Kesehatan Mesin &Pemantauan Aset dalam Aplikasi Industri:Sekilas tentang Teknologi Sensor
Data yang diperoleh dari pemantauan peralatan jarak jauh sangat penting untuk fungsionalitas proses industri apa pun. Seringkali, data ini ditangani oleh sistem kontrol Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) seringkali melalui jaringan Ethernet dan TCP/IP melalui topologi bus, star, atau tree. Sistem Industrial Internet of Things (IIoT) sering menambah dan dalam beberapa kasus, menggantikan sistem lama ini untuk memungkinkan jaringan nirkabel dari node yang terhubung ke gateway yang mengarah kembali ke cloud untuk pemrosesan data dan analitik yang lebih kompleks. Terlepas dari penggunaan teknologi kabel atau nirkabel, sensor dasar yang digunakan dalam proses ini menyediakan tulang punggung untuk data yang diperlukan untuk menilai dan menganalisis peralatan pabrik.
Artikel ini memberikan gambaran menyeluruh tentang kesehatan mesin industri dan aplikasi pemantauan aset serta ikhtisar beberapa teknologi sensor yang umum digunakan.
Aplikasi Pemantauan Aset dan Kesehatan Mesin di IIoT
Aplikasi pemantauan aset dan kesehatan alat berat industri jarak jauh menjangkau berbagai vertikal industri dengan berbagai jenis sensor yang digunakan bersama dengan protokol nirkabel untuk mencapai transmisi data real-time atau quasi-real-time. Dalam arsitektur SCADA yang lebih tradisional, node sensor/aktuator terhubung ke modul I/O industri — seringkali pengontrol logika yang dapat diprogram (PLC) atau unit terminal jarak jauh (RTU). Modul I/O ini mengirim data sensor ke dan dari node berdasarkan umpan balik dari komputer pengawas — sering kali Human Machine Interfaces (HMI) — mengumpulkan dan menyebarkan data berdasarkan masukan manusia.
Dalam Jaringan Sensor Nirkabel Industri (IWSN), sejumlah node sensor terhubung secara nirkabel ke gateway dalam topologi point-to-multipoint (PtMP) melalui pita berlisensi/tidak berlisensi dan protokol nirkabel tertentu. Dalam aplikasi industri, ini dapat bervariasi dari protokol khusus industri seperti WirelessHART, ke jaringan berbasis seluler, hingga protokol yang lebih komersial seperti Zigbee. Ini melewati pengkabelan modul I/O terpisah yang ditemukan dalam arsitektur SCADA, mengompresi hierarki ini untuk menyederhanakan transfer data dari node sensor, ke gateway/base station, ke platform berbasis cloud terpusat untuk melakukan analisis yang lebih rumit.
Aplikasi IWSN untuk pemantauan kondisi mesin mencakup peralatan pemosisian industri dan motor/penggerak serta aplikasi pemantauan aset (Gambar 1). Motor induktif, misalnya, ditemukan dalam sejumlah besar peralatan mesin, mulai dari mesin CNC presisi hingga derek industri besar, puli, dan ban berjalan. Setiap kesalahan pada mesin ini dapat menurunkan akurasi mekanis atau bahkan menyebabkan kegagalan dan waktu henti pabrik, yang secara langsung mengurangi waktu operasional pabrik yang berharga dengan tambahan biaya waktu perbaikan. Beberapa kegagalan mekanis yang umum untuk motor adalah:keretakan batang rotor, gangguan belitan pendek, variasi celah udara, dan gangguan bantalan.
Akselerometer paling sering dimanfaatkan untuk analisis data getaran — sebagian besar kesalahan mekanis pada mesin yang berputar menyebabkan peningkatan tingkat getaran yang dapat dideteksi. Pengukuran tambahan termasuk Motor Current Signature Analysis (MCSA) di mana distorsi dalam bentuk gelombang arus dari motor dapat memperkirakan kesalahan tertentu berdasarkan amplitudo puncak dan frekuensi di mana puncak terjadi. Metode pengukuran ini sering dilakukan dengan menggunakan clip-on current transformer (CT).
Selain akselerometer dan sensor arus, sensor suhu, kelembaban, tekanan, dan level sering dimanfaatkan di IWSN. Dalam aplikasi pemantauan aset, misalnya, melacak tingkat pengisian tangki untuk tangki pencampuran bahan kimia, makanan, dan farmasi sangat penting dalam memastikan bahan dimasukkan ke dalam nilai yang tepat. Dalam kasus ini, sensor tekanan dapat digunakan atau berbagai sensor level cairan dapat digunakan untuk mengukur level pengisian tangki. Pemantauan aliran udara atau aliran cairan dapat dilakukan dengan menggunakan sensor tekanan dan cairan serta dalam sistem penyaringan udara industri atau dalam sistem HVAC komersial. Di fasilitas pengolahan dan pengelolaan air, filter menunjukkan perbedaan tekanan pada saluran masuk (input) dan limbah (keluaran) di mana kinerja dan penyumbatan dapat dilacak dan dideteksi oleh sensor tekanan.
Sejumlah prinsip dasar yang mendasari (optik, elektromagnetik, radar, mekanik, ultrasonik, akustik, dll.) dapat dimanfaatkan untuk mencapai hasil penginderaan yang sama. Varietas ini dapat ditemukan untuk sensor level, kelembaban, dan suhu. Pilihan teknologi adalah keseimbangan antara harga, akurasi, faktor bentuk, kemudahan instalasi/kalibrasi, tingkat respons, dan pemantauan terus menerus atau diskrit. Bagian selanjutnya akan membahas beberapa sensor yang umum digunakan di IWSN.
Tinjauan Sensor yang Biasa Digunakan
Akselerometer – Seperti yang dinyatakan sebelumnya, akselerometer adalah komponen landasan untuk pemantauan peralatan mesin untuk data getaran. Hal ini terjadi dengan mengumpulkan parameter seperti akselerasi, deselerasi, dan shock dari data tegangan. Ini diubah menjadi vibrodiagnostik baik dalam domain waktu atau domain frekuensi. Dalam analisis domain waktu, pengumpulan dan distribusi sampel sinyal memungkinkan perubahan nyata dalam perilaku mesin dari waktu ke waktu. Salah satu bentuk sederhana dari analisis getaran domain waktu melibatkan penentuan "batas alarm" dengan kecepatan Root Mean Square (RMS) dari rumah mesin (standar ISO 2372).
Analisis domain waktu umumnya memiliki kemunduran ketidakmampuan untuk menangkap kesalahan lebih awal, karena lebih banyak data perlu dikumpulkan untuk mencatat perbedaan yang dapat diamati; namun, bentuk gelombang waktu memiliki manfaat utama dalam mengklasifikasikan suatu peristiwa yang bersifat sementara atau terputus-putus. Dalam domain frekuensi, berbagai kesalahan menghasilkan perbedaan nyata dalam konten daya spektral (yaitu, puncak kecepatan getaran pada berbagai frekuensi) yang memungkinkan isolasi kesalahan yang lebih baik. Sementara analisis domain waktu sering dimanfaatkan untuk memeriksa masalah yang sudah diketahui atau menunjukkan pola yang sangat spesifik yang dicari, analisis domain frekuensi memungkinkan survei operasi mesin yang lebih luas di mana mengidentifikasi kesalahan jauh lebih jelas. Akselerometer multi-sumbu sangat berharga, karena dapat mengumpulkan data dalam arah aksial dan radial. Akselerometer dapat mengikuti salah satu prinsip dasar berikut:kapasitif, piezoelektrik, atau piezoresistif.
Yang paling umum digunakan adalah akselerometer kapasitif di mana massa bukti yang ditangguhkan pegas bergeser menjadi tidak seimbang di bawah tekanan akselerasi. Perpindahan ini kemudian dicatat oleh elektroda dengan perubahan kapasitansi yang pada akhirnya menghasilkan tingkat percepatan dan arah percepatan. Akselerometer piezoelektrik juga menggunakan massa bukti; namun, pergeseran massa bukti malah menyebabkan tegangan geser pada bahan piezoelektrik yang diterjemahkan langsung ke output elektrik. Serupa dengan sensor tekanan dan level yang tercantum dalam sensor sebelumnya, akselerometer juga dapat memanfaatkan prinsip piezoresistif menggunakan pengukur massa dan regangan bukti untuk menghasilkan hasil percepatan.
Sensor Arus – Aplikasi industri sensor saat ini dapat mencakup analisis MCSA untuk peralatan mesin, pengukuran cerdas, dan dalam aplikasi yang melibatkan catu daya (misalnya, kontrol inverter, catu daya tak terputus, pengelasan, dll.). Sensor arus memanfaatkan salah satu dari empat prinsip dasar:hukum Ohm, hukum Faraday, efek Faraday, atau penginderaan medan magnet.
Sensor arus tipe resistif-shunt akan memanfaatkan hukum Ohm dan terdiri dari elemen resistif yang bekerja secara seri ke konduktor pembawa arus yang nilai arusnya diinginkan. Dengan cara ini, sebagian arus melewati elemen, menyebabkan penurunan tegangan yang sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya.
Gambar 2 mengilustrasikan ikhtisar berbagai teknologi sensor. Transformator arus (CT) memanfaatkan hukum induksi Faraday. Transformator melibatkan beberapa gulungan di sekitar inti magnetik permeabilitas magnetik tinggi. Gulungan primer, atau konduktor pembawa arus, dapat berupa beberapa putaran atau hanya garis yang melewati inti. AC yang mengalir melalui belitan primer memusatkan garis fluks magnet di dalam inti, atau konsentrator fluks, yang pada gilirannya menginduksi arus dalam belitan sekunder yang berbanding lurus dengan arus di dalam belitan primer, menawarkan pengukuran aliran arus.
Sebuah kumparan rogowski menggunakan prinsip yang sama, bukan dengan inti dengan permeabilitas magnetik mirip dengan udara. Tegangan induksi dalam belitan sekunder sebanding dengan turunan waktu dari arus yang diinginkan. Oleh karena itu, lilitan sekunder pada kumparan rogowski diakhiri dengan rangkaian integrator op-amp.
Sensor medan magnet efek hall juga dimanfaatkan baik dalam arsitektur loop terbuka atau loop tertutup. Efek Hall hanya menggambarkan vektor tegangan tegak lurus yang dihasilkan dengan adanya arus dan medan magnet yang mengalir melalui strip logam. Konfigurasi loop terbuka terlihat mirip dengan transformator arus di mana konduktor pembawa arus melewati pusat inti magnet permeabilitas magnetik tinggi. Sensor efek Hall ditempatkan di dalam celah di inti, menciptakan tegangan yang sebanding dengan arus. Akan tetapi, tegangan ini memerlukan penguat, karena tegangan keluarannya kecil.
Konfigurasi loop tertutup malah melibatkan koil kompensasi, atau belitan sekunder, yang menghasilkan medan yang melawan arus dalam konduktor pembawa arus sehingga tidak ada medan magnet yang terlihat pada sensor efek Hall. Gulungan sekunder digerakkan oleh amplifier di IC penginderaan arus dan diakhiri dengan resistansi beban. Arus dalam konduktor pembawa arus sebanding dengan tegangan pada resistor keluaran ini.
Sensor Tekanan – Istilah sensor tekanan umumnya digunakan sebagai istilah yang mencakup semua yang mencakup sensor tekanan, transduser tekanan, dan pemancar tekanan. Secara umum, sensor tekanan menghasilkan sinyal keluaran 10-mV dimana sinyal keluaran ini dapat digunakan 10 sampai 20 kaki dari listrik tanpa kehilangan sinyal yang nyata. Transduser tekanan menghasilkan output tegangan yang lebih tinggi (0,5 hingga 4,5 V) yang dapat berjalan lebih dari 20 kaki tanpa penurunan sinyal. Pemancar tekanan menawarkan sinyal keluaran arus 4 hingga 20 mA. Sensor tekanan dapat datang dalam beberapa konfigurasi termasuk tipe Jembatan Wheatstone/piezoresistif, kapasitif, elektromagnetik, piezoelektrik, dan optik.
Artikel ini berfokus pada jenis sensor tekanan yang paling umum:konfigurasi tipe jembatan/piezoresistif (Gambar 3). Sensor tekanan yang paling umum bergantung pada efek piezoresistif di mana perubahan resistansi yang terjadi ketika material terdeformasi berkorelasi dengan tekanan material di bawahnya. Biasanya, sensor ini memiliki diafragma pengukur di mana sisi diafragma yang menghadap gas/cairan (yaitu, cairan hidrolik, air, oli, dll.) terkena tekanan "referensi" sementara sisi diafragma lainnya terbuka. ke tekanan tinggi. Dalam hal ini, diafragma menyimpang/berdeformasi sesuai dan pengukur regangan mengukur perbedaan tekanan antara masing-masing untuk mentransduksi informasi ini ke besaran listrik yang siap untuk ditransmisikan.
Pengukur regangan pada dasarnya bertindak sebagai elemen resistif yang perubahan resistansinya sebanding dengan jumlah regangan yang dikenakan padanya. Pengukur regangan ini adalah jenis foil berikat yang diproduksi melalui proses deposisi sputter atau pengukur regangan tipe silikon difusi yang juga dikenal sebagai pengukur regangan semikonduktor, karena diproduksi dengan menyebarkan pengotor ke dalam diafragma berbasis silikon. Pengukur regangan berbasis foil memiliki manfaat menahan tekanan yang lebih tinggi sementara pengukur regangan berbasis semikonduktor menawarkan sensitivitas yang lebih tinggi sehingga sering dimanfaatkan pada tekanan yang lebih rendah. Namun, pengukur regangan silikon sangat dipengaruhi oleh suhu dan oleh karena itu cenderung memiliki suhu operasi yang lebih rendah daripada pengukur regangan foil.
Sensor Level Cairan – Sensor level mendeteksi jumlah cairan, bubuk, atau bahan granular (misalnya, pelet) di dalam wadah. Tidak seperti sensor tekanan, pengukuran ini dapat dilakukan dengan berbagai cara. Tabel di atas mencantumkan beberapa metode dengan deskripsi dan beberapa pertimbangan utama untuk setiap jenis sensor level. Bagian ini akan fokus pada sensor hidrostatik berbasis diafragma.
Sensor level hidrostatik, khususnya, bergantung pada prinsip piezoresistif mendasar yang sama dengan sensor tipe jembatan yang ditemukan di sensor tekanan. Faktanya, jenis sensor level cairan ini adalah sensor tekanan di mana naik/turunnya level cairan di dalam tangki berkorelasi dengan perubahan tekanan di dalam diafragma dan dengan demikian mempertahankan hubungan yang sangat linier dengan kedalaman cairan di dalam tangki. Seperti yang ditunjukkan pada persamaan di bawah, tekanan statis (P) cairan setara dengan berat jenis cairan (γ) dan ketinggian cairan ( h ).
P =γ*h
Kesimpulan
Memahami teknologi sensor yang mendasari yang digunakan dalam aplikasi pemantauan industri dapat menawarkan wawasan bagi siapa saja yang terlibat dalam desain dan pengembangan sistem industri. Setiap sensor dapat memanfaatkan berbagai prinsip dasar, yang masing-masing memiliki manfaat dan pertimbangan masing-masing untuk aplikasinya. Pengumpulan dan penyebaran data yang diperoleh dari sensor ini dapat melibatkan backbone kabel atau nirkabel di mana IIoT khususnya memiliki potensi analisis data yang lebih kompleks untuk aplikasi industri masa depan.
Artikel ini ditulis oleh Tinu Oza, Manajer Lini Produk di L-com, Andover Utara, MA. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .
Referensi
- Lewis, Joe. Buku Pegangan Pengukuran dan Deteksi Tingkat Padat . Momentum Press, 2014.
