Medición de vibración para mantenimiento predictivo de motores

La medición de vibración fue el núcleo de esta consultoría de ECK para un sistema de mantenimiento predictivo de motores, que combinaba adquisición rápida, procesamiento embebido, operación a batería y comunicación LoRa.

La propuesta era crear un dispositivo compacto, alimentado a batería, que pudiera instalarse directamente en el motor, recoger datos de vibración, hacer parte del procesamiento en forma local y transmitir la información relevante a un sistema de análisis.

El objetivo era reducir la dependencia del mantenimiento correctivo y ayudar a detectar señales de desgaste antes de que una falla provocara una parada no programada de la producción.

La medición de vibración y las paradas no programadas

Los motores eléctricos sufren desgaste de rodamientos, cojinetes y otros componentes mecánicos.

Cuando el mantenimiento se hace solo después de una falla, el costo puede ser alto no solo por el cambio del componente, sino sobre todo por la interrupción inesperada de la operación.

En una línea de producción, una parada no programada puede causar pérdida de productividad, necesidad de stock de contingencia, reorganización de procesos e impacto en la atención a los clientes.

Por otro lado, cambiar componentes en forma preventiva sin una indicación real de necesidad también puede aumentar los costos de mantenimiento.

Por eso, los sistemas de monitoreo de condición buscan entregar información que permita tomar decisiones con más base técnica.

Medición de vibración del motor

La vibración de un motor puede monitorearse con distintos tipos de sensores.

Entre las alternativas evaluadas había soluciones piezoeléctricas y acelerómetros de alta velocidad.

En este proyecto se eligió un acelerómetro con capacidad de adquisición rápida, adecuado para captar las características de vibración que necesitaba la aplicación.

La elección del sensor se hizo con apoyo técnico de Analog Devices, buscando una solución con desempeño suficiente para el proyecto sin recurrir a acelerómetros especializados de costo muy elevado.

El desafío del volumen de datos

Uno de los principales desafíos de este tipo de aplicación es la cantidad de datos que se genera.

La medición de vibración a alta velocidad puede producir un gran volumen de muestras.

Transmitir todos esos datos en forma continua a un servidor aumentaría mucho el ancho de banda necesario, el consumo de energía y la complejidad del sistema de comunicación.

Por eso, la arquitectura adoptada preveía que parte del procesamiento se hiciera localmente.

El sistema embebido haría la adquisición, una etapa de preprocesamiento y la extracción de la información relevante antes de transmitir.

Así, en lugar de enviar todo el tiempo la señal en bruto, el dispositivo podía transmitir parámetros asociados al comportamiento de la vibración a lo largo del tiempo, como valores máximos, mínimos y otra información definida por la aplicación.

Procesamiento embebido y comunicación LoRa

Para el procesamiento y la comunicación se usó el ST50H de AcSiP, un módulo basado en el STM32WLE5.

La solución reunía capacidad de procesamiento y comunicación LoRa en una plataforma compacta.

El STM32WLE5 usa un núcleo ARM Cortex-M4, con capacidad suficiente para hacer el procesamiento inicial de los datos adquiridos antes de la transmisión.

Elegir un módulo, en lugar del componente suelto, también ayudaba a reducir el esfuerzo y el riesgo del desarrollo de radiofrecuencia.

Eso incluía aspectos como el layout, la línea de transmisión, el matching, la selección de componentes, el montaje y la validación de la radio.

Aunque el ST50H costaba más que usar directamente el STM32WLE5, simplificaba la implementación de LoRa y reducía el riesgo técnico del desarrollo.

¿Por qué usar LoRa?

LoRa se eligió principalmente por la necesidad de bajo consumo de energía y un alcance adecuado en el entorno industrial.

La idea era que el sensor pudiera quedar instalado en el motor por largos períodos, funcionando a batería y con la menor intervención posible.

Eso era importante porque no siempre hay una fuente de alimentación disponible en el punto donde se instalará el dispositivo.

Una comunicación de largo alcance también permitía llevar la información hasta un punto central sin tender cableado nuevo en la planta.

Instalación simple en el motor

Desde el principio, la arquitectura consideraba la necesidad de facilitar la instalación del sistema.

Una de las posibilidades evaluadas era usar una fijación magnética, para colocar el dispositivo sobre el motor rápidamente.

Eso facilitaría instalar, retirar y reubicar el equipo durante las pruebas, el mantenimiento o el cambio del punto de medición.

Procesamiento local antes de la transmisión

La función del dispositivo instalado en el motor no era solo adquirir la señal.

Parte del procesamiento se haría localmente para reducir la cantidad de información transmitida.

El equipo podía, por ejemplo, registrar valores de vibración máxima y mínima y otros parámetros durante un período determinado.

Luego esos datos se enviarían a un sistema externo encargado de analizar la condición del motor.

Esta arquitectura permitía separar el problema en dos partes:

• adquisición y procesamiento inicial cerca del motor;
• análisis e interpretación de los datos en un sistema externo.

El sistema de análisis

El sistema externo se encargaría de interpretar la información recogida y ayudar a detectar cambios en el comportamiento del motor.

A partir de los datos históricos y de los criterios definidos para la aplicación, sería posible identificar situaciones que justificaran una inspección o una intervención de mantenimiento.

La parte específica de análisis de los motores y de los algoritmos de diagnóstico quedó a cargo del cliente, que tenía conocimiento especializado en esa área.

El papel de ECK en el proyecto

En este desarrollo, ECK actuó principalmente en la ingeniería de hardware y la arquitectura electrónica del sistema.

El trabajo incluyó la evaluación de alternativas de sensores de vibración, la elección de la plataforma de procesamiento, la definición de la comunicación LoRa, el análisis del consumo de energía y el apoyo al desarrollo del hardware.

ECK también desarrolló drivers y el soporte básico necesario para el software embebido.

La implementación de los algoritmos específicos de análisis de vibración y diagnóstico de la condición del motor quedó a cargo del cliente.

Integración entre electrónica y conocimiento de la aplicación

Este proyecto es un buen ejemplo de cómo un producto industrial muchas veces depende de combinar distintas áreas de conocimiento.

ECK aportó la arquitectura electrónica, la adquisición de señales, el procesamiento embebido, la comunicación y el consumo de energía.

El cliente aportó el conocimiento específico sobre el comportamiento de los motores, los criterios de análisis y la interpretación de la información de vibración.

Esta división permitió desarrollar una arquitectura técnicamente adecuada sin concentrar todo el conocimiento en un solo equipo.

Resultado del trabajo de consultoría

El proyecto dio como resultado una arquitectura capaz de combinar:

• adquisición de vibración a alta velocidad;
• procesamiento local;
• comunicación LoRa;
• bajo consumo de energía;
• operación a batería;
• instalación simple en el equipo;
• integración con un sistema externo de análisis.

El principal desafío fue equilibrar la calidad de la medición, la capacidad de procesamiento, el volumen de datos, el alcance de la comunicación y la autonomía de la batería.

Este tipo de decisión de arquitectura es fundamental para convertir una idea de monitoreo en una solución que funcione fuera del banco de pruebas y en condiciones reales de operación industrial.

Conozca también el trabajo de ECK en consultoría en ingeniería electrónica.