Cílem bylo vyvinout systém, který umožní nepřetržitě sledovat kondici kritických strojů bez astronomických částek za jeho pořízení

-- 13.03.2020

Sledování procesů a kondice strojů jsou hlavními pilíři činnosti brněnské společnosti 4dot. Jakými způsoby řeší prediktivní údržbu od velkých lisů a tvářecích strojů až po nejrůznější průmyslová zařízení a jak ze získaných informací vytěžují detailní informace o všech strojích v reálném čase, nám vysvětlil obchodní manažer společnosti 4dot, Ing. Martin Podešva.

Proč jste se rozhodli věnovat právě prediktivní diagnostice a proč zrovna název 4dot?

Kolega, který před pěti lety 4dot založil pracoval na vývoji diagnostických systémů na základě analýzy vibrací u jednoho českého výrobce ložisek. I přes to že vibrační analýza valivých ložisek je relativně starý obor, stále není v průmyslu tak hojně využívána, jak by mohla. Brání tomu zejména vstupní náklady na pořízení monitorovacích systémů. V kombinaci s neznalostí vzniklých nákladů způsobených náhlým zastavením stroje je pak často prakticky nemožné si u vedení obhájit takovouto investici i přes to, že výroba o technologií zájem má a ví, že bude prospěšná.

Cílem tedy bylo vyvinout systém, který umožní nepřetržitě sledovat kondici kritických strojů bez astronomických částek za jeho pořízení. I z toho důvodu náš systém nabízíme formou služby, kdy zákazník platí měsíční/roční poplatek za sledování stroje a nemusí tak platit vysoké částky za vyhodnocovací software a samozřejmě mzdu pracovníka, který data sbírá a vyhodnocuje.

Název 4dot vychází z pojmu Průmysl 4.0. Kolegové při založení tento pojem trochu ohnuli a skončili u označení 4dot.

Prediktivní údržba dnes představuje širokou paletu nástrojů a firem, které se jí věnují. Které oblasti prediktivní údržby se věnujete a proč? V čem je vaše konkurenční výhoda?

Věnujeme se vibrační analýze strojů, která slouží jako nástroj pro prediktivní údržbu. V praxi se tak jedná zejména o sledování kondice rotačních komponent výrobních strojů. Protože se náš tým skládá hlavně ze strojařů, mohli jsme se zaměřit na složitější stroje, jakými jsou například ty obráběcí nebo tvářecí. Znalost konstrukce těchto strojů nám umožňuje optimalizovat systém na daný typ stroje.

Vibrace nesou ohromné množství informací. Z dat je možné vyčíst ne jenom kondici ložisek, ale také sledovat samotný výrobní proces. Tím že známe výrobní technologie a naše algoritmy mají vysokou rozlišovací schopnost, můžeme kontrolovat například geometrické tolerance obrobku přímo při obrábění. Konkurence většinou sleduje pouze kondici ložisek. My jsme schopni pomoci analýzy vibrací odladit a hlídat samotný proces obrábění. V tomto případě systém pak není nástrojem pouze pro údržbu, ale také pro technology a kvalitu.

U tvářecích strojů pomocí vibrací sledujeme vedle ložisek i tvářecí část stroje. Nejedná se tedy o vibrační analýzu rotačních komponent. Systém sleduje vibrace beranu a nářadí během procesu tváření. Tak jsme schopni sledovat nastavení vůlí ve vedení beranu, správnost upnutí nářadí anebo identifikovat prasknutí upínacího šroubu. I zde sledujeme parametry vázané k výrobnímu procesu. Na jednom z lisů vybaveného monitorovacím systémem 4dot identifikujeme zaseknutí polotovaru v nástroji. Aby nedošlo k poškození stroje a nářadí, systém 4dot v tento okamžik ihned zastaví stroj. Konkurenční řešení většinou využívají pouze senzory síly, a tak umožňují pouhé hrubé sledování zatěžování síly. Ty většinou slouží také k ochraně lisu před přetížením, nedávají však informace o nastavení stroje a kondice jednotlivých komponent.

Vedle vlastních algoritmů si zároveň vyvíjíme vlastní hardware. Pro obráběcí stroje jsme vyvinuli vlastní monitorovací jednotku Chipmunk. Jedná se o čtyř kanálové zařízení pro sběr dat ze senzorů vibrací. I přes nízkou cenu má jednotka vyšší vzorkovací frekvenci sběru dat než konkurenční hardware. Díky tomu jsme schopni sledovat i komponenty s velmi nízkými otáčkami. Pro monitoring tvářecích strojů jsme vyvinuli senzory vibrací a přetvoření. Tím, že máme prakticky veškeré komponenty monitorovacího systému pod kontrolou, jsme schopni dosahovat vysoké přesnosti diagnostiky.

Podívejme se blíže na vaše řešení pro vibrodiagnostiku tvářecích strojů. Z čeho se skládá a jak funguje? Jakým způsobem jsou eliminovány účinky vibrací jiných strojů v provozech?

Například monitoring kovacích linek má dvě roviny. U mechanických silových lisů je sledována kondice valivých ložisek. Ta jsou většinou už od výrobce vybavena senzory teploty. Zvýšení teploty identifikuje zhoršení kondice ložiska nebo například nedostatečné mazání. Nevýhodou této metody je ale to, že ke zvýšení teploty ložiska dochází až v poslední fázi životnosti ložiska. Informace o změně teploty tak mnohdy nedává dostatečný čas pro včasný zásah. Z toho důvodu sledujeme kondici valivých ložisek pomocí vibrací. Vibrodiagnostika těchto ložisek má však svá úskalí. Hlavním problémem jsou velmi nízké otáčky ložisek, i pod 100 ot/min. Energie vibrací je velmi nízká, a tak je velmi těžké tyto vibrace změřit a zanalyzovat. Hlavním problémem analýzy dat je však šum způsobený vibracemi od procesu kování a vibracemi vedlejších strojů. Z toho důvodu instalujeme senzory vibrací nejen na uložení ložiska, ale například i na rám stroje. Vibrace rámu slouží jako referenční hodnota, která je odečtena od vibrací sledovaného ložiska. Tento způsob zpracování dat z více senzorů vyžaduje znalost pracovního cyklu lisu a důkladné porozumění lisu jako mechanické soustavy.

Tou zajímavější částí sledování lisů je monitoring tvářecí části. Ten se většinou skládá z dvojce tříosých senzorů vibrací na beranu stroje a jednoho tříosého senzoru na stole lisu nebo na spodní částí nástroje. Kombinace těchto senzorů umožňuje sledovat vibrace v průběhu celého pracovního zdvihu lisu a určovat řadu parametrů. Senzory na beranu jsou umístěny na pomyslné tělesové úhlopříčce beranu, a tak je vedle vodorovných pohybů možné sledovat i klopné pohyby beranu způsobené nerovnoměrným zatěžováním lisu. V určitých případech, zejména v kovárenství, jsou senzory instalovány přímo do samotného nářadí. Pokud je použita tato konfigurace senzorů, senzory vibrací jsou rozšířeny o senzory přetvoření, případně teploty, aby bylo možné sledovat zatěžování nářadí a identifikovat větší spektrum poruchových stavů.

Způsob zpracování dat je možné názorně vysvětlit na sledování správnosti nastavení vůlí ve vedení beranu a správnosti upnutí nářadí. Systém nepřetržitě měří vibrace v průběhu celého zdvihu beranu. Na základě znalosti kinematiky lisu je možné vyhodnocovat vibrace v důležitých okamžicích pracovního zdvihu. Takovýmto okamžikem je například kontakt vodících tyčí nářadí. Nesprávně nastavené vedení beranu nebo upnutí nářadí způsobuje nesouosost, která se projevuje zvýšením střední hodnoty vibrací v daném okamžiku. Zároveň probíhá porovnání hodnoty v rámci komplexních analýz s hodnotami z dalších senzorů tak, aby bylo možné přesně rozlišit příčinu problému. Protože je měřen každý pracovní zdvih lisu, výsledná hodnota je trendována pro sledování změn v chodu lisu. Obdobným způsobem je pak možné identifikovat například prasknutí upínacího šroubu anebo třeba vadný polotovar. Princip sledování vůlí ve vedení beranu je znázorněn na obrázku 3.

Konfigurace senzorů i způsob zpracování dat je podobný ať už se jedná o kovací lis anebo lis pro plošné tváření. Monitoring kovacích lisů má však to specifikum, že jsou senzory vystavěny vysokým teplotám, znečištění a rázům. I z toho důvodu 4dot vyvinulo své senzory, aby mohly být instalovány na tento druh strojů.

Když se budeme bavit o MUSA (Multiple Sensor Algorithm) analýze. Jedná se o Váš patent? V čem je dobrá?

V rámci těchto analýz jsou zpracovávána data z více senzorů najednou. Výstupy analýz tak nejsou pouhé fyzikální veličiny, ale reálné parametry stroje, na základě, kterých lze optimalizovat chod stroje. Tak je možné identifikovat různé poruchové stavy stroje, sledování nastavení stroje anebo třeba samotného procesu. U tvářecích strojů je to například zmiňované sledování vůlí ve vedení beranu, u obráběcích strojů pak zmiňované sledování geometrických tolerancí obrobku. Na principy analýz MUSA máme podané patentové přihlášky.

Praktickým příkladem může být sledování kondice ložiska motoru kovacího lisu v kovárně MSV Metal Studénka. Použití více senzorů umožňuje odfiltrování šumu a určit reálnou kondici ložiska. Na obrázku 4 je srovnání MUSA analýzy a obálkové metody, která patří mezi jednu ze základních analýz v rámci vibrodiagnostiky.

Umělou inteligenci rovněž využíváte?

Umělá inteligence má v prediktivní analýze důležité místo. Velkou výhodou této technologie je hledat různé souvislosti ve velkém množství dat a predikovat vývoj stavu systému daleko efektivněji než běžné způsoby zpracování dat. AI je velkým tématem a řada společností dodávající různé systémy do strojírenství se chlubí, že jejich produkty využívají umělou inteligenci. Velmi často se však jedná o pouhý marketing.

Výhoda AI je v kontextu prediktivní údržby (například vibrodiagnostiky) i nevýhodou. Aby systém umožnil efektivně detekovat, rozlišovat a predikovat různé poruchové stavy, potřebuje velké množství dat obsahující tyto stavy. To znamená, že aby diagnostický systém fungující pouze na principu AI detekoval například poruchu ložiska vřetene obráběcího stroje, musí mít data z více takovýchto událostí. Problém ale je, že každé vřeteno a každý obráběcí stroj je jiný a získat dostatečné množství dat pro tento způsob analýzy je časově velmi náročné.

Z tohoto důvodu náš systém spoléhá na inženýrskou práci našich vibrodiagnostiků, kteří manuálně nastavují nejvhodnější analýzy a jejich limitní hodnoty pro daný typ stroje a jeho komponent. Systém pak automaticky vyhodnocuje kondici stroje a překročení limitních hodnot je validováno našimi inženýry. Samozřejmě i my pracujeme na vývoji a implementaci AI do našeho systému. Na vývoji AI spolupracujeme i s Fakultou informačních studií VUT v Brně.

Monitorovací systém 4dot je od roku 2017 instalován například na stroji Šmeral LMZ 2500 v kovárně společnosti MSV Metal Studénka. Jaké byly požadavky investora a jak se systém osvědčil po třech letech provozu?

Požadavkem bylo sledovat kondici klíčových ložisek pohonu lisu Šmeral LMZ 2500. Samotný pohon se skládá z motoru, který přes řemenici přenáší kroutící moment na předlohovou hřídel. Ta následně roztáčí přes spojku hlavní hřídel klikového mechanismu lisu. Stav těchto ložisek je standardně sledován pomocí teploty. Jak bylo popsáno výše, nejedná se o nejefektivnější způsob monitoringu. Proto se občas stane, že dojde například k zadření některého ložiska předlohové hřídele. To vede k poškození uložení ložisek, v horším případě ke zlomení celé hřídele až poškození rámu stroje. Samotná výměna ložisek a hřídele pak způsobuje náklad ve vyšších stovkách tisíců korun za pouhou opravu. Náklady vzniklé ušlým ziskem vlivem zastavení produkce mohou podle délky odstávky tuto částku značně navýšit.

Díky dobře nastaveným procesům údržby týmu MSV Metal Studénka se nám během posledních třech letech provozu podařilo předejít řadě problémům. Například poškození hlavního motoru nebo porucha mazání jednoho z ložisek předlohového hřídele, která by mohla vést k jeho zadření. V současnosti jednáme o rozšíření monitoringu i na další kovací linky.

V poslední době jste upnuli svou pozornost rovněž na obráběcí stroje. Lze to chápat jako diverzifikaci portfolia nebo si to prostě žádá trh?

Jedná se spíše o diverzifikaci portfolia, protože trh tvářecích strojů je, co se týká počtu strojů v porovnání se stroji obráběcími, relativně malý. To že jako strojaři rozumíme obráběcím strojům nám dává výhodu monitorovací systém ušít přesně na míru pro daný stroj a poskytnout zákazníkovi větší množství informaci než například pouhé měření vibrací vřetene jednou za měsíc externí společností.

Velký potenciál vidíme i ve spolupráci s výrobci obráběcích strojů. Ti se snaží rozšiřovat své stroje o řadu digitálních technologií v duchu průmyslu 4.0. Vývoj a implementace monitoringu kondice však vyžaduje velmi specializované inženýry a nemalé finanční a časové zdroje, a tak si to mohou dovolit pouze ti největší hráči. V současnosti tak rozjíždíme spolupráci s českými výrobci obráběcích strojů.

Autor: Vítězslav Fejfar