Teknologi Sensor Canggih: Meningkatkan Kesehatan Mesin dan Pemantauan Aset dalam Sistem Industri

Data yang diperoleh dari pemantauan peralatan jarak jauh sangat penting untuk fungsionalitas setiap proses industri. Seringkali, data ini ditangani oleh sistem kontrol Pengawasan dan Pengumpulan Data (SCADA) sering melalui jaringan Ethernet dan TCP/IP melalui topologi bus, bintang, atau pohon. Sistem Internet Industri Hal-hal (IIoT) sering melengkapi dan dalam beberapa kasus, menggantikan sistem warisan ini untuk memungkinkan jaringan nirkabel node yang terhubung ke gateway yang kembali ke cloud untuk pemrosesan data dan analitik yang lebih kompleks. Terlepas dari penggunaan teknologi kabel atau nirkabel, sensor yang digunakan dalam proses ini memberikan tulang punggung untuk data yang diperlukan untuk menilai dan menganalisis peralatan pabrik.

Artikel ini memberikan pandangan burung tentang aplikasi kesehatan mesin dan pemantauan aset industri serta tinjauan beberapa teknologi sensor yang sering digunakan.

Aplikasi Kesehatan Mesin dan Pemantauan Aset dalam IIoT

Aplikasi pemantauan kesehatan mesin dan aset industri jarak jauh mencakup rentang vertikal industri yang masif dengan berbagai jenis sensor yang digunakan bersama 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 — sering kali kontroler logika terprogram (PLC) atau unit terminal jarak jauh (RTU). Modul I/O ini mengirim data sensor dari dan ke node berdasarkan umpan balik dari komputer pengawas — seringkali Antarmuka Manusia-Mesin (HMI) — yang mengumpulkan dan menyebarkan data berdasarkan input manusia.

Dalam Jaringan Sensor Nirkabel Industri (IWSN), sejumlah sensor node secara nirkabel terhubung ke gateway dalam topologi titik-ke-multipoint (PtMP) melalui band berlisensi/tidak berlisensi dan protokol nirkabel tertentu. Dalam aplikasi industri, ini dapat bervariasi dari protokol spesifik industri seperti WirelessHART, ke jaringan berbasis seluler, ke protokol komersial seperti Zigbee. Ini mengatasi kabeling modul I/O terpisah yang ditemukan dalam arsitektur SCADA, mempersempit hierarki ini ke transfer data yang disederhanakan dari node sensor, ke gateway/stasiun dasar, ke platform cloud terpusat untuk melakukan analitik yang lebih rumit.

Aplikasi IWSN untuk pemantauan kondisi mesin mencakup peralatan posisi industri dan motor/drive serta aplikasi pemantauan aset (Gambar 1). Motor induktif, misalnya, ditemukan dalam rentang besar peralatan mesin, dari mesin CNC presisi hingga crane industri besar, katrol, dan belt pengantar. Kerusakan apa pun pada mesin ini dapat menurunkan akurasi mekanis atau bahkan menyebabkan kegagian dan downtime pabrik, langsung mengurangi waktu operasional pabrik yang berharga dengan biaya tambahan dari waktu perbaikan. Beberapa kegagalan mekanis umum untuk motor adalah: retak bar rotor, fault pemendek gulungan, variasi celah udara, dan fault bearing.

Accelerometer paling sering digunakan untuk analisis data getaran — sebagian besar kegagalan mekanis pada mesin berputar menyebabkan peningkatan terdeteksi dalam tingkat getaran. Pengukuran tambahan termasuk Analisis Tanda Tangan Arus Motor (MCSA) di mana distorsi dalam bentuk gelombang arus dari motor dapat ekstrapolasi fault tertentu berdasarkan amplitudo puncak dan frekuensi di mana puncak terjadi. Metode pengukuran ini sering dilakukan dengan transformator arus clip-on (CT).

Selain accelerometer dan sensor arus, sensor suhu, kelembaban, tekanan, dan level sering digunakan dalam IWSN. Dalam aplikasi pemantauan aset, misalnya, melacak tingkat isi tangki untuk tangki pencampuran kimia, makanan, dan farmasi adalah terpenting dalam memastikan bahan dimasukkan pada nilai yang tepat. Dalam kasus ini, sensor tekanan dapat digunakan atau berbagai sensor level cair dapat digunakan untuk mengukur tingkat isi tangki. Pemantauan aliran udara atau cairan dapat dilakukan baik dengan sensor tekanan maupun cairan juga dalam sistem filter udara industri atau sistem HVAC komersial. Dalam fasilitas pengolahan dan manajemen air, filter menunjukkan perbedaan tekanan di garis input (influent) dan output (effluent) di mana kinerja dan tersumbat dapat dilacak dan terdeteksi oleh sensor tekanan.

Sejumlah prinsip dasar (optik, elektromagnetik, radar, mekanis, ultrasonik, akustik, dll.) dapat digunakan untuk mencapai hasil sensor yang sama. Ragam ini dapat ditemukan untuk sensor level, kelembaban, dan suhu. Pilihan teknologi adalah keseimbangan di antara harga, akurasi, bentuk, kemudahan pemasangan/kalibrasi, laju respons, dan pemantauan kontinu atau diskrit. Bagian-bagian berikut akan membahas beberapa sensor yang sering digunakan dalam IWSN.

Tinjauan Sensor yang Sering Digunakan

Accelerometer – Seperti yang disebutkan sebelumnya, accelerometer adalah komponen dasar untuk pemantauan peralatan mesin untuk data getaran. Ini dilakukan dengan mengumpulkan parameter seperti percepatan, desacelerasi, dan kejut dari data tegangan. Ini diubah menjadi vibrodiagnostik dalam domain waktu atau domain frekuensi. Dalam analisis domain waktu, pengumpulan dan distribusi sampel sinyal memungkinkan perubahan yang terlihat dalam perilaku mesin seiring waktu. Satu bentuk sederhana dari analisis getaran domain waktu melibatkan menentukan “batas alarm” dengan kecepatan Root Mean Square (RMS) dari casing mesin (standar ISO 2372).

Analisis domain waktu secara umum memiliki kekurangan ketidakmampuan untuk menangkap kegagalan lebih awal, karena lebih banyak data perlu dikumpulkan untuk mencatat perbedaan yang teramati; namun, gelombang waktu memiliki manfaat utama dalam mengklasifikasikan peristiwa yang transient atau intermiten. Dalam domain frekuensi, berbagai kegagalan menghasilkan perbedaan yang jelas dalam daya spektral (puncak dalam kecepatan getaran pada berbagai frekuensi) yang memungkinkan isolasi kegagalan yang lebih baik. Sementara analisis domain waktu sering digunakan untuk memeriksa masalah yang sudah diketahui atau menunjukkan pola yang sangat spesifik yang dicari, analisis domain frekuensi memungkinkan survei yang lebih luas dari operasi mesin di mana identifikasi kegagalan jauh lebih jelas. Accelerometer multi-axis sangat berharga, karena mereka mampu mengumpulkan data baik di arah aksial maupun radial. Accelerometer dapat mengikuti salah satu prinsip dasar ini: kapasitif, piezoelektrik, atau piezoresistif.

Yang paling sering digunakan adalah accelerometer kapasitif di mana massa bukti yang digantung dengan pegas beralih ke tidak seimbang di bawah stres percepatan. Perpindahan ini kemudian tercatat oleh elektroda dengan perubahan kapasitansi yang pada akhirnya menghasilkan laju percepatan dan arah percepatan. Accelerometer piezoelektrik juga menggunakan massa bukti; namun, perpindahan massa bukti menyebabkan geser stres pada materi piezoelektrik yang diterjemahkan langsung menjadi keluaran listrik. Seperti sensor tekanan dan level yang tercantum di bagian sensor sebelumnya, accelerometer juga dapat mengeksploitasi prinsip piezoresistif menggunakan massa bukti dan strain gauge untuk menghasilkan hasil percepatan.

Sensor Arus – Aplikasi industri sensor arus dapat mencakup analisis MCSA untuk peralatan mesin, smart metering, dan dalam aplikasi yang melibatkan sumber daya (misalnya, kontrol inverter, UPS, pengelasan, dll.). Sensor arus memanfaatkan salah satu dari empat prinsip dasar: hukum Ohm, hukum Faraday, efek Faraday, atau pemantauan medan magnet.

Sensor arus tipe shunt resistif akan memanfaatkan hukum Ohm dan terdiri dari elemen resistif yang bertindak secara berurutan dengan konduktor yang membawa arus yang nilai arusnya diinginkan. Dengan cara ini, sebagian arus melewati elemen, menyebabkan penurunan tegangan yang proporsional dengan arus yang mengalir melalui elemen tersebut.

Gambar 2 mengilustrasikan gambaran umum berbagai teknologi sensor. Transformator arus (CT) memanfaatkan hukum induksi Faraday. Transformator melibatkan beberapa gulungan di sekitar inti magnet dengan permeabilitas magnetik tinggi. Gulungan primer, atau konduktor yang membawa arus, dapat berupa beberapa gulungan atau cukup garis yang melewati inti. Arus AC yang mengalir melalui gulungan primer memusatkan garis fluks magnet di dalam inti, atau konsentrator fluks, yang pada gilirannya menginduksi arus dalam gulungan sekunder yang secara proporsional dengan arus dalam gulungan primer, menawarkan pengukuran aliran arus.

Gulungan rogowski menggunakan prinsip yang sama, alih-alih dengan inti dengan permeabilitas magnetik yang mirip dengan udara. Tegangan yang diinduksi dalam gulungan sekunder proporsional dengan turunan waktu dari arus yang diinginkan. Oleh karena itu, gulungan sekunder dalam gulungan rogowski diakhiri dengan rangkaian integrator op-amp.

Sensor medan magnet efek Hall juga digunakan dalam arsitektur open-loop atau closed-loop. Efek Hall secara sederhana menjelaskan vektor tegangan tegak lurus yang dihasilkan kehadiran arus dan medan magnet yang mengalir melalui sehelai logam. Konfigurasi open-loop terlihat mirip dengan transformator arus di mana konduktor yang membawa arus melewati pusat inti magnet dengan permeabilitas magnetik tinggi. Sensor efek Hall ditempatkan di dalam celah inti, menciptakan tegangan yang proporsional dengan arus. Tegangan ini, namun, memerlukan amplifier, karena tegangan keluaran kecil.

Konfigurasi closed-loop melibatkan gulungan kompensasi, atau gulungan sekunder, yang menghasilkan medan yang menentang arus dalam konduktor yang membawa arus sehingga tidak ada medan magnet yang terlihat di sensor efek Hall. Gulungan sekunder didorong oleh amplifier dalam IC pemantauan arus dan diakhiri dengan beban resistansi. Arus dalam konduktor yang membawa arus proporsional dengan tegangan pada resistor keluaran ini.

Sensor Tekanan – Istilah sensor tekanan secara umum digunakan sebagai istilah menyeluruh yang mencakup sensor tekanan, transducer tekanan, dan transmitter tekanan. Secara umum, sensor tekanan menghasilkan sinyal keluaran 10-mV di mana sinyal keluaran ini dapat digunakan 10 hingga 20 kaki dari listrik tanpa kehilangan sinyal yang terlihat. Transducer tekanan menghasilkan keluaran tegangan yang lebih tinggi (0,5 hingga 4,5 V) yang dapat melewati 20 kaki tanpa degradasi sinyal. Transmitter tekanan menawarkan sinyal keluaran arus 4 hingga 20 mA. Sensor tekanan dapat datang dalam sejumlah konfigurasi termasuk tipe Wheatstone Bridge/piezoresistif, kapasitif, elektromagnetik, piezoelektrik, dan optik.

Artikel ini berfokus pada tipe sensor tekanan yang paling umum: konfigurasi tipe jembatan/piezoresistif (Gambar 3). Sensor tekanan yang paling umum mengandalkan efek piezoresistif di mana perubahan resistensi yang terjadi ketika material berubah bentuk berkorelasi dengan tekanan yang diterima material. Biasanya, sensor ini memiliki diafram pengukuran di mana sisi diafram yang menghadap gas/cair (misalnya, fluida hidrolik, air, minyak, dll.) terekspos pada tekanan “referensi” sementara sisi lain dari diafram terekspos pada tekanan tinggi. Dalam hal ini, diafram membungkuk/berubah bentuk sesuai dan strain gauge mengukur perbedaan tekanan antara keduanya untuk mentransduksi informasi ini menjadi kuantitas listrik yang siap untuk transmisi.

Strain gauge secara esensial bertindak sebagai elemen resistif yang perubahan resistensinya proporsional dengan jumlah stres yang diberikan pada mereka. Strain gauge ini adalah tipe foil yang terikat yang diproduksi melalui proses depo sitre sputter atau strain gauge tipe difusi silikon yang juga dikenal sebagai strain gauge semi konduktor, karena diproduksi dengan menyebarkan pengotor ke dalam diafram berbasis silikon. Strain gauge berbasis foil memiliki keuntungan tahan tekanan yang lebih tinggi sementara strain gauge berbasis semi konduktor menawarkan sensitivitas yang lebih tinggi jadi sering digunakan pada tekanan lebih rendah. Namun, strain gauge silikon sangat dipengaruhi oleh suhu dan cenderung memiliki suhu operasi yang lebih rendah daripada strain gauge foil.

Sensor Level Cair – Sensor level mendeteksi jumlah cairan, bubuk, atau material granular (misalnya, pelet) dalam wadah. Tidak berbeda dengan sensor tekanan, pengukuran ini dapat dilakukan dalam berbagai cara. Tabel di atas mencantumkan beberapa metode dengan deskripsi dan beberapa pertimbangan utama untuk setiap tipe sensor level. Bagian ini akan berfokus pada sensor berbasis diafram hidrostatik.

Sensor level hidrostatik, khususnya, mengandalkan prinsip piezoresistif yang sama seperti sensor tipe jembatan yang ditemukan dalam sensor tekanan. Faktanya, tipe sensor level cair ini adalah sensor tekanan di mana kenaikan/penurunan level cair dalam tangki berkorelasi dengan perubahan tekanan dalam diafram dan demikian mempertahankan hubungan yang sangat linier dengan kedalaman cair dalam tangki. Seperti yang ditunjukkan dalam persamaan di bawah, tekanan statis (P) dari cairan setara dengan gravitasi spesifik cairan (γ) dan tinggi cairan (h).

P=γ*h

Kesimpulan

Memahami teknologi sensor yang digunakan dalam aplikasi pemantauan industri dapat memberikan wawasan bagi siapa pun yang terlibat dalam desain dan pengembangan sistem industri. Setiap sensor dapat memanfaatkan berbagai prinsip dasar, masing-masing memiliki manfaat dan pertimbangan masing-masing untuk aplikasi. Pengumpulan dan penyebaran data yang diperoleh dari sensor ini dapat melibatkan tulang punggung kabel atau nirkabel di mana IIoT khususnya memiliki potensi untuk analitik data yang lebih kompleks untuk aplikasi industri di masa depan.

Artikel ini ditulis oleh Tinu Oza, Product Line Manager di L-com, North Andover, MA. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .

Referensi

1. Lewis, Joe. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.