COMUNICACION 1

INTRODUCCIÓN

En el primer artículo comencé a describir qué es la Industria 4.0, dando importancia, además de todos los aspectos que cubren esta nueva revolución industrial, a la comunicación. De hecho, todas las agallas que cubren la Industria 4.0, sin una interconexión entre los sistemas, la comunicación, la Industria 4.0 y todo lo que conlleva no es posible.

Necesitamos recopilar datos de varios dispositivos o máquinas con el fin de analizar y pre v hiedras su comportamiento. Sin la comunicación, estable y fiable, este o no se puede.

En este artículo y en el siguiente, comenzaré un análisis de cómo se comunican los sistemas electrónicos, en qué se basa la comunicación digital en la actualidad. Haré una historia corta para presentar cómo nacieron los protocolos y estándares de comunicación. La comunicación de hoy comienza y se basa en el sistema ISO / OSI, pero antes de entrar en el estudio de este sistema, veamos cómo se comunican los sistemas.

HISTORIA DE COMUNICACIÓN CORTA E INADECUADA

Esto no pretende ser una historia detallada de la comunicación, sino solo una breve introducción.

La comunicación siempre ha sido la base del desarrollo de nuestra civilización. Al principio era comunicación sólo verbal, entonces comenzó a mirar piedra, con dibujos de la cueva de neolithic

luego en tabletas de cera y arranques no incluso el prim y la comunicazion la distancia con señales de humo o fuego y tambores

más tarde que se descubrió el telégrafo, el código Morse, el teléfono, y desde el descubrimiento de teléfono se puede decir que llegó la comunicación moderna , con la transmisión de voz, imagen, música y videos.

COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORAS _[1]

Hablando de la industria 4.0, hablamos de comunicación entre dispositivos electrónicos. Los dispositivos electrónicos se comunican principalmente con dos tipos de conexiones, en paralelo y en serie. En las comunicaciones paralelas de la capa física están constituidos por un número de líneas o cables, igual al número de bits necesarios para formar la información a transmitir, en cada línea de un bit. En las comunicaciones en serie, la capa física está formada por una sola línea y los bits que componen la información se envían en secuencia. Ambas comunicaciones necesitan sincronización para que el receptor pueda reconocer la información que recibe.

Comunicaciones paralelas por el momento en que las dejamos de lado y quizás las reanudaremos más adelante con más detalle, aquí continuaremos con las comunicaciones en serie ya que todas las comunicaciones son en serie. Las comunicaciones en serie son menos costosas que las paralelas, ya que ocupan menos espacio tanto a nivel de circuito como a nivel general y, por lo tanto, las infraestructuras para soportar esta tecnología tienen dimensiones generales más pequeñas.

Las conexiones en serie se dividen en dos grupos, transmisiones sincrónicas y transmisiones asincrónicas. Las transmisiones asincrónicas se caracterizan por una línea mantenida en el nivel lógico 1, hasta que se transmiten los datos. Antes de cada conjunto de datos, la línea se lleva al nivel lógico 0 durante un período de tiempo correspondiente a un bit, esto le indica al receptor el inicio de una transferencia de datos y permite la sincronización entre la fuente y el destinatario. La duración del bit se conoce (tanto para el transmisor como para el receptor) a medida que se define la velocidad de transmisión. Al final del mensaje, la línea se lleva al nivel lógico 1 durante un período de tiempo igual a un cierto número de bits.

Transmisiones síncronas, la sincronización está dada por una señal de reloj inherente al paquete de datos, que es captada por un circuito especial llamado circuito de bloqueo de fase. Esta técnica es la más eficiente y más adecuada para altas velocidades.

Para la transmisión de datos y Sisto hay varias codificaciones, todos creados para simplificar los circuitos de codificación y decodificación, y el más famoso , o más bien los que son más extendida son:

– la codificación bipolar o NRZ-L: del nivel cero lógico es el nivel de alto voltaje y viceversa

– Codificación NRZI: el nivel lógico 1 corresponde a una transición de voltaje, mientras que cero corresponde a ninguna transición

– Manchester codifica: la transición de voltaje dentro del intervalo de tiempo del bit: 1 flanco ascendente, 0 flanco descendente

– Codificación diferencial Manchester: la transición tiene lugar en el centro del intervalo de tiempo de bit. El 0 corresponde a esta transición, mientras que el que está ausente de esta transición

Características clave y problemas de las redes _[2]

Lo que caracteriza a una red son los siguientes atributos

TOPOLOGÍA La topología se refiere a la forma en que se conectan las distintas estaciones o nodos de la red.

REDES DE CONMUTACIÓN DE CIRCUITO Y CONMUTACIÓN DE PAQUETES la conexión entre dos o más nodos se puede hacer de dos maneras , generalmente:

– redes de conmutación de circuitos, en las que se establece un canal de comunicación física a través de la red, entre el emisor y el receptor

– redes de paquetes conmutados, en los que los mensajes se dividen en paquetes y se transmiten a través de la red al destinatario

CONTROL DE ACCESO AL CANAL TRANSMISOR En las redes de conmutación de circuitos es necesario proporcionar mecanismos que permitan a cada usuario solicitar una conexión con el socio deseado. Mientras que para las redes de conmutación de paquetes en las que todos los usuarios están conectados a un solo canal de transmisión, el problema surge de vez en cuando cuál de los usuarios tiene derecho a usar el canal y resolver cualquier conflicto.

ENRUTAMIENTO DE MENSAJES En las redes de conmutación de paquetes existe el problema de establecer la ruta de los paquetes dentro de la red.

INTERCONEXIÓN ENTRE REDES DIFERENTES Para resolver este problema, necesitamos confiar en dispositivos adicionales que tengan un nombre diferente dependiendo del número de niveles ISO / OSI que implementen.

CONCLUSIONES

Hasta este momento, solo hemos hecho una descripción general de los diversos métodos para crear una red informática. Una descripción general necesaria para poder presentar los próximos artículos que analizarán con más detalle el modelo ISO / OSI e Internet, que todos conocemos. Esto era necesario porque hay muchos métodos o protocolos de comunicación patentados y no patentados en la industria, por lo que debemos entender cómo interconectar las diversas redes y recopilar o intercambiar los datos que necesitamos . Dado que Industry 4.0 es una innovación que brinda la posibilidad de compartir y procesar datos, es necesario comprender cómo nacen estas arquitecturas de red para conectarlas entre sí. Esto ayuda a que el modelo ISO / OSI, que vamos a empezar a ver y reyes en futuros artículos.

BIBLIOGRAFÍA – SITOGRAFÍA

[1] Manual del ingeniero – Nueva edición 84 de Colombo – Tercer volumen – Sección N – Página 181
[ 2 ] Manual del ingeniero – Nueva edición 84 de Colombo – Tercer volumen – Sección N – Página 18 6

REVISIONES

13 ABRIL 2020 Publicación

COMMUNICATION 1

INTRODUCTION

In the first article I started to describe what is Industry 4.0, giving importance, in addition to all the aspects that cover this new industrial revolution, to communication. In fact, all the gills that Industry 4.0 covers, without an interconnection between systems, therefore communication, Industry 4.0 and everything it entails is not possible.

We need to gather data from various devices and/or machines in order to analyze and to forecast their behavior. Without communication, stable and reliable, this in not possible.

In this article and in the nexts, I will begin an analysis of how electronic systems communicate, on what basis digital communication is based today. I will make a short story to introduce how communication protocols and standards were born. Today’s communication starts and is based on the ISO/OSI system, but before going into the study of this system, let’s see how the systems communicate.

SHORT AND INACCURATE HISTORY OF COMMUNICATION

This is not intended to be a detailed history of communication, but only a brief introduction.

Communication has always been the basis of the development of our civilization. At the beginning the communication was only verbal, then it started to be fixed on stone, with the rock drawings of the Neolithic

then on wax tablets and also the first begin remote communication with smoke or fire signals and with drums

later it was discovered the telegraph, Morse code, the phone, and from the phone discovery we can say that came the communication modern , with the transmission of voice, images, music and videos.

COMMUNICATION BETWEEN CALCULATORS_[1]

Speaking of industry 4.0 we talk about communication between electronic devices. Electronic devices communicate mainly with two types of connections, parallel and serial. In the parallel communications the physical layer are constituted by a number of lines or wires, equal to the number of bits needed to form the information to be transmitted, on each line one bit. In the serial communications the physical layer is made up of a single line and the bits that make up the information are sent in sequence. Both of these communications need synchronization so that the receiver can recognize the information it receives.

Parallel communications for the moment we leave them aside and perhaps we will resume them later in more detail, here we will continue with serial communications as all communications are serial. Serial communications are less expensive than parallel ones since they take up less space both at the circuit level and at the overall level and therefore the infrastructures to support this technology have smaller overall dimensions.

Serial connections are divided into two groups, synchronous transmissions and asynchronous transmissions. Asynchronous transmissions are characterized by a line maintained at logic level 1, until data is transmitted. Before each set of data, the line is brought to logic level 0 for a period of time corresponding to a bit, this signals to the receiver the start of a data transfer and allows synchronization between source and receiver. The duration of the bit is known (both to the transmitter and to the receiver) as a transmission speed is defined. At the end of the message the line is brought to logic level 1 for a period of time equal to a certain number of bits.

In the synchronous transmissions, synchronization is given by a clock signal inherent in the data packet, which is pic\ked up by a special circuit called phase locking circuit. This technique is the most efficient and most suitable for high speeds.

For data transmission there are various encodings, all created to simplify the encoding and decoding circuits, and the most famous or better those that have spread most are:

– bipolar encoding or NRZ-L: the logical zero level is the high voltage level and vice versa

– NRZI coding: logic level 1 corresponds to a voltage transition, while zero corresponds to no transition

– Manchester coding: the voltage transition occurs within the time interval of the bit: 1 rising edge, 0 falling edge

– Manchester differential coding: the transition takes place in the center of the bit time interval. The 0 corresponds to this transition, while the one is absent from this transition

Key features and issues of networks _[2]

What characterizes a network are the following attributes

TOPOLOGY topology refers to the way in which the various stations or nodes in the network are connected

CIRCUIT SWITCHING AND PACKAGE SWITCHING NETWORKS the connection between two or more nodes can be done in two ways , usually:

– circuit-switched networks, in which a physical communication channel is established through the network, between sender and receiver

– packet-switched networks, in which messages are broken up into packets and transmitted across the network, to the recipient

CONTROL OF ACCESS TO THE TRANSMISSIVE CHANNEL In circuit-switched networks it is necessary to provide mechanisms that allow each user to request a connection to the desired partner. While for packet-switched networks in which all users are connected to a single transmission channel, the problem arises from time to time which of the users has the right to use the channel and to resolve any conflicts.

ROUTING OF MESSAGES In packet-switched networks there is the problem of establishing the path of packets within the network.

INTERCONNECTION BETWEEN DIFFERENT NETWORKS To solve this problem we need to rely on additional devices that take a different name depending on the number of ISO / OSI levels they implement.

CONCLUSIONS

Up to this point we have only made an overview of the various methods of creating a computer network. An overview necessary to be able to introduce the next articles that will analyze in more detail the ISO / OSI model and the internet, which we all know. This was necessary because there are many proprietary and non-proprietary communication methods or protocols in the industry, so we need to understand how to interface the various networks and collect or exchange the data we need . Given that Industry 4.0 is an innovation that gives the possibility of sharing and processing data, it is necessary to understand how these network architectures are born in order to connect them to each other. In this the ISO / OSI model helps us, which we will begin to see in the next articles.

BIBLIOGRAPHY – SITOGRAPHY

[1] Engineer’s manual – New Colombo 84th edition – Third volume – Section N – Page 181
[ 2 ] Engineer’s manual – New Colombo 84th edition – Third volume – Section N – Page 186

REVISIONS

13 APRIL 2020 Publication

COMUNICAZIONE 1

INTRODUZIONE

Nel primo articolo ho iniziato a descrivere che cos’è l’Industria 4.0, dando rilevanza, oltre a tutti gli aspetti che copre questa nuova rivoluzione industriale, alla comunicazione. Infatti tutte le branchie che copre l’Industria 4.0, senza una interconnessione tra sistemi, quindi comunicazione, l’Industria 4.0 e tutto quello che comporta non è possibile.

Abbiamo bisogno di raccogliere i dati dai vari dispositivi o macchine in modo da analizzarli e prevedere il loro comportamento. Senza una comunicazione, stabile ed affidabile, questo non è possibile.

In questo articolo e nei prossimi, inizierò un’analisi di come i sistemi elettronici comunicano, su che basi si poggia la comunicazione digitale di oggi. Farò una breve storia per introdurre come sono nati i protocolli e gli standard di comunicazione. La comunicazione di oggi parte e si basa sul sistema ISO/OSI, ma prima di inoltrarci nello studio di questo sistema, andiamo a vedere, come i sistemi comunicano.

BREVE ED IMPRECISA STORIA DELLA COMUNICAZIONE

Questa non vuole essere una storia dettagliata della comunicazione, ma solo una breve introduzione.

La comunicazione è sempre stata alla base dello sviluppo della nostra civiltà. All’inizio la comunicazione era solo verbale, poi si è iniziato a fissarla su pietra, con i disegni rupestri del neolitico

poi su tavolette di cera ed iniziano anche la prime la comunicazioni a distanza con i segnali di fumo o di fuoco e con tamburi

successivamente è stato scoperto il telegrafo, il codice morse, il telefono, e dalla scoperta del telefono possiamo dire che è nata la comunicazione moderna, con la trasmissione di voce, immagini, musica e video.

COMUNICAZIONE TRA CALCOLATORI_[1]

Parlando di industria 4.0 parliamo di comunicazione tra dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici comunicano principalmente con due tipi di connessioni, parallele e seriali. Nelle comunicazioni parallele il livello fisico sono costituite da un numero di linee o fili, pari al numero di bit necessari a formare l’informazione da trasmettere, su ogni linea un bit. Nelle comunicazioni seriali il livello fisico è costituito da una sola linea ed i bit che formano l’informazione sono inviati in sequenza. Entrambe queste comunicazioni hanno bisogno di una sincronizzazione in modo che il ricevitore riesca a riconoscere le informazioni che riceve.

Le comunicazioni parallele per il momento le lasciamo da parte e forse le riprenderemo più avanti in modo più dettagliato, qui proseguiremo con le comunicazioni seriali in quanto tutte le comunicazioni sono di tipo seriale. Le comunicazioni seriali sono meno dispendiose rispetto alle parallele in quanto occupano meno spazio sia a livello circuitale sia a livello di ingombro e quindi le infrastrutture per supportale tale tecnologia hanno ingombri minori.

Le connessioni seriali si dividono in due gruppi, trasmissioni sincrone e trasmissioni asincrone. Le trasmissioni asincrone sono caratterizzate da una linea mantenuta a livello logico 1, finché non sono trasmessi i dati. Prima di ogni insieme di dati la linea è portata a livello logico 0 per un periodo di tempo corrispondente ad un bit, ciò segnala al ricevitore l’inizio di un trasferimento dati e permette la sincronizzazione tra sorgente e destinatario. La durata del bit è nota (sia al trasmettitore, sia al ricevitore) in quanto è definita una velocità di trasmissione. Alla fine del messaggio la linea è portata a livello logico 1 per un periodo di tempo pari ad un certo numero di bit.

Le trasmissioni sincrone, la sincronizzazione è data da un segnale di clock insito nel pacchetto di dati, che è captato da un circuito apposito denominato circuito di aggancio di fase. Questa tecnica è la più efficiente e più adatta alle alte velocità.

Per la trasmissione dati esistono varie codifiche, tutte creata a semplificare i circuiti di codifica e decodifica, e le più famose o meglio quelle che si sono diffuse maggiormente sono:

– codifica bipolare o NRZ-L: il livello logico zero è il livello di tensione alto e viceversa

– codifica NRZI: il livello logico 1 corrisponde ad una transizione della tensione, mentre lo zero corrisponde a nessuna transizione

– codifica Manchester: la transizione della tensione avviene all’interno dell’intervallo di tempo del bit: 1 fronte di salita, 0 fronte di discesa

– codifica Manchester differenziale: si ha la transizione al centro dell’intervallo di tempo del bit. Lo 0 corrisponde a questa transizione, mentre l’uno è assente questa transizione

Caratteristiche e problematiche fondamentali delle reti_[2]

Ciò che caratterizza una rete sono i seguenti attributi

TOPOLOGIA con topologia si intende il modo in cui sono connesse le varie stazioni o nodi presenti nella rete

RETI A COMMUTAZIONE DI CIRCUITO E A COMMUTAZIONE DI PACCHETTO il collegamento tra due o più nodi può essere fatto in due modi, solitamente:

– le reti a commutazione di circuito, nelle quali è stabilito un canale fisico di comunicazione attraverso la rete, tra mittente e destinatario

– le reti a commutazione di pacchetto, nelle quali i messaggi sono spezzettati in pacchetti e trasmessi attraverso la rete, fino al destinatario

CONTROLLO DELL’ACCESSO AL CANALE TRASMISSIVO nelle reti a commutazione di circuito è necessario prevedere meccanismi che consentano ad ogni utenti di richiedere un collegamento al partner desiderato. Mentre per le reti a commutazione di pacchetto in cui tutti gli utenti sono collegati ad un unico canale trasmissivo, si pone il problema di volta in volta quale degli utenti abbia il diritto all’uso del canale e di dirimere eventuali conflitti.

INSTRADAMENTO DEI MESSAGGI nelle reti a commutazione di pacchetto c’è il problema di stabilire il cammino dei pacchetti all’interno della rete.

INTERCONNESSIONE TRA RETI DIVERSE per risolvere questa problematica ci si deve appoggiare ad ulteriori dispositivi che prendono un nome diverso a seconda del numero di livelli ISO/OSI che implementano.

CONCLUSIONI

Fino a questo punto abbiamo solo fatto una panoramica dei vari metodi per creare una rete di calcolatori. Una panoramica necessaria per poter introdurre i prossimi articoli che andranno ad analizzare più in dettaglio il modello ISO/OSI e la rete internet, che tutti conosciamo. Questo è stato necessario perché nell’industria ci sono molti metodi o protocolli di comunicazione, proprietari e non, per questo abbiamo bisogno di capire come interfacciare le varie reti e prelevare o scambiare i dati che ci servono. Dato che l’industria 4.0 è un’innovazione che da la possibilità alla condivisione ed elaborazione dei dati, è necessario capire come nascono queste architetture di rete per poterle connettere tra di loro. In questo ci aiuta il modello ISO/OSI, che inizieremo a vedere nei prossimi articoli.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

[1] Manuale dell’ingegnere – Nuovo Colombo 84° edizione – Terzo volume – Sezione N – Pagina 181
[2] Manuale dell’ingegnere – Nuovo Colombo 84° edizione – Terzo volume – Sezione N – Pagina 186

REVISIONI

13 APRILE 2020 Pubblicazione

DIAGNÓSTICO 2

INTRODUCCIÓN

En el artículo anterior llegamos a definir que las vibraciones generadas por un dispositivo o una máquina son una fuente de información sobre el estado actual y que es posible identificar fallas a través de ellas. En este artículo analizaremos las vibraciones de qué y por qué se generan e intentaremos obtener un diagnóstico a través de su análisis.

VIBRACIONES DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA _[1]

Las principales áreas de vibración en máquinas eléctricas rotativas son:

Respuesta del núcleo del estator a la fuerza atractiva desarrollada entre el estator y el rotor.
Respuesta de los cabezales de los devanados del estator a las fuerzas electromagnéticas en los conductores.
Comportamiento dinámico del rotor
Respuesta de los cojinetes del eje a la vibración transmitida por el rotor.

Fuerzas electromagnéticas

La mayoría de las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en dos principios:

La fuerza ejercida sobre un conductor atravesado por una corriente eléctrica e inmerso en un campo magnético (Fuerza de Lorentz)
La fuerza producida por las estructuras ferromagnéticas atravesadas por un flujo magnético (Fuerza de Maxwell)

La fuerza que tiende a cerrar la brecha entre dos bloques de material ferromagnético se define como la fuerza radial del tensor de Maxwell. El tensor de Maxwell representa las fuerzas electromagnéticas que concurren en una máquina rotativa y son perpendiculares al estator y al rotor y simétricas, por lo tanto con cero resultante. La simetría perfecta puede ocurrir si y solo si el rotor y el estator son perfectamente concéntricos, por lo que son ideales. El tensor de Maxwell se puede representar en términos de inducción magnética ( B ) de la siguiente manera:

Unidad de medina

En las siguientes líneas está la demostración de que la frecuencia de vibración principal de un motor eléctrico es el doble de la frecuencia de potencia, por lo que las siguientes páginas son la demostración matemática de esta afirmación

El flujo magnético Φ viene dado por la fuerza magnetomotriz M dividida por la resistencia del circuito magnético (fòrmula a)

Dado que la reticencia del entrehierro es mucho mayor que la del núcleo de hierro, como primera aproximación tendemos a descuidar esta reticencia del núcleo al calcular la fuerza magnetomotriz necesaria para producir un flujo dado de magnates Φ .

La resistencia al espacio de aire es (fòrmula b)

donde

δ es la longitud delentrehierro [m ]
μ₀ es per la permeabilidad de vacío magnético [H / m ]
S es la superficie normal a través de la cual pasa el flujo [m 2 ]

el flujo Φ está dada por la densidad de flujo d ell’induzione magnético B que cruzó en una superficie perpendicular S (fòrmula c)

reuniendo las fórmulas anteriores [a, b y c] se obtiene

El componente armónico principal de la fuerza magnetomotriz M, tiene una distribución espacial sinusoidal al entrehierro, con un período que depende del número de pares de polos pp y la amplitud variable sinusoidalmente en el tiempo como una función de la frecuencia de potencia f

donde

Como consecuencia, el campo B tendrá el mismo comportamiento y su primer armónico.

Fórmula de inducción magnética

El componente radial del tensor de Maxwell es proporcional al cuadrado de B, por lo que eleva la expresión de B al cuadrado

recordamos eso

Cabe señalar que el componente radial debido al tensor de Maxwell tiene un componente sinusoidal con el tiempo con una frecuencia dos veces mayor que la frecuencia de potencia.

Para que la frecuencia principal de la caja de la vibración del estator es el doble de la frecuencia de alimentación, incluso cuando el rotor y el estator son perfectamente c o ncentrici.

En condiciones de perfecta simetría entre el rotor y el estator, si integramos el esfuerzo de Maxwell a lo largo de todo el espacio de aire, obtenemos que tanto los componentes horizontales como los verticales son nulos. Entonces tenemos que ir y verificar en caso de excentricidad

Excentricidad estática

Esta es la situación en la que el eje del rotor no está en eje con el eje del estator

Como el rotor es simétrico a su eje, no tenemos desequilibrio mecánico. En este caso, la longitud del espacio de aire puede expresarse

en la expresión de inducción magnética tenemos que la longitud del entrehierro es un denominador, por lo que debemos calcular la inversa

prueba que

reemplazando

obtienes

a partir de esto podemos calcular la inducción magnética debido a la excentricidad estática

reemplazando

Sabiendo que lo entiendes

obtienes

La inducción al entrehierro, en presencia de excentricidad estática, se debe a la interacción de tres armónicos con diferentes números de pares de polos.

este es el campo con pares de polos p_p como en el rotor concéntrico

En las siguientes dos fórmulas para una mayor legibilidad hemos recogido β

el campo con ( p_p -1) pares de polos

el campo con ( p_p +1) pares de polos

Al integrar el esfuerzo de Maxwell a lo largo del entrehierro, se obtiene una resultante diferente de cero en la dirección del entrehierro mínimo. Entonces, con la excentricidad estática hay un aumento de la doble vibración en comparación con la frecuencia de potencia.

Excentricidad dinámica

La excentricidad dinámica es el caso en el que el rotor gira alrededor del eje del estator y no a su propio eje. No es coincidente, también tiene un desequilibrio mecánico, que se puede expresar como una fuerza centrífuga que gira a la velocidad del rotor. El entrehierro gira a la velocidad Ω , por lo que su longitud se puede expresar de la siguiente manera

El excéntrico dinámico produce una fuerza electromagnética giratoria a las velocidades del rotor Ω , que se agrega a eso debido al desequilibrio mecánico.

Siguiendo el mismo razonamiento excentricidad estática puede ser calculado por la expresión de inducción magnética B y el tensor de Maxwell, que es proporcional al cuadrado de B . Se encuentra que la excentricidad dinámica también produce vibraciones a frecuencias

tener f_s es la frecuencia del estator y f_r es la frecuencia del rotor. Dónde en los motores asíncronos tendremos

mientras que en motores síncronos tendremos

M étodos para diagnosticar la excentricidad

Motores asincrónicos

Vemos en los párrafos anteriores que las amplitudes de los armónicos de vibración 2f_s , f_r , 2f_s ± f_r

aumenta rápidamente con excentricidad (estática y dinámica) especialmente cuando está vacío
la excentricidad estática tiene solo una pequeña influencia en el componente de frecuencia f_r

Las amplitudes de los armónicos actuales a la frecuencia f_s± f_r

su amplitud depende en gran medida del grado de excentricidad tanto estática como dinámica
El efecto de la excentricidad dinámica aumenta el paso de la carga nominal a la operación vacía.

Para diagnosticar la excentricidad del rotor en motores de jaula asíncronas, se han considerado otros armónicos de corriente, que también dependen del número de barras del rotor.

Generadores síncronos

Los armónicos actuales están en frecuencia 5f _s, 7f_s, 11f_s, 13f_s, 17f_s, 19f_s, , su amplitud aumenta con la excentricidad dinámica para ambos tipos de rotor (polos lisos, polos salientes).

Motores brushless

La amplitud de los componentes de la fuerza radial y, en consecuencia, los armónicos de vibración aumentan con la excentricidad dinámica. Aumenta más en motores de imán interno que en motores de imán de superficie. Porque la posición diferente de los imanes crea una distribución diferente del flujo magnético en el hierro.

conclusiones

La excentricidad provoca una fuerza electromagnética desequilibrada en el rotor, llamada tracción magnética no equilibrada (UMP), que intenta mover el rotor aún más. Esto puede causar un aumento en el desgaste de los rodamientos. Además, las fuerzas debidas a la excentricidad someten los devanados del estator a vibraciones potencialmente dañinas. Una UMP alta puede hacer que el rotor roce el estator.

Aquí concluyo, nos centramos principalmente en el análisis de vibraciones, ya que el análisis de vibraciones es la técnica más extendida en este momento y nos permite diagnosticar una posible excentricidad del rotor. No continúo con el diagnóstico, ya que los siguientes puntos de análisis no son el tema del desarrollo actual de estas páginas. En los próximos artículos discutiremos otros temas de la industria 4.0, como la comunicación, la gestión de la gran cantidad de datos generados por los diversos sensores presentes en una planta.

Cabe señalar que todas las pruebas son ecuaciones lineales, pero como ya sabemos desde la década de 1960, la naturaleza ciertamente no es una ecuación lineal. Un famoso ingeniero dijo: Dios no podría ser más grosero al usar ecuaciones no lineales para la naturaleza _[2]. Esto es para anticipar que todos los resultados empíricos que encontraremos siempre diferirán de la teoría.

BIBLIOGRAFÍA – SITOGRAFÍA

[ 1 ] Análisis de vibraciones 2 por Lucia Frosini, profesora de la Universidad de Pavía.
[2] “¿Dios juega a los dados? Las nuevas matemáticas del caos” por Ian Stewart, p. 89

REVISIONES

25 de diciembre de 2019 Publicación

DIAGNOSTICS 2

INTRODUCTION

In the previous article we came to define that the vibrations generated by a device or a machine are a source of information on the current state and that it is possible to identify faults through them. In this article we will analyze the vibrations from what and why they are generated and we will try to get a diagnosis through their analysis.

VIBRATIONS OF AN ELECTRIC MACHINE _{[
1 ]}

The main areas of vibration in rotating electrical machines are:

Response of the stator core to the attractive force developed between stator and rotor
Response of the heads of the stator windings to the electromagnetic forces in the conductors
Rotor dynamic behavior
Response of the shaft bearings to the vibration transmitted by the rotor

Electromagnetic forces

Most electrical machines base their operation on two principles:

The force exerted on a conductor crossed by an electric current and immersed in a magnetic field (Lorentz Force)
The force produced by ferromagnetic structures traversed by a magnetic flux (Maxwell Force)

The force that tends to close the gap between two blocks of ferromagnetic material is defined as the radial force of the Maxwell tensor. The Maxwell tensor represents the electromagnetic forces that concur in a rotating machine and are perpendicular to the stator and to the rotor and symmetric, therefore with resultant zero. The perfect symmetry can occur if and only if the rotor and stator are perfectly concentric, so ideals. The Maxwell tensor can be represented in terms of magnetic induction ( B ) as follows:

In the next lines there is the demonstration that the main vibration frequency of an electric motor is double the power frequency, so the following pages are the mathematical demonstration of this assertion.

The magnetic flux Φ is given by the magnetomotive force M divided by the reluctance of the magnetic circuit (figure a)

given that the reluctance of the air gap is much higher than that of the iron core, as a first approximation we tend to neglect this reluctance of the core in calculating the magnetomotive force necessary to produce a given flow of magnates Φ .

The reluctance to the air gap is (formule b)

where is it

δ is the length of the air gap [m ]
μ₀ is pe r magnetic vacuum permeability [H / m ]
S is the normal surface through which the flow passes [m²]

the flow Φ is given by the flux density d ell’induzione magnetic B that crossed in a perpendicular surface S (formula c)

putting together the previous formulas [a, b and c] is obtained

The main harmonic component of the magnetomotive force M, has a sinusoidal spatial distribution to the air gap, with a period that depends on the number of pairs of poles pp and amplitude variable sinusoidally over time as a function of the feeding frequency f

where is it

As a consequence the field B will have the same behavior and its first harmonic

Formula of magnetic induction

The radial component of the Maxwell tensor is proportional to the square of B, so raising the expression of B to the square

we remember that

It should be noted that the radial component due to the Maxwell tensor has a sinusoidal component over time with a frequency twice the power frequency.

To which the main frequency of the stator case vibration is twice the power supply frequency, even when the rotor and stator are perfectly c or ncentrici.

In conditions of perfect symmetry between rotor and stator, if we integrate the Maxwell effort along the entire air gap we get that both the horizontal and vertical components are null. So we have to go and check in case of eccentricity

Static eccentricity

This is the situation in which the rotor axis is not in axis with the stator axis

Since the rotor is symmetrical to its axis we have no mechanical unbalance. In this case the length of the air gap can be expressed

in the expression of magnetic induction we have that the length of the air gap is a denominator, so we must calculate the inverse

proves that

placing

Knowing that you get it

from this we can calculate the magnetic induction due to static eccentricity

placing

remembering that

you get

the induction to the air gap, in the presence of static eccentricity, is due to the interaction of three harmonics with different numbers of pairs of poles

this is the field with p_p pairs of poles as in the concentric rotor

in the next two formulas for greater readability we have collected β

the field with ( p_p -1) pairs of poles

the field with ( p_p +1) pairs of poles

By integrating the Maxwell effort along the air gap, a resultant different from zero is obtained in the direction of the minimum air gap. So with static eccentricity there is an increase of the double vibration compared to the power frequency.

Dynamic eccentricity

the dynamic eccentricity is the case in which the rotor rotates around the axis of the stator and not to its own axis. Not coincident, it also has a mechanical unbalance, which can be expressed as a centrifugal force that rotates at the speed of the rotor. The air gap rotates at the speed Ω , so its length can be expressed as follows

the dynamic eccentric produces a rotating electromagnetic force at the rotor speeds Ω , which is added to that due to mechanical unbalance.

Following the same reasoning static eccentricity can be calculated by the expression magnetic induction B and the Maxwell tensor which is proportional to the square of B . It is found that dynamic eccentricity also produces vibrations at frequencies

having f_s is the stator frequency and f _r is the rotor frequency. Where in the asynchronous engines we will have

while in synchronous engines we will have

Methods to diagnose eccentricity

Asynchronous Motors

We see in the previous paragraphs that the amplitudes of the vibration harmonics 2f_s , f_r , 2f_s ±f_r

it increases rapidly with eccentricity (static and dynamic) especially when empty
static eccentricity has only a small influence on the frequency component f_r

The amplitudes of the current harmonics at frequency f_s±f _r

their amplitude is strongly dependent on the degree of eccentricity both static and dynamic
the effect of dynamic eccentricity increases passing from the nominal load to the empty operation

To diagnose the rotor eccentricity in asynchronous cage motors, other current harmonics have been considered, which also depend on the number of rotor bars.

Synchronous generators

The current harmonics are at frequency 5f_s , 7f_s, 11f_s , 13f_s , 17f_s , 19f_s , their amplitude increases with the dynamic eccentricity for both types of rotor (smooth poles, salient poles).

Brushless motors

the amplitude of the radial force components and consequently the vibration harmonics increases with the dynamic eccentricity. Increases more in internal magnet motors than in surface magnet motors. Because the different position of the magnets creates a different distribution of the magnetic flux in the iron.

Conclusions

The eccentricity causes an unbalanced electromagnetic force on the rotor, called Unbilanced Magnetic Pull (UMP), which tries to move the rotor further. This can cause an increase in bearing wear. Furthermore the forces due to eccentricity subject the stator windings to potentially damaging vibrations. A high UMP can cause the rotor to rub on the stator.

Here I conclude, we focused mainly on the analysis of vibrations, as vibration analysis is the most widespread technique at the moment and allows us to diagnose a possible eccentricity of the rotor. I do not continue with diagnostics as the next points of analysis are not the subject of the current development of these pages. In the next articles we will address other topics of industry 4.0 such as communication, the management of the large amount of data generated by the various sensors present in a plant, for monitoring the status.

It should be noted that all the proofs are linear equations, but as we already know from the sixties, nature is certainly not a linear equation. A famous engineer said: God could not be more rude to use non-linear equations [2]. This is to anticipate that all the empirical results that we will find will always depart from the theory.It should be noted that all the proofs are linear equations, but as we already know from the 60s, nature is certainly not a linear equation. A famous engineer said: God could not be more rude to use non-linear equations [2]. This is to anticipate that all the empirical results that we will find will always depart from the theory.

BIBLIOGRAPHY – SITOGRAPHY

[ 1 ] Vibration analysis 2 by Lucia Frosini, professor at the University of Pavia
Does God Play Dice? The New Mathematics of Chaos

REVISIONS

25 December 2019 Publication

DIAGNOSTICA 2

INTRODUZIONE

Nell’articolo precedente siamo giunti a definire che le vibrazioni generate da un dispositivo o da una macchina, sono fonte d’informazione sullo stato attuale e che è possibile individuare attraverso esse i guasti. In questo articolo analizzeremo le vibrazioni da cosa e perché sono generate e cercheremo di ottenere una diagnosi attraverso la loro analisi.

VIBRAZIONI DI UNA MACCHINA ELETTRICA_[1]

Le principali aree di vibrazione nelle macchine elettriche rotanti sono:

Risposta del nucleo di statore alla forza attrattiva sviluppata tra statore e rotore
Risposta delle testate degli avvolgimenti di statore alle forze elettromagnetiche nei conduttori
Comportamento dinamico del rotore
Risposta dei cuscinetti dell’albero alla vibrazione trasmessa dal rotore

Forze elettromagnetiche

La maggior parte delle macchine elettriche basa il proprio funzionamento su due principi:

La forza esercitata su di un conduttore percorso da corrente elettrica ed immerso in un campo magnetico (Forza di Lorentz)
La forza prodotta da strutture ferromagnetiche percorse da un flusso magnetico (Forza di Maxwell)

La forza che tende a chiudere il traferro tra due blocchi di materiale ferromagnetico è definita come la forza radiale del tensore di Maxwell. Il tensore di Maxwell rappresenta le forze elettromagnetiche che concorrono in una macchina rotante e sono perpendicolari allo statore ed al rotore e simmetriche, quindi con risultante zero. La perfetta simmetria può avvenire se e solo se rotore e statore sono perfettamente concentrici, per cui ideali. Il tensore di Maxwell può essere rappresentato in termini di induzione magnetica (B) come segue:

Unità di misura

Nelle prossime righe c’è la dimostrazione che la frequenza principale di vibrazione di un motore elettrico è il doppio della frequenza di alimentazione, per cui le pagine che seguono sono la dimostrazione matematica di questa asserzione.

Il flusso magnetico Φ è dato dalla forza magnetomotrice M diviso la riluttanza del circuito magnetico (formula a)

dato che la riluttanza del traferro è molto più elevata di quella del nucleo in ferro, in prima approssimazione si tende a trascurare questa riluttanza del nucleo nel calcolo della forza magnetomotrice necessaria a produrre un determinato flusso magnetico Φ.

La riluttanza al traferro è (formula b)

dove

δ è lunghezza del traferro [m]
μ₀ è permeabilità magnetica del vuoto [H/m]
S è la superficie normale attraverso cui passa il flusso [m²]

il flusso Φ è dato dalla densità di flusso dell’induzione magnetica B che attraversa una superficie perpendicolare S (formula c)

mettendo assieme le formule precedenti [a, b e c] si ottiene

La componente armonica principale della forza magnetomotrice M, ha una distribuzione spaziale sinusoidale al traferro, con periodo che dipende dal numero di paia di poli p_pe ampiezza variabile sinusoidalmente nel tempo in funzione della frequenza di alimentazione f

dove

Di conseguenza anche il campo B avrà lo stesso comportamento e la sua prima armonica

Formula dell’induzione magnetica

La componente radiale del tensore di Maxwell è proporzionale al quadrato di B per cui elevando al quadrato l’espressione di B

ricordiamo che

Si nota che la componente radiale dovuta al tensore di Maxwell presenta una componente sinusoidale nel tempo con frequenza doppia della frequenza di alimentazione.

Per cui la frequenza principale delle vibrazioni della cassa di statore è due volte la frequenza di alimentazione, anche quando rotore e statore sono perfettamente concentrici.

In condizioni di perfetta simmetria tra rotore e statore, se integriamo lo sforzo di Maxwell lungo tutto il traferro otteniamo che entrambe le componenti orizzontale e verticale sono nulle. Per cui dobbiamo andare a verificare in caso di eccentricità

Eccentricità statica

È la situazione in cui l’asse del rotore non è in asse con l’asse dello statore

Dato che il rotore è simmetrico al proprio asse non abbiamo sbilanciamento meccanico. In questo caso la lunghezza del traferro può essere espressa

nell’espressione dell’induzione magnetica (vista nel paragrafo precedente) abbiamo che la lunghezza del traferro è a denominatore, per cui dobbiamo calcolare l’inverso

si dimostra che

ponendo

si ottiene

da questa possiamo calcolare l’induzione magnetica dovuta all’eccentricità statica

ponendo

ricordando che

si ottiene

l’induzione al traferro, in presenza di eccentricità statica, è dovuto all’interazione di tre armoniche con diversi numeri di paia di poli

questo è il campo con p_p paia di poli come nel rotore concentrico

nelle prossime due formule per maggior leggibilità abbiamo raccolto β

il campo con (p_p-1) paia di poli

il campo con (p_p+1) paia di poli

Integrando lo sforzo di Maxwell lungo il traferro si ottiene una risultante diversa da zero nella direzione del traferro minimo. Per cui con eccentricità statica si ha un aumento della vibrazione doppia rispetto alla frequenza di alimentazione.

Eccentricità dinamica

l’eccentricità dinamica è il caso in cui il rotore ruota attorno all’asse dello statore e non al proprio asse. Non essendo coincidenti, si ha anche uno sbilanciamento meccanico, che può essere espresso come una forza centrifuga che ruota alla velocità del rotore. Il traferro ruota alla velocità Ω, per cui la sua lunghezza può essere espressa così

l’eccentrica dinamica produce una forza elettromagnetica rotante alle velocità del rotore Ω, che si aggiunge a quella dovuto allo sbilanciamento meccanico.

Seguendo lo stesso ragionamento dell’eccentricità statica si può calcolare l’espressione dell’induzione magnetica B e del tensore di Maxwell che è proporzionale al quadrato di B. Si trova che l’eccentricità dinamica produce delle vibrazioni anche alle frequenze

dover f_s è la frequenza dello statore ed f_r è la frequenza del rotore. Dove nei motori asincroni avremo

mentre nei motori sincroni avremo

Metodi per diagnosticare l’eccentricità

Motori Asincroni

Si è visto nei paragrafi precedenti che l’ampiezza delle armoniche di vibrazione 2f_s, f_r, 2f_s±f_r

aumenta rapidamente con l’eccentricità (statica e dinamica) specialmente a vuoto
l’eccentricità statica ha solo una piccola influenza sulla componente a frequenza f_r

L’ampiezza delle armoniche di corrente a frequenza f_s±f_r

è fortemente dipendente dal grado di eccentricità sia statica che dinamica
l’effetto dell’eccentricità dinamica aumenta passando dal funzionamento a carico nominale a quello a vuoto

Per diagnosticare l’eccentricità di rotore nei motori asincroni a gabbia, sono state considerate altre armoniche di corrente, che dipendono anche dal numero di barre di rotore.

Generatori sincroni

Le armoniche di corrente sono a frequenza 5f_s, 7f_s, 11f_s, 13f_s, 17f_s, 19f_s, la loro ampiezza aumenta con l’eccentricità dinamica per entrambi i tipi di rotore (poli lisci, poli salienti).

Motori Brushless

l’ampiezza dei componenti di forza radiale e di conseguenza le armoniche di vibrazione, aumenta con l’eccentricità dinamica. Aumenta maggiormente nei motori a magneti interni, rispetto a quelli a magneti superficiali. Perché la diversa posizione dei magneti crea una diversa distribuzione del flusso magnetico nel ferro.

Conclusioni

L’eccentricità provoca una forza elettromagnetica sbilanciata sul rotore, chiamata Unbilanced Magnetic Pull (UMP), che cerca di spostare ulteriormente il rotore. Questo può provocare un aumento della dell’usura dei cuscinetti. Inoltre le forze dovute all’eccentricità, sottopongono gli avvolgimenti di statore a vibrazioni potenzialmente dannose. Un elevato UMP può provocare uno strisciamento del rotore sullo statore.

Qui concludo, ci siamo soffermati soprattutto sull’analisi delle vibrazioni, in quanto l’analisi delle vibrazione è la tecnica più diffusa al momento e ci permette di diagnosticare una eventuale eccentricità del rotore. Non proseguo con la diagnostica in quanto i prossimi punti di analisi non sono oggetto dell’attuale sviluppo di queste pagine. Nei prossimi articoli affronteremo altri temi dell’industria 4.0 come la comunicazione, la gestione della grossa mole di dati generata dai vari sensori presenti in un impianto, per il monitoraggio dello stato.

Si fa notare che tutte le dimostrazioni sono equazioni lineari, ma come già sappiamo dagli anni 60, la natura non è certo un’equazione lineare. Un famoso ingegnere disse: Dio non potrebbe essere più scortese da usare per la natura equazioni non lineari _[2]. Questo per anticipare che tutti i risultati empirici che troveremo discosteranno sempre dalla teoria.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

[1] Analisi delle vibrazioni 2 di Lucia Frosini, docente Università di Pavia
[2] “Dio gioca a dadi? La nuova matematica del caos” di Ian Stewart, pg.89

REVISIONI

25 DICEMBRE 2019 Pubblicazione

DIAGNOSTICA

INTRODUZIONE

Con l’articolo sull’industria 4.0 si è parlato che l’analisi dei dati può prevenire fermi macchina improvvisi e quindi prevedere riparazioni o sostituzioni in momenti più consoni alla produzione.

Gran parte della teoria dell’industria 4.0 si basa su un’analisi di dati, provenienti da vari sensori distribuiti nell’impianto o nella macchina, da questa analisi ne esce una predizione su possibili guasti o fermi macchina. Senza uno studio o senza avere delle basi di diagnostica e manutenzione anche il miglior programmatore/software non riuscirà a prevedere il deterioramento di un dato componente. In questo articolo, cercherò di introdurre il concetto di diagnostica e manutenzione, cercando di mantenere una linea generale in modo da riuscire a coprire il maggior numero di casi.

DIAGNOSTICA

[1] La diagnostica: è una procedura di traduzione, delle informazioni derivanti dalla misura dei parametri e dalla raccolta di dati relativi alla macchina, in informazioni sui guasti effettivi o incipienti della macchina stessa. La diagnostica è un protezione al guasto, cioè si attiva a guasto avvenuto, per questo in ottica 4.0 è necessario trasformare la protezione in prevenzione, ma per eseguire questo passaggio è necessario capire i principi di diagnosi e di manutenzione.

[1] Qui iniziamo a parlare di manutenzione preventiva, la quale presenta alcuni difetti:

– per ovvi motivi economici gli interventi di manutenzione non possono esser frequenti

– durante le fasi di revisione si cerca di effettuare tutti controlli riparazioni e sostituzioni possibili, anche quelli non necessariamente necessari. Facendo lievitare i costi ed i tempi durante queste fasi di manutenzione.

Per risolvere questi difetti di natura economica e mantenere allo stesso tempo una macchina efficiente dobbiamo iniziare a parlare di diagnosi predittiva. Questo termine significa avere lo stato effettivo di ogni componente in modo da prevedere o determinare con un alto grado di affidabilità, quando il componente potrà rompersi, dando la possibilità di pianificare interventi mirati e quyindi ridurre i costi di manutenzione.

DIAGNOSTICA DELLE MACCHINE ROTANTI

[2] Iniziamo con l’analizzare i motori e loro cause di guasto, questo perché i motori sono presenti in tutta l’automazione industriale e quindi una delle principali cause di malfunzionamento degli impianti. In più conoscendo le principali cause di rottura sarà possibile avere diagnosi più accurate.

Dove posso avvenire i guasti in un motore

questo argomento non è di facile sviluppo, in quanto in letteratura non si trova molto, e quel poco che si trova è datato. Qui riporto un paio di studi, citati dalla docente Lucia Frosini dell’università degli studi di Pavia, nelle sue diapositive, potete trovare il link in fondo all’articolo. Gli studi a cui fa riferimento sono, uno della EPRI (Electric Power Research Institute), lo studio è fatto su un campione di 5000 motori (in corrente continua e corrente alternata) impiegati in diversi ambienti e applicazioni con potenze maggiori di 150kW, la maggior parte di essi sono motori asincroni alimentati a tensione maggiore di 1000V. Questa indagine è stata svolta nel 1985. L’altro studio è del 1995, ed è stato svolto nel settore petrolifero in Norvegia e riguarda motori posti in ambienti esterni e con potenze maggiori di 10kW e tensioni minori di 1000V. I risultati delle due indagini sono parzialmente differenti, a causa delle taglie dei motori e ambiente di impiego. Le cause alla base dei guasti non sono di facile aggregazione, ma si può dedurre che le cause principali sono l’utilizzo improprio, componenti difettosi e manutenzione inadeguata. Nei due grafici che seguono si possono vedere i componenti principali che sono soggetti a guasti.

CONCLUSIONE INDAGINE EPRI

CONCLUSIONI INDAGINE NORVEGIA

Faccio una precisazione, nella seconda indagine non è spiegata la voce (che io ho nominato) cause esterne, nell’indagine “External device”, per cui non possiamo ipotizzare nulla a riguardo. Quello che però salta all’occhio è che in entrambi gli studi la maggioranza dei casi di guasto sono dovuti ai cuscinetti ed agli avvolgimenti di statore.

Poco fa ho menzionato le possibili cause dei guasti, utilizzo improprio, componenti difettosi e manutenzione inadeguata. Le prime due cause non le analizzerò perché esulano dall’argomento di questo articolo, in quanto si possono ricondurre ad errori di progettazione. Quella che analizzerò è la manutenzione inadeguata. Il significato di questa causa ha come principale significato un’errata analisi del problema, che comporta una azione di riparazione o manutenzione errata. Anche nell’industria 4.0 ci possono essere queste deficienze, perché l’analisi è sempre eseguita dall’uomo e possibili errori possono esserci, ma con dati storici e analisi minuziose questi errori si possono ridurre, e per ottenere questo dobbiamo menzionare l’intelligenza artificiale, che verrà introdotta nei prossimi articoli. Il concetto di fondo, per iniziare ad analizzare gli eventuali guasti, è che quando un motore od un componente si sta per rompere, ci sono dei segnali premonitori che se raccolti e analizzati possono prevenire fermi macchina inaspettati. Allora la domanda è cosa dobbiamo analizzare per capire se un componente si sta rompendo? In una macchina elettrica ci sono vari aspetti da analizzare, elettrici, magnetici, meccanici, fluidodinamici e termici, e tutti interagiscono tra loro e quindi si possono distinguere vari indicatori di guasto.

Indicatori elettromagnetici:

correnti
tensioni
scariche parziali
flussi magnetici

indicatori meccanici:

rumore
velocità angolare
forza
coppia

indicatori termici e chimici:

temperatura
analisi degli oli e dei gas

poi possiamo misurare il rendimento oppure l’analisi visiva, ma tra tutte le possibili analisi la più utilizzata, è la misura delle vibrazioni.

Le vibrazioni sono indicative delle forze generate dal moto del rotore, in una macchina elettrica rotante, specialmente a causa di un suo sbilanciamento. L’analisi delle vibrazioni è finalizzata ad individuare non solo problemi meccanici, ma anche problemi elettrici in quanto un’anomalia elettrica produce un’asimmetria nella distribuzione del flusso magnetico al traferro e determina una variazione del flusso disperso, che produce una diversa distribuzione delle forze elettromagnetiche e si ripercuote sull’andamento delle vibrazioni. Per questo può essere utile il rilevamento anche sulla cassa motore. Da questo primo approccio appare chiaro che alla presenza di guasti le vibrazioni della macchina cambiano. Purtroppo però non sono facili da individuare perché sono mascherate da altre vibrazioni esterne alla macchina stessa. In ogni caso le tecniche di analisi dei segnali di vibrazione sono state sviluppate per evidenziare in maniera selettiva quali parti posso essere soggette a guasti o mal funzionamenti, ed in base alle frequenze si riesce a determinare quale potrebbe essere il guasto. Nel determinare se una determinata frequenza è dovuta ad un guasto, dobbiamo iniziare a discernere le varie frequenze, soprattutto le vibrazioni naturali, che mascherano quelle vibrazioni che evidenziano un malfunzionamento. Ogni macchina produce delle vibrazione sue, dovute alle sue caratteristiche meccaniche, per questo è necessario eliminare tutte queste frequenze per riuscire a determinare una vibrazione che identifica un guasto.

CONCLUSIONI

Qui si conclude la prima parte di questo lungo capitolo, ho deciso di suddividerlo in più parti in modo da rendere più semplice la lettura. Nella seconda parte si approfondirà l’analisi delle vibrazioni per determinare i guasti e poi si introdurranno le cause principali di guasti nelle macchina rotanti.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

[1] Introduzione alla diagnostica di macchine e azionamenti elettrici di Lucia Frosini, docente Università di Pavia
[2] Analisi delle vibrazioni 1 di Lucia Frosini, docente Università di Pavia

REVISIONI

11 OTTOBRE 2019 Pubblicazione
25 DICEMBRE 2019 Aggiornamento link articoli

DIAGNOSTICS

INTRODUCTION

With the article on Industry 4.0 it has been said that data analysis can prevent sudden machine downtime and therefore provide for repairs or replacements at times more suited to production.

Much of the theory of the industry 4.0 is based on an analysis of data, coming from various sensors distributed in the plant or in the machine, from this analysis comes a prediction about possible failures or downtime. Without a study or without having the basics of diagnostics and maintenance, even the best programmer / software will not be able to predict the deterioration of a given component. In this article, I will try to introduce the concept of diagnostics and maintenance, trying to maintain a general line so as to be able to cover the greatest number of cases.

DIAGNOSTICS

[1] Diagnostics: it is a translation procedure, of the information deriving from the measurement of the parameters and from the collection of data relating to the machine, in information on the actual or incipient failures of the machine itself. The diagnostics is a fault protection, that is, it activates when the fault has occurred, which is why in optical 4.0 it is necessary to transform the protection into prevention, but to perform this step it is necessary to understand the principles of diagnosis and maintenance.

[1] Here we start talking about preventive maintenance, which has some shortcomings:

– for obvious economic reasons maintenance interventions cannot be frequent

– during the revision phases, we try to carry out all possible repairs and replacements, even those that are not necessarily necessary. Increasing costs and times during these maintenance phases.

To solve these economic defects and at the same time maintain an efficient machine we must start talking about predictive diagnosis. This term means having the actual status of each component in order to predict or determine with a high degree of reliability, when the component can break, giving the possibility to plan targeted interventions and therefore to reduce maintenance costs.

DIAGNOSTICS OF ROTATING MACHINES

[ 2 ] We begin by analyzing the motors and their causes of failure, this is because the motors are present in all industrial automation and therefore one of the main causes of plant malfunctioning. In addition, knowing the main causes of failure it will be possible to have more accurate diagnoses.

Where can faults occur in an engine?

this argument is not easy to develop, as there is not much in the literature, and the little that is found is dated. Here I report a couple of studies, cited by professor Lucia Frosini of the University of Pavia, in her slides, you can find the link at the bottom of the article. The studies to which it refers are, one of EPRI (Electric Power Research Institute), the study is done on a sample of 5000 motors (in direct current and alternating current) used in different environments and applications with powers greater than 150kW, the greater part of them are asynchronous motors powered at a voltage greater than 1000V. This investigation was carried out in 1985. The other study is from 1995, and was carried out in the oil sector in Norway and concerns engines located in outdoor environments and with powers greater than 10kW and voltages lower than 1000V. The results of the two surveys are partially different, due to the size of the engines and the environment of use. The causes behind the failures are not easy to aggregate, but it can be deduced that the main causes are improper use, defective components and inadequate maintenance. In the following two graphs you can see the main components that are subject to failures.

CONCLUSION OF EPRI INVESTIGATION

CONCLUSIONS NORWAY SURVEY

I make a clarification, in the second investigation is not explained the title “External device”, in the diagram I called “cause esterne”, so we can not assume anything about it. But what catches one’s eye is that in both studies the majority of failure cases are due to the bearings and stator windings.

A little while ago I mentioned the possible causes of the failures, improper use, defective components and inadequate maintenance. The first two causes will not be analyzed because they are outside the scope of this article, as they can be traced back to design errors. What I will analyze is inadequate maintenance. The meaning of this cause has as its main meaning an incorrect analysis of the problem, which involves an incorrect repair or maintenance action. Even in the industry 4.0 there can be these deficiencies, because the analysis is always performed by man and possible errors can be there, but with historical data and detailed analysis these errors can be reduced, and to achieve this we must mention artificial intelligence , which will be introduced in the next articles. The basic concept, to start analyzing any failures, is that when a motor or component is about to break down, there are warning signals that, if collected and analyzed, can prevent unexpected downtime. So the question is what should we analyze to see if a component is breaking? In an electric machine there are various aspects to be analyzed, electrical, magnetic, mechanical, fluid dynamic and thermal, and all interact with each other and therefore various fault indicators can be distinguished.

Electromagnetic indicators:

current
tensions
partial discharges
magnetic fluxes

mechanical indicators:

noise
angular speed
power
couple

thermal and chemical indicators:

temperature
oil and gas analysis

then we can measure the efficiency or the visual analysis, but among all the possible analyzes the most used is the measurement of the vibrations.

The vibrations are indicative of the forces generated by the motion of the rotor, in a rotating electric machine, especially due to its unbalance. Vibration analysis is aimed at identifying not only mechanical problems, but also electrical problems as an electrical anomaly produces an asymmetry in the distribution of the magnetic flux to the air gap and determines a variation in the dispersed flow, which produces a different distribution of forces electromagnetic and affects the progress of vibrations. For this reason, detection can also be useful on the motor casing. From this first approach it is clear that the machine’s vibrations change in the presence of faults. Unfortunately, they are not easy to identify because they are masked by other vibrations outside the machine itself. In any case, the analysis techniques of vibration signals have been developed to selectively highlight which parts can be subject to breakdowns or malfunctions, and based on the frequencies it is possible to determine what the failure could be. In determining whether a given frequency is due to a fault, we must begin to discern the various frequencies, especially the natural vibrations, which mask those vibrations that highlight a malfunction. Each machine produces its own vibrations, due to its mechanical characteristics, so it is necessary to eliminate all these frequencies to be able to determine a vibration that identifies a fault.

CONCLUSIONS

This concludes the first part of this long chapter, I decided to divide it into several parts in order to render easy to read. In the second parts, the analysis of the vibrations will be deepened to determine the faults and then the main causes of faults in rotating machines will be introduced.

BIBLIOGRAPHY – SITOGRAFIA

[ 1] Introduction to diagnostics of electrical machines and drives by Lucia Frosini, professor at the University of Pavia
[ 2 ] Vibration analysis 1 by Lucia Frosini, professor at the University of Pavia

REVISIONS

11 OCTOBER 2019 Publication
25 DECEMBER 2019 Link to follow articles update

DIAGNÓSTICO

INTRODUCCIÓN

Con el artículo sobre la Industria 4.0, se ha dicho que el análisis de datos puede evitar el tiempo de inactividad repentino de la máquina y, por lo tanto, proporcionar reparaciones o reemplazos a veces más adecuados para la producción.

Gran parte de la teoría de la industria 4.0 se basa en un análisis de datos, provenientes de varios sensores distribuidos en la planta o en la máquina, de este análisis proviene una predicción sobre posibles fallas o tiempos de inactividad. Sin un estudio o sin tener los fundamentos de diagnóstico y mantenimiento, incluso el mejor programador / software no podrá predecir el deterioro de un componente dado. En este artículo, intentaré presentar el concepto de diagnóstico y mantenimiento, tratando de mantener una línea general para poder cubrir la mayor cantidad de casos.

DIAGNÓSTICO

[1] Diagnóstico: es un procedimiento de traducción, de la información derivada de la medición de los parámetros y de la recopilación de datos relacionados con la máquina, en información sobre las fallas reales o incipientes de la máquina misma. El diagnóstico es una protección contra fallas, es decir, se activa cuando se produce la falla, por lo que en óptica 4.0 es necesario transformar la protección en prevención, pero para realizar este paso es necesario comprender los principios de diagnóstico y mantenimiento.

[1] Aquí comenzamos a hablar sobre el mantenimiento preventivo, que tiene algunas deficiencias:

– por razones económicas obvias, las intervenciones de mantenimiento no pueden ser frecuentes

– Durante las fases de revisión, tratamos de llevar a cabo todas las reparaciones y reemplazos posibles, incluso aquellos que no son necesariamente necesarios. Incremento de costos y tiempos durante estas fases de mantenimiento.

Para resolver estos defectos económicos y al mismo tiempo mantener una máquina eficiente, debemos comenzar a hablar sobre el diagnóstico predictivo. Este término significa tener el estado real de cada componente para predecir o determinar con un alto grado de confiabilidad, cuándo el componente puede romperse, dando la posibilidad de planificar intervenciones específicas y, por lo tanto, reducir los costos de mantenimiento.

DIAGNÓSTICO DE MAQUINAS ROTATIVAS

[ 2 ] Comenzamos analizando los motores y sus causas de falla, esto se debe a que los motores están presentes en toda la automatización industrial y, por lo tanto, una de las principales causas del mal funcionamiento de la planta. Además, conociendo las principales causas de falla, será posible tener diagnósticos más precisos.

¿Dónde pueden ocurrir fallas en un motor?

Este argumento no es fácil de desarrollar, ya que no hay mucho en la literatura, y lo poco que se encuentra está fechado. Aquí presento un par de estudios, citados por la profesora Lucia Frosini de la Universidad de Pavía, en sus diapositivas, puede encontrar el enlace al final del artículo. Los estudios a los que se refiere son, uno de EPRI (Electric Power Research Institute), el estudio se realiza en una muestra de 5000 motores (en corriente continua y corriente alterna) utilizados en diferentes entornos y aplicaciones con potencias superiores a 150kW, mayor parte de ellos son motores asíncronos alimentados a un voltaje superior a 1000V. Esta investigación se llevó a cabo en 1985. El otro estudio es de 1995, y se llevó a cabo en el sector petrolero en Noruega y se refiere a motores ubicados en ambientes exteriores y con potencias superiores a 10kW y voltajes inferiores a 1000V. Los resultados de las dos encuestas son parcialmente diferentes, debido al tamaño de los motores y al entorno de uso. Las causas detrás de las fallas no son fáciles de agregar, pero se puede deducir que las causas principales son el uso inadecuado, los componentes defectuosos y el mantenimiento inadecuado. En los siguientes dos gráficos puede ver los componentes principales que están sujetos a fallas.

CONCLUSIÓN DE LA INVESTIGACIÓN EPRI

ENCUESTA NORUEGA ENCUESTA

Hago una aclaración, en la segunda investigación no se explica la voz (que denominé) cause esterne, en la encuesta “External device”, por lo que no podemos asumir nada al respecto. Pero lo que llama la atención es que en ambos estudios la mayoría de los casos de falla se deben a los cojinetes y los devanados del estator.

Hace poco mencioné las posibles causas de las fallas, el uso inadecuado, los componentes defectuosos y el mantenimiento inadecuado. Las dos primeras causas no se analizarán porque están fuera del alcance de este artículo, ya que pueden rastrearse hasta errores de diseño. Lo que analizaré es un mantenimiento inadecuado. El significado de esta causa tiene como significado principal un análisis incorrecto del problema, que implica una reparación incorrecta o una acción de mantenimiento. Incluso en la industria 4.0 puede haber estas deficiencias, porque el análisis siempre es realizado por el hombre y los posibles errores pueden estar allí, pero con datos históricos y análisis detallados estos errores pueden reducirse, y para lograr esto debemos mencionar la inteligencia artificial , que se presentará en los próximos artículos. El concepto básico, para comenzar a analizar cualquier falla, es que cuando un motor o componente está a punto de descomponerse, hay señales de advertencia que, si se recopilan y analizan, pueden evitar tiempos de inactividad inesperados. Entonces, la pregunta es ¿qué debemos analizar para ver si un componente se está rompiendo? En una máquina eléctrica hay varios aspectos a analizar, eléctricos, magnéticos, mecánicos, fluidos dinámicos y térmicos, y todos interactúan entre sí y, por lo tanto, se pueden distinguir varios indicadores de falla.

Indicadores electromagnéticos:

actual
voltajes
descargas parciales
flujos magnéticos

indicadores mecánicos:

ruido
velocidad angular
fuerza
pareja

Indicadores térmicos y químicos:

temperatura
análisis de petróleo y gas

entonces podemos medir la eficiencia o el análisis visual, pero entre todos los análisis posibles, el más utilizado es la medición de las vibraciones.

Las vibraciones son indicativas de las fuerzas generadas por el movimiento del rotor, en una máquina eléctrica giratoria, especialmente debido a su desequilibrio. El análisis de vibraciones tiene como objetivo identificar no solo problemas mecánicos, sino también problemas eléctricos, ya que una anomalía eléctrica produce una asimetría en la distribución del flujo magnético al entrehierro y determina una variación en el flujo disperso, lo que produce una distribución diferente de las fuerzas. electromagnético y afecta el progreso de las vibraciones. Por esta razón, la detección también puede ser útil en la carcasa del motor. Desde este primer enfoque, queda claro que las vibraciones de la máquina cambian en presencia de fallas. Desafortunadamente, no son fáciles de identificar porque están enmascarados por otras vibraciones fuera de la máquina. En cualquier caso, las técnicas de análisis de las señales de vibración se han desarrollado para resaltar selectivamente qué partes pueden estar sujetas a fallas o mal funcionamiento, y en función de las frecuencias es posible determinar cuál podría ser la falla. Al determinar si una frecuencia dada se debe a una falla, debemos comenzar a discernir las diversas frecuencias, especialmente las vibraciones naturales, que enmascaran aquellas vibraciones que resaltan un mal funcionamiento. Cada máquina produce sus propias vibraciones, debido a sus características mecánicas, por lo que es necesario eliminar todas estas frecuencias para poder determinar una vibración que identifique una falla.

CONCLUSIONES

Con esto concluye la primera parte de este largo capítulo, decidí dividirlo en varias partes con el fin de rendir fácil de leer. En las segunda partes, se profundizará el análisis de las vibraciones para determinar las fallas y luego se presentarán las causas principales de las fallas en las máquinas rotativas.

BIBLIOGRAFÍA – SITOGRAFIA

[ 1] Introducción al diagnóstico de máquinas y accionamientos eléctricos por Lucia Frosini, profesora de la Universidad de Pavía.
[ 2 ] Análisis de vibraciones 1 por Lucia Frosini, profesora de la Universidad de Pavía.

REVISIONES

11 de octubre de, 2019 Publicación
25 de diciembre de 2019 enlace de actualización siguiente artículo

INDUSTRIA 4.0

INTRODUZIONE

Il primo articolo che affronto in queste pagine è un articolo su questa nuova rivoluzione industriale, che sta interessando l’attuale settore industriale: l’INDUSTRIA 4.0.

Inizio con questo argomento perché è un argomento che interessa molti campi dell’elettronica: automazione, robotica, sicurezza informatica, comunicazione, gestione di grosse quantità di dati (BIG DATA), energia e intelligenza artificiale. Questo articolo sarà volutamente descrittivo perché è una panoramica della quarta rivoluzione industriale. In articoli successivi approfondirò i vari argomenti per dare corpo alle informazioni che conterrà questo sito.

L’INDUSTRIA 4.0 è definita così perché è la quarta rivoluzione industriale, e per analogia si possono definire le tre precedenti rivoluzioni così: qui di seguito un’immagine che riassume le quattro fasi dello sviluppo industriale

INDUSTRIA 1.0 _[1]

La prima rivoluzione industriale avviene nel 1700, con i primi telai meccanici e le prime macchine a vapore. Il vapore fu la prima fonte di energia non animale che permise di “animare” le macchine per aiutare l’uomo nella produzione.

INDUSTRIA 2.0 _[2]

La seconda rivoluzione industriale si colloca nella seconda metà dell’800. Questo fu un periodo di forte innovazione, scientifica e non, grazie alla diffusione dell’energia elettrica. Questo ha dato il via alla produzione di massa: con le nuove scoperte, si semplifica la fornitura dell’energia che porta il miglioramento delle macchine di produzione, rendendole via via più complesse.

INDUSTRIA 3.0 _[3]

La terza rivoluzione industriale, inizia nella seconda metà del ‘900, dopo la fine della seconda Guerra Mondiale. L’accumulo di conoscenze scientifiche e tecnologiche e le condizioni politiche più stabili dei paesi occidentali favoriscono la crescita economica. (In questo periodo c’è la creazione della prima rete telematica tra lo Standford Research Institute e l’Università dello Utah, ARPANET) In poco tempo il computer diventa uno strumento che tutti si possono permettere, per cui la tecnologia che prima era ad uso esclusivo dei colossi industriali e statali (come le università), ora è accessibile a tutti. Contemporaneamente prende il via la diffusione dell’automazione industriale.

INDUSTRIA 4.0 _[4]

La quarta rivoluzione industriale (che le previsioni vedevano iniziare nel 2010) dà il via ai sistemi digitali interconnessi.

SISTEMI INTERCONNESSI

Cosa si intende con “sistemi interconnessi”? Con questo concetto iniziamo a parlare di comunicazione: la comunicazione interessa tutte le branchie dell’elettronica e dell’informatica, proprio perché il solo passaggio di un bit dalla CPU alla RAM può considerarsi una trasmissione di un dato X da una posizione ad un altra. Questa trasmissione avviene con delle regole che governano l’immagazzinamento del dato nella memoria, come ad esempio la selezione dell’area di memoria dove immagazzinare il dato, se si vuole scrivere o leggere, sapere se la memoria è pronta a ricevere il dato oppure no.

Successivamente, all’aumentare della distanza dei dispositivi tra loro, iniziano a mancare alcune certezze, come quella che il dato sia arrivato integro e non corrotto. Per questo si sono introdotti i protocolli di comunicazione. Con sistemi interconnessi, intendiamo quindi sistemi che possono comunicare tra loro indipendentemente dalla distanza a cui si trovano, attraverso questi protocolli di comunicazione.

Possiamo dire che il via a questa interconnessione è stato dato dall’avvento dell’IoT (Internet of Thing – l’Internet delle cose) e si sono iniziati ad interconnettere tra loro vari dispositivi, come elettrodomestici, apparati per monitorare l’ambiente o le nostre funzioni fisiologiche, che per mezzo dei nostri cellulari e del clouding raccolgono ed inviano informazioni sul loro funzionamento.

Per passare alle applicazioni industriali si è dovuto rendere più sicura la comunicazione, passando dalla protezione contro i disturbi elettromagnetici alla sicurezza dei dati. Da questo è nato l’IIoT (Industrial Internet of Thing – Internet delle cose industriali)_[5].

Si deve premettere che fino ad oggi le macchine industriali (tranne qualche eccezione) sono state prodotte per lavorare in autonomia senza interferenze esterne, se non quella dell’operatore che interagisce con la macchina per prelevare il prodotto finito e rifornirla di prodotto grezzo o materia prima ed immettere i dati per la lavorazione. Un’eccezione l’abbiamo con le linee di produzione, dove abbiamo varie macchine in linea, con la materia prima inserita all’inizio della linea e il prodotto finito o semilavorato alla fine. Qui tutte le macchine sono in comunicazione tra loro (diciamo una comunicazione base, attraverso input e output) in modo da coordinarsi per far proseguire il prodotto nella linea. Questa pressa per anticipare che il passaggio all’industria 4.0 non sarà indolore, ma sarà lungo e pieno di insidie.

Con l’implementazione della comunicazione (protocolli di comunicazione) si possono avere molte informazioni riguardanti lo stato della macchina, come numero pezzi prodotti, fermi macchina per emergenza o guasto, lo stato dei motori o dei componenti, i motivi per cui oggi ha prodotto più o meno di ieri, ecc… In pratica queste sono tutte informazioni che saranno disponibili per un’analisi successiva o in tempo reale dello stato macchina. Questa mole di dati però ha un rovescio della medaglia: deve essere analizzata. Ciò significa che in azienda ci deve essere personale specializzato nell’analisi dati (BIG DATA).

Per di più, avendo un’analisi in real time dello stato della macchina e soprattutto avendo a disposizione molte informazioni da altri impianti (in cloud), la soluzione ad un eventuale problema potrebbe essere già disponibile e questo ridurrebbe ulteriormente i fermo macchina. Avere figure professionali in grado di analizzare i dati è di vitale importanza, perché implementare una struttura come questa e poi non essere in grado di analizzare i dati è una perdita già in partenza.

Iniziare il percorso dell’industria 4.0 non è semplice! Oltre al discorso del personale qualificato c’è anche tutto l’aggiornamento tecnologico da eseguire. Per questo sono stati stilati alcuni punti guida che indicano una via sicura per raggiungere l’obiettivo dell’industria 4.0 _[6]

Fissare degli obiettivi in funzione del proprio livello di digitalizzazione
Iniziare con progetti pilota
Definire le capacità richieste: in funzione del punto 2 è necessario definire il livello delle capacità tecniche del personale
Familiarità con l’analisi dei dati
Trasformare l’azienda in un’azienda digitale
Interagire con il sistema (senza interazione non ha senso parlare di Industria 4.0)

La sicurezza informatica_[5][7][8]

La diffusione dell’IIoT (o meglio dell’IoT) comporta alcune insidie come il dispendio energetico e la sicurezza: due punti di fondamentale importanza.

La sicurezza che fino ad oggi era relegata a server e computer, con l’industria 4.0 deve essere implementata nei sistemi industriali, in quanto con la comunicazione che si espande a tutti i livelli una mancata o errata informazione può nuocere alla produttività creando non pochi problemi. La comunicazione deve essere veloce ed affidabile, perché i dati che arrivano a destinazione devono essere completi, ma soprattutto non corrotti o modificati. Quando parliamo di furto dell’informazione, associamo il concetto allo spionaggio industriale, ma oltre a questo l’importanza della sicurezza è che i dati arrivino completi e non modificati o corrotti, perché un dato errato può avere conseguenze negative sulla produzione, come produrre lotti sbagliati, o inviare messaggi di malfunzionamento non rilevati. Tutte possibilità che si ripercuotono sulla produttività aziendale e sui costi.

La comunicazione_[9]

Essendo la comunicazione la spina dorsale dell’industria 4.0, deve essere veloce e affidabile: i dati devono arrivare a destinazione completi il più rapidamente possibile in quanto ogni dato perso o in ritardo potrebbe comportare un’azione errata, e quindi un eventuale fermo macchina non pianificato o una catena di ritardi, rallentando la produzione oppure producendo prodotti non idonei alla vendita. Il tutto si traduce in una perdita di profitto.

La comunicazione tra dispositivi impone che ogni singolo componente della rete sia in grado di interpretare vari protocolli di comunicazione, per far sì che questi sistemi possano essere integrati in vari ambienti e soprattutto ridotti ai minimi termini in quanto il loro consumo energetico deve essere minimo. Per questo, a mio parere, tutto confluirà verso un unico protocollo di comunicazione standard, riducendo i componenti atti alla comunicazione e portando quindi una riduzione del consumo energetico.

Questo protocollo di comunicazione, come tutti i protocolli di comunicazione, deve soddisfare i seguenti punti:

sicurezza: come detto in precedenza una comunicazione deve essere sicura, quindi impedire la corruzione o il furto di dati.
basso consumo energetico: essendo i dispositivi (sensori o attuatori) sempre più piccoli ed indipendenti, il loro consumo energetico deve essere molto basso. Questo non solo per un discorso di risparmio energetico, ma anche perché questi apparati di piccole dimensioni potranno essere impiegati in luoghi di difficile accessibilità, dove gli interventi per il rinnovo della fonte energetica possano essere ridotti al minimo.
robustezza: nell’eventualità di problemi nel sistema, la comunicazione deve essere sempre attiva, o almeno in grado di fornire le informazioni necessarie per la risoluzione.
di facile implementazione: significa che i componenti hardware e software devono essere facilmente reperibili e di facile realizzazione, come pure l’aggiunta di nuovi nodi o la rimozione dei vecchi.

Il Clouding_[9]

Un altro fattore introdotto con l’industria 4.0 è il clouding, cioè la condivisione delle informazioni in rete. Questa condivisione è un punto fondamentale, in quanto la loro elaborazione in tempo reale, può anticipare ed evitare i fermo macchina. Ciò fa intendere che per alcuni (se non tutti) i problemi della linea o macchina di produzione, potrebbero avere già una soluzione, dando il via a tutto quel processo di risoluzione e di pianificazione del fermo macchina ottenendo una conseguente riduzione dei fermo macchina per guasti improvvisi.

I fermo macchina non sono dovuti solo ad un guasto, ma possono anche sorgere da una errata lavorazione o inserimento di informazioni sbagliate. Queste informazioni sono generalmente inserite dall’operatore e qui viene in aiuto l’interfaccia utente (HMI), che in simbiosi con il clouding controlla e verifica la correttezza nell’immissione dei dati di lavorazione, anticipando e prevenendo errori, portando a zero (in linea teorica) l’errore introdotto dall’uomo.

Le interfacce (HMI)_[9]

Le interfacce uomo-macchina sono sempre più complesse perché devono eseguire compiti complessi, ma nello stesso tempo semplificare le informazioni visive e di raccolta dati, in modo che all’operatore sia facilitata l’interpretazione dei dati richiesti. Interfacce sempre più complesse danno la possibilità di automatizzare l’immissione dati, le macchine diventano sempre più autonome e la produzione può letteralmente cambiare. Si può ipotizzare che il vecchio concetto di spalmare i costi di attrezzaggio sulla produzione (più pezzi faccio in un lotto, meno mi costano), possa essere abbandonato per iniziare a parlare di lotti da un prodotto, estremizzando la personalizzazione per il cliente. Un esempio di facile intuizione può essere la catena di montaggio di un’automobile, nella quale il cliente può decidere che accessori avere: questo livello di personalizzazione è già presente, ma si può raggiungere un livello di estrema varietà, dalla scelta del colore al numero di casse audio nell’abitacolo, il tutto non fornito tramite pacchetti, che obbligano il cliente ad accettare vari dispositivi per poter avere quel determinato accessorio.

I sensori e le fabbriche intelligenti_[10][11][12]

Per poter ottenere il livello di automazione accennato nella sezione precedente è necessario un miglioramento della parte sensoristica: infatti senza sensori intelligenti molte delle funzioni (soprattutto di diagnostica) non sono eseguibili. Sensori che raccolgono dati sul comportamento della macchina ed anticipano l’eventuale rottura (Manutenzione Predittiva), sensori in grado di monitorare e segnalare una variazione anomala di uno o più valori, con in più un basso profilo energetico in modo da essere utilizzati in ambienti poco accessibili, che siano in grado di comunicare con vari dispositivi, finché non si potrà usufruire di uno standard di comunicazione per tutto: per questo è necessario sviluppare dei software più o meno complessi per questi sensori, appunto, definiti sensori intelligenti.

Inoltre con questi sensori intelligenti sarà possibile eseguire lavorazioni mirate al lotto di un componente, per esempio sarà possibile determinare il tipo di bottiglia e dove inviarla per imballarla.

Naturalmente questo comporta che la responsabilità decisionale non sia più legata al controllore centralizzato, ma sia demandata a questi sensori dislocati nell’impianto, sensori con software predittivi per l’analisi dei dati, che non inviino tutta la mole di dati raccolta, ma solo il risultato delle loro elaborazioni (questo sempre un discorso in ottica di basso profilo energetico).

Questi sensori devono essere gestiti ed il PLC è lo strumento atto ad eseguire questo compito. Oggi giorno un PLC è dotato di più protocolli di comunicazione, per questo può essere integrato in una LAN aziendale permettendo la condivisione dei dati e la loro raccolta. Questa condivisione e raccolta dà il vantaggio di avere a disposizione una banca dati consultabile nel momento in cui si presentino eventuali anomalie, per trovare una soluzione e riducendo i tempi di fermo macchina.

Con l’industria 4.0 si inizia a parlare di fabbrica intelligente, ma oltre ad essere un discorso quasi utopico, visto che la strada è ancora lunga e costellata di molte traversie, le aziende sono costrette ad essere eclettiche, a causa della varietà/quantità di competenze che entrano in gioco, e devono essere in grado di formalizzare il processo decisionale per poter fornire la giusta soluzione: una decisione errata potrebbe comportare blocchi di produzione non programmati.

A.I. – Intelligenza artificiale

Arrivati a questo punto introduciamo il concetto di intelligenza artificiale, utile perché dopo tutti i riferimenti fatti si è sempre accennato al fatto che con l’industria 4.0 è necessaria un’analisi o diagnostica dei dati forniti e un’automazione per eseguire le operazioni. L’industria 4.0 si avvale di automazione e robotica per eseguire le proprie operazioni, ma senza intelligenza artificiale e dati l’IIoT è zoppa: l’AI elabora tutti i dati raccolti eseguendo delle predizioni sul comportamento della macchina nel tempo e prevedendo un guasto. Questo fa sì che i fermo macchina si possano ridurre a zero. Inoltre con l’AI l’industria non dovrà più dipendere dalla raccolta dei dati da parte dell’uomo, ma bensì sarà autonoma nella raccolta limitando a zero gli eventuali errori introdotti dall’uomo. Qui si introduce il concetto di diagnosi predittiva, che affronteremo in uno dei prossimi articoli, che si basa sull’analisi dei dati e per mezzo di algoritmi predittivi esegue una predizione su eventuali guasti futuri. Tutto questo sarà possibile perché l’analisi dei dati nel tempo di un determinato componente, come aumento di temperature di funzionamento, aumento delle vibrazioni, correnti, dissipazione di calore, campi magnetici permettono ai software, con l’ausilio del cloud, di determinare quando il componente si guasterà o arriverà a fine vita.

Partendo dal presupposto che l’errore non sarà mai nullo in quanto l’uomo è naturalmente soggetto all’errore, ogni prodotto dell’uomo è potenzialmente affetto da errori congeniti, quindi anche l’AI è affetta da questo problema proprio perché sviluppata dall’uomo. Per questo all’intelligenza artificiale si stanno affiancando e stanno prendendo il sopravvento le reti neurali ed il machine learning, che permetterà alle macchina di correggere i loro errori congeniti, dovuti alla programmazione dell’uomo. Qui entriamo in teorie filosofiche sulla presenza o meno di errori anche nelle reti neurali, ma che affronteremo a tempo debito.

Cobot _[13]

Cobot ovvero robot collaborativi, da ricerche fatte, si è visto che la collaborazione tra uomo e macchina ridurrebbe i tempi non produttivi dell’85%. Attualmente il gap tra A.I. e intelligenza artificiale è ampio, proprio perché un operaio si accorge subito che un pezzo è danneggiato o è cambiato, mentre un robot, deve essere istruito od avere le istruzioni per gestire queste incongruenze, altrimenti continuerà ad eseguire il suo lavoro senza accorgersi della variazione. Ma istruzioni o periodo di apprendimento per gestire queste evenienze richiedono molto tempo nel quale la produzione è ferma, producendo costi di inoperatività. Detto questo il divario di intelligenza relega i cobot in un’area di mansioni abitudinarie, mentre l’uomo si occuperà di quelle mansioni che richiedono maggiore intelligenza. Questo comporta che cobot e uomo devono lavorare a stretto contatto, e questo solleva molte problematiche di sicurezza, che rallentano l’integrazione uomo-macchina. In supporto a questo limite (anche se non negativo) si stanno delineando degli standard internazionali che iniziano a delineare i requisiti per il funzionamento in sicurezza dei cobot, questi standard sono ISO/TS 15066:2016, ANSI/RIA R15.06-2012. Un aiuto allo sviluppo dei cobot può essere dato dall’asperienza accumulato nello sviluppo di protesi robotizzate per i disabili, come per esempio la Force-Feedback.

Conclusioni

in conclusione nell’industria 4.0 si parla di comunicazione, intelligenza artificiale, reti neurali, diagnostica e manutenzione, sicurezza informatica, clouding automazione, robotica, big data e molto altro.

Tutti argomenti a cui in queste prime pagine ho solo accennato e, come ripetuto più volte, approfondirò nei prossimi articoli. Una cosa che volevo evidenziare è che non letto da molte parti è la diagnostica. In tutti gli articoli che troviamo si parla di sicurezza, intelligenza artificiale, interfaccia uomo macchina eccetera eccetera, ma poco e raramente troviamo riferimenti alla diagnostica per la rilevazione dei guasti. A mio parere un argomento di vitale importanza nella quarta rivoluzione industriale, perché se vogliamo ridurre al minimo i fermo macchina, dobbiamo avere una metodo di diagnostica e rilevamento delle anomalie in modo che durante lo sviluppo software siano inseriti questi concetti ed i sensori saranno in grado di eseguire diagnosi più accurate.

Altro punto su cui vorrei far leva è l’analisi dei dati, anche questo è molto importante, perché con questi nuovi tip di sensori, come già detto più volte, i dati saranno in grande quantità, proprio perché più dati abbiamo/analizziamo meglio riusciamo ad avere il quadro completo della situazione. Un quadro della situazione completo permetterà di prendere decisioni più accurate ed efficienti, migliorando sempre di più il livello di produzione.

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

[1] Prima Rivoluzione industriale
[2] Seconda rivoluzione industriale
[3] Terza rivoluzione industriale
[4] Quarta rivoluzione industriale
[5] EOS Book #31 – La sicurezza nell’industria 4.0 – autore Maurizio Di Paolo Emilio – EOS – Elettronica Open Source
[6] Firmware 130 – Le strategie dell’industria 4.0 – autore Slovati EOS – Elettronica Open Source
[7] Firmware 142 – Connettività e sicurezza nell’IoT – autore Maurizio Di Paolo Emilio –EOS – Elettronica Open Source
[8] Firmware 145 – La sicurezza in una smart factory 4.0 – autore Maurizio Di Paolo Emilio – EOS – Elettronica Open Source
[9] Firmware 130 – Industria 4.0: Dall’Automazione ai processi di digitalizzazione – autrice Roberta Fiorucci – EOS – Elettronica Open Source
[10] Firmware 130 – La sensoristica nell’industria 4.0 – autore Slovati – EOS – Elettronica Open Source
[11] Firmware 145 – I sensori MEMS per la digitalizzazione dell’Industria – autore Maurizio Di Paolo Emilio – EOS – Elettronica Open Source
[12] Firmware 152 – Le esigenze dei futuri sensori per la manutenzione: sensori intelligenti per il condition monitoring – autore Analog Devices – EOS – Elettronica Open Source
[13] Firmware 149 – Cobot Colmare il divario con l’intelligenza artificiale nel settore dell’automazioneindustriale – autore Mouser Electronics – EOS – Elettronica Open Source

REVISIONI

13 APRILE 2020 aggiunti link a nuovo articolo sulla comunicazione digitale tra sistemi
11 OTTOBRE 2019 aggiunto link a nuovo articolo sulla diagnostica
19 AGOSTO 2019 Aggiunta sezione COBOT
09 LUGLIO 2019 Corretti alcuni link e refusi
07 LUGLIO 2019 Pubblicazione

INTRODUCCIÓN

HISTORIA DE COMUNICACIÓN CORTA E INADECUADA

COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORAS [1]

Características clave y problemas de las redes [2]

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA – SITOGRAFÍA

REVISIONES

INTRODUCTION

SHORT AND INACCURATE HISTORY OF COMMUNICATION

COMMUNICATION BETWEEN CALCULATORS[1]

Key features and issues of networks [2]

CONCLUSIONS

BIBLIOGRAPHY – SITOGRAPHY

REVISIONS

INTRODUZIONE

BREVE ED IMPRECISA STORIA DELLA COMUNICAZIONE

COMUNICAZIONE TRA CALCOLATORI[1]

Caratteristiche e problematiche fondamentali delle reti[2]

CONCLUSIONI

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

REVISIONI

INTRODUCCIÓN

VIBRACIONES DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA [1]

Fuerzas electromagnéticas

Excentricidad estática

Excentricidad dinámica

M étodos para diagnosticar la excentricidad

Motores asincrónicos

Generadores síncronos

Motores brushless

conclusiones

Static eccentricity

Dynamic eccentricity

Methods to diagnose eccentricity

Asynchronous Motors

Synchronous generators

Brushless motors

Conclusions

INTRODUZIONE

VIBRAZIONI DI UNA MACCHINA ELETTRICA[1]

Forze elettromagnetiche

Eccentricità statica

Eccentricità dinamica

Metodi per diagnosticare l’eccentricità

Motori Asincroni

Generatori sincroni

Motori Brushless

Conclusioni

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

REVISIONI

INTRODUZIONE

DIAGNOSTICA

DIAGNOSTICA DELLE MACCHINE ROTANTI

Dove posso avvenire i guasti in un motore

CONCLUSIONI

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

REVISIONI

INTRODUCTION

DIAGNOSTICS

DIAGNOSTICS OF ROTATING MACHINES

Where can faults occur in an engine?

CONCLUSIONS

BIBLIOGRAPHY – SITOGRAFIA

REVISIONS

INTRODUCCIÓN

DIAGNÓSTICO

DIAGNÓSTICO DE MAQUINAS ROTATIVAS

¿Dónde pueden ocurrir fallas en un motor?

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA – SITOGRAFIA

REVISIONES

SISTEMI INTERCONNESSI

BIBLIOGRAFIA – SITOGRAFIA

REVISIONI

COMUNICACIÓN ENTRE CALCULADORAS _[1]

Características clave y problemas de las redes _[2]

COMMUNICATION BETWEEN CALCULATORS_[1]

Key features and issues of networks _[2]

COMUNICAZIONE TRA CALCOLATORI_[1]

Caratteristiche e problematiche fondamentali delle reti_[2]

VIBRACIONES DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA _[1]

VIBRAZIONI DI UNA MACCHINA ELETTRICA_[1]