Transmissor de vibrações – a implementação de um programa de monitorização de vibrações

A monitorização básico de máquinas críticas com um transmissor de vibrações com saída de 4-20 mA é, frequentemente, o primeiro passo para a criação de um programa de manutenção preditiva, baseado na medição de vibrações. De facto, existem muitos técnicos a trabalhar na área da manutenção preditiva, por análise de vibrações, que sentem que esta tecnologia é comprovada além de qualquer dúvida razoável e que a sua justificação económica é óbvia. Apesar disto, algumas empresas ainda não desenvolveram seus próprios programas manutenção preditiva baseadas na medição de vibrações. Assim, para essas empresas, o monitorização básica de máquinas críticas, com transmissores de vibrações, com saída de 4-20 mA é, frequentemente, o primeiro passo para a criação de programas de manutenção preditiva, baseada na medição de vibrações.

Neste artigo referem-se os passos para implementar um sistema deste tipo e são referidos alguns casos práticos de aplicação.

1 – Introdução

Devido ao amplo uso de PLCs, em instalações industriais, para outros propósitos, o transmissor de vibração, com saída em corrente, é uma alternativa atraente, devido à sua capacidade de se integrar perfeitamente no sistema existente. Para além disto, fornece um sinal contínuo que pode ser monitorado, registado e utilizado para seguimento de tendência, para fins de controlo de processo ou fiabilidade, conforme necessário.

Desta forma, o transmissor de vibrações, com saída em corrente, é instalado em permanência e ligado a um controlador lógico programável (PLC), sistema de controle distribuído (DCS) ou sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA).

2 – O transmissor de vibrações

O transmissor de vibrações é a solução mais económica para quem está à procura de uma medição on-line, do nível global de vibrações, para as suas máquinas mais críticas. Com saída 4-20 mA, o transmissor de vibrações pode ser ligado diretamente a PLC, DCS ou SCADA.

Figura 1 – O transmissor de vibrações pode ser ligado diretamente a um PLC [1]

De facto, iniciar um programa de controlo de condição por medição de vibrações nem sempre é fácil. Efetivamente, é necessário investir em formação de recursos humanos e obter a provação de investimentos em equipamentos de medição de vibrações. Todavia, a maioria das máquinas já possui sistemas PLC, DCS ou SCADA no local, a monitorizar a pressão, caudal e temperatura e outros parâmetros.

Tem-se que o transmissor de vibrações, alimentado a 4-20 mA, é de ligação direta aos atuais sistemas de controle industrial. Portanto, o transmissor de vibração de 4-20 mA, é uma excelente maneira de vigiar a vibração e proteger equipamentos críticos sem a necessidade de dispendiosos sistemas de aquisição de dados adicionais.

Embora os sensores de 4-20 mA não possam realizar tarefas de diagnóstico, fornecem alertas antecipados que ajudam os técnicos de manutenção a evitar falhas catastróficas.

3- Compreender a saída do transmissor de vibrações

 3.1 Sinal elétrico gerado no transmissor de vibrações

O transmissor de vibração geralmente usa saída de corrente de 4 a 20mA. Esta constitui um sinal analógico que é compatível com a maioria dos sistemas de controlo nas máquinas. Normalmente, o transmissor de vibrações opera na faixa de 4-20 mA. Um loop de 4-20 mA estabelece uma saída de 4 mA como “off” (neste caso “sem vibração”) e 20 mA como “valor máximo”. Quando nenhuma vibração é detetada, o transmissor transmite uma corrente constante de 4 mA. Quando um sensor de vibração responde à vibração, retransmite o sinal de vibração para o transmissor, que então altera sua saída para um valor de corrente proporcional à leitura de vibração recebida.

A imagem abaixo ilustra um exemplo de uma escala proporcional bastante ampla. Como referido, a ausência de vibração resulta numa saída de 4 mA, enquanto o valor máximo de 10 mm/s resultaria numa saída máxima de 20 mA. A escala divide a saída em incrementos de 2 mA e exibe a vibração correspondente necessária para resultar nessa saída. Este transmissor específico foi regulado para emitir um alarme se os níveis de vibração atingirem 6,3 mm/s (ou seja 14 mA de saída) e desligar a máquina se atingir 8,8 mm/s (ou seja, uma saída> 18 mA).

Figura 2 – Saída de um transmissor de vibrações

O transmissor de vibrações de 4-20 mA irá interagir diretamente com o sistema de controle PLC, DCS ou SCADA. O facto de se poder ligar a sistemas de controlo já existentes, converte-o na opção mais económica para monitorar o nível global de vibrações de máquinas críticas. Com fim de escala em mm/s, RMS ou Pico, ou aceleração em g, estes sensores fornecem proteção 24h/7dias por semana, on-line, para as principais máquinas, reduzindo o tempo de paragem.

3.2 A saída RMS e Pico no transmissor de vibrações

A conceção do elemento sensor da maioria dos transmissores de vibração é a mesma ou similar ao elemento sensor encontrado num acelerómetro típico com saída em Volts. Durante o curso da conversão do sinal em Volts AC num sinal 4-20 mA, a saída pode ser escalada em termos de um dos três valores:

• RMS (valor eficaz)
• Pico
• Pico verdadeiro

O elemento sensor gera um sinal AC proporcional à vibração e, de seguida, gera uma tensão de tensão dinâmica em cima da tensão de polarização DC de 8 a 12 VCC. Esse sinal de saída passa por uma série de alterações eletrónicas antes de finalmente ser gerado um sinal de corrente de 4-20mA.

• A tensão de polarização DC é desacoplada da tensão do sinal CA;
• O sinal de tensão CA pode permanecer em aceleração ou pode ser alterada para velocidade via integração ou deslocamento via dupla integração;
• Depois segue-se a filtragem do sinal CA; 
• De seguida sinal de tensão CA é convertido em um sinal de tensão CC;
• Após isto o sinal de tensão CC pode ser escalonado se diferentes valores de faixa de medição mínima e máxima estiverem disponíveis;
• O sinal de tensão CC é convertido em um sinal de corrente de 4-20 mA.

Na figura 3, a seguir apresentada, pode-se ver um esquema de funcionamento de um transmissor de vibrações.

Figura 3 – Esquema de funcionamento de um transmissor de vibrações [2]

3.3 O sinal pico verdadeiro no transmissor de vibrações

É comum, na terminologia normalmente utilizada, designar-se por sinal pico um que tem um valor igual 1,4 vezes o sinal RMS.

Todavia, isto só é verdadeiro para sinusoides.

Por exemplo, quando se pretende detetar os impulsos gerados por rolamentos em degradação, é mais interessante medir o pico verdadeiro.

Assim, para aplicações em que os dados de pico reais precisam ser monitorados com um sinal de 4-20 mA, o sinal de tensão CA é convertido em um sinal de tensão CC. Isto é eftuado através do processo de retificação, em vez do processo RMS. O processo de retificação converte todos os meios-ciclos negativos da forma de onda, em meios-ciclos positivos de amplitude equivalente. A função de captura de pico revê todos os semiciclos positivos, durante um determinado período de tempo. Feito isto captura a maior amplitude como o verdadeiro valor de pico.

4 – A utilização do transmissor de vibrações em controlo de processo de maquinagem

De facto, são de algum modo comuns os processos industriais que exigem uma minimização de vibrações.

Nas máquinas de maquinação de peças metálicas, com elevada precisão, as vibrações geradas quer por desequilíbrios na peça a maquinar ou na ferramenta de maquinagem, tem implicações diretas na tolerância de maquinação e portanto na qualidade do produto.

São exemplo deste tipo de máquinas, os fusos de alta velocidade em que as tolerâncias de maquinação são da ordem dos décimos de mícron.

Figura 4 – Fuso de alta velocidade

Nestas circunstâncias as operações de maquinação e medição são diretamente afetadas pelas vibrações. Assim para se atingir maiores precisões e produtividade, frequentemente, as vibrações têm de ser controladas.

As vibrações numa máquina ferramenta

De facto para a análise do comportamento dinâmico das máquinas ferramentas, a rigidez e estabilidade, são duas características importantes. Assim as vibrações em máquinas ferramentas , basicamente podem dividir-se em três tipos:

• Vibrações livres ou transientes;
• forçadas;
• Vibrações auto geradas (chatter) e mantidas pelas forças originadas pelo processo de maquinação.

As vibrações na ferramenta de corte têm três efeitos:

• Espessura das aparas cortados não uniforme;
• Variação da taxa de penetração da ferramenta de corte;
• Variação na velocidade de corte.

Os efeitos das vibrações nas peças trabalhadas sentem-se  na qualidade do acabamento superficial (principal efeito) e na imprecisão de cotas dimensionais.

São as seguintes as fontes de excitação de vibrações no processo de maquinagem:

• Heterogeneidades de maior dureza levam a vibrações livres;
• Descontinuidades na remoção de aparas levam a oscilações na força de corte;

Assim, as vibrações forçadas, geradas num desequilíbrio de uma peça ou acionamento desequilibrado, afetam o acabamento e a vida da ferramenta. Por outro lado, as vibrações lineares ou torsionais, geradas em motores elétricos, redutores ou transmissões de correias, podem também ser fonte de vibrações nas ferramentas.

Assim todos estes fenómenos e efeitos, têm de ser vigiados na produção e maquinagem de peças de precisão.

Outro tipo de máquinas que pode se pode sentir o efeito de vibrações excessivas, são máquinas de efetuar acabamentos em madeira de alta velocidade, onde podem surgir fenómenos de instabilidade nas ferramentas de corte, a gerarem acabamentos defeituosos.

5 – A utilização do transmissor de vibrações para controlo de condição de funcionamento

 As razões para a utilização de um transmissor de vibrações são diversas e variam de instalação para instalação.

 5.1 Os custos e falta de pessoal qualificado em pequenas e médias empresas

É sabido que neste tipo de empresas, um dos desafios enfrentados é o de fazer mais, com os mesmos recursos humanos, muito limitados. Em instalações industriais de pequena e média dimensão, a implementação de um programa de controlo de condição das máquinas críticas, é um desafio económico. Formar um técnico da empresa, que a qualquer momento se pode ir embora, ou recorrer a serviços especializados, são alternativas que frequentemente não se justificam.

Assim a instalação de meia dúzia de sensores de baixo custo, ligados aos PLCs, que forneçam um alerta quando a máquina está a apresentar um comportamento anormal e sirvam assim para efetuar uma chamada de atenção aos técnicos, é uma solução atrativa.

Na maioria das vezes os problemas são simples e basta dedicar cinco minutos de atenção às máquinas assim vigiadas, para se perceber o que está a acontecer e implementar uma intervenção. Para além disto existe sempre o recurso a uma firma da especialidade para se obter um diagnóstico mais aprofundado.

Assim, os benefícios da manutenção preditiva ficam ao alcance das instalações mais pequenas. Isto, de uma forma que é fácil de justificar economicamente.

De facto, hoje em dia, a existência de técnicos de manutenção de PLCs nas empresas é comum. Assim a instalação de mais um sensor a eles ligado não representa um desafio tecnológico.

5.2 As instalações desertas

Hoje em dia, é uma característica comum de muitas instalações onde funcionam máquinas, é que estas se encontram desertas.

Desta forma surge a necessidade de existir algum tipo de vigilância remota sobre as máquinas criticas.

Nestas circunstancias os transmissores de vibrações surgem como um meio económico de dar um alerta para a sala de controlo, onde existem operadores em permanência, de que algo está a correr mal.

5.3 A velocidade de evolução das avarias

É sabido que num programa de manutenção preditiva, o tempo médio entre avarias é o facto que determina o intervalo entre inspeções. Todavia, mesmo quando se trata de avarias com uma evolução mais ou menos lenta, nas fases iniciais, surgem situações em que, entre duas inspeções, a avaria evolui rapidamente e ocorre uma paragem inesperada com impacto negativo na produção.

Também por esta razão, ocorre a necessidade de instalar sensores de vibrações.

6 – A coordenação com as inspeções com um analisador de vibrações e tipos de saída dos transmissores de vibrações

É sabido que o sinal de 4-20 mA fornecido pelos transmissores de vibrações não permite efetuar análise em frequência. Assim, quando surge a pergunta sobre a causa da subida do nível, eles não fornecem resposta.

Sem dúvida que, quando ocorre uma subida do nível de vibrações, está na altura de efetuar uma inspeção à máquina e efetuar uma análise de vibrações mais profunda.

Por outro lado existe a alternativa de utilizar um transmissor de vibrações com mais de uma saída como seja por exemplo:

• Temperatura;
• Sinal em tensão, em velocidade ou aceleração, para se efetuar análise de espetro de frequência;

7 – Conclusão

Os transmissores de vibrações, sendo uma das formas mais económicas de monitorar a condição das máquinas, podem desempenhar um papel muito importante numa estratégia de aumento de fiabilidade de máquinas críticas.

Referências

[1] Vibration Sensors: Dynamic Output vs 4-20 mA Output, CTC, Aplication Note

[2] Understanding Current Output Signals- RMS, Peak and True Peak,Meredith Christman, PCB

Autores

Carlos Aroeira ⁽¹⁾ Victor Duarte ⁽¹⁾

[email protected], [email protected]

 ⁽¹⁾ DMC Engenharia e Sistemas Ibéricos