Manutenzione predittiva di motori elettrici: Analisi della Firma Elettrica

Panoramica dell’analisi della Firma Elettrica di un motore, una delle tecniche di manutenzione predittiva utilizzate nell’industria moderna.

1. Introduzione
2. Cos’è la Firma Elettrica
3. Vantaggi della Firma Elettrica
4. Come funziona l’analisi della Firma Elettrica
5. Principali tecniche per l’analisi della Firma Elettrica
6. Conclusioni, come TOOLS for SMART MINDS può aiutare

1 – Introduzione

I motori elettrici sono macchine che trasformano energia elettrica in energia meccanica. Grazie all’ampio range di potenze disponibili, e alla loro robustezza e affidabilità, questi dispositivi sono al giorno d’oggi estremamente diffusi nel mondo industriale.

Motore elettrico

È facile intuire come la manutenzione di questi macchinari sia un argomento molto rilevante in tutto il mondo manifatturiero. Nel tempo sono state sviluppate numerose tecniche per il monitoraggio di questi dispositivi, e ognuna presenta delle peculiarità. Alcune di esse si basano sull’analisi delle vibrazioni, altre sfruttano l’analisi acustica, ed altre ancora elaborano i segnali elettrici relativi al motore.

In questo articolo mi concentrerò su quest’ultima categoria: l’analisi della Firma Elettrica di un motore, una delle tecniche di manutenzione predittiva utilizzate nell’industria moderna.

2 – Cos’è la Firma Elettrica

L’analisi della Firma Elettrica è un insieme di tecniche, indicate con l’acronimo ESA, (Electrical Signature Analysis), basate sull’analisi dei segnali di alimentazione di un motore elettrico.

L’obiettivo della ESA è il rilevamento precoce di anomalie che alla lunga potrebbero provocare malfunzionamenti e/o guasti nel motore, portando a dei fermi macchina.

Chiunque ha avuto a che fare con una linea di produzione, sa che i fermi macchina possono essere estremamente costosi, e che quindi sono da evitare a in ogni modo possibile.

Come già anticipato, le tecniche ESA rientrano nel campo della manutenzione predittiva. Il loro obiettivo è quindi quello di rilevare le anomalie PRIMA che esse possano provocare un guasto effettivo del dispositivo. È intuitivo capire che una possibile causa di malfunzionamento sarà tanto meno impattante su un impianto quanto prima verrà rilevata.

Per saperne di più relativamente alla manutenzione predittiva, suggerisco la lettura di questo articolo:  Dalla Manutenzione Predittiva all’Intelligenza Artificiale – I vantaggi per la gestione degli impianti produttivi 

La manutenzione predittiva a confronto con la manutenzione reattiva o correttiva.

Per fare un esempio, supponiamo che il motore di un nastro trasportatore in una linea di produzione presenti un piccolo malfunzionamento.

Per quanto piccolo esso possa essere, è probabile che se trascurato questo problema possa alla lunga portare a compromettere in maniera irreversibile il motore.

Nel peggiore dei casi, la linea di produzione potrebbe subire un fermo di svariati giorni, con un conseguente danno economico molto impattante.

Al contrario, se questo malfunzionamento venisse rilevato nella sua fase iniziale, sarebbe sufficiente fermare il macchinario per poche ore (organizzando di conseguenza il proprio lavoro), in modo da analizzarlo ed eventualmente sostituire esclusivamente il componente difettoso.

Risulta facile capire che la perdita economica dovuta ad un fermo macchina breve e programmato è molto meno corposa rispetto ad un fermo macchina improvviso dovuto alla rottura di un componente.

Un’altra delle caratteristiche principali della ESA è che essa può essere applicata in maniera continuativa al motore mentre questo sta funzionando. Non è quindi necessario fermare il macchinario per poterne analizzare i difetti: il dispositivo può essere monitorato no-stop, con l’ulteriore vantaggio di andare a rilevare eventuali anomalie nel momento esatto in cui esse inizino a verificarsi.

Inoltre, con questa tecnica non è necessario installare sensori sulle parti rotanti del motore, cosa che spesso può risultare complicata e costosa. Grazie a questo particolare quindi la ESA si presta molto all’analisi remota di questi macchinari, riducendo la necessità di personale intorno al dispositivo, e diminuendo quindi il rischio di incidenti.

3 - Vantaggi della Firma Elettrica

Ricapitolando, i vantaggi presentati dalle tecniche per l’analisi della Firma Elettrica sono i seguenti:

• Sono delle tecniche da manutenzione predittiva, che consentono quindi di rilevare possibili cause di guasto con largo anticipo, riducendo in maniera significativa i fermi macchina;
• Sono poco invasive, poiché non richiedono un fermo del dispositivo, ma anzi possono essere applicate in maniera continuativa;
• Sono robuste da un punto di vista sensoristico, poiché non necessitano di sensori sulle parti rotanti;
• Si prestano molto all’analisi remota, riducendo rischi per gli operatori in ambienti ostici.

I vantaggi presentati dalle tecniche per l’analisi della Firma Elettrica

4 - Come funziona l’analisi della Firma Elettrica

Le tecniche ESA partono sempre dalla misurazione di uno o più parametri elettrici di alimentazione del motore (corrente e/o tensione). Quando questo sta funzionando correttamente, questi parametri avranno delle caratteristiche “standard”.

Nel momento in cui si viene a creare un comportamento irregolare all’interno del motore, queste caratteristiche iniziano ad alterarsi.

Facendo quindi un confronto tra i valori delle caratteristiche standard e quelle misurate in tempo reale, sarà possibile dire in ogni momento se tutto sta funzionando correttamente o se qualcosa sta presentando un comportamento irregolare.

Un esempio semplice ma molto calzante è rappresentato dal rumore prodotto dal motore di un’automobile. Quando questa viene accesa, il motore inizia a vibrare e produce uno specifico rumore, caratterizzato da particolari frequenze ed intensità.

Il rumore prodotto dal motore sarà più o meno sempre lo stesso, ed esso corrisponde alle caratteristiche standard accennate poc’anzi. Se accendendo l’automobile il suo proprietario sentisse un rumore diverso dal solito, saprebbe immediatamente che c’è qualcosa che non va. Probabilmente non saprebbe individuare la causa esatta del malfunzionamento, ma saprebbe dire che qualcosa non sta funzionando come deve. Più questo rumore è intenso, più è verosimile che il guasto sia grave.

Esempio del rumore di un’automobile: se diverso dal solito il proprietario riconosce la presenza di un’anomalia.

L’analisi della Firma Elettrica, in sostanza, fa esattamente quanto descritto nell’esempio sopracitato.

I parametri elettrici del motore rappresentano il rumore dell’automobile, mentre gli strumenti utilizzati per raccogliere dati corrispondono all’orecchio del proprietario. Gli algoritmi per estrarre informazione da questi dati, e capire se qualcosa non sta funzionando, sono l’intuito del proprietario dell’automobile, che dopo pochi secondi di ascolto del rumore sa dire con buona probabilità se c’è qualcosa che non va.

Nel momento in cui i parametri risultano essere diversi dai loro valori standard (cioè il motore sta producendo un rumore diverso dal solito), gli algoritmi di analisi segnaleranno la presenza di un malfunzionamento.

Per entrare nel dettaglio tecnico, è noto che la corrente e tensione assorbite da un motore durante il suo funzionamento hanno uno spettro di frequenze ben definito, che presenta un picco alla frequenza della tensione di alimentazione (50 o 60 Hz, a seconda dello standard elettrico adottato dai vari paesi).

Nel momento in cui si crea un problema di natura meccanica, questo si va a riflettere anche sull’assorbimento di corrente, andando ad alterarne lo spettro. I parametri elettrici del motore passano quindi dall’avere un’unica frequenza dominante all’avere una serie di componenti aggiuntive, dette spurie.

La frequenza di queste spurie dà indicazioni relative al tipo di guasto, mentre la loro intensità fornisce informazioni relative alla sua severità.

Lo schema per l’analisi della Firma Elettrica di un motore richiede i seguenti blocchi:

• Uno strumento per l’analisi dei parametri di alimentazione del motore. Questa funzione è assolta da sensori di corrente e/o tensione, eventualmente integrati in schede di acquisizione. Le caratteristiche di questi sensori dipendono dal tipo di motore analizzato e dall’accuratezza che si vuole ottenere tramite questa analisi;
• Una volta raccolti i parametri elettrici del motore tramite opportuna sensoristica, questi devono essere elaborati per poterne estrarre dell’informazione. Il blocco successivo è quindi tipicamente rappresentato da analizzatori di frequenza, che convertono i segnali estratti dai sensori in un segnale comodo per l’analisi successiva;
• A partire dagli spettri dei segnali andranno estratte una serie di caratteristiche da dare in pasto agli algoritmi decisionali (frequenza e ampiezza della fondamentale, frequenze e ampiezze delle spurie ecc…). Queste caratteristiche, che in gergo tecnico vengono definite feature, sono quindi estratte da questo terzo blocco della catena, che ha come compito quello di trasformare un segnale fisico in informazione;
• Infine, queste feature vengono date in pasto ad una serie di algoritmi decisionali, che hanno un compito ben preciso: decidere se il motore sta funzionando in maniera corretta oppure no.

Chiaramente questi algoritmi devono essere stati preventivamente addestrati, in modo da essere in grado di prendere questa decisione a fronte di numerose osservazioni preventive. (Per saperne di più su come dei dati fisici possono essere convertiti in informazione utile, consiglio la lettura di questo articolo: Intelligenza Artificiale e Intelligenza Umana - Parte 1)

Nella figura seguente si può quindi vedere lo schema per l’analisi della Firma Elettrica appena spiegato:

Schema a blocchi per l’analisi della Firma Elettrica di un motore

5 – Principali tecniche per l’analisi della Firma Elettrica

MCSA Motor Current Signature Analysis

Una delle principali tecniche ESA è la MCSA (Motor Current Signature Analysis), che consiste nell’analizzare la corrente di una delle tre fasi del motore. Lo strumento principe per questa analisi è la FFT (Fast Fourier Transform), che consente di ricavare lo spettro di un segnale in maniera semplice e computazionalmente poco onerosa. A partire da questo spettro, come detto in precedenza, è possibile effettuare un’analisi di tutte le componenti frequenziali della corrente di alimentazione. Per fare un esempio, quando si verifica un guasto nel carico connesso al motore, appaiono una serie di componenti spurie nello spettro della corrente statorica ¹.

VSA Voltage Signature Analysis

Un’altra tecnica è la VSA (Voltage Signature Analysis), che segue la stessa strategia della MCSA, con la differenza che in questo caso viene analizzata non la corrente ma la tensione di alimentazione. La VSA può essere utilizzata efficacemente in caso di problemi legati all’alimentazione del motore, e per l’analisi dello sbilanciamento elettrico dello statore, insieme con l’analisi MCSA.

IPSA Instantaneous Power Signature Analysis

Un altro esempio di tecnica ESA è la IPSA (Instantaneous Power Signature Analysis). La grande differenza tra questa tecnica e quelle precedentemente elencate è che questa analizza la potenza assorbita dal motore, e quindi tiene conto allo stesso tempo di corrente e tensione (poiché la potenza istantanea assorbita da un motore è il prodotto tra la corrente assorbita e la tensione di alimentazione, come noto). Se lo spettro della corrente assorbita presenta delle componenti spurie a causa di un guasto, queste compaiono anche in quello della potenza. A partire da queste informazioni è quindi possibile effettuare un’analisi aggiuntiva rispetto alle tecniche precedenti.

Altre tecniche sono state sviluppate nel corso degli ultimi decenni. Ognuna di esse presenta delle peculiarità, ed ognuna ha alcuni tipi di guasti che consente di individuare in maniera più agevole.

Alcuni dei guasti che possono essere individuati tramite le tecniche ESA sono:

• Irregolarità statiche e/o dinamiche nel traferro;
• Irregolarità e/o rotture nelle barre del rotore;
• Problemi relativi allo statore;
• Connessioni anomale nell’avvolgimento dello statore;
• Albero di rotazione piegato;
• Problemi relativi ai cuscinetti.

6 – Conclusioni, come TOOLS for SMART MINDS può aiutare

Abbiamo visto come le tecniche ESA offrano numerosi vantaggi per il monitoraggio dei motori elettrici. Esse permettono di controllare questi dispositivi in maniera continuativa, non richiedono un fermo del dispositivo, e consentono di rilevare possibili cause di guasto con largo anticipo.

Se hai deciso di cogliere la grande opportunità che le tecniche di manutenzione predittiva possono offrire per la tua azienda contattaci per un’audit. Ti sapremo consigliare le migliori tecniche per il tuo tipo di macchinari e di produzione.

» Contattaci allo 030 2681510 o alla mail Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

¹ Fonte: M. El H. Benbouzid, A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 5, Oct. 2000

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