Postavljanje IoT projekta pametnog održavanja

Od ideje do projekta

U pogonu se pametno održavanje najčešće spomene poslije nekog skupog zastoja. Netko kaže da bi se to moglo predvidjeti, netko drugi predloži da se stavi senzor, a treći pita koliko to košta. Sve tri rečenice su razumne, ali nijedna nije projekt. Projekt nastaje tek kada se postavi pitanje koji se problem rješava i kako će se znati da je riješen.

Naš je problem poznat iz zapisa. Ćelija PO-1 radi 4000 sati godišnje s taktom od 96 sekundi. Srednje vrijeme između kvarova iznosi 620 sati, a srednje vrijeme popravka 3,5 sata, pa je raspoloživost 99,4 %. Iza tog naizgled lijepog postotka stoji 6,5 kvarova i 22,6 sati neplaniranog zastoja godišnje. Uz trošak zastoja od 180 EUR na sat to je 4063 EUR koje pogon plati, a da za njih ništa ne dobije.

Tek s takvom tablicom pred sobom razgovor mijenja ton. Ne raspravlja se više o tome je li pametno održavanje dobra ideja nego o tome koliki dio od tih 22,6 sati i 4063 EUR se može izbjeći i po kojoj cijeni. To je pitanje na koje projekt mora odgovoriti.

Projekt u ovom modulu ima zadano ulaganje od 6500 EUR. U taj iznos ulaze senzori, pristupnik, prva godina platforme, kabliranje i rad na postavljanju i podešavanju. Cilj je smanjiti neplanirani zastoj za 40 % u prvoj godini. Sve što slijedi — izbor veličina, senzora, protokola i pragova — podređeno je toj jednoj rečenici.

Cilj projekta i mjerila uspjeha

Cilj se piše tako da ga se ne može ispuniti napola i objaviti uspjeh. Dobar cilj ima veličinu, iznos, rok i mjesto: smanjiti neplanirani zastoj ćelije PO-1 s 22,6 na najviše 13,6 sati godišnje do kraja prve godine rada sustava. Tako zapisan cilj sam po sebi određuje što se mora mjeriti i tko to mjeri.

Uz glavni cilj idu mjerila uspjeha. Ona pokrivaju i one strane projekta koje glavni cilj ne hvata: koliko sustav smeta operateru, koliko često se vara i je li uopće dovoljno rano javio. Mjerila se dogovaraju prije početka, a ne nakon što rezultati stignu.

Uz ciljeve se zapisuje i ono što projekt ne obuhvaća. Na PO-1 to su CNC glodalica, sustav stlačenog zraka i transport palete: oni imaju svoje održavanje i u ovom se projektu ne diraju. Jasna granica opsega čuva projekt od tihog širenja u kojem rokovi padaju, a cilj se izgubi.

Zatečeno stanje ćelije i zapisa

Drugi korak je pregled onoga što već postoji. Nije rijetkost da pogon ima više podataka nego što misli: upravljačka jedinica robota bilježi opterećenja i temperature, CNC stroj vodi svoje brojače, a služba održavanja ima radne naloge. Snimanje zatečenog stanja znači te izvore popisati i ocijeniti koliko su upotrebljivi.

Iz tih izvora sastavlja se slika kvarova ćelije PO-1 u protekle dvije godine. Od trinaest zabilježenih kvarova sedam otpada na prijenosnik i ležajeve osi 2 i 3, tri na prihvatnicu i njezinu ventilsku skupinu, dva na energetski lanac i kabele, a jedan na davač položaja. Raspored je tipičan i odmah pokazuje gdje se isplati mjeriti.

Jednako je važno zabilježiti i ono što se u zapisima ne vidi. Nigdje ne postoji podatak o tome koliko je koji kvar najavljivan bukom ili zagrijavanjem, iako održavatelji tvrde da su dva puta čuli promjenu zvuka nekoliko dana prije zastoja. Takva se svjedočanstva zapisuju jer su kasnije polazište za pravila ekspertnog sustava.

Izbor veličina koje se prate

Mjeriti se može gotovo sve, ali svaka mjerena veličina donosi trošak senzora, kabela, prostora u ormaru i pažnje. Zato se bira iz analize kvarova: prate se veličine koje se mijenjaju prije onih kvarova koji najviše koštaju. Za PO-1 to je uski izbor od četiriju veličina.

Uzorkovanje se ne bira napamet. Za vibracije je mjerodavna najviša frekvencija koja nosi podatak: zupčani par i kotrljajni ležaj daju značajke i iznad 10 kHz, pa uzorkovanje mora biti barem dvostruko veće. Odatle 25,6 kHz, uobičajena vrijednost mjernih modula. Temperatura se mijenja sporo i 1 Hz je više nego dovoljno; struja se prati s 10 Hz da se vidi oblik zaleta.

Iz vibracijskog se signala ne šalje sve nego izvedene veličine. Najvažnija je efektivna vrijednost brzine vibracija, kraće RMS, izražena u mm/s. Za ćeliju PO-1 dogovoren je prag uzbune od 4,5 mm/s RMS, izveden iz mjerenja na ispravnom stroju i iz preporuka za strojeve te veličine. Kako se do tog praga dolazi, podrobno se obrađuje u jedinici 7.2.

Senzori i mjesta postavljanja

Mjesto senzora jednako je važno kao i njegov izbor. Akcelerometar postavljen na limenu masku mjerit će titranje maske, a ne ležaja. Pravilo je jednostavno: senzor ide na krutu obrađenu površinu, što bliže mjestu nastanka pojave i u smjeru u kojem se pojava očekuje.

Postupak postavljanja akcelerometra na os 2 izgleda ovako:

1. Ćelija se zaustavi i osigura prema postupku zaključavanja i označavanja.
2. Odabere se mjesto na kućištu prijenosnika, iznad ležajnog mjesta, na obrađenoj plohi.
3. Ploha se očisti, po potrebi poravna i, ako to uputa dopušta, izradi se navojni provrt M6.
4. Senzor se pričvrsti vijkom uz propisani moment; ljepilo ili magnet koriste se samo za privremena mjerenja jer smanjuju gornju granicu upotrebljivog područja.
5. Kabel se vodi kroz energetski lanac, odvojeno od energetskih vodova, s odteretnicom na oba kraja.
6. Zabilježe se položaj, smjer osjetljivosti, serijski broj i osjetljivost senzora.
7. Nakon puštanja u rad snimi se referentno stanje kroz najmanje pet punih ciklusa.

Temperaturni osjetnik PT100 postavlja se na kućište reduktora, ne na motor, jer se prati stanje maziva u prijenosniku. Strujni se modul ugrađuje u upravljački ormar, na izlaz pogonskog pojačala osi 2. Brojač ciklusa ne traži senzor: uzima se iz upravljačke jedinice robota kao brojčana varijabla.

Referentno stanje snimljeno na ispravnoj ćeliji temelj je svega što slijedi. Bez njega se poslije ne zna je li 3,8 mm/s mnogo ili malo. Za PO-1 referentno stanje iznosi 2,1 mm/s RMS na osi 2 i 1,7 mm/s na osi 3, uz temperaturu reduktora od 52 °C u ustaljenom radu.

Prijenos podataka i pristupnik

Izmjereno treba dopremiti do mjesta obrade. U pogonu se sreću tri obitelji rješenja i svaka ima svoje mjesto. Žični prijenos je najpouzdaniji i najlakše se brani pred službom sigurnosti, ali traži polaganje kabela. Bežični je brz za postavljanje, no na njega utječu metalne pregrade i drugi uređaji. Industrijski protokoli nisu treća vrsta veze nego jezik kojim uređaji razgovaraju preko bilo koje od njih.

Od protokola se u pametnom održavanju najčešće sreću četiri. OPC UA je industrijski standard za razmjenu podataka s upravljačkim jedinicama i nosi uz vrijednost i njezin opis. MQTT je lagan protokol objave i pretplate, prikladan za slanje mjerenja prema platformi. Modbus TCP je jednostavan i star, ali još uvijek raširen. PROFINET i EtherCAT pripadaju upravljačkoj razini i s njih se podaci najčešće preuzimaju preko upravljačke jedinice, a ne izravno.

Ključni je uređaj pristupnik. On stoji uz ćeliju, prikuplja signale sa svih senzora i obavlja prvu obradu. Upravo tu se od sirovog signala od 25 600 uzoraka u sekundi računa jedna vrijednost RMS u minuti i nekoliko dodatnih značajki. Time se količina podataka smanji za nekoliko redova veličine, mreža se ne zagušuje, a u oblak putuje ono što je doista potrebno. Sirovi zapis čuva se na pristupniku nekoliko dana za slučaj da zatreba podrobnija analiza.

Platforma, pohrana i sigurnost podataka

Platforma je mjesto na kojem podaci žive. Ona prima poruke pristupnika, sprema ih, crta grafove, izvodi pravila i šalje uzbune. Bira se između rješenja u oblaku i rješenja na poslužitelju u pogonu, a izbor je češće pitanje pravila tvrtke nego tehnike.

Pohrana se planira unaprijed jer podaci rastu tiho. Na PO-1 se u platformu šalje jedna vrijednost RMS po minuti za dvije osi, temperatura svake sekunde i struja deset puta u sekundi. To je oko 900 tisuća zapisa dnevno, odnosno red veličine nekoliko stotina megabajta godišnje — malo za platformu, ali dovoljno da se isplati odrediti pravilo čuvanja: minutne vrijednosti godinu dana, satni sažeci pet godina, sirovi zapisi sedam dana.

Uz sigurnost ide i pitanje vlasništva podataka. Ugovorom se određuje tko smije vidjeti mjerenja, koliko se dugo čuvaju i što se s njima događa ako se suradnja prekine. Za školski je projekt to formalnost, za pogon nije: podaci o vibracijama otkrivaju i koliko se i kada radilo, što je poslovni podatak.

Plan rada, proračun i rizici

Projekt se dijeli na zadatke s rokovima i nositeljima. Za PO-1 dvanaest tjedana je razumno razdoblje: dva tjedna za snimanje stanja, dva za nabavu, jedan za postavljanje, dva za platformu i pravila, tri za probni rad i dva za vrednovanje i predaju.

Proračun se piše po stavkama, jer se tako i troši. Za PO-1 unutar zadanih 6500 EUR stane oprema, platforma i rad, uz malu pričuvu koja gotovo uvijek zatreba.

Na kraju se popisuju rizici. Rizik nije sve što može poći po zlu nego ono što je dovoljno vjerojatno i dovoljno skupo da za njega vrijedi imati odgovor unaprijed.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.