Interruptores Inteligentes
Una
Defensa de Primera Línea
Por Dr. George
Zusman, Ray Limburg y Joseph P. Jank
La
maquinaria y los sistemas mecánicos encaran el fracaso potencial
cuando su habilidad de funcionar se ve comprometida debido al
desgaste de componentes o cuando su condición de funcionamiento
normal llega a ser un contratiempo en alguna manera. Si esto puede
ser detectado, entonces el operario lo advierte o el cierre
inmediato puede salvaguardar la maquinaria del fracaso catastrófico.
Una técnica sencilla del descubrimiento puede ser basada en la
vibración — donde un aumento en la vibración de la maquinaria es
utilizado para provocar una alarma o un cierre. Es un hecho conocido
que la vibración de la maquinaria aumenta cuándo hay problemas de
cojinetes, engranajes agrietados, falta o contaminación de
lubricantes, desbalance, holgura, y desalineación llegan a ser
peores.
Para
tales aplicaciones, el mecanismo utilizado para detectar el aumento
de la vibración y provocar una alarma o el cierre es llamado un
interruptor de vibración. Un interruptor de vibración puede ser
utilizado también para poner sobre aviso a un operario de una
disminución en los niveles de vibración — como cuando un motor deja
de funcionar.
El
monitoreo continuo de los aumentos y disminuciones en la vibración
ayuda a evitar los costosos cierres imprevistos al detectar los
defectos de la maquinaria antes de que llegan a ser acontecimientos
catastróficos. El descubrimiento temprano es esencial para el
mantenimiento eficiente de la máquina, así como para proteger el
equipo de un daño adicional durante una condición de problemas. El
adelanto en la tecnología de interruptores de vibración de mecánicos
a electrónicos ha ofrecido un instrumento muy útil para los
ingenieros de mantenimiento, ofreciendo una mejor planeación y menos
dolores de cabeza al sostener el desempeño del equipo y su
longevidad.
El
estilo clásico de un interruptor electrónico de vibración utiliza un
sensor de vibración ya sea integrado o remotamente localizado, cuya
señal eléctrica es condicionada y monitoreada. El mecanismo del
interruptor en si es un tablero de circuitos con un relevo mecánico
que es albergado típicamente en un cerco electrónico. La red de
circuitos monitorea la señal generada de la vibración del sensor
contra un valor de umbrales preestablecidos y activa el relevo
cuando un excedente es encontrado. Tales dispositivos son
voluminosos para montar en una máquina, tienen una gama limitada,
requieren una fuente separada de energía, y requieren cableado
individual a su respectivo controlador lógico programable (PLC) o
dispositivo de alarma. Para vencer algunas de las complejidades y
defectos del estilo clásico del interruptor electrónico de
vibración, un nuevo, inteligente, de dos-cables, interruptor de
estado sólido de vibración ha sido desarrollado. El principio
operacional para este nuevo interruptor es mostrado en la figura 1.
Figura 1 - Principios operacionales del
Interruptor inteligente de 2 cables
Este
interruptor inteligente de dos-cables es un nuevo tipo de
dispositivo para la protección de la maquinaria. Ha sido diseñado
para ser un instrumento rentable y efectivo para generar una alarma
o iniciar el cierre de maquinaria de tamaño pequeño a mediano, de
motores eléctricos, bombas, ventiladores y compresores. El
dispositivo es enteramente independiente dentro de una caja
herméticamente sellada e inoxidable de acero. Con su conector
eléctrico, de tipo MIL y de 2 pins, la apariencia de la unidad es
muy semejante a un acelerómetro industrial. La unidad es sencilla de
instalar y virtualmente universalmente compatible con cualquier tipo
de carga, relevo, sistema de monitoreo, o dispositivo de control. En
muchos casos el interruptor inteligente de la vibración de
dos-cables será el único dispositivo necesario para la protección
permanente de la maquinaria.
El
hecho de que los interruptores ahora tienen la habilidad de ser
montados e instalados como un sensor (ver la Figura 2) permite una
fácil introducción en la maquinaria existente de la planta. Los
ingenieros de sistemas no están lanzando una tecnología
completamente nueva que es extraña a los supervisores del
mantenimiento, quienes serán responsables de su mantenimiento. Su
diseño extraordinario de dos cables permite configuraciones
estándares de cables que reflejan acelerómetros existentes. En
muchos casos, los repuestos y los cables son ya partes del
inventario de la planta. Funcionalmente, la unidad incorpora un
acelerómetro piezoeléctrico, la señal que condiciona la electrónica,
un microprocesador, y un interruptor de estado sólido con una
capacidad de carga de 500 mA. Esta unidad es relativamente pequeña
con una altura de 2,75" y un diámetro de 1-1/4". Su peso es de 7
onzas. Su tamaño pequeño y su ligero peso ofrecen una respuesta
excelente de la frecuencia y una baja sensibilidad del eje comparado
con dispositivos alternativos.
Figura 2 - Interrutor inteligente instalado en una
bomba de 1500 hp.
El
interruptor inteligente de la vibración opera con dos cables. Se
instala en series con una carga y su fuente de poder de formar un
lazo. En este caso, la carga es el dispositivo de alarma o el
cierre, tal como un PLC, anunciador, o rollo de relevo. Para
vigorizarse, el interruptor de la vibración toma la energía de la
fuente de poder de la carga. Cuándo se encuentra un excedente, el
interruptor es activado y el circuito de poder de la carga es
completado para facilitar la alarma o el cierre deseado.
El
interruptor inteligente de vibración es instalado al atornillarlo en
un orificio roscado de una montura en la superficie de la
maquinaria. Durante la operación, el sensor de la vibración genera
una señal analógica que es proporcional a la aceleración de la
vibración presente en la ubicación instalada. Esta señal es
amplificada, es filtrada, es integrada (a la velocidad),
digitalizada, e interrogada por el microprocesador. El
microprocesador compara la señal de la velocidad de rms contra el
valor programado del umbral y activa el interruptor cuando un
excedente es encontrado.
El
valor programado del umbral es el límite superior de la vibración
aceptable para la máquina específica que opera dentro de su
aplicación particular. Este valor puede ser diferente para máquinas
diferentes, o aún para máquinas idénticas que operan bajo
condiciones diferentes. Si el límite de la vibración puede ser
determinado, entonces un interruptor de vibración con un valor fijo
de umbral puede ser desplegado. A menudo, sin embargo, este límite
no es conocido, haciendo la habilidad de ajustar el valor de umbral,
en el campo, un requisito. Para sostener la adaptabilidad de campo
del valor del umbral, el interruptor inteligente de vibración ofrece
una opción llamada Umbral Magnéticamente Ajustable de la Vibración (MAVT™).
Esta opción proporciona una manera efectiva y fácil de cambiar y
poner el valor del umbral en cualquier ubicación.
La
opción de MAVT agrega un sensor magnéticamente accionado dentro de
la caja del interruptor inteligente. Este sensor es activado tocando
la caja del interruptor, en la ubicación apropiada, con un imán
fuerte y permanente. Esta acción entonces inicia un proceso dentro
del microprocesador para cambiar el valor del umbral. Durante este
proceso, la vibración experimentada por el interruptor inteligente
es promediada sobre un período fijo de la muestra de aproximadamente
30 segundos. Este valor medio de la vibración entonces es duplicado
y este nuevo valor (2 X medida promedio) llega a ser configurado
como el nuevo valor del umbral. Este proceso es enteramente
automático y no requiere dispositivos adicionales de calibración ni
de instrumentación. Con la capacidad del MAVT, el interruptor
inteligente puede ser instalado sencillamente en maquinaria que
opera normalmente, tocada con un imán fuerte y permanente, y
entonces, en acerca de 30 segundos, todo esta liso para empezar a
proteger la maquinaria contra el fracaso catastrófico potencial.
Adicionalmente, para lograr una configuración mas precisa del valor
del umbral, el interruptor de la vibración puede ser montado a un
controlador de vibración para experimentar la amplitud mensurable de
la vibración. En este escenario el valor del umbral será puesto a 2
X la amplitud de la vibración del controlador.
La
capacidad de MAVT permite una fácil instalación en un pieza de
maquinaria; incluso sin saber nada acerca de sus frecuencias
naturales. Nunca antes la protección de interruptores había sido
algo fácil de instalar. La integración de este tipo de tecnología ya
no requiere el análisis extenso de la vibración o el tanteo para
llegar a ser seguro.
Como
se menciono previamente, el interruptor inteligente deriva su poder
de excitación de la fuente de poder utilizada para vigorizar la
carga con que el interruptor es conectado en serie. Este arreglo,
que es mostrado en la Figura 3, sirve para restringir la cantidad
del paso de la corriente por el interruptor, que es limitado a 500
mA.
Figura 3 - Diagrama general de instalacion
para un sistema utilizando el Interruptor deVibracion
Los
requisitos de energía para el interruptor son muy amplios, lo que
permite su uso con virtualmente cualquier tipo de carga tal como un
PLC, lámpara de anunciador, dispositivo de alarma, el relevo
electromecánico, o el relevo de estado sólido. Una variedad de
ejemplos de aplicación es mostrada en la figura 4. Específicamente,
el interruptor puede ser accionado por cualquier cosa de 24V a 265V,
AC o DC. Con el interruptor en su condición abierta hay una
corriente de escape de aproximadamente 1 mA, por lo cual en la
condición cerrada, el interruptor puede pasar y sostener una
corriente de hasta 500 mA con una caída de voltaje de
aproximadamente 8V. En circunstancias donde una caída más baja de
voltaje es requerida, un interruptor especial puede ser ofrecido,
que opera de 10V a 30V DC, y posee una caída de voltaje, en
condición cerrada, de DC 1.5V.
Figura 4 - Ejemplo de aplicacion del interruptor
Otra
característica inteligente del diseño del interruptor de la
vibración es que salvaguarda su compatibilidad con los relevos
electromecánicos, que es una elección popular para el uso en el
cierre de maquinaria y requisitos de alarma. Tales relevos operan
con una caída de corriente menor que su toma de corriente. Para
ciertos relevos, la corriente de caída podría estar potencialmente
cerca a, o menos que, a 1mA de fuga de corriente del interruptor de
vibración, por lo tanto comprometiendo exitosamente la caída cuando
el interruptor de vibración llega a estar abierto (apagado). Para
asegurar la caída exitosa del relevo cuando el interruptor de la
vibración vuelve a una posición de abierto, el interruptor de la
vibración se girará solo a la posición de apagado por
aproximadamente 100 milisegundos. Esta característica es ilustrada
en la figura 5. Durante este espacio de tiempo, hay cero corriente
de en las salidas del interruptor. Esta acción garantiza la caída
apropiado del relevo electromecánico. Para casi todos los relevos
electromecánicos, su corriente es apreciablemente más alta que la
corriente de escape de mA del interruptor de la vibración, así que
hay muy poca oportunidad para la incompatibilidad desde esta
perspectiva.
Porque
esta unidad es accionada universalmente, puede ser instalada
virtualmente dondequiera. Cualquier instalación mecánica de
interruptores existente puede ser reemplazada de inmediato con
interruptores electrónicos inteligentes de vibración, sin la
necesidad de una línea de energía separada de la unidad. Por menos
de USD $500 por interruptor, se proporciona una solución muy
económica al monitoreo en línea de vibración. El costo de este
sistema puede ser justificado por la confiabilidad constante de
protección 24/7 de la vibración. No sólo permite que la maquinaria
este protegida las veinticuatro horas, también puede ayudar a
aminorar y mejorar la ruta de control del análisis basado en la
vibración que sólo puede ser seguro si se utiliza efectivamente y es
capaz de ser repetido. Esta tecnología no esta pensada para
reemplazar el análisis planificado de vibración, sino para actuar
como un primer escudo protector contra el fracaso potencial de la
maquinaria. Esta tecnología sirve como un papel importante en
cualquier industria donde la confiabilidad mecánica es esencial en
las operaciones diarias.
El Dr.
Zusman tiene un titulo en Electrónica, otro en Monitoreo de
Vibración y tiene mas de 30 años de experiencia en instrumentación
industrial de monitoreo de vibración. El Dr. Zusman se unió a PCB
Piezotronics como Director de Desarrollo de Productos en el 2005.
Antes fue Director de Ingenieria y después presidente de Metrix
Instruments, Co. / PMC-Beta. El Dr. Zusman comenzó su carrera en
ingenieria en una de las principales universidades de Moscu, Rusia.
Tiene cerca de 20 patentes y es autor de más de 100 publicaciones
técnicas.
Ray
Limburg es un Especialista Técnico de Marketing de PCB
Piezotronics,Inc., y tiene un titulo de Ingeniería
Interdisciplinaria y Administración de la Universidad de Clarkson.
Desde 1982 ha tenido varios cargos de ventas, administración de
producto, y marketing relacionados a sensores e instrumentación para
prueba y medida y los requisitos del control del proceso.
Joseph
P. Jank de Búfalo, NY es el Gerente de Producto para la división de
Sensores de IMI de PCB Piezotronics; especializando en la nueva
línea de interruptores electrónicos de vibración y equipo de
monitoreo industrial de vibración.
