Monitoreo de sistemas de bombas y motores

Uso del sensor Bluetooth de Lansitec con acelerómetro y puerta de enlace LoRaWAN de Lansitec

Introducción

Objetivo

Este estudio de caso explora la importancia de monitorear el movimiento en entornos industriales. Las aplicaciones industriales a cualquier escala dependen de varios motores para hacer funcionar la maquinaria y monitorear de manera proactiva esos motores puede resultar crucial para los procesos de fabricación. El estudio de caso explorará el uso de los motores de Lansitec. Baliza Bluetooth B005 con acelerómetros incorporados adicionales y el Puerta de enlace Bluetooth SocketSync con LoRaWAN para monitorizar un sistema de bomba y motor. Los sensores se utilizan para medir vibraciones y detectar anomalías en el comportamiento operativo del sistema mediante una tecnología de balizamiento, transmitiendo datos en tiempo real a la nube para su seguimiento y alerta.

Importancia del monitoreo de condiciones

Realizar un seguimiento del estado de los motores es fundamental para garantizar su rendimiento eficaz y confiable. Los sistemas industriales son susceptibles al desgaste, la desalineación y otros problemas que provocan vibraciones excesivas, lo que puede derivar en costosos tiempos de inactividad o fallas en los equipos. El monitoreo continuo ayuda a detectar problemas de manera temprana, lo que conduce a un mantenimiento preventivo y reduce las averías inesperadas. El uso de tecnología IoT, como los sensores de Lansitec, puede ayudar a las empresas a mejorar la vida útil de los equipos, reducir los gastos de mantenimiento y optimizar la efectividad operativa.

Descripción general del sistema

Sistema de bomba y motor

La típica configuración de bomba-motor que utilizamos para ilustrar este caso de uso se utiliza en industrias como la distribución de agua, la calefacción, ventilación y aire acondicionado y la fabricación, e implica que el motor convierta la energía eléctrica en movimiento rotatorio. Luego, la bomba transfiere esta energía mecánica para mover líquidos a través de sistemas de tuberías. Esta interacción fluida es fundamental para las operaciones continuas en varios sectores. Por ejemplo, en la distribución de agua, las bombas garantizan caudales constantes para satisfacer la demanda, mientras que los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado dependen de las bombas para hacer circular los fluidos para calentar y enfriar.

Desafíos

Los sistemas de bomba de motor a menudo enfrentan varios desafíos operativos. Factores como el desgaste, la desalineación de los componentes y los desequilibrios del rotor pueden causar vibraciones excesivas con el tiempo, lo que es una señal crucial del deterioro del sistema. Las vibraciones tienen el potencial de dañar los cojinetes, los sellos y los acoplamientos, lo que genera tensión mecánica y, en última instancia, conduce a averías prematuras. Los problemas comunes incluyen:

Desalineación

La alineación incorrecta de los ejes del motor y de la bomba genera tensión adicional en los cojinetes y sellos.

Desgaste del cojinete

El uso prolongado sin una lubricación adecuada o con lubricantes sucios acelera el desgaste de los rodamientos, disminuyendo la eficiencia.

Desequilibrio

La distribución desigual del peso en las piezas giratorias provoca un aumento de las vibraciones, lo que tensiona los componentes mecánicos.

Tecnología de sensores y puertas de enlace

Presentamos los dispositivos Lansitec que ayudan significativamente a monitorear el estado de la bomba

Baliza Bluetooth Lansitec B005 con acelerómetro

Esta baliza Bluetooth se puede integrar con un acelerómetro de alta precisión, capaz de detectar vibraciones sutiles y velocidades de rotación, lo que es fundamental para monitorear el estado del motor y la bomba.

Las características principales incluyen:

La baliza Bluetooth anuncia constantemente los mensajes de iBeacon según la configuración. Tiene dos pilas de botón de alta capacidad integradas. La duración máxima de la batería es de aproximadamente 5 años con un intervalo de anuncio de 500 ms.

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Bluetooth 5.0

Proporciona comunicación inalámbrica de bajo consumo energético, lo que permite la transmisión de datos en tiempo real a puertas de enlace cercanas dentro de un rango de 100 metros.

Acelerómetro

Mide las vibraciones en tres ejes, detectando incluso pequeñas desviaciones de las condiciones normales de funcionamiento, como el aumento de las vibraciones debido a la desalineación o al desgaste mecánico.

Tamaño compacto y clasificación IP67

El pequeño formato de la baliza y su carcasa robusta permiten su instalación en entornos hostiles como estaciones de bombas, lo que garantiza una recopilación de datos precisa sin necesidad de conexiones por cable.

Beneficios para el caso de uso

El pequeño tamaño y la facilidad de instalación hacen que el sensor se pueda colocar directamente en componentes críticos del motor y la bomba, como el rotor y la conexión de la tubería, donde puede monitorear continuamente las vibraciones excesivas y alertar a los usuarios sobre problemas antes de que provoquen fallas en el sistema. Su capacidad Bluetooth garantiza que los datos se transmitan de forma inalámbrica a la puerta de enlace sin cableado complicado, lo que reduce el tiempo de instalación y la complejidad del mantenimiento.

Puerta de enlace Bluetooth SocketSync de Lansitec

Socket Sync Gateway actúa como puente de datos, recopilando información de los sensores Bluetooth y enviándola a la nube para su análisis.

Entre sus especificaciones se incluyen:

El gateway Bluetooth de SocketSync está diseñado con tecnología BLE y LoRa. Con la tecnología avanzada LoRa y el módulo BLE integrado, el gateway BLE recibe y envía los mensajes de los dispositivos BLE al gateway LoRaWAN. Los ajustes de parámetros, como el período de pulso, el modo de trabajo LoRaWAN y los datos del sensor para enviar un mensaje BLE, se pueden ajustar según los requisitos del cliente.

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Bluetooth 5.0

Permite que el gateway se conecte con numerosos sensores Bluetooth al mismo tiempo hasta una distancia de 100 metros.

Conectividad Wi-Fi y Ethernet:

Ofrece varias formas de conectarse para transferir datos a la nube, garantizando confiabilidad en diferentes configuraciones de red.

Reenvío de datos LoRaWAN:

La puerta de enlace transmite datos a grandes distancias a través del protocolo LoRaWAN, ideal para configuraciones remotas o de gran escala.

Beneficios para el caso de uso

La capacidad del gateway para manejar múltiples conexiones de sensores lo hace escalable para sistemas con varias configuraciones de motobomba. Su capacidad para conectarse para transmitir a través de LoRaWAN y la red de retorno Wi-Fi garantiza que los datos se envíen a la nube sin problemas, incluso en áreas sin acceso a Internet celular o por cable, o en áreas poco confiables. Esto garantiza un monitoreo continuo y la activación de alarmas si se detectan lecturas anormales de los sensores.

Introducción a la tecnología LoRaWAN

¿Qué es el protocolo de comunicación LoRaWAN?

LoRaWAN es una tecnología de comunicación inalámbrica de bajo consumo y largo alcance, una de las grandes ventajas de las implementaciones a gran escala. Permite la transmisión de datos a varios kilómetros con un consumo mínimo de energía. Esto resulta especialmente útil en entornos industriales donde los sistemas están distribuidos en grandes áreas.

Las características principales incluyen:

Comunicación de largo alcance

Cubre distancias de hasta 15 kilómetros en zonas rurales y varios kilómetros en entornos urbanos.

Bajo consumo de energía

Ideal para implementaciones de IoT donde los dispositivos funcionan con baterías o energía solar, lo que permite que los sensores y las puertas de enlace funcionen durante períodos prolongados sin requerir mantenimiento frecuente.

Beneficios para el caso de uso

Gracias al uso de LoRaWAN, el sistema puede enviar información operativa importante desde la estación de bombeo a la nube, incluso cuando la ubicación es lejana. Esta característica permite una fácil integración en instalaciones grandes o en instalaciones distribuidas en un área extensa, lo que minimiza la necesidad de controles manuales y garantiza un monitoreo consistente y confiable del sistema de motor y bomba.

Proceso de implementación

Instalación

El Sensores Bluetooth Se instalan directamente en el rotor del motor y en la bomba en el punto de conexión de la tubería, donde las vibraciones son más propensas a revelar problemas operativos. Su diseño compacto y funcionalidad inalámbrica permiten un fácil montaje con adhesivos o abrazaderas sin interrumpir la maquinaria existente. Puerta de enlace de sincronización de sockets de Lansitec Está montado en el techo de la sala de bombas, donde tiene una línea de visión clara hacia los sensores, lo que garantiza una conectividad Bluetooth y una intensidad de señal óptimas.

Para garantizar lecturas precisas, la calibración del acelerómetro es fundamental. El sensor debe calibrarse según la vibración y la velocidad de rotación de referencia en condiciones de funcionamiento normales. Este paso permite que el sistema distinga entre vibraciones operativas aceptables y señales de advertencia de posibles problemas mecánicos. La calibración se puede realizar mediante software, normalmente utilizando la aplicación o plataforma web asociada.

Flujo de datos

Después de la instalación, el Baliza Bluetooth Lansitec con acelerómetro Captura continuamente datos sobre vibraciones, aceleración y velocidad de rotación del motor y la bomba. El acelerómetro detecta incluso las más mínimas irregularidades en el comportamiento mecánico del sistema. A continuación, se muestra un desglose más detallado del flujo de datos paso a paso:

Captura de datos de sensores:
El acelerómetro monitorea las vibraciones en tres ejes y mide la velocidad de rotación para crear un perfil preciso del comportamiento operativo del motor y la bomba. Captura datos como:
Cambios en la intensidad de la vibración (indicativos de desalineación, desgaste o desequilibrios).
Variaciones de velocidad de rotación, que ayudan a identificar cualquier problema de carga mecánica.

Transmisión Bluetooth:
El sensor transmite de forma inalámbrica estos datos en tiempo real utilizando Bluetooth 5.0Esta versión de Bluetooth garantiza un bajo consumo de energía y conexiones estables en un rango de hasta 100 metros, ideal para cubrir la distancia entre el sistema de motor-bomba y el gateway ubicado dentro o cerca de la caseta de bombas.

Agregación de datos de puerta de enlace:
El gateway Bluetooth Socket Sync de Lansitec funciona como dispositivo intermediario. Recibe las señales Bluetooth de varios sensores simultáneamente y consolida los datos. La capacidad del gateway para admitir múltiples conexiones garantiza la escalabilidad para monitorear varios pares de motores y bombas a la vez.

Transmisión LoRaWAN a la nube:
La transmisión de datos desde la puerta de enlace a la nube se realiza mediante tecnología LoRaWAN, lo que permite enviar datos con éxito a grandes distancias. La capacidad de red de área amplia y bajo consumo de LoRaWAN es crucial para transmitir datos de manera confiable en ubicaciones industriales o estaciones de bombeo remotas con conexiones a Internet convencionales no disponibles o poco confiables. LoRaWAN envía paquetes de datos de manera efectiva a grandes distancias sin usar mucha energía, lo que es crucial para instalaciones que dependen de energía solar o de baterías.

Procesamiento y alertas en la nube:
A continuación, la información se envía a un sistema basado en la nube, donde se almacena y analiza de inmediato. Los algoritmos de aprendizaje automático o los umbrales predeterminados pueden identificar patrones inusuales en los datos de vibración o rotación, lo que alerta sobre posibles problemas. Si el sistema detecta irregularidades, como demasiada vibración o cambios repentinos de velocidad, envía inmediatamente una alerta al usuario a través de una aplicación móvil o un panel web.

Notificaciones y tareas de mantenimiento: Estas notificaciones, junto con toda la información operativa, se muestran en una interfaz fácil de usar que ofrece información práctica. Los usuarios pueden hacer un seguimiento de las tendencias, analizar información pasada y, lo más importante, recibir alertas inmediatas sobre posibles problemas. Esto permite tomar medidas rápidas, ya sea programar un mantenimiento preventivo o analizar una lectura inusual antes de que se convierta en un problema importante.

Esta transmisión fluida de datos garantiza una observación continua en tiempo real de los sistemas de motobomba, lo que permite a los equipos de mantenimiento responder a las alertas tempranas, minimizando el tiempo de inactividad y mejorando la eficacia operativa. Flujo de trabajo de supervisión y mantenimiento

Monitoreo en tiempo real

La información recopilada por los sensores se muestra en tiempo real mediante un panel de control o una aplicación móvil basada en la nube. Esta interfaz ofrece a los usuarios una visión general completa de las características operativas del motor y la bomba, como los niveles de vibración, la aceleración y la velocidad de rotación. Las personas pueden monitorear patrones a largo plazo, evaluar su rendimiento y detectar cualquier desviación del funcionamiento típico. El flujo constante de datos en tiempo real permite la identificación temprana de problemas menores, evitando que se conviertan en averías importantes del equipo.

La monitorización continua garantiza que los equipos de mantenimiento puedan:
Identificar el desgaste gradual:Observando aumentos sutiles en la vibración u otros indicadores.
Realizar mantenimiento basado en datos:Realizar reparaciones o reemplazos únicamente cuando los datos reales sugieran un problema.

Sistema de alarma

El sistema está diseñado para detectar automáticamente anomalías, como vibraciones excesivas o cambios repentinos en la velocidad del motor, que podrían indicar problemas mecánicos como desalineación, desgaste de los cojinetes o desequilibrio. Así es como funciona el flujo de alarmas:

El sensor Detecta vibraciones o velocidades anormales.
Transmite estos datos a través de Bluetooth hacia Puerta de enlace de sincronización de sockets.
La puerta de enlace reenvía la información a través de LoRaWAN A la nube.
Si los algoritmos de la plataforma en la nube detectan desviaciones de los umbrales normales, se activa un alarma.

La alerta se transmite inmediatamente a los operadores a través de la aplicación móvil o el panel de control en tiempo real. Las notificaciones incluyen registros de datos detallados, lo que permite a los operadores evaluar la gravedad del problema y reaccionar rápidamente, ya sea organizando el mantenimiento o deteniendo la máquina para evitar daños adicionales. Este método proactivo ayuda a reducir el tiempo de inactividad y la posibilidad de averías costosas.

Mediante el monitoreo constante de vibraciones y aceleraciones, el sistema detecta problemas mecánicos como desalineación, desgaste o desequilibrio de manera temprana. Este método de detección temprana ayuda a evitar averías repentinas en los equipos, lo que permite a los equipos de mantenimiento abordar los problemas con anticipación y reducir las interrupciones operativas.

Se logran ahorros de costos al identificar los problemas de manera temprana, lo que lleva a una disminución en el mantenimiento inesperado y el tiempo de inactividad, lo que resulta en una reducción de los gastos de reparación y las ineficiencias operativas. Garantizar que el equipo esté bien mantenido también puede resultar en ahorro de energía, ya que los motores y las bombas defectuosos generalmente consumen mayores cantidades de energía.

La implementación se hace más sencilla gracias al uso de tecnología inalámbrica, como sensores Bluetooth y LoRaWAN para comunicaciones a larga distancia, lo que elimina la necesidad de cableado complejo y costoso. Esto reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para la instalación, lo que simplifica la implementación tanto para infraestructuras nuevas como existentes.

El portal alimentado con energía solar reduce el consumo de energía al utilizar energía renovable, creando así un sistema sostenible y disminuyendo la dependencia de fuentes de energía externas. Esto garantiza que el sistema de monitoreo funcione de manera efectiva en áreas distantes o aisladas, lo que genera ahorros adicionales en gastos operativos.

Caso de estudio

Imagine una estación de bombeo de distribución de agua donde un motor impulsa la bomba principal para suministrar agua a varias áreas circundantes. Suministra agua a un municipio y opera un motor de 20 kW que impulsa una bomba centrífuga. Durante el funcionamiento normal, el Lansitec Bluetooth Beacon con acelerómetro está calibrado para detectar vibraciones dentro del rango aceptable de 0,1-1,5 mm/s, según los estándares ISO 10816 para vibración del motor. Durante una semana, el sensor registró un aumento constante de las vibraciones de 1,1 mm/s a 2,5 mm/s en el rotor del motor. Esta desviación se transmite al Lansitec SocketSync Gateway y se reenvía a la nube a través de LoRaWAN, donde el análisis de datos en tiempo real señala la anomalía. El sensor, calibrado para monitorear el funcionamiento normal del motor, identifica esta desviación como anormal. Los datos se transmiten inmediatamente al Puerta de enlace de sincronización de sockets de Lansitec a través de Bluetooth y luego se reenvía a la nube mediante LoRaWAN. Los algoritmos de la plataforma en la nube marcan esta vibración como indicativa de una posible desalineación en el eje del motor.

La alarma se activa cuando la vibración supera el umbral preestablecido de 1,5 mm/s, un valor crítico que sugiere una posible desalineación. El personal de mantenimiento recibió una alerta a través de la aplicación móvil, lo que provocó una inspección inmediata. Tras la investigación, se descubrió que el acoplamiento del motor había comenzado a degradarse, lo que provocaba una desalineación. Si no se hubiera controlado, esto podría haber provocado daños graves en el motor, lo que habría dado lugar a reparaciones costosas o incluso a un reemplazo completo del motor, lo que habría provocado varios días de inactividad.

Resultado

Gracias a la detección temprana, el equipo de mantenimiento pudo reparar el acoplamiento antes de que causara una falla del motor, lo que evitó costosos tiempos de inactividad. Esto permitió al equipo reemplazar el acoplamiento a un costo menor de $500, evitando una avería del motor que podría haber costado hasta $10,000 y requirió un mínimo de 48 horas de tiempo de inactividad para el reemplazo. La estación de bombeo, que normalmente procesa 500,000 litros de agua diariamente, pudo mantener su capacidad operativa completa sin interrupciones. Este enfoque proactivo no solo ahorró costos de reparación, sino que también mantuvo la eficiencia operativa de la estación de bombeo, lo que, a largo plazo, condujo a una reducción de 70% en los costos de reparación y evitó interrupciones significativas en el suministro de agua. Sin necesidad de reparaciones de emergencia y con una interrupción mínima en la distribución de agua, la estación experimentó una importante ahorro de costes y mayor tiempo de actividad, demostrando el valor del monitoreo continuo para prevenir fallas críticas del sistema y la efectividad de usar dichos sistemas para extender la vida útil del equipo, optimizar la eficiencia operativa y minimizar los costos operativos y de mantenimiento.

Desafíos y soluciones

Obstáculos potenciales

Interferencia de señal:En entornos industriales con estructuras metálicas y maquinaria, las señales Bluetooth entre los sensores y el gateway pueden experimentar interferencias, reduciendo la confiabilidad de la transmisión.
Calibración incorrecta del sensor:Si los sensores no están calibrados correctamente, pueden generar falsas alarmas o perder datos críticos, lo que lleva a una mala toma de decisiones.
Gestión de energía:Los sensores y las puertas de enlace, especialmente en ubicaciones remotas, dependen de fuentes de energía estables, lo que puede ser un desafío en áreas sin electricidad confiable.

Soluciones

Calibración y posicionamiento adecuados:La calibración periódica y la colocación óptima de los sensores (por ejemplo, en piezas críticas del motor y de la bomba) garantizan una recopilación precisa de datos. La calibración inicial debe basarse en los niveles de vibración de referencia de la máquina, con una recalibración periódica para tener en cuenta los cambios ambientales.
LoRaWAN para una comunicación confiable:Al aprovechar LoRaWAN, el sistema garantiza una comunicación de largo alcance y bajo consumo de energía, que es más resistente a las interferencias en comparación con los protocolos inalámbricos de corto alcance, como Wi-Fi o Bluetooth. La capacidad de LoRaWAN para transmitir a distancias de hasta 15 kilómetros en áreas rurales lo hace ideal para estaciones de bombeo remotas.
Puertas de enlace alimentadas con energía solar:En el caso de instalaciones remotas, el uso de puertas de enlace alimentadas con energía solar garantiza la transmisión ininterrumpida de datos incluso en zonas donde no hay suministro eléctrico o éste es poco fiable. Esto reduce los costes de mantenimiento y proporciona eficiencia energética, al tiempo que permite un control continuo.

Conclusión

La combinación de un sensor con acelerómetro y baliza con una puerta de enlace LoRaWAN robusta proporciona una solución confiable y escalable para monitorear sistemas de motores y bombas. No solo en el caso de uso demostrado, sino en cualquier lugar donde haya motores involucrados. La configuración inalámbrica reduce la complejidad de la instalación, mientras que los datos en tiempo real y las alertas tempranas permiten un mantenimiento proactivo, lo que evita costosas fallas en los equipos y tiempos de inactividad. De esto se trata la Industria 4.0.

La escalabilidad de este sistema lo hace adaptable a diversas aplicaciones, como sistemas de climatización, maquinaria industrial y sitios de monitoreo remoto. Las capacidades de bajo consumo y largo alcance de LoRaWAN permiten su uso en lugares de difícil acceso.