Medição de vibração para manutenção preditiva de motores

Medição de vibração foi o núcleo desta consultoria da ECK para um sistema de manutenção preditiva de motores, combinando aquisição rápida, processamento embarcado, operação por bateria e comunicação LoRa.

A proposta era criar um dispositivo compacto, alimentado por bateria, capaz de ser instalado diretamente no motor, coletar dados de vibração, realizar parte do processamento local e transmitir informações relevantes para um sistema de análise.

O objetivo era reduzir a dependência de manutenção corretiva e ajudar a identificar sinais de desgaste antes que uma falha provocasse uma parada não programada da produção.

Medição de vibração e as paradas não programadas

Motores elétricos estão sujeitos a desgaste de rolamentos, mancais e outros componentes mecânicos.

Quando a manutenção é feita apenas após a ocorrência de uma falha, o custo pode ser elevado não apenas pela troca do componente, mas principalmente pela interrupção inesperada da operação.

Em uma linha de produção, uma parada não programada pode gerar perda de produtividade, necessidade de estoque de contingência, reorganização de processos e impacto no atendimento aos clientes.

Por outro lado, substituir componentes preventivamente sem uma indicação real de necessidade também pode aumentar os custos de manutenção.

Por isso, sistemas de monitoramento de condição procuram fornecer informações que permitam tomar decisões com maior base técnica.

Medição de vibração do motor

A vibração de um motor pode ser monitorada por diferentes tipos de sensores.

Entre as alternativas avaliadas estavam soluções piezoelétricas e acelerômetros de alta velocidade.

Neste projeto foi escolhido um acelerômetro com capacidade de aquisição rápida, adequado à captura das características de vibração necessárias à aplicação.

A escolha do sensor foi feita com apoio técnico da Analog Devices, buscando uma solução que oferecesse desempenho suficiente para o projeto sem recorrer a acelerômetros especializados de custo muito elevado.

O desafio do volume de dados

Um dos principais desafios desse tipo de aplicação é a quantidade de dados gerada.

A medição de vibração em alta velocidade pode produzir um volume elevado de amostras.

Transmitir continuamente todos esses dados para um servidor aumentaria significativamente a largura de banda necessária, o consumo de energia e a complexidade do sistema de comunicação.

Por isso, a arquitetura adotada previa que parte do processamento fosse realizada localmente.

O sistema embarcado faria a aquisição, uma etapa de pré-processamento e a extração de informações relevantes antes da transmissão.

Dessa forma, em vez de enviar continuamente todo o sinal bruto, o dispositivo poderia transmitir parâmetros associados ao comportamento da vibração ao longo do tempo, como valores máximos, mínimos e outras informações definidas pela aplicação.

Processamento embarcado e comunicação LoRa

Para o processamento e a comunicação foi utilizado o ST50H, da AcSiP, um módulo baseado no STM32WLE5.

A solução reunia capacidade de processamento com comunicação LoRa em uma plataforma compacta.

O STM32WLE5 utiliza um núcleo ARM Cortex-M4, com capacidade suficiente para executar o processamento inicial dos dados adquiridos antes da transmissão.

A opção por um módulo, em vez do uso direto do componente isolado, também ajudava a reduzir o esforço e o risco associados ao desenvolvimento de radiofrequência.

Isso envolvia aspectos como layout, linha de transmissão, matching, seleção de componentes, montagem e validação do rádio.

Embora o ST50H tivesse custo superior ao uso direto do STM32WLE5, ele simplificava a implementação da comunicação LoRa e reduzia o risco técnico do desenvolvimento.

Por que utilizar LoRa?

A comunicação LoRa foi escolhida principalmente pela necessidade de baixo consumo de energia e alcance adequado em ambiente industrial.

A intenção era que o sensor pudesse permanecer instalado no motor durante longos períodos, operando por bateria e exigindo o mínimo possível de intervenção.

Isso era importante porque nem sempre existe uma fonte de alimentação disponível no ponto em que o dispositivo será instalado.

O uso de uma comunicação de longo alcance também permitia transmitir as informações até um ponto central sem a necessidade de novo cabeamento na instalação industrial.

Instalação simples no motor

Desde o início, a arquitetura considerava a necessidade de facilitar a instalação do sistema.

Uma das possibilidades avaliadas era utilizar uma fixação magnética, permitindo posicionar o dispositivo sobre o motor de forma rápida.

Isso facilitaria a instalação, retirada e reposicionamento do equipamento durante testes, manutenção ou mudança do ponto de medição.

Processamento local antes da transmissão

A função do dispositivo instalado no motor não era apenas adquirir o sinal.

Parte do processamento seria executada localmente para reduzir a quantidade de informação transmitida.

O equipamento poderia, por exemplo, registrar valores de vibração máxima e mínima e outros parâmetros ao longo de determinado período.

Esses dados seriam então enviados para um sistema externo responsável por realizar a análise de condição do motor.

Essa arquitetura permitia separar o problema em duas partes:

• aquisição e processamento inicial próximos ao motor;
• análise e interpretação dos dados em um sistema externo.

O sistema de análise

O sistema externo seria responsável por interpretar as informações coletadas e auxiliar na identificação de mudanças no comportamento do motor.

A partir dos dados históricos e dos critérios definidos para a aplicação, seria possível identificar situações que justificassem uma inspeção ou intervenção de manutenção.

A parte específica de análise dos motores e dos algoritmos de diagnóstico ficou sob responsabilidade do cliente, que possuía conhecimento especializado nessa área.

O papel da ECK no projeto

Neste desenvolvimento, a ECK atuou principalmente na engenharia de hardware e na arquitetura eletrônica do sistema.

O trabalho envolveu a avaliação das alternativas de sensores de vibração, a escolha da plataforma de processamento, a definição da comunicação LoRa, a análise do consumo de energia e o suporte ao desenvolvimento do hardware.

A ECK também atuou no desenvolvimento de drivers e do suporte básico necessário ao software embarcado.

A implementação dos algoritmos específicos de análise de vibração e diagnóstico de condição do motor ficou sob responsabilidade do cliente.

Integração entre eletrônica e conhecimento da aplicação

Esse projeto é um bom exemplo de como um produto industrial muitas vezes depende da combinação de diferentes áreas de conhecimento.

A ECK contribuiu com a arquitetura eletrônica, aquisição de sinais, processamento embarcado, comunicação e consumo de energia.

O cliente contribuiu com o conhecimento específico sobre comportamento de motores, critérios de análise e interpretação das informações de vibração.

Essa divisão permitiu desenvolver uma arquitetura tecnicamente adequada sem concentrar todo o conhecimento em uma única equipe.

Resultado do trabalho de consultoria

O projeto resultou em uma arquitetura capaz de combinar:

• aquisição de vibração em alta velocidade;
• processamento local;
• comunicação LoRa;
• baixo consumo de energia;
• operação por bateria;
• instalação simples no equipamento;
• integração com um sistema externo de análise.

O principal desafio foi equilibrar qualidade da medição, capacidade de processamento, volume de dados, alcance de comunicação e autonomia da bateria.

Esse tipo de decisão de arquitetura é fundamental para transformar uma ideia de monitoramento em uma solução que possa funcionar fora da bancada e em condições reais de operação industrial.

Conheça também a atuação da ECK em consultoria em engenharia eletrônica.