Pourquoi utiliser le spectre de l'enveloppe pour l'analyse ?

Pour les applications visant à détecter les défaillances précoces des roulements, nous utilisons le spectre de l'enveloppe pour l'analyse, mais avant de voir la configuration, nous allons voir pourquoi nous utilisons l'enveloppe plutôt que l'analyse de la bande spectrale.

La méthode de l'enveloppe isole les autres bandes de fréquences pour n'analyser que la fréquence spécifique, ce signal est plus clair (sans bruits), ce qui est très utile pour la surveillance des roulements. C'est pourquoi nous utilisons la méthode de l'enveloppe.

Fréquences défaillantes

Pour configurer le nouveau capteur BCM, nous devons d'abord savoir quelle fréquence sera surveillée, pour cela, nous pouvons connaître les concepts de base de l'analyse des roulements. Pour détecter les premiers défauts des roulements, nous devons calculer les fréquences suivantes :

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer) ou fréquence de défaillance de la bague extérieure. Correspond physiquement au nombre de billes ou de rouleaux qui traversent un point donné de la bague extérieure chaque fois que l'arbre effectue un tour complet.
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner) ou fréquence de défaillance de la bague intérieure. Correspond physiquement au nombre de billes ou de rouleaux qui passent par un point donné de la piste intérieure chaque fois que l'arbre effectue un tour complet.
• BSF (Ball Spin Frequency) ou fréquence de défaillance de l'élément roulant. Correspond physiquement au nombre de tours qu'une bille ou un rouleau du roulement effectue chaque fois que l'arbre fait un tour complet.

Pour calculer cette fréquence, deux options s'offrent à nous. La première consiste à calculer cette fréquence à l'aide d'une formule mathématique :

Référence : Composants des roulements et fréquences de défaillance | Power-MI

Ou bien, nous pouvons utiliser les informations de fabrication du roulement, par exemple, pour le roulement SKF 30206, SKF fournit un calculateur de fréquence de défaillance.

Nous devons entrer la vitesse de rotation pour le calcul, dans ce cas nous utilisons la vitesse de 60 tours par minute (1 Hz), parce que cette valeur est un facteur de fréquence (toujours en référence à 1 Hz).

Référence : SKF Product select (skfbearingselect.com)

Maintenant, nous avons le facteur de défaut de fréquence pour le roulement 30206, mais, avant de configurer le capteur, nous devons créer les fenêtres de chaque facteur de fréquence, cette fenêtre doit être comprise entre +- 2% et +-5%, donc :

• BPFI : 9.897
  • Limite inférieure de la bande 1 : 9,40 (-5%)
  • Limite supérieure de la bande 1 : 10,39 (+5%)

• BPFO : 7,103
  • Limite inférieure de la bande 2 : 6,75 (-5%)
  • Limite supérieure de la bande 2 : 7,46 (+5%)

• BSF : 5,791
  • Limite inférieure de la tranche 3 : 5,50 (-5%)
  • Limite supérieure de la tranche 3 : 6,08 (+5%)

Nous pouvons donc lancer la configuration du capteur.

Configuration du profil de données de processus

Nous utilisons le profil de données de processus personnalisé pour choisir la bande de spectre d'enveloppe à lire. L'enveloppe de chaque bande est l'un des paramètres calculés précédemment :

Configuration du spectre de l'enveloppe

Ce paramètre permet de configurer les caractéristiques de l'enveloppe.

Plus la plage de configuration du spectre de l'enveloppe est petite, plus la résolution de la fréquence est faible. Cependant, pour les roulements, nous avons besoin de surveiller les hautes fréquences, c'est pourquoi nous l'avons réglée sur 6000.

Dans la configuration du spectre de l'enveloppe, nous avons configuré la moyenne à 1.

Et dans la Configuration du spectre de l'enveloppe Limite inférieure et supérieure de la bande passante, nous avons configuré l'analyse des vibrations à haute fréquence uniquement.

Mode de bande du spectre des enveloppes

Dans ce paramètre, nous avons deux options, les limites de bande absolues sont utilisées (lorsqu'on utilise une limite de bande fixe) ou les multiplicateurs de vitesse de rotation sont utilisés avec les valeurs de vitesse de rotation reçues (lorsqu'on utilise le facteur de fréquence). Nous avons donc configuré le système de manière à ce qu'il utilise les multiplicateurs de vitesse de rotation : Les multiplicateurs de vitesse de rotation sont utilisés avec les valeurs de vitesse de rotation reçues.

Multiplicateurs de vitesse de rotation du spectre de l'enveloppe

Ce paramètre permet d'entrer le facteur de fréquence Windows calculé précédemment (BPFI, BPFO et BSF). Si vous utilisez le mode Limites de bande absolues, vous n'avez pas besoin de configurer ce paramètre, il suffit d'entrer les limites de bande au paramètre précédent (Limites de bande absolues du spectre de l'enveloppe).

Gestion du régime

Lorsque l'on utilise les multiplicateurs de vitesse de rotation, il est nécessaire de configurer les paramètres RPM. Dans RPM Configuration RPM Input Source, nous avons trois options :

• RPM statique reçu via ISDU (lorsque le régime du moteur est statique) : Vous entrez la valeur du régime dans le paramètre suivant : Configuration RPM RPM statique.
• Régime dynamique reçu via la sortie de données de processus (lorsque le régime du moteur varie) : Vous pouvez saisir la valeur du régime à partir de l'automate via la sortie de données de processus.
• Régime dynamique reçu via le signal numérique PIN2 (lorsque le régime du moteur varie et que vous ne disposez pas de la valeur) : Vous pouvez utiliser un capteur (optique, inductif, magnétique...) pour détecter chaque tour du moteur et le capteur calcule automatiquement le régime (il est nécessaire de configurer une configuration de régime, un diviseur de régime et une fonction PIN2 pour l'entrée de régime).

Dans ce cas, nous utilisons un régime statique reçu via ISDU.

Nous avons terminé la configuration du capteur, et maintenant, nous allons lire ces valeurs au Node-RED sur le CMTK.

Nous avons créé un nœud MQTT pour lire les données du processus, pour traiter les données du capteur il faut d'abord séparer chaque octet de la donnée, parce que le Slot contient les 3 bandes plus l'échelle :

Pour cela, nous avons créé une fonction dans nodeRED :

var mensagem = msg.payload["Slot 1"] ;

var XBand1 = (mensagem >> 24) & 0xFF ;

var XBand2 = (mensagem >> 16) & 0xFF ;

var XBand3 = (mensagem >> 8) & 0xFF ;

var XScaler = mensagem & 0xFF ;

msg.payload.XBand1 = XBand1 ;

msg.payload.XBand2 = XBand2 ;

msg.payload.XBand3 = XBand3 ;

msg.payload.XScaler = XScaler ;

var Ymensagem = msg.payload["Slot 2"] ;

var YBand1 = (Ymensagem >> 24) & 0xFF ;

var YBand2 = (Ymensagem >> 16) & 0xFF ;

var YBand3 = (Ymensagem >> 8) & 0xFF ;

var YScaler = Ymensagem & 0xFF ;

msg.payload.YBand1 = YBand1 ;

msg.payload.YBand2 = YBand2 ;

msg.payload.YBand3 = YBand3 ;

msg.payload.YScaler = YScaler ;

var Zmensagem = msg.payload["Slot 3"] ;

var ZBand1 = (Zmensagem >> 24) & 0xFF ;

var ZBand2 = (Zmensagem >> 16) & 0xFF ;

var ZBand3 = (Zmensagem >> 8) & 0xFF ;

var ZScaler = Zmensagem & 0xFF ;

msg.payload.ZBand1 = ZBand1 ;

msg.payload.ZBand2 = ZBand2 ;

msg.payload.ZBand3 = ZBand3 ;

msg.payload.ZScaler = ZScaler ;

return msg ;

Après cette fonction, nous avons chaque octet de données. Mais l'échelle est un type de données INT8 (valeur de signe), il est donc nécessaire de convertir cette valeur en un signe de 8 octets. Pour cela, nous avons créé une fonction dans node-RED :

var Xorigin = msg.payload.XScaler ;

if (Xorigin & 0x80) {

msg.payload.Xorigin = ((~Xorigin & 0xFF) + 1 ) ;

} else {

msg.payload.Xorigin = Xorigin ;

}

var Yorigin = msg.payload.YScaler ;

if (Yorigin & 0x80) {

msg.payload.Yorigin = ((~Yorigin & 0xFF) + 1 ) ;

} else {

msg.payload.Yorigin = Yorigin ;

}

var Zorigin = msg.payload.ZScaler ;

if (Zorigin & 0x80) {

msg.payload.Zorigin = ((~Zorigin & 0xFF) + 1 ) ;

} else {

msg.payload.Zorigin = Zorigin ;

}

return msg ;

Ensuite, nous devons appliquer l'échelle en appliquant la formule mathématique suivante à l'aide d'une autre fonction au niveau du nœud-RED :

var XBPFO = msg.payload.XBand1 / (10**(msg.payload.Xorigin)) ;

msg.payload.XBPFO = XBPFO ;

var XBPFI = msg.payload.XBand2 / (10**(msg.payload.Xorigin)) ;

msg.payload.XBPFI = XBPFI ;

var XBPF = msg.payload.XBand3 / (10**(msg.payload.Xorigin)) ;

msg.payload.XBPF = XBPF ;

var YBPFO = msg.payload.YBand1 / (10**(msg.payload.Yorigin)) ;

msg.payload.YBPFO = YBPFO ;

var YBPFI = msg.payload.YBand2 / (10**(msg.payload.Yorigin)) ;

msg.payload.YBPFI = YBPFI ;

var YBPF = msg.payload.YBand3 / (10**(msg.payload.Yorigin)) ;

msg.payload.YBPF = YBPF ;

var ZBPFO = msg.payload.ZBand1 / (10**(msg.payload.Zorigin)) ;

msg.payload.ZBPFO = ZBPFO ;

var ZBPFI = msg.payload.ZBand2 / (10**(msg.payload.Zorigin)) ;

msg.payload.ZBPFI = ZBPFI ;

var ZBPF = msg.payload.ZBand3 / (10**(msg.payload.Zorigin)) ;

msg.payload.ZBPF = ZBPF ;

return msg ;

Nous avons maintenant les valeurs BPFO, BPFI et BSF des trois axes.

Pour visualiser ces valeurs au niveau du Dashboard, il faut installer une palette "node-red-dashboard" sur le Node-RED.

Ensuite, nous avons créé quelques Gauge-Node pour n'importe quel paramètre :

Pour ouvrir le tableau de bord, nous mettons l'adresse URL de Node-RED addin "/ui". Dans notre exemple, il s'agit de http://192.168.10.1:50001/ui

Voici les graphiques :