Surveillance des systèmes de pompes et de moteurs

Utilisation du capteur Bluetooth Lansitec avec accéléromètre et de la passerelle Lansitec LoRaWAN

Introduction

But

Cette étude de cas explore l'importance de la surveillance des mouvements dans les environnements industriels. Les applications industrielles à toute échelle s'appuient sur divers moteurs pour faire fonctionner les machines et la surveillance proactive de ces moteurs peut s'avérer cruciale pour les processus de fabrication. L'étude de cas explorera l'utilisation de Lansitec Balise Bluetooth B005 avec des accéléromètres intégrés supplémentaires et le Passerelle Bluetooth SocketSync avec LoRaWAN pour la surveillance d'un système de pompage et de moteur. Les capteurs sont déployés pour mesurer les vibrations et détecter les anomalies dans le comportement opérationnel du système via une technologie de balisage, transmettant des données en temps réel au cloud à des fins de surveillance et d'alerte.

Importance de la surveillance de l'état

Il est essentiel de surveiller l'état des moteurs pour garantir leur efficacité et leur fiabilité. Les systèmes industriels sont sujets à l'usure, au désalignement et à d'autres problèmes provoquant des vibrations excessives, pouvant entraîner des temps d'arrêt coûteux ou des pannes d'équipement. Une surveillance continue permet de détecter les problèmes à un stade précoce, ce qui conduit à une maintenance préventive et à la réduction des pannes inattendues. L'utilisation de la technologie IoT telle que les capteurs Lansitec peut aider les entreprises à améliorer la durée de vie des équipements, à réduire les dépenses de maintenance et à optimiser l'efficacité opérationnelle.

Présentation du système

Système de pompe et de moteur

La configuration moteur-pompe typique que nous utilisons pour illustrer ce cas d'utilisation est utilisée dans des secteurs tels que la distribution d'eau, le CVC et la fabrication. Le moteur convertit l'énergie électrique en mouvement de rotation. La pompe transfère ensuite cette énergie mécanique pour déplacer les liquides dans les systèmes de tuyauterie. Cette interaction transparente est essentielle pour les opérations continues dans divers secteurs. Par exemple, dans la distribution d'eau, les pompes assurent des débits constants pour répondre à la demande, tandis que les systèmes CVC s'appuient sur des pompes pour faire circuler les fluides pour le chauffage et le refroidissement.

Défis

Les systèmes de pompes à moteur sont souvent confrontés à plusieurs défis opérationnels. Des facteurs tels que l'usure, le désalignement des composants et les déséquilibres du rotor peuvent provoquer des vibrations excessives au fil du temps, ce qui est un signe crucial de détérioration du système. Les vibrations peuvent endommager les roulements, les joints et les accouplements, entraînant des contraintes mécaniques et conduisant finalement à des pannes précoces. Les problèmes courants incluent :

Désalignement

Un mauvais alignement des arbres du moteur et de la pompe entraîne une contrainte supplémentaire sur les roulements et les joints.

Usure des roulements

Une utilisation prolongée sans lubrification adéquate ou avec des lubrifiants sales accélère l'usure des roulements, diminuant ainsi l'efficacité.

Déséquilibre

Une répartition inégale du poids dans les pièces rotatives entraîne une augmentation des vibrations, ce qui exerce une pression sur les composants mécaniques.

Technologie de capteur et de passerelle

Présentation des appareils Lansitec qui aident considérablement à surveiller l'état de la pompe

Balise Bluetooth Lansitec B005 avec accéléromètre

Cette balise Bluetooth peut être intégrée à un accéléromètre de haute précision, capable de détecter des vibrations subtiles et des vitesses de rotation, ce qui est essentiel pour surveiller la santé du moteur et de la pompe.

Les principales caractéristiques comprennent :

La balise Bluetooth diffuse en permanence des messages iBeacon en fonction des paramètres. Elle dispose de deux piles bouton haute capacité intégrées. La durée de vie maximale de la batterie est d'environ 5 ans avec un intervalle de diffusion de 500 ms.

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Bluetooth 5.0

Fournit une communication sans fil à faible consommation d'énergie, permettant la transmission de données en temps réel vers des passerelles à proximité dans un rayon de 100 mètres.

Accéléromètre

Mesure les vibrations sur trois axes, détectant même les écarts mineurs par rapport aux conditions de fonctionnement normales, tels que les vibrations accrues dues à un désalignement ou à une usure mécanique.

Taille compacte et indice de protection IP67

Le petit format de la balise et son boîtier robuste lui permettent d'être installé dans des environnements difficiles comme les stations de pompage, garantissant une collecte de données précise sans avoir besoin de connexions filaires.

Avantages pour le cas d'utilisation

Grâce à sa petite taille et à sa facilité d'installation, le capteur peut être placé directement sur les composants critiques du moteur et de la pompe, tels que le rotor et le raccord de tuyauterie, où il peut surveiller en permanence les vibrations excessives et alerter les utilisateurs des problèmes avant qu'ils n'entraînent une défaillance du système. Sa capacité Bluetooth garantit que les données sont transmises sans fil à la passerelle sans câblage compliqué, réduisant ainsi le temps d'installation et la complexité de la maintenance.

Passerelle Bluetooth SocketSync de Lansitec

La passerelle Socket Sync agit comme un pont de données, collectant les informations des capteurs Bluetooth et les transmettant au cloud pour analyse.

Ses spécifications incluent :

La passerelle Bluetooth SocketSync est conçue sur la base des technologies BLE et LoRa. Grâce à la technologie LoRa avancée et au module BLE intégré, la passerelle BLE reçoit et signale les messages des appareils BLE à la passerelle LoRaWAN. Les paramètres, tels que la période de pulsation, le mode de fonctionnement LoRaWAN et les données du capteur à envoyer dans un message BLE, sont réglables selon les besoins des clients.

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Bluetooth 5.0

Permet à la passerelle de se connecter à plusieurs capteurs Bluetooth en même temps jusqu'à une distance de 100 mètres.

Connectivité Wi-Fi et Ethernet :

Offre différentes manières de se connecter pour transférer des données vers le cloud, garantissant la fiabilité sur différents paramètres réseau.

Transfert de données LoRaWAN :

La passerelle transmet des données sur de longues distances via le protocole LoRaWAN, idéal pour les configurations distantes ou à grande échelle.

Avantages pour le cas d'utilisation

La capacité de la passerelle à gérer plusieurs connexions de capteurs la rend évolutive pour les systèmes avec plusieurs configurations de pompes à moteur. Sa capacité à se connecter pour transmettre via LoRaWAN et le backhaul Wi-Fi garantit que les données sont envoyées au cloud en douceur, même dans les zones sans accès Internet cellulaire ou filaire peu fiable. Cela garantit une surveillance continue et l'activation des alarmes si des relevés de capteur anormaux sont détectés.

Introduction à la technologie LoRaWAN

Qu'est-ce que le protocole de communication LoRaWAN ?

LoRaWAN est une technologie de communication sans fil longue portée et à faible consommation d'énergie, l'un des grands avantages des déploiements à grande échelle. Elle permet la transmission de données sur plusieurs kilomètres avec une consommation d'énergie minimale. Elle est particulièrement utile dans les environnements industriels où les systèmes sont répartis sur de vastes zones.

Les principales caractéristiques incluent :

Communication à longue distance

Couvre des distances allant jusqu'à 15 kilomètres dans les zones rurales et plusieurs kilomètres en milieu urbain.

Faible consommation d'énergie

Idéal pour les déploiements IoT où les appareils sont alimentés par des batteries ou par l'énergie solaire, permettant aux capteurs et aux passerelles de fonctionner pendant des périodes prolongées sans nécessiter de maintenance fréquente.

Avantages pour le cas d'utilisation

Grâce à l'utilisation de LoRaWAN, le système peut envoyer des informations opérationnelles importantes depuis la station de pompage vers le cloud, même lorsque l'emplacement est éloigné. Cette fonctionnalité permet une intégration facile dans de grandes installations ou des installations réparties sur une vaste zone, minimisant la nécessité de contrôles manuels et garantissant une surveillance cohérente et fiable du moteur et du système de pompage.

Processus de mise en œuvre

Installation

Le Capteurs Bluetooth sont installés directement sur le rotor du moteur et sur la pompe au point de raccordement du tuyau, là où les vibrations sont les plus susceptibles de révéler des problèmes de fonctionnement. Leur conception compacte et leur fonctionnalité sans fil permettent un montage facile à l'aide d'adhésifs ou de pinces sans perturber les machines existantes. Passerelle de synchronisation de socket Lansitec est monté sur le toit de la station de pompage, où il a une ligne de vue dégagée sur les capteurs, garantissant une connectivité Bluetooth et une puissance de signal optimales.

Pour garantir des mesures précises, l'étalonnage de l'accéléromètre est essentiel. Le capteur doit être étalonné en fonction des vibrations et de la vitesse de rotation de base dans des conditions de fonctionnement normales. Cette étape permet au système de faire la distinction entre les vibrations de fonctionnement acceptables et les signes avant-coureurs de problèmes mécaniques potentiels. L'étalonnage peut être effectué via un logiciel, généralement à l'aide de l'application ou de la plateforme Web associée.

Flux de données

Après l'installation, le Balise Bluetooth Lansitec avec accéléromètre capture en continu des données sur les vibrations, l'accélération et la vitesse de rotation du moteur et de la pompe. L'accéléromètre détecte même les plus légères irrégularités dans le comportement mécanique du système. Voici une analyse plus détaillée étape par étape du flux de données :

Capture de données de capteur:
L'accéléromètre surveille les vibrations sur trois axes et mesure la vitesse de rotation pour créer un profil précis du comportement opérationnel du moteur et de la pompe. Il capture des données telles que :
Changements dans l’intensité des vibrations (indiquant un désalignement, une usure ou des déséquilibres).
Variations de vitesse de rotation, aidant à identifier d'éventuels problèmes de charge mécanique.

Transmission Bluetooth:
Le capteur transmet sans fil ces données en temps réel à l'aide de Bluetooth 5.0Cette version de Bluetooth assure une faible consommation d'énergie et des connexions stables sur une portée allant jusqu'à 100 mètres, idéale pour couvrir la distance entre le système motopompe et la passerelle située à l'intérieur ou à proximité de la station de pompage.

Agrégation de données de passerelle:
La passerelle Bluetooth Lansitec Socket Sync sert d'appareil intermédiaire. Elle reçoit simultanément les signaux Bluetooth de plusieurs capteurs et consolide les données. La capacité de la passerelle à prendre en charge plusieurs connexions garantit une évolutivité pour la surveillance simultanée de plusieurs paires moteur-pompe.

Transmission LoRaWAN vers le Cloud:
La transmission des données de la passerelle vers le cloud s'effectue à l'aide de la technologie LoRaWAN, qui permet d'envoyer des données sur de longues distances. La faible consommation d'énergie et la capacité de réseau étendu de LoRaWAN sont essentielles pour transmettre des données de manière fiable dans des sites industriels ou des stations de pompage isolées avec des connexions Internet conventionnelles peu fiables ou indisponibles. LoRaWAN envoie efficacement des paquets de données sur de longues distances sans consommer beaucoup d'énergie, ce qui est crucial pour les installations dépendant de l'énergie solaire ou de la batterie.

Traitement et alertes dans le cloud :
Ensuite, les informations sont envoyées à un système basé sur le cloud, où elles sont stockées et analysées immédiatement. Des algorithmes d'apprentissage automatique ou des seuils prédéterminés peuvent identifier des schémas inhabituels dans les données de vibration ou de rotation, ce qui déclenche un signal d'alarme en cas de problèmes éventuels. Si le système détecte des irrégularités telles que des secousses trop importantes ou des changements brusques de vitesse, il envoie immédiatement une alerte à l'utilisateur via une application mobile ou un tableau de bord Web.

Notifications et tâches de maintenance : Ces notifications, ainsi que toutes les informations opérationnelles, sont présentées dans une interface conviviale, offrant des informations pratiques. Les utilisateurs peuvent suivre les tendances, analyser les informations passées et, surtout, recevoir des alertes immédiates en cas de problèmes éventuels. Cela permet de prendre des mesures rapides, qu'il s'agisse de mettre en place une maintenance préventive ou d'examiner une mesure inhabituelle avant qu'elle ne se transforme en problème important.

Cette transmission fluide des données garantit une observation continue en temps réel des systèmes de motopompes, permettant aux équipes de maintenance de réagir aux alertes précoces, de minimiser les temps d'arrêt et d'améliorer l'efficacité opérationnelle. Flux de travail de surveillance et de maintenance

Surveillance en temps réel

Les informations recueillies par les capteurs sont affichées en temps réel à l'aide d'un tableau de bord ou d'une application mobile basée sur le cloud. Cette interface offre aux utilisateurs un aperçu complet des caractéristiques de fonctionnement du moteur et de la pompe, telles que les niveaux de vibrations, l'accélération et la vitesse de rotation. Les utilisateurs peuvent surveiller les tendances à long terme, évaluer leurs performances et détecter tout écart par rapport au fonctionnement normal. Le flux constant de données en temps réel permet d'identifier rapidement les problèmes mineurs, évitant ainsi qu'ils ne se transforment en pannes d'équipement importantes.

Une surveillance continue garantit que les équipes de maintenance peuvent :
Identifier l’usure progressive:En observant des augmentations subtiles des vibrations ou d’autres indicateurs.
Effectuer une maintenance pilotée par les données: Effectuer des réparations ou des remplacements uniquement lorsque des données réelles suggèrent un problème.

Système d'alarme

Le système est conçu pour détecter automatiquement les anomalies, telles que des vibrations excessives ou des changements soudains de vitesse du moteur, qui peuvent indiquer des problèmes mécaniques tels qu'un mauvais alignement, l'usure des roulements ou un déséquilibre. Voici comment fonctionne le flux d'alarme :

Le capteur détecte des vibrations ou des vitesses anormales.
Il transmet ces données via Bluetooth au Passerelle de synchronisation de socket.
La passerelle transmet les informations via LoRaWAN vers le nuage.
Si les algorithmes de la plateforme cloud détectent des écarts par rapport aux seuils normaux, ils déclenchent une alarme.

L'alerte est immédiatement transmise aux opérateurs via l'application mobile ou le tableau de bord en temps réel. Les notifications sont accompagnées d'enregistrements de données détaillés, ce qui permet aux opérateurs d'évaluer la gravité du problème et de réagir rapidement en organisant une maintenance ou en arrêtant la machine pour éviter des dommages supplémentaires. Cette méthode proactive permet de réduire le temps d'arrêt et de réduire le risque de pannes coûteuses.

Grâce à une surveillance constante des vibrations et des accélérations, le système détecte très tôt les problèmes mécaniques tels que le désalignement, l'usure ou le déséquilibre. Cette méthode de détection précoce permet d'éviter les pannes soudaines des équipements, ce qui permet aux équipes de maintenance de s'attaquer aux problèmes à l'avance et de réduire les interruptions opérationnelles.

Les économies de coûts sont réalisées en identifiant les problèmes à un stade précoce, ce qui entraîne une diminution des maintenances et des temps d'arrêt imprévus, ce qui se traduit par une réduction des frais de réparation et des inefficacités opérationnelles. Le fait de veiller à ce que l'équipement soit bien entretenu peut également entraîner des économies d'énergie, car les moteurs et les pompes défectueux consomment généralement des quantités d'énergie plus élevées.

Le déploiement est facilité par l'utilisation de technologies sans fil telles que les capteurs Bluetooth et LoRaWAN pour les communications longue distance, éliminant ainsi la nécessité d'un câblage complexe et coûteux. Cela réduit le temps et les efforts nécessaires à l'installation, simplifiant la mise en œuvre pour les infrastructures nouvelles et existantes.

La passerelle solaire réduit la consommation d'énergie en utilisant des énergies renouvelables, créant ainsi un système durable et réduisant la dépendance aux sources d'énergie externes. Cela garantit que le système de surveillance fonctionne efficacement dans des zones éloignées ou isolées, ce qui entraîne des économies supplémentaires sur les dépenses d'exploitation.

Scénario d'étude de cas

Imaginez une station de pompage de distribution d'eau où un moteur entraîne la pompe principale pour alimenter en eau plusieurs zones environnantes. Elle alimente en eau une municipalité et fait fonctionner un moteur de 20 kW entraînant une pompe centrifuge. En fonctionnement normal, la balise Bluetooth Lansitec avec accéléromètre est calibrée pour détecter les vibrations dans la plage acceptable de 0,1 à 1,5 mm/s, conformément aux normes ISO 10816 pour les vibrations des moteurs. Sur une semaine, le capteur a enregistré une augmentation constante des vibrations de 1,1 mm/s à 2,5 mm/s sur le rotor du moteur. Cet écart est transmis à la passerelle Lansitec SocketSync et transmis au cloud via LoRaWAN, où l'analyse des données en temps réel signale l'anomalie. Le capteur, calibré pour surveiller le fonctionnement normal du moteur, identifie cet écart comme anormal. Les données sont immédiatement transmises au Passerelle de synchronisation de socket Lansitec via Bluetooth, puis transmis au cloud via LoRaWAN. Les algorithmes de la plateforme cloud signalent cette vibration comme indiquant un désalignement potentiel de l'arbre du moteur.

L'alarme se déclenche lorsque la vibration dépasse le seuil prédéfini de 1,5 mm/s, une valeur critique suggérant un désalignement potentiel. Le personnel de maintenance a reçu une alerte via l'application mobile, ce qui a déclenché une inspection immédiate. Après enquête, il a été découvert que l'accouplement du moteur avait commencé à se dégrader, provoquant un désalignement. Si rien n'avait été fait, cela aurait pu entraîner de graves dommages au moteur, entraînant des réparations coûteuses, voire un remplacement complet du moteur, ce qui aurait entraîné plusieurs jours d'arrêt.

Résultat

Grâce à la détection précoce, l'équipe de maintenance a pu réparer le couplage avant qu'il ne provoque une panne du moteur, évitant ainsi des temps d'arrêt coûteux. Cela a permis à l'équipe de remplacer le couplage pour un coût minime de 500 $, évitant une panne de moteur qui aurait pu coûter jusqu'à 10 000 $ et nécessiter un temps d'arrêt minimum de 48 heures pour le remplacement. La station de pompage, qui traite normalement 500 000 litres d'eau par jour, a pu maintenir sa pleine capacité opérationnelle sans interruption. Cette approche proactive a non seulement permis d'économiser les coûts de réparation, mais a également maintenu l'efficacité opérationnelle de la station de pompage, ce qui, à long terme, a conduit à une réduction de 70% des coûts de réparation et a évité des interruptions importantes de l'approvisionnement en eau. Comme il n'y avait pas besoin de réparations d'urgence et que la distribution d'eau était peu perturbée, la station a connu une importante économies de coûts et augmentation du temps de disponibilité, démontrant la valeur de la surveillance continue dans la prévention des défaillances critiques des systèmes et l’efficacité de l’utilisation de ces systèmes pour prolonger la durée de vie des équipements, optimiser l’efficacité opérationnelle et minimiser les coûts de maintenance et d’exploitation.

Défis et solutions

Obstacles potentiels

Interférence de signal:Dans les environnements industriels dotés de structures et de machines métalliques, les signaux Bluetooth entre les capteurs et la passerelle peuvent subir des interférences, réduisant ainsi la fiabilité de la transmission.
Mauvais étalonnage du capteur:Si les capteurs ne sont pas calibrés correctement, ils peuvent générer de fausses alarmes ou manquer des données critiques, ce qui entraîne une mauvaise prise de décision.
Gestion de l'alimentation:Les capteurs et les passerelles, en particulier dans les endroits éloignés, dépendent de sources d’alimentation stables, ce qui peut constituer un défi dans les zones sans électricité fiable.

Solutions

Calibrage et positionnement corrects:Un étalonnage régulier et un positionnement optimal des capteurs (par exemple sur les pièces critiques du moteur et de la pompe) garantissent une collecte de données précise. L'étalonnage initial doit être basé sur les niveaux de vibration de base de la machine, avec un réétalonnage périodique pour tenir compte des changements environnementaux.
LoRaWAN pour une communication fiable:En exploitant LoRaWAN, le système assure une communication longue portée et à faible consommation d'énergie, plus résistante aux interférences que les protocoles sans fil à plus courte portée comme le Wi-Fi ou le Bluetooth seuls. La capacité de LoRaWAN à transmettre sur des distances allant jusqu'à 15 kilomètres dans les zones rurales le rend idéal pour les stations de pompage isolées.
Passerelles à énergie solaire:Pour les installations à distance, l'utilisation de passerelles alimentées par l'énergie solaire garantit une transmission de données ininterrompue, même dans les zones où l'alimentation électrique est inexistante ou peu fiable. Cela réduit les coûts de maintenance et assure une efficacité énergétique tout en permettant une surveillance continue.

Conclusion

La combinaison d'un capteur doté d'un accéléromètre et d'une balise avec une passerelle LoRaWAN robuste offre une solution fiable et évolutive pour la surveillance des systèmes de moteurs et de pompes. Pas seulement dans le cas d'utilisation démontré, mais partout où des moteurs sont impliqués. La configuration sans fil réduit la complexité de l'installation, tandis que les données en temps réel et les alertes précoces permettent une maintenance proactive, évitant ainsi les pannes d'équipement coûteuses et les temps d'arrêt. C'est exactement ce qu'est l'Industrie 4.0.

L'évolutivité de ce système le rend adaptable à diverses applications telles que les systèmes CVC, les machines industrielles et les sites de surveillance à distance. Les capacités de faible consommation et de longue portée de LoRaWAN permettent son utilisation dans des endroits difficiles d'accès.