa fornisce anche i limiti di accettabilità per le vibrazioni in differenti gruppi di macchine. Inoltre, la norma fornisce i metodi per la misura e la valutazione delle vibrazioni, nonché le raccomandazioni per la manutenzione e la diagnostica delle macchine. La ISO 10816 è utilizzata in molti campi, tra cui l’energia, la costruzione navale, la produzione di materiali e la meccanica generale per garantire la sicurezza e la durata delle macchine.

Conclusioni

I sensori di vibrazioni sono strumenti di monitoraggio indispensabili per il funzionamento ottimale dei macchinari, in un’impresa industriale. Con la rilevazione in anticipo delle anomalie è possibile intervenire tempestivamente per prevenire i guasti dei macchinari. Nell’industria 4.0, l’utilizzo dei sensori di vibrazione è abbinata ad tecnologie avanzate, come l’Internet delle cose (IoT) e l’intelligenza artificiale (AI). In questo modo è possibile raccogliere e analizzare i dati in modo più efficiente. Inoltre diminuiscono sicuramente gli infortuni sul lavoro, poiché i problemi sono identificati tempestivamente. E, cosa non meno importante, si evitano i costosi tempi di inattività e di fermo macchina che sono sempre molto gravose per qualsiasi azienda.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.