製鉄所は状態監視により致命的な故障を防止

Jul 01, 2023

インダストリー 4.0 がアイデアの領域から現実へと急速に移行する中、産業用モノのインターネット (IIoT) テクノロジーを使用して、よりスマートで効率的なプラントの運用とメンテナンスを推進する面で大きな進歩が見られました。 たとえば、米国南東部の総合製鉄所は、4 台の水中ポンプで度重なる課題に直面した後、この技術への投資の価値に気づきました。

これらの水中ポンプはシステムの小さな一部であるにもかかわらず、製鉄プロセスにおいて重要な役割を果たしています。 ただし、平均故障間隔 (MTBF) が短く、予期しない故障が発生しやすいため、実稼働環境にリスクが生じます。

緊急修理にお金と時間を費やすことにうんざりしていたこの工場は、設備の健全性を明確に把握できる無線状態監視システムの導入に率先して取り組みました。 このシステムにより、差し迫った故障を十分な時間で予測して被害を最小限に抑えることが可能になりました。 事前に通知することで、機器を改修するための慎重に検討された行動計画を策定できるようになりました。

問題の水中ポンプは脱水システムの排水ピットに設置されていました。 ピットを許容可能な水位に保つためには、4 台のポンプすべてが稼働する必要がありました。 インストールでは起動以来信頼性の問題が発生し、平均 MTBF は 6 か月未満でした。 いずれかのポンプが故障すると、残りのポンプはピットを十分に空にすることができなくなります。 歴史的に故障モードが非常に深刻であったため、修理が不可能であったり、費用効果が高かったりできませんでした。

製鉄所は、アフターマーケット サービスの修理会社に依頼して、設計を調査し、なぜこのような繰り返し故障が機器に発生しているのかを分析しました。 エンジニアリング チームは、ポンプの設計と、ポンプとそのシステムの相互作用を綿密に調査し、設計の弱点を特定しました。

研究では、ポンプに設置されたピットが必要な動作条件に対して小さすぎると結論付けられました。 残念ながら、状況は変更できるものではなく、ピットの再設計には費用と時間がかかる作業になります。 慎重に検討した結果、工場はシステム設計を変更するのは不可能であると判断しました。 ポンプ劣化の根本原因に対処できないことを理解した製鉄所メンテナンス チームは、コストと全体的な影響を管理するために予期せぬ故障の性質を軽減するのに役立つテクノロジーを追求しました。 しかし、これらは水中ポンプであるため、機器の状態を正確に評価する手段が課題でした。 幸いなことに、設備の健全性の傾向を把握し、操業継続のリスクを評価できるソリューションが工場に提案されました。 このソリューションはワイヤレス状態監視システムでした。

状態監視に関しては、水中ポンプは見落とされがちです。 これらは水没しており、ほとんどの機器がアクセスできず、故障する可能性がある資産とみなされます。 シール漏れインジケーターとモーターの過負荷制御は長年にわたって改善されてきましたが、機械的状態の傾向は依然として一般的ではありません。 市場に出ている多くの新しい IIoT 監視システムが、水没した機器の自動データ収集の実行可能な手段を開発していないという事実によって、この問題はさらに悪化しています。

これらの課題を念頭に置いて、地上の無線送信機に接続された有線加速度計を使用するソリューションが開発されました。 これらの水中加速度計と無線通信デバイスは、水没状態での機械的性能をより適切に監視するために製鉄所に提供されました。 このシステムを使用して、ポンプとモーターのリアルタイムの振動レベルを継続的に収集しました。 収集されたデータは、高頻度の間隔で測定が行われ、自動化されたリモート アクセス、保存、分析のためにクラウドにワイヤレスで送信されました。

提供されたモニタリングはハードウェアとソフトウェアを超えて、アフターマーケット サービス会社のエンジニアリング チームの人的経験を活用しました。 これらのエンジニアとエンドユーザーは協力して、機械振動レベルの傾向を把握し、データを水没レベルやその他の水圧パラメータと関連付けて、ベアリングやその他のコンポーネントの劣化の初期兆候を検出しました。

水中監視プロジェクトの目標は単純でした。致命的な障害になる前に問題を検出し、エンド ユーザーのコスト (および頭痛の種) を節約することでした。 遠隔監視は、状態監視チームが差し迫ったベアリングの故障を予測し、ポンプに壊滅的な損傷が発生する前に現場を動員することができたときにその価値を証明しました。

ベアリングの欠陥はセンサーによって捕捉され、分析ソフトウェアを通じてユーザーに送信されました。 ベアリングの故障は通常、4 つの個別の段階で観察されます。 ステージ 1 は通常、非常に微妙であり、製造プロセスの一部である表面レベルの欠陥によって引き起こされます。 5 ～ 40 キロヘルツ (kHz) の高周波が存在する可能性があります。

ステージ 2 では、直接観察できる損傷状態との相関が始まります。 1 ～ 5 kHz の範囲の加速度は、運転速度の高調波やベアリングの故障周波数での離散周波数励起によるノイズ フロアの上昇として現れる場合があります。 特に、第 2 段階では衝突が観察される可能性があります。

ステージ 3 では、軸受の故障周波数の励起がより深刻になるため、速度スペクトルに劣化のより明白な兆候が見られます。 側波帯はベアリングの故障周波数付近のスペクトルに存在する可能性があり、波形への影響はさらに深刻になります。 これは、状態/問題を解決するためにメンテナンスをスケジュールする一般的なポイントです。

最終ステージであるステージ 4 では、走行速度 (1X) での振動レベルと、場合によっては走行速度の高調波が表示されます。 この段階では、損傷が非常に広範囲に及ぶ可能性があり、振動シグネチャに高レベルのノイズと、緩みに似た一貫性のない位相角が発生する可能性があります。 障害が差し迫っており、コンポーネントの連鎖的な損傷、またはさらに悪化する可能性があります。

状態監視システムを稼働させた直後、4 台のポンプのうち 1 台で、いくつかの警報しきい値を超える動的振動振幅レベルが発生しました。 アラームしきい値はソフトウェアにプログラムされており、変化する悪条件に即座に対応できます。 アラームのしきい値に違反すると、ソフトウェアによって自動アラーム通知がエンド ユーザーと監視チームに送信されます。 この場合、状態監視エンジニアがアラーム状態を分析し、エンド ユーザーに即時対応を推奨しました。

画像 5 のスペクトルに示されているように、ベアリングの故障を示す、ノイズ フロアが上昇した高エネルギー振動レベルが検出されました。 画像 6 では、スペクトル プロットに時間波形 (波形) プロットが付いています。これは、1 回転ごとに 1 回の振動エネルギーの発生を示しています。 エネルギー励起は、転がり軸受内で発生する衝撃の結果です。

状態監視チームはユーザーに新たな問題を通知し、さらなる検査のためにポンプを停止することを推奨しました。 ポンプは最初の警報が作動した翌日に停止され、その後アフターマーケット サービス センターに送られました。

この推奨事項は正確であることが証明されました。 検査の結果、ベアリングに軽度のシール漏れと汚染が見つかった。 破片がベアリングに擦れやかじりを引き起こしていました。 ポンプとモーターの状態は比較的軽微な損傷を示していたため、ポンプを簡単に修理することができ、メーカーから新しいポンプとモーターを購入するための費用と納期を回避できました。

損傷したユニットは修理されましたが、問題のあるポンプを交換するためにスペアが取り付けられました。 利用可能なスペアがなかったため、他のすべてのポンプが適切に動作することが不可欠でした。 状態監視により、エンド ユーザーは 24 時間年中無休でシステムを監視し続けることができました。 画像 7 は、予備ユニットの全体的な振動振幅レベルが許容範囲内であることを示しています。

差し迫った故障を予測し、重大な損傷が発生する前にポンプを取り外して改修することができたため、エンド ユーザーは、新品の数分の 1 の費用で、より適切で迅速なスケジュールで修理されたマシンを受け取ることができました。 さらに、修理の所要時間が短いため、エンド ユーザーは、ポンプに再び故障が発生した場合に備えて、利用可能なスペアを手元に用意しておくことができました。

これらの水中ポンプの状態監視テクノロジーの先進的な導入により、エンド ユーザーはプロセスの稼働時間を維持し、機器の信頼性を向上させ、この重要なシステムの維持にかかる全体的なコストを削減することができました。

Ares Panagoulias は、Hydro, Inc. で IIoT ワイヤレス状態監視製品およびサービスの販売およびエンジニアリングを管理しています。連絡先は [email protected] です。 詳細については、www.hydroinc.com/sensors をご覧ください。