Sensoren zijn een belangrijk hulpmiddel om de conditie van elektrische en roterende machines te monitoren. Ze zijn er in verschillende soorten, maten en types. ‘Welke sensor uiteindelijk het meest geschikt is, hangt af van de kritische eigenschappen binnen de productie-eenheid en de faalmodi van de machine’, stelt dr. Bram Corne, oprichter van Orbits. Hij ondersteunt bedrijven en geeft advies over signaal- en gegevensverwerking van elektrische of mechanische systemen en processen met een algemene focus op conditiebewaking van elektrische machine. Corne deed aan Universiteit Gent uitgebreid doctoraatsonderzoek naar de conditiebewaking van elektrische roterende machines op basis van elektrische stroommetingen.

‘Elektrische machines benutten ongeveer 65 tot 70 procent van de elektriciteit die wereldwijd wordt opgewekt. De industrie gebruikt het merendeel van deze machines. Ze spelen dus een cruciale rol in het productieproces van veel bedrijven. De laatste jaren is veel onderzoek verricht naar het monitoren en bewaken van de conditie van deze kritische assets. Want bij onverwachte uitval kunnen de kosten al snel flink oplopen.’

Meerdere technieken zijn onderzocht, zoals bijvoorbeeld het meten van temperatuur aan de hand van temperatuursensoren. ‘Functioneert een onderdeel in een machine niet zoals het hoort, dan zorgt dit vaak voor opwarming. Dit is niet altijd even accuraat op componentniveau, maar kan soms voldoende zijn om een onderhoudsinterventie in te plannen.’

Een andere, meer geavanceerde, techniek is het meten van trillingen. Wijken gemeten trillingspatronen van een machine af van de nulmeting (wat als normaal wordt beschouwd, red.), dan kan dit duiden op bijvoorbeeld een lagerprobleem, een onbalans of uitlijnfout.’ Weer een andere methode is stroomanalyse. ‘Op basis van gemeten stroom komen zowel potentiële mechanische als elektrische problemen aan het licht.’

Zowel mechanische als elektrische problemen opsporen

Corne zoomt in op de verschillen tussen het monitoren van de conditie op basis van trillings- en stroomsensoren. ‘Bij stroomanalyse wordt de elektrische machine gebruikt als een sensor. Aangezien heel wat faaloorzaken in het stroomspectrum een specifieke vingerafdruk van falen achterlaten, is het mogelijk de aard van het probleem bij vastgestelde afwijkingen te achterhalen.’

Zowel mechanische als elektrische problemen zijn via de stroommeting vast te stellen. ‘Dit is een groot verschil met trillingssensoren. Bij trillingsanalyse is het opmerken van elektrische problemen vaak onmogelijk óf wordt het probleem in een te laat stadium opgemerkt’, stelt Corne. ‘Indien een motor een begin van elektrisch falen ondergaat, dan moet deze afwijking een dermate krachtontwikkeling opleveren om te resulteren in een mechanische beweging van de machine. Pas als het falen een noemenswaardige beweging van de statorbehuizing veroorzaakt, kan het probleem aan de hand van trillingsanalyse opgespoord worden. Bij het monitoren van de stroom kan dit probleem snel gespot worden voordat er collaterale schade ontwikkeld wordt.’ Stroommeting kan falen dus vaak in een eerder stadium opsporen.

Het opsporen van elektrische problemen aan de hand van stroomsensoren gebeurt al vrij lang. De laatste jaren is het opsporen van mechanische problemen aan de hand van deze sensoren sterk gegroeid. ‘In het verleden was het zeer moeilijk om de ernst van mechanische problemen nauwkeurig te bepalen. Mechanische problemen worden namelijk in de stroom gespot door unieke variaties in de luchtspleet tussen de rotor en de stator (bijvoorbeeld door een lagerfalen). Die verandering is detecteerbaar in de stroom, maar het elektrische fenomeen moet in grootte gekoppeld worden aan de ernst van het mechanisch probleem. Een bedrijf dat een conditiebewakingssysteem installeert, wil namelijk precies weten waar het wanneer aan toe is.

Stel dat het detectiesysteem een lagerprobleem in de elektromotor vaststelt. De eerste vraag die een bedrijf zich stelt is: Hoeveel tijd heb ik nog vóór een storing zal optreden? Is dit een jaar of een aantal dagen? Weet hij het antwoord op deze vraag, dan kan hij het onderhoud strategisch inplannen. Een verband tussen de ernst van de mechanische schade en hoe die ernst zich reflecteert in de statorstroom is dus erg belangrijk. De laatste jaren worden door een toenemende modeleerkracht en meer opgebouwde kennis veel beter verbanden gelegd en inschattingen gemaakt. Stroomsensoren zijn daardoor geschikt om zowel mechanische als elektrische storingen in een vroegtijdig stadium op te sporen.’

Plaatsing van sensoren

Nog een groot verschil tussen trillings- en stroomsensoren is de plek waar de sensoren zich bevinden. ‘Een voordeel van een stroom- ten opzichte van een trillingsanalyse is dat het niet nodig is de meting ter plekke bij de motor uit te voeren. Stroom meten is mogelijk in een controlekamer of op een centrale plek. De installatie is hierdoor eenvoudiger, de omgeving is veilig, schoon en toegankelijk en het meetsysteem kan gemakkelijk van energie worden voorzien door middel van netstroom. Dit maakt dat deze techniek een streepje voor heeft bij aandrijvingen opgesteld in ruige omgevingen (hoogovens, cryogene toepassingen, onderwaterpompen, windmolens…).’ Een internetkabel aanleggen of een wifi-signaal versterken is op een centrale plek eveneens vrij eenvoudig te realiseren.

Flexibiliteit trillingssensoren

Daartegenover staat de flexibiliteit van trillingssensoren. Corne: ‘Het is mogelijk om op vrijwel iedere component waarvan men de conditie wil meten, een trillingssensor te plaatsen. Hoe dicht of ver deze component ook is verwijderd van de motor.

Bij het meten met stroomsensoren, ligt de focus enkel en alleen op de motor. Het is alleen mogelijk om de elektrische en mechanische problemen te achterhalen van de motor en de systemen die direct aan de motor zijn gekoppeld. Componenten die erg ver zijn verwijderd van de motor zijn moeilijker te monitoren met stroomsensoren.’

Stroomsensoren, gecombineerd met machine learning- modellen zorgen hier voor de oplossing. Door middel van machine learning kunnen anomalieën of onregelmatigheden worden gedetecteerd die niet altijd zichtbaar zijn voor een getrainde analist. Er wordt weergegeven wanneer een patroon afwijkt van wat normaal is, hoe klein het effect ook is. ‘Dankzij een opgebouwde historische database van een machine, kunnen we een soort vingerafdruk van de machine als referentiekader gebruiken. Zodra de machine bijvoorbeeld ietwat meer verbruikt dan voorheen in dezelfde belastingstoestand, genereert het monitoringssysteem een alarm. Die kleine wijziging in de motorwerking kan bijgevolg wijzen op een mechanisch probleem dat zich ver in de aandrijftrein voordoet. Door bijkomende testen of inspecties, kun je vervolgens heel specifiek de oorzakelijke fout gaan lokaliseren. Hoe meer kennis je op die manier opbouwt, hoe meer input er is om de volgende stroommetingen nauwkeuriger te maken. Het systeem wordt op die manier dan ook steeds slimmer.’

Keuze afhankelijk van asset en faalmechanismen

Zowel trillings- als stroomsensoren hebben voor- en nadelen. De keuze wat het meest geschikt is, hangt af van de situatie waar de aandrijving zich in bevindt. ‘Bedrijven hebben vaak voldoende kennis over de historie van de meest kritische machines. Ze weten uit het verleden waar en hoe de faalmechanismen optreden die een negatieve invloed hebben op de bedrijvigheid. Is een component dat vaak faalt ver verwijderd van de motor, dan is wellicht een trillingssensor op het component de beste optie. Zit een faalmechanisme vaak in of rond de motor zelf, of spelen de elektrische componenten een kritische rol, dan zijn stroomsensoren de beste optie om conditiebewaking uit te voeren.’

Wilt u weten of stroom- en spanningssensoren ook voor u de juiste keuze zijn? Bekijk onze oplossing, volg ons op LinkedIn of plan een belafspraak.