Identificación de los modos de falla a diagnosticar
El equipo que vamos a monitorear en este trabajo de investigación es un: Motor Trifásico de Inducción – Jaula de Ardilla WEG, tal como se observa en la Ilustración 31, cuya hoja técnica se encuentra en el Anexo A.
Ilustración 32: Motor trifásico de inducción a monitorear. (Anexo A)
Dicho motor es un equipo crítico de una industria siderurgia, e inaccesible para el operador, además de encontrarse en una zona de riesgo. He ahí la necesidad e importancia del desarrollo de un sistema de monitoreo en línea para dicho motor, razón de ser de este trabajo de investigación.
Según los estudios y la investigación realizada para conocer los modos de falla más comunes en los motores de inducción, y tal como se detalla en la sección 2.2, del estudio de la IEEE, se tienen los siguientes porcentajes:
44% Fallas en rodamientos
26% Fallas en el estator
8% Fallas en el rotor
En base a dicho estudio y a las capacidades de diagnóstico del análisis vibracional detallado en la sección 2.14, diseñaremos un sistema de monitoreo de vibraciones online capaz de brindar la información necesaria para un correcto diagnóstico de los siguientes modos de falla:
Desbalance
Desalineamiento
Eje doblado
Eje agrietado
Defectos en rodamientos
Fallas eléctricas: fallas en estator y fallas en el rotor. Cálculo de las frecuencias de falla
Según la información de la hoja técnica del motor, detallada en el Anexo A, tenemos:
𝑛𝑟: = 1190 rpm
𝑓𝑒: = 60 Hz
P = 6
Rodamientos: 6322 C3 y 6319 C3 Donde:
𝑛𝑟: Velocidad nominal del rotor 𝑓𝑒: Frecuencia eléctrica
P: Número de polos
Frecuencia fundamental (𝒇𝒓)
Procedemos a calcular la frecuencia fundamental que es la frecuencia de rotación del rotor. Para una 𝑛𝑟 = 1190 rpm, temenos:
𝑓𝑟 = 𝑛𝑟 60
( 4.1)
Donde:
𝑛𝑟: Velocidad del rotor 𝑓𝑟 =1190 60 ( 4.2) 𝒇𝒓 = 𝟏𝟗. 𝟖𝟑 𝑯𝒛 ( 4.3) Frecuencia de sincronismo (𝒇𝒔)
Para calcular la frecuencia de sincronismo, primero calcularemos la velocidad de sincronismo descrita en la ecuación 2.1, con lo cual desarrollando tenemos:
𝑛𝑆 = 120𝑓𝑒 𝑃 ( 4.4) 𝑛𝑆 = 120(60) 6 ( 4.5) 𝑛𝑠 = 1200 𝑟𝑝𝑚 ( 4.6)
Una vez calculado la velocidad de sincronismo, usando la ecuación 4.8, calcularemos la frecuencia de sincronismo de la siguiente manera:
𝑓𝑠 = 𝑛𝑠 60 ( 4.7) 𝑓𝑠 = 1200 60 ( 4.8) 𝒇𝒔 = 𝟐𝟎 𝑯𝒛 ( 4.9) Frecuencia de deslizamiento (𝒇𝒅)
Usando la ecuación 2.2 derivamos la ecuación 4.10 y procedemos a calcular la frecuencia de deslizamiento:
𝑓𝑑 = 20 − 19.83 ( 4.11)
𝒇𝒅 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝑯𝒛 ( 4.12)
Frecuencia de paso de polos (𝒇𝒑𝒑)
Para el cálculo de la frecuencia de paso de polos, usamos la ecuación 2.11, y obtenemos:
𝑓𝑝𝑝 = 2𝑓𝑒 ( 4.13)
𝑓𝑝𝑝 = 2(60) ( 4.14)
𝒇𝒑𝒑 = 𝟏𝟐𝟎 𝑯𝒛 ( 4.15)
Frecuencia de falla del estator (𝒇𝒇𝒆)
Calculamos la frecuencia de falla del estator usando la ecuación 2.12, de la siguiente manera:
𝑓𝑓𝑒 = 𝑓𝑝𝑝 ( 4.16)
𝒇𝒇𝒆 = 𝟏𝟐𝟎 𝑯𝒛 (4.17)
Frecuencia de falla del rotor (𝒇𝒇𝒓)
Para el cálculo de la frecuencia de falla del rotor, usaremos la ecuación 2.13, y obtendremos:
𝑓𝑓𝑟 = 𝑓𝑑 ∗ 𝑃 ( 4.18)
𝑓𝑓𝑟 = (0.17) ∗ (6) ( 4.19)
𝒇𝒇𝒓= 𝟏. 𝟎𝟐 𝑯𝒛 ( 4.20)
Frecuencias de falla de los rodamientos
Para el cálculo de las frecuencias de falla de los rodamientos del motor, necesitaremos las dimensiones necesarias, tal como mostramos en la Ilustración 32 y 34, las cuales las obtenemos de las hojas técnicas de los mismos adjuntadas en los Anexos C y B, respectivamente.
6322 C3: Rodamiento rígido de bolas SKF
Para el cálculo de las frecuencias de falla del rodamiento 6322 C3 será necesario el uso de las ecuaciones 2.7, 2.8, 2.9 y 2.10, detalladas en la sección 2.14.2, las cuales pueden ser desarrolladas en cualquier herramienta de cálculo. En este trabajo usaremos la herramienta para cálculos de ingeniería: SKF ENGINEERING CALCULATOR.
Ilustración 33: Rodamiento 6322 C3. (Anexo C)
Según los datos de la Ilustración 32, ingresamos los campos en la herramienta descrita y obtenemos los siguientes resultados mostrados en la Ilustración 33, los cuales resumimos a continuación:
𝑩𝑷𝑭𝑰 = 𝟐𝟒𝟕. 𝟏𝟕𝟏 𝑯𝒛 ( 4.21) ( 4.22)
𝑩𝑷𝑭𝑶 = 𝟏𝟓𝟐. 𝟖𝟐𝟗 𝑯𝒛 ( 4.22)
𝑭𝑻𝑭 = 𝟏𝟗. 𝟏𝟎𝟒 𝑯𝒛 ( 4.23)
Ilustración 34: Frecuencias calculadas para el rodamiento 6322 en el SKF Engineering Calculator.
6319 C3: Rodamiento rígido de bolas SKF
Para el cálculo de las frecuencias de falla de este rodamiento, procedemos a realizar el mismo proceso anterior, usando la herramienta de cálculo: SKF ENGINEERING CALCULATOR.
Los resultados obtenidos se muestran en la Ilustración 35.
Ilustración 36: Frecuencias calculadas para el rodamiento 6319 en el SKF Engineering Calculator.
𝑩𝑷𝑭𝑰 = 𝟐𝟒𝟓. 𝟐𝟐𝟏 𝑯𝒛 ( 4.25) ( 4.22)
𝑩𝑷𝑭𝑶 = 𝟏𝟓𝟒. 𝟕𝟕𝟗 𝑯𝒛 ( 4.26)
𝑭𝑻𝑭 = 𝟏𝟗. 𝟑𝟒𝟕 𝑯𝒛 ( 4.27)
𝑩𝑺𝑭 = 𝟏𝟎𝟒. 𝟗𝟏𝟔 𝑯𝒛 ( 4.28)
Selección del software de análisis vibracional
Actualmente en el mercado industrial, existen varias alternativas de software de monitoreo de vibraciones. Entre las más conocidas tenemos:
SKF @ptitude Observer
Bently Nevada 3500 Series
En la Tabla 2 es una tabla de ponderación con los 5 parámetros necesarios para nuestro sistema a desarrollar. Cada uno de ellos tiene el mismo grado de importancia. El resultado obtenido es la selección del software SKF.
Tabla 2: Tabla de ponderación entre los 3 softwares de monitoreo de vibraciones
La envolvente de aceleración es una técnica de procesamiento patentada por SKF, por ello solo sus plataformas y productos incluyen esta importante funcionalidad. Asimismo, gracias al auspicio de SKF, el autor cuenta con una licencia del software @ptitude Observer, por lo que ha sido otro factor importante de selección, ya que dichos softwares suelen tener un costo muy elevado, por ser de uso industrial.
Selección de los sensores
Puesto que el equipo a monitorear es un motor eléctrico, el cual consta de 2 rodamientos, será necesario realizar mediciones de vibración en cada rodamiento, considerando el número de sensores adecuados, para con ello poder diagnosticar su condición.
Usualmente cuando se presenta un proyecto de sistema de monitoreo de vibraciones online en cualquier tipo de industria, por un tema de costos, se suele considerar solo los sensores de vibraciones en las direcciones que presenten mayor carga. Por esta razón es importante conocer los tipos de rodamientos del equipo a monitorear, ya que según ello variará el tipo de carga que soporte, y por ende los niveles de vibración en cada dirección.
Los 2 rodamientos presentes en el motor a estudiar, son rodamientos rígidos de bolas, por lo que soportan mayor carga radial que axial. Es por esta razón que se considerará 1 sensor de vibración por rodamiento en las direcciones radiales. Asimismo por
motivo de poder diagnosticar modos de falla como desalineamiento, entre otros que requieren de una medición de vibración paralela al eje, será necesario un sensor de vibración en la dirección axial.
Criterios de Selección
Los parámetros más importantes para seleccionar un sensor de vibraciones son:
Ancho de banda (Rango de frecuencia)
Rango de temperatura
Sensibilidad
Precio
De los 4 parámetros mencionados, los 3 primeros son técnicos, y el último es comercial. Se han considerado todos ellos puesto que muchas veces el factor precio, es determinante para la selección de un sensor.
Según nuestro caso de estudio, y usando los criterios de selección mencionados, tenemos:
Rango de frecuencias necesario: 0.9 a 800 Hz.
En nuestro caso particular tenemos que la frecuencia de falla de menor valor que es la del rotor, es de 1.02 Hz, y la frecuencia de mayor valor es la de BPFI: 247.171 Hz. La frecuencia fundamental del motor es: 19.83 Hz. Para un análisis de espectros, el cual requiere el análisis de los primeros armónicos, dichos valores serían: 2X, 3X, 4X,…,16x; 39.66, 59.49, 79.32,…, 317.28 Hz.
Para la determinación de los límites de frecuencias necesarios, por la experiencia del autor en análisis y monitoreo de vibraciones en campo, en el límite inferior consideramos un margen de tolerancia de +- 5%, obteniendo: 0.9Hz como valor de frecuencia mínima.
Para el caso del límite superior, la recomendación según la experiencia en campo es 40 veces el valor de la frecuencia fundamental, lo cual sería: 793.2 Hz. Redondeando el valor, consideraremos: 800Hz.
Rango de temperatura: -20 a 70 ° C
El rango de temperatura es un parámetro importante de selección del sensor. Para hacer una correcta y precisa selección de este rango, hemos realizado la medición de la temperatura del motor en campo, en el momento en el que está trabajando a mayor capacidad, usando una cámara termográfica. El termograma obtenido es el mostrado en la Ilustración 36.
Como se puede observar en dicha ilustración, la máxima temperatura en el motor es de 59.7 ° C. Considerando una tolerancia de 10%, tenemos como valor: 65.67° C, con lo que redondeando obtenemos como máximo valor de temperatura: 70°C.
Matrices de ponderación
Los sensores de vibración disponibles para industria siderúrgica que nos presenta SKF se muestran en la Ilustración 37. Se ha elaborado la Tabla 3 en la que se muestra la comparativa de los sensores según los parámetros necesarios para la selección.
Ilustración 38: Sensores de Vibración SKF para Industria Siderúrgica. (SKF, Catálogo de Sensores de Vibración , 2018)
En La Tabla 4 se puede observar el costo de cada sensor que cumple con los requisitos necesarios. Para la correcta selección del sensor más adecuado, se ha realizado la Tabla 5, tabla de ponderación, obteniendo como resultado el CMSS 2200.
Para este proyecto se trabajarán con 3: 2 en direcciones radiales y 1 en la dirección axial. En el Anexo E se detalla más información acerca de este sensor.
Tabla 3: Tabla de diferenciación de los sensores disponibles para la industria siderurgia de SKF
Tabla 4: Tabla comparativa de los sensores CMSS 2110, CMSS 2100 y CMSS 2200
Tabla 5: Tabla de ponderación para selección de sensor.
Selección de la tarjeta de adquisición de datos
Puesto que vamos a desarrollar un sistema de monitoreo usando 3 sensores de vibraciones, las cuales nos brindan señales analógicas, se necesitará una tarjeta de adquisición de datos de 3 canales como mínimo.
SKF nos ofrece las siguientes alternativas, las cuales se muestran en la Ilustración 38:
IMx- S 32: Tarjeta de adquisición de datos con 32 canales analógicos.
IMx- S 16: Tarjeta de adquisición de datos con 16 canales analógicos.
IMx- 8: Tarjeta de adquisición datos con 8 canales analógicos.
Puesto que solo necesitaremos 3 canales, el uso de la IMx-8, es la mejor alternativa para esta aplicación. Escoger alguna de las otras 2 opciones, significaría un sobredimensionamiento del proyecto y por ende, un sobrecosto innecesario.
Ilustración 39: Tarjetas de adquisición de datos para el monitoreo de vibración. De izquierda a derecha: IMx-S 16, IMx-S 32, IMx-8.
Diseño de la arquitectura de red
Nuestro sistema de monitoreo de vibraciones online estará conformado por los siguientes componentes:
3 Sensores de vibración CMSS 2200 SKF.
1 SKF Multilog Online IMx-8
La arquitectura del sistema propuesto se presenta en el Anexo D. Como se puede observar, los sensores de vibración se encuentran montados en el motor, y son cableados hacia la cabina donde se encuentra la tarjeta de adquisición de datos IMx- 8, la cual se encuentra conectada a la red local donde está alojado el software de análisis de vibraciones online: SKF @ptitude Observer.
Configuración de la tarjeta de adquisición de datos
Para configurar la IMx-8 es necesario ingresarle ciertas direcciones específicas de la red a la cual queremos conectar para poder tener una comunicación y levantar el sistema. Los parámetros a ingresar en nuestra IMx-8 son:
Dirección IP
Máscara de Subred
Puerto de enlace predeterminado
Dichos parámetros de red tienen que estar ligados a los de la red local en la cual se encuentra instalado nuestro software de análisis de vibraciones. Los parámetros de nuestra red se muestran en la Ilustración 40.
Ilustración 40: Datos de red local.
Una vez obtenido los parámetros de la red, existen 2 formas de ingresarlo a la tarjeta, o por medio de cable usb directo a la PC, donde generamos un archivo con dicha información en el software el cual es luego enviado a la tarjeta, o mediante la App IMx – Manager, por medio de Bluetooth.
Para este proyecto lo hemos hecho de forma cableada usando el software para dicha función:
Tal como se muestra en la Ilustración 41, creamos el archivo de configuración de la IMx, ingresando los datos de la red obtenidos previamente. Para el caso de la IP del equipo consideramos 10.0.0.200, lo cual permite estar en la misma red que la PC cliente: 10.0.0.6.
Ilustración 41: Configuración de la IMx-8
Configuración del software @ptitude Observer v10.5
En la Ilustración 42 se muestra la pantalla principal del software @ptitude Observer.
Creación de los dispositivos de hardware
Lo primero que debemos realizar para poder crear la jerarquía en conjunto con los puntos de medición del equipo a monitorear, es la creación y configuración de los dispositivos de hardware con los que va a trabajar nuestro sistema.
Para nuestro caso particular, en el que trabajaremos con 1 unidad de monitoreo IMx- 8, la cual fue previamente configurada y puesta en red con el software, deberemos crearla virtualmente en el software para poder configurar sus canales, así como otros parámetros del dispositivo.
En la barre de menús, tal como se muestra en la Ilustración 42, ubicamos la sección “En línea”, y seleccionamos la opción “Dispositivos IMx/Mascon”.
Ilustración 43: Creación de dispositivos IMx en software
Para crear el nuevo dispositivo en el software es importante seleccionar el número del dispositivo matriculado en la IMx para lograr la correcta comunicación. En la Ilustración 43 se muestra los datos ingresados.
En este caso los datos de ingreso importantes son:
Nombre: Imx8 – Tesis
Número: 2.
Modelo: IMx-8
Ilustración 44: Creación de IMx en software
Después de haber creado el dispositivo, se contrasta su correcta creación visualizando los dispositivos creados como se muestra en la Ilustración 44.
Una vez creado el dispositivo IMx, procedemos a crear los canales a usar. Puesto que usaremos 3 sensores, necesitaremos configurar 3 canales. La ventana de creación de canales analógicos se muestra en la Ilustración 45.
Ilustración 46: Ventana de creación y configuración de los canales analógicos
Seleccionamos el número de canal a usar. Para nuestro caso usaremos los 3 primeros canales de nuestra IMx-8. Posterior a ello los datos importantes a configurar en cada canal, son los referentes al sensor a usar.
Los parámetros principales son:
Tipo de Sensor: Aceleración (g), puesto que usaremos un acelerómetro. Ángulo del Sensor: 0 ° para los sensores radiales, y 90° para el sensor axial.
Verificar cable: Nos permite el ingreso de un rango de valores de voltaje en mV para poder mostrar alerta en caso de rotura o fisura de cable. El rango colocado es de 9 a 15 V, ya que el valor en condiciones normales es 12V, se ha considerado un margen superior e inferior de 3V. Cualquier lectura fuera de dicho rango se alertará como problema de cableado.
En la Ilustración 46, se muestran los 3 canales analógicos ya creados y configurados en el sistema.
Ilustración 47: Canales creados y configurados del sistema.
Creación de la jerarquía
En la Ilustración 47 se muestra la vista de jerarquía que brinda el software. Esta es una manera de poder organizar los puntos de medición a monitorearse en una planta industrial.
La vista de jerarquía está compuesta por los siguientes atributos:
Base de datos
Nodo
Sub-máquina
Punto de medición
Ilustración 48: Vista de jerarquía del sistema
En la Ilustración 47 podemos observar la base de datos de nuestro sistema llamada: “Company”, y dentro de ella tenemos creado 4 nodos. (Estos 4 nodos fueron creados por el autor anteriormente para otros proyectos)
Creación y configuración del nodo
Como parte del proceso de creación de la jerarquía de nuestro proyecto, es necesario crear los nodos respectivos. En nuestro caso, creamos un nodo general dentro de la base de datos del software, para de esta manera poder agrupar todo lo referente a este proyecto. El nombre de dicho nodo es: “TESIS”.
Asimismo se procedió a crear el subnodo con el nombre de la planta en la que se encuentra el equipo a monitorear. Esto permite una identificación correcta del equipo en planta. Puesto que nuestro motor se encuentra en una planta de Acería, se ha creado el subnodo llamado “ACERÍA”.
En las Ilustraciones 48 y 49 se muestran las ventanas de creación y configuración del nodo y subnodo respectivamente. Cabe mencionar que dentro de los campos
solicitados se encuentra el nombre, así como un parámetro llamado “Descripción”, el cual permite detallar o escribir comentarios con respecto al nodo o subnodo, con la finalidad de tener un mejor entendimiento para el personal de la planta.
Ilustración 49: Ventana de creación y configuración del nodo.
Creación y configuración de la máquina
Una vez creado los nodos respectivos, se creó la máquina a monitorear dentro del subnodo “ACERÍA”, previamente creado y configurado.
Puesto que no se tuvo información de otro tipo de máquinas similares, se seleccionó “Máquina en blanco”, de tal forma que pudimos ingresar desde un inicio todos los valores de entrada de nuestra máquina.
En la Ilustración 50 se muestra la ventana de configuración de la máquina.
Ilustración 51: Ventana de configuración de las propiedades de la máquina a monitorear.
Dentro de los parámetros importantes a ingresar tenemos:
Nombre: Motor de Inducción
Descripción: Motor Trifásico de Inducción Jaula de Ardilla
Clase ISO: II
El código ingresado es el código de la máquina extraído de la hoja técnica del motor, sin embargo, en la industria suele cambiarse por un código designado en la misma planta.
Debido a que nuestro motor es de 300 KW, según la clasificación ISO 10816, detallada en la sección 2.11.1 el equipo pertenece al Grupo II.
Creación y configuración de los puntos
Una vez creada la jerarquía de nuestro sistema, la parte importante y la cual es clave para garantizar un correcto diagnóstico del estado de la máquina, es la creación y configuración de los puntos de medición.
Como se muestra en la Ilustración 51, el software permite la creación de una gran variedad de puntos de medición entre los cuales destacan: Dinámico, Dinámico Envolvente, Análisis de Forma de Onda, Torsión, Punto derivado, entre otros.
Selección de los parámetros de medición:
Según el marco teórico de la sección 2.10.5, en la cual se detalla los criterios para seleccionar los parámetros de medición de vibración adecuados, tenemos para nuestra aplicación:
Puesto que la velocidad de nuestro motor es de 1190 RPM = 19.83 Hz, analizando las curvas de la Ilustración 6, observamos que el parámetro que nos brinda mayores amplitudes de vibración, y por ende energía de vibración más notoria, para nuestra frecuencia particular de giro, es la velocidad de vibración.
Asimismo, como parámetro de medición adicional, aprovechando el uso de la plataforma SKF, usaremos su técnica de procesamiento de señal: envolvente
de aceleración para poder detectar a detalle la condición de los rodamientos del motor.
Creación de los puntos de medición
Una vez seleccionado los parámetros de medición, procedimos a crear los puntos de medición correspondientes: Dinámico (velocidad de vibración) y Dinámico Envolvente (envolvente de aceleración)
Ilustración 52: Puntos de medición disponibles para la creación en el sistema de monitoreo.
PUNTO 1
Velocidad:
En la Ilusstración 52 se muestra la ventana de configuración de los parámetros de entrada para crear nuestro punto de medición de velocidad número 1.
Ilustración 53: Configuración general del punto de medición velocidad 1.
General:
Los parámetros de entrada necesarios para configurar en esta ventana son:
Nombre: PUNTO 1HV. Usualmente en la industria existe una nomenclatura para nombrar un punto de medición: el número indica el punto de referencia, la siguiente letra indica la orientación del sensor que puede ser horizontal (H) o vertical (V), y finalmente la variable a monitorear: desplazamiento (D), velocidad (V), y aceleración (A).
Descripción: Se incluyen comentarios o detalles del punto de medición.
Tipo de punto: Indica el tipo de punto creado en el software, en este caso: “Dinámico”.
Dispositivo: Seleccionamos el dispositivo IMx el cual usaremos para este punto de medición. En nuestro caso es: “IMx-8 – Tesis”.
No de canales: Se indica el número de canales a usarse para este punto de medición. Por ser una variable de velocidad de vibración, solamente necesitaremos en este caso 1 canal.
Canal X: Se indica el canal al cual está conectado el sensor que nos dará la señal de este punto de medición. En este caso es: “Sensor 1 (Radial)”.