Bagaimana Pemantauan Kondisi Mesin Memastikan Operasi Pabrik Terus Menerus

Pada tahun 1901, paten diterbitkan kepada Ransom E. Olds untuk ide garis montase yang terus bergerak, yang ia gunakan untuk membangun kendaraan Oldsmobile pertama. Pada tahun 1913, Henry Ford meningkatkan konsep dengan menambahkan sabuk konveyor bergerak dan dengan dua inovasi ini, waktu yang dibutuhkan untuk merakit mobil berkurang dari 1½ hari menjadi 1½ jam. Pabrik montase modern lahir.

Selama empat dekade berikutnya, ide garis produksi yang bergerak diadopsi oleh banyak industri, dari radio hingga saku cara, jam hingga katil, pasir hingga koran. Selama Perang Dunia II, AS membangun 300.000 pesawat menggunakan garis produksi yang bergerak. Ide ini menjadi tulang punggung manufaktur di seluruh dunia dan tetap menjadi cara utama untuk menyediakan produk ke pasar massal.

Alat dan mesin yang digunakan untuk melakukan pekerjaan montase adalah bagian paling kritis dari setiap garis. Pada tahun 1950-an, keandalan peralatan pabrik menjadi bagian penting dari operasi. Jika satu mesin berhenti bekerja, seluruh garis akan mati sampai perbaikan dapat dilakukan. Mesin yang tidak aktif dan pengrakit mengurangi efisiensi dan mempengaruhi biaya. Pemeliharaan menjadi penting.

Selama separuh abad terakhir abad ke-20, sebagian besar pemeliharaan pabrik terdiri dari pemeliharaan periodik terjadwal. Ini meningkatkan keandalan dan umur pakai mesin tetapi tidak membantu operator pabrik untuk memprediksi dan menghindari kegagalan peralatan atau waktu henti yang tidak terjadwal. Dalam dua puluh tahun terakhir, pemantauan kondisi mesin telah menjadi bagian penting dari operasi pabrik. Kadang disebut sebagai Smart Factory, Industrial IoT (IIoT), atau Industri 4.0, pabrik menambahkan sistem sensor dan analitik yang memantau kesehatan peralatan manufaktur.

Pemantauan kondisi adalah proses memasang sensor pada peralatan yang dapat mengidentifikasi perubahan parametrik signifikan yang mengindikasikan kegagalan atau kegagalan yang akan datang. Sistem ini mencari dua hal. Pertama: Apakah mesin beroperasi di luar parameter desainnya, memerlukan respons cepat? Kedua: Apa tren jangka panjang dari parameter kritis untuk memprediksi kapan mesin akan membutuhkan pemeliharaan, perbaikan, atau penggantian.

Motor Listrik Pabrik

Salah satu mesin yang paling umum di pabrik adalah motor listrik. Diperkirakan ada 300 juta motor yang berjalan di fasilitas manufaktur di seluruh dunia saat ini. Mereka menyediakan daya untuk memproduksi, merakit, dan memindahkan produk di pabrik. Kegagalan satu motor dapat menghentikan garis produksi, dengan biaya ribuan dolar per jam. Sensor dan analitik pemantauan kondisi memberikan peringatan dini tentang masalah. Mengatasi masalah ini dengan cepat menghasilkan biaya pemeliharaan yang lebih rendah, kurang gangguan dalam alur proses, dan keselamatan yang ditingkatkan bagi operator peralatan.

Kesehatan motor mana pun dapat ditentukan dengan memantau tiga parameter operasi:

• Getaran — diukur dengan accelerometer.

• Suhu — diukur dengan sensor suhu jenis kontak.

• Arus — diukur dengan sensor arus jenis induktif atau shunt.

Accelerometer menyediakan data mengenai kesehatan mekanis motor. Sensor suhu menyediakan data mengenai kesehatan mekanis dan listrik, dan sensor arus melihat kesehatan listrik. Sensor juga dapat menyediakan data mengenai kondisi peralatan dan alat yang terpasang pada motor.

Accelerometers

Semua motor berputar memiliki armatur yang digantung oleh bearing dan berputar pada kecepatan yang berbeda. Armatur diseimbangkan sehingga tidak bergetar saat berputar. Namun, armatur yang tidak seimbang atau rusak membuat getaran yang dapat mempengaruhi bearing. Jika getaran pada frekuensi resonansi dari peralatan lain yang terpasang pada motor, kerusakan dapat parah dan cepat. Frekuensi getaran dari motor sepadan dengan RPM motor dan biasanya berkisar dari beberapa Hz hingga 4 kHz. Accelerometer cocok untuk mengukur getaran ini.

Accelerometer juga digunakan sebagai mikrofon kontak yang mendengarkan dering frekuensi tinggi (serapan) dari bearing di mana pelumas telah habis. Frekuensi ini berkisar dari 5kHz hingga 15kHz. Accelerometer piezoelektrik bekerja baik karena mereka memiliki respons frekuensi luas yang mencakup kedua rentang frekuensi dengan satu perangkat.

Biasanya, Transformasi Fourier Cepat (FFT) digunakan untuk menganalisis sinyal. Data FFT menunjukkan setiap band getaran frekuensi dan intensitasnya. Gambar 2 menunjukkan frekuensi dan amplitudo getaran alami dari motor yang khas.

Motor baru memiliki frekuensi getaran alami yang dicatat dan digunakan sebagai garis dasar untuk membandingkan dengan data yang diambil nanti dalam umur motor. Jika pengukuran ini tetap dalam rentang yang sama dengan data asli, motor dalam kondisi baik. Jika frekuensi atau intensitas mulai berubah seiring waktu, itu adalah indikasi aus pada bagian motor dan kegagalan mungkin akan datang. Oleh karena itu, perbaikan dapat dijadwalkan sebelum kegagalan terjadi. Ini menghilangkan penutupan garis yang merusak dan meningkatkan efisiensi manufaktur.

Gambar 3 menunjukkan sensor getaran model 8911 dari TE Connectivity Sensors Business Unit. Ini berisi accelerometer piezoelektrik dan mikrokontroler yang melakukan konversi FFT ke format yang dibutuhkan pelanggan. Selain itu, sensor ini didayai baterai dan mentransmisikan data secara nirkabel melalui frekuensi LoRa. Ini menghilangkan kabel keras. Sensor dapat dengan mudah dipasang pada motor dengan perekat, bus montase, atau basis magnet. Tanpa kabel dan pemasangan sederhana, sensor dapat berjalan dari kotak keluar ke operasi penuh dalam waktu yang sangat singkat dan dengan biaya sangat rendah.

Sensor Suhu

Dua bagian motor yang paling terpengaruh oleh suhu tinggi adalah bearing dan gulungan stator. Untuk efektif, sensor yang mengukur parameter ini harus dalam kontak fisik yang erat dengan bagian motor yang diminati, jadi desain unik biasanya diperlukan untuk aplikasi motor.

Dalam operasi, bearing motor biasanya berjalan antara 60° – 70°C (140° – 160°F). Saat dimuat dan dilumasi dengan benar, bearing dapat memiliki umur pakai yang sangat lama. Masalah paling umum terjadi ketika pelumas menghilang karena kebocoran atau gagal karena panas lingkungan berlebih. Mode kegagalan ini dapat terjadi selama periode operasi yang cukup lama — ribuan jam. Saat pelumas habis, suhu bearing mulai naik dan dapat dengan mudah dilacak dengan sensor suhu dan perangkat lunak analitik.

Gambar 4 menunjukkan sensor suhu jenis NTC atau RTD yang diload pegas yang dirancang untuk berada dalam kontak langsung dengan bal luar bearing. Pemasangan ini memberikan pengukuran suhu yang paling akurat. Perumahan bearing harus memiliki fitur yang dirancang yang akan menampung sensor suhu dan memberikan akses dekat ke bearing.

Sensor suhu juga digunakan untuk mengukur suhu gulungan listrik stator. Ini adalah kumpli yang menghasilkan medan magnet untuk mendorong rotasi armatur. Jika gulungan ini rusak karena benturan atau korosi, resistansi kawat meningkat, dan kemampuan mereka untuk menghantar arus berkurang. Ini menyebabkan kawat yang terkena menjadi panas. Mereka dapat mencapai suhu yang akan melelehkan isolasi dan bahkan menyebabkan kebakaran.

Gambar 5a dan 5b menunjukkan sensor suhu (TE Connectivity Sensors Business Unit) yang dibangun ke dalam gulungan stator pada motor. Sensor menjadi bagian permanen dari perangkat.

Seperti dengan sensor getaran, suhu operasi awal diukur dan dicatat. Seiring waktu berjalan, suhu diambil secara berkala dan dibandingkan dengan garis dasar. Jika suhu mulai menyimpang dari normal, itu adalah indikasi masalah mekanis untuk bearing atau masalah listrik untuk gulungan stator. Lagi, pemeliharaan dapat dijadwalkan sebelum kegagalan besar terjadi, mencegah penutupan garis yang tidak terduga.

Sensor Arus

Sementara sensor getaran dan suhu dapat melaporkan kesehatan fisik motor, sensor arus dapat memeriksa kesehatan listriknya. Sensor arus datang dalam dua konfigurasi dasar: desain shunt atau induktif. Setiap satu memiliki keuntungan dan kerugian. Jumlah arus yang ditarik motor dipengaruhi oleh banyak hal: tegangan yang diterapkan, kecepatan motor, beban pada poros motor, dan kondisi kuas armatur. Arus di luar rentang dapat mengesankan masalah tegangan daya, pendek dalam gulungan stator atau armatur, kuas aus, atau masalah dengan alat yang terpasang.

Sensor arus shunt adalah resistor daya nilai sangat rendah yang ditempatkan secara beruntun dengan garis daya listrik ke motor. Tegangan yang dikembangkan di seluruh resistor sepadan dengan arus yang mengalir di dalamnya. Menggunakan hukum Ohm (I = E/R) dan mengetahui nilai tegangan dan resistansi, arus dapat dihitung. Shunt digunakan di mana akurasi sangat tinggi diperlukan atau untuk motor brushless frekuensi tinggi. Gambar 6 menunjukkan skema untuk sensor shunt.

Sensor arus induktif menggunakan cincan permivitas tinggi di sekitar kabel daya. Arus melalui kabel menghasilkan medan magnet dalam cincan (Bin). Sensor efek Hall yang disematkan dalam cincan mengukur medan magnet, dan melalui penguat dan kumpli yang dililit di sekitar cincan, meredam medan magnet balik (BF) untuk menentang Bin. Tegangan yang diperlukan untuk menciptakan medan BF adalah sinyal keluaran. Efek bersih dari kedua medan magnet akan muncul sebagai medan nol pada sensor Hall. Semakin tinggi arus aliran dalam kabel daya, semakin tinggi tegangan BF yang diperlukan. (Lihat Gambar 7)

Di Luar Motor

Seringkali, peralatan yang terpasang pada motor juga dapat dipantau kesehatannya. Gambar 8 menunjukkan contoh mesin frais yang menggunakan pemotong rotary multi-flute untuk memotong permukaan datar ke dalam benda kerja. Kondisi alat pemotong rotary sangat penting untuk kualitas operasi pemotongan. Semakin tajam flute pada pemotong, semakin presisi pemotongan, dan semakin baik permukaan pada benda kerja yang selesai. Saat setiap flute membuat potongan, arus motor meningkat untuk menyediakan daya yang dibutuhkan. Flute tajam membutuhkan lebih sedikit daya untuk memotong logam. Flute tumpul membutuhkan lebih banyak daya.

Dengan memantau arus motor untuk mesin frais ini, mungkin untuk menentukan flute mana pada alat pemotong yang tajam dan mana yang tumpul dan perlu ditajamkan.

Kontribusi Pemantauan Kondisi untuk IIoT

Dari penemuan garis produksi dan revolusi industri yang diciptakannya, telah ada banyak inovasi teknis yang telah mendorong kemajuan dalam manufaktur. Pabrik telah mengalami peningkatan produktivitas rata-rata 2,8% per tahun selama 70 tahun terakhir. Teknologi seperti alat tenaga, cetak injeksi, pick & place equipment, pengujian otomatis, dan robotika semuanya telah berkontribusi. Hari ini, pemantauan kondisi mesin ditambahkan ke dalam campuran. Pemantauan kondisi yang sukses dimulai dengan sensor yang terletak pada mesin pabrik yang terus melaporkan data tentang kesehatan dan operasinya. Dengan menggunakan analitik real-time, operator pabrik dapat mengidentifikasi titik masalah dan menjadwalkan perbaikan dan pemeliharaan yang diperlukan tanpa menunggu kegagalan yang merusak. Ini akan memberikan peningkatan produktivitas kepada manufaktur. Semuanya dimulai dengan sensor, namun.

Artikel ini ditulis oleh Pete Smith, Sr. Manager, Dukungan Jual dan Pemasaran, TE Connectivity Sensor Solutions — TES (Schaffhausen, Swiss/Berwyn, PA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bpk. Smith di This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. atau kunjungi di sini.