Porquê utilizar o Espectro de Envelope para análise?

Para aplicações de deteção de falhas precoces de rolamentos, utilizamos o Espectro de Envelope para análise, mas antes de vermos a configuração, porque utilizamos o Envelope em vez da Análise de Banda de Espectro?

O método do envelope isola as outras bandas de frequência para analisar apenas a frequência específica, este sinal é mais claro (sem ruídos), e isto é tão bom para monitorizar rolamentos. Por este motivo, utilizamos o método do envelope.

Frequências de Falha

Para configurar o novo sensor BCM, primeiro precisamos saber qual frequência será monitorada, para isso, podemos conhecer o conceito básico sobre Análise de Rolamentos. Para detectarmos as falhas precoces dos rolamentos, precisamos calcular as seguintes frequências:

• BPFO (Ball Pass Frequency Outer) ou frequência de falha da pista externa. Corresponde fisicamente ao número de esferas ou rolos que passam por um determinado ponto da pista externa cada vez que o eixo dá uma volta completa.
• BPFI (Ball Pass Frequency Inner) ou frequência de falha da pista interna. Corresponde fisicamente ao número de esferas ou rolos que passam por um determinado ponto da pista interna cada vez que o eixo dá uma volta completa.
• BSF (Ball Spin Frequency) ou frequência de falha do elemento rolante. Corresponde fisicamente ao número de voltas que uma esfera ou rolo do rolamento dá cada vez que o eixo dá uma volta completa.

Para calcular isto, temos duas opções, a primeira, podemos calcular com uma fórmula matemática:

Referência: Componentes de rolamentos de elementos rolantes e frequências de falha | Power-MI

Ou então, podemos utilizar a informação de fabrico do rolamento, por exemplo, para o rolamento 30206 SKF, a SKF disponibiliza uma calculadora de Frequência de Falha.

Precisamos de introduzir as RPM para calcular, neste caso utilizamos as 60 RPM (1Hz), porque este valor é um Fator de Frequência (refere-se sempre a 1 Hz).

Referência: Seleção de produtos SKF (skfbearingselect.com)

Agora, temos o Fator de Falha de Frequência para o rolamento 30206, mas, antes de configurarmos o sensor, precisamos de criar as janelas de cada fator de frequência, esta janela deve ser de +- 2% a +-5%, portanto:

• BPFI: 9.897
  • Limite inferior da banda 1: 9,40 (-5%)
  • Limite superior da banda 1: 10,39 (+5%)

• BPFO: 7,103
  • Limite inferior da banda 2: 6,75 (-5%)
  • Limite superior da banda 2: 7,46 (+5%)

• BSF: 5,791
  • Limite inferior da faixa 3: 5,50 (-5%)
  • Limite superior do escalão 3: 6,08 (+5%)

Assim, podemos iniciar a configuração do sensor.

Configurar o perfil de dados do processo

Utilizamos o Perfil de Dados do Processo personalizado, pois escolhemos a Banda do Espectro de Envelope a ler. O envelope de cada banda é um dos parâmetros calculados anteriormente:

Configuração do Espectro do Envelope

Neste parâmetro, configuraremos as Caraterísticas do Envelope.

Quanto menor a Faixa de Configuração do Espectro do Envelope, menor a resolução da frequência, porém, para rolamentos precisamos monitorar altas frequências, então configuramos para 6000.

Na Configuração da Média do Espectro do Envelope, configurámos para 1.

E na Configuração do Espectro do Envelope Limite Inferior e Superior da Largura de Banda, configurámos para analisar apenas a Vibração de Alta Frequência.

Modo de Banda do Espectro de Envelope

Neste Parâmetro temos duas opções, são utilizados Limites Absolutos de Banda (quando se utiliza um limite fixo de banda) ou são utilizados Multiplicadores de Velocidade Rotacional juntamente com os valores de velocidade rotacional recebidos (quando se utiliza o Fator de Frequência). Assim, configurámos para: Os Multiplicadores de Velocidade Rotacional são utilizados juntamente com os valores de velocidade rotacional recebidos.

Multiplicadores de Velocidade Rotacional do Espectro de Envelope

Neste parâmetro introduzimos as Janelas de Fator de Frequência que foram calculadas anteriormente (BPFI, BPFO e BSF). Se utilizar o modo de Limites Absolutos de Banda, não necessita de configurar este parâmetro, basta introduzir os Limites de Banda no parâmetro anterior (Limites Absolutos de Banda do Espectro do Envelope).

Manuseamento de RPM

Quando se utilizam os Multiplicadores de Velocidade de Rotação, é necessário configurar os parâmetros de RPM. Em Configuração de RPM Fonte de Entrada de RPM temos três opções:

• RPM estáticas recebidas via ISDU (quando as RPM do motor são estáticas): Introduz-se o valor das RPM no parâmetro seguinte: Configuração das RPM RPM estáticas.
• RPM dinâmicas recebidas através da saída de dados do processo (quando as RPM do motor variam): Pode introduzir o valor das RPM do PLC através da Saída de Dados do Processo.
• RPM dinâmicas recebidas através do sinal digital PIN2 (quando as RPM do motor variam e não tem o valor): Pode usar um sensor (ótico, indutivo, magnético...) para detetar cada volta do motor e o sensor calcula automaticamente as RPM (é necessário configurar um divisor de RPM de configuração de RPM e a função PIN2 para a entrada de RPM).

Neste caso utilizamos como RPM estática uma RPM recebida via ISDU.

Terminamos a configuração do sensor, e agora, vamos ler estes valores no Node-RED do CMTK.

Criámos um nó MQTT para ler os dados do processo, para tratar os dados do sensor é necessário primeiro separar cada byte do dado, pois o Slot contém as 3 bandas mais escala:

Para isso, criamos uma função no nodeRED:

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

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

var XBand2 = (mensagem >> 16) & 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 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 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;

Depois desta função, temos cada byte de dados. Mas o Scale é um tipo de dado INT8 (valor de sinal), então, é necessário converter esse valor para um sinal de 8bytes. Para isso criamos uma função no 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;

se (Yorigin & 0x80) {

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

} else {

msg.payload.Yorigin = Yorigin;

}

var Zorigin = msg.payload.ZScaler;

se (Zorigin & 0x80) {

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

} else {

msg.payload.Zorigin = Zorigin;

}

return msg;

Depois disto, precisamos de aplicar a escala fazendo a seguinte fórmula matemática com outra função no nó-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;

Agora temos os valores BPFO, BPFI e BSF dos três eixos.

Para visualizar estes valores no Dashboard, foi necessário instalar uma palete "node-red-dashboard" no Node-RED.

Depois disso, criámos alguns Gauge-Node para qualquer parâmetro:

Para abrir o dashboard, colocamos o endereço URL do Node-RED addin "/ui". No nosso exemplo, é http://192.168.10.1:50001/ui

Aqui estão os gráficos: