Langattoman anturin energianhallinta haasteellisinta
Transcription
Langattoman anturin energianhallinta haasteellisinta
Langattoman energian saanti Langattoman anturin energianhallinta haasteellisinta Karl-Kristian Högström, Espotel Oy Koneiden ja laitteiden kunnonvalvonnassa erityisesti liikkuvien ja pyörivien kohteiden anturointi on haasteellista ja edellyttää langattomien ratkaisujen soveltamista. Tälläisiä laitteita ovat esimerkiksi tuuliturbiinit, paperikoneet, moottorit ja generaattorit. Tiedonsiirto ei sinänsä ole valvonnan ongelmallisin osa, vaan se, miten kerätä anturiin riittävästi energiaa niin, että anturi ylipäänsä pysyy toiminnassa ja voi kerätä tietoa niin paljon kuin tarpeellista. L angattomuuden tarkoituksena on poistaa tarve anturin kaapeloinnille. Jotta tämä on mahdollista, tulee anturin tehonkulutus olla niin pientä, että energia voidaan kerätä anturissa tai se voidaan siirtää anturiin langattomasti. Miten anturi saa energiaa, jos sitä ei voida kytkeä? Energian kerääminen anturiin voidaan toteuttaa muutamalla eri tavalla. Case ABB Marine: Azipodin propulsiomoottorin mittauksia vaativissa olosuhteissa Azipod on ABB:n rekisteröimä sähkökäyttöinen ruoripotkurilaite. Kiinteälapaista potkuria pyörittävä vaihtosähkökäyttöinen moottori sijaitsee Azipodin sisällä ja se pystyy kääntymään 360 astetta pysty-akselinsa ympäri. Toimintaperiaatteeltaan Azipod muistuttaa sähköistä perämoottoria. Koska ruoripotkuri kääntyy, laivaa on helppo ohjata kaikilla nopeuksilla. Lisäksi laite tarvitsee vähemmän tilaa ja se on kevyempi propulsioratkaisu kuin perinteinen sähköinen potkurimoottori akseleineen. ABB Marinen ja Espotelin vuonna 1998 alkanut yhteistyö keskittyy tällä hetkellä Azipodin propulsiomoottorin roottorin mittauksiin erittäin vaativissa olosuhteissa, onhan kyseessä megawattiluokan taajuusmuuttajakäyttöinen propulsiomoottori ja peräsinkoneyhdistelmä. Laitteen ympäristöolot ovat vaikeat (lämpötila, EMC-häiriöt ja tärinä) ja myös turvallisuus- ja laivaluokitusvaatimukset asettavat omat haasteensa. "Järjestelmä sisältää kaksi suurta pyörivää rajapintaa, joihin langattomat ratkaisut sopivat hyvin. Halusimme luoda järjestelmän, jonka avulla roottorilta voidaan mitata tarvittavia mittaAzipod mahdollistaa laivan helpon ohjattavuuden kaikilla nopeuksilla. 18 3/2012 www.automaatiovayla.fi suureita mahdollisimman helposti", kertoo ABB Marinen Juha Kaksonen, Lead Engineer, R&D. Espotelin langaton anturi on roottoreissa moottorin sisällä. Moottoriin tuodaan roottorin magnetointivirta, josta otetaan sähköä anturia varten. Anturi ei tarvitse toimiakseen paljonkaan energiaa: Azipodissa on 20 MW:n teho, josta anturia varten nipistetään 0,1 W. Kaksonen kehuu yritysyhteistyön päämäärälähtöisyyttä: tavoitteena on luotettavat ja hyvin toimivat laitteet. ABB Marinella ollaan myös tyytyväisiä Espotelin suunnittelemiin tuotteisiin liittyvään ja dokumentaatioon, joka on aina korkealuokkaista ja laaja-alaista niin mekaniikan, sähkön, elektroniikan kuin softankin osalta. Azipodiin liittyvät kehitysprojektit ovat yleensä pitkäkestoisia ja nyt meneillään olevien projektien lopputulos nähdään vasta laivojen käyttöönoton yhteydessä. "Onneksi tuotteita on voitu testata tätä ennen jo varsin kattavasti Azipodien tehdaskokeiden aikana ja pieniä muutoksia ehditään tehdä ennen varsinaista tuotejulkaisua", sanoo Kaksonen. Langaton anturi on asennettuna moottorin sisällä roottoreissa. Tehonsiirron vaihtoehdot Anturiin voidaan asentaa akku, jonka kestoikä on jopa viisi vuotta. Hankalaa tässä vaihtoehdossa on akkujen vaihto tai lataaminen huoltotoimenpiteiden yhteydessä, joten usein yksinkertaisinta onkin vaihtaa koko anturi. Akun kapasiteetti ja toiminta-aikavaatimus myös rajoittavat tiedon keruun ja siirron määrää. Laitteeseen asennetaan liukurengas, joka siirtää energiaa anturin käyttöön. Tämä on kuitenkin verrattain kallis vaihtoehto ja lisäksi epäluotettava, koska liukurengas sisältää herkkiä ja käytössä kuluvia osia, mikä aiheuttaa säännöllistä huoltotarvetta. Koneiden sisällä liukurenkaiden huoltaminen voi monessa tapauksessa olla mahdotonta. Energy harvesting eli energian talteenottaminen esimerkiksi valosta, liikkeestä tai lämpötilaerosta. Tälläisillä menetelmillä energian talteenottamisessa tehot jäävät usein pieniksi, jolloin anturin käytettävissä oleva energiamäärä on pienempi ja toiminta sen takia mahdollisesti rajoitettua. Joissakin tapauksissa voi olla mahdollista kaapata sähkötehoa suoraan mitattavasta prosessista, esimerkiksi sähkömoottorin roottorin käämeistä. Yksi ratkaisu edellisten vaihtoehtojen heikkouksiin on energian aktiivinen siirtäminen ja varastointi langattomaan anturiin esimerkiksi induktiivisen tehonsiirron avulla. Mikäli tehoa ei voida siirtää anturiin jatkuva-aikaisesti, täytyy energiaa siirtää hetkellisesti suurella teholla ja varastoida se anturiin myöhempää käyttöä varten. Induktiivisessa, kontaktittomassa tehonsyötössä energiaa voidaan siirtää isolla teholla teholähettimen kelasta anturin vastaanottokelaan, kun ne ohittavat toisensa. Energia varastoituu anturissa oleviin kondensaattoreihin ja datan lähettäminen tukiaseman kautta tiedonkeruujärjestelmään on mahdollista. Induktiivista tehonsiirtoa puoltavat sen luotettavuus, vaivaton ylläpito sekä huollettavuus. Käytettävissä olevan tehon määrä ei rajoita mitattavan tiedon määrää, mikä on tärkeää esimerkiksi tärinämittauksissa, joissa vaaditaan suurta näytenopeutta, usein kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa. Myös hinta on muihin vaihtoehtoihin verrattuna kilpailukykyinen. Langattomassa kunnonvalvonnassa myös tiedonsiirtoon käytettäville radioille on useita vaihtoehtoja, jotka pitää analysoida ja valita kohteen ja sen vaatimusten mukaan. Tietoa jalostetussa muodossa Espotel Oy:n kehittämän langattoman anturin välittämän tiedon suurin hyöty liittyy laitteen kunnonvalvontaan, joka hyödyttää niin laitteen toimittajaa kuin sen käyttäjääkin. Käyttäjälle suurin hyöty tulee siitä, että järjestelmä ei vain mittaa kohdetta vaan se kykynee prosessoimaan tietoa ja toimittamaan sen jalostetussa muodossa (esimerkiksi graafisena esityksenä) webbikäyttöliittymän kautta käyttäjälle valvontakeskukseen. Esimerkiksi laivalla data siirtyy komentojärjestelmään komentosillalla; tuulivoimaloissa tieto siirtyy SCADA-yksikköön eli teollisuusautomaation hallintajärjestelmään. Valvottavat laitteistot ovat yleensä hyvin kalliita, joten ennakoitavuus säästää yrityksille tuntuvasti rahaa: viat voidaan havaita ennen kuin vaurio syntyy ja siten estää rikkoutuminen ja toisaalta tarpeeton huoltaminen, joka tapahtuu vain varmuuden vuoksi. Laitteen toimittajaa puolestaan kiinnostavat erityisesti vastuukysymykset ja takuuasiat. Jos laite rikkoutuu, voidaan anturin välittämästä tiedosta nähdä muun muassa onko laitetta kuormitettu liikaa. ■ www.automaatiovayla.fi 3/2012 19 Langattoman energian saanti Case Moventas Wind: Tietopohjainen ennakoiva huoltotoiminta tärkeä lisäarvo Moventas Wind on yksi maailman suurimmista tuuliturbiinivaihteiden valmistajista. Yritys valmistaa myös voimansiirtoratkaisuja teollisuuden käyttöön sekä tarjoaa palveluja huoltoon ja ylläpitoon. Moventas on tehnyt yhteistyötä Espotelin kanssa viisi vuotta: Moventas määrittelee mitattavan laitteen olosuhteet, joiden perusteella Espotel tekee sopivat mittaustekniset valinnat. Isot tuuliturbiinivaihteet (>3 MW) rakentuvat pääsääntöisesti kahdesta planeettaportaasta ja sovelluksen mukaan myös lieriöportaasta. Espotelin suunnittelema anturi sijaitsee planeettapyörän tapilla ja antaa tietoa muun muassa hammaspyörien ja laakereiden kunnosta. Tieto varastoidaan paikallisesti ja siirretään haluttaessa Moventaksen kunnonvalvontajärjestelmään. Hitaasti pyörivien planeettaportaiden kunnon mittaaminen luotettavasti on hyvin hankalaa, ja langaton mittaus soveltuukin kohteeseen erinomaisesti. Langaton mittaus helpottaa planeettaportaiden kunnonvalvontaa, koska tällä tavalla kohdetta päästään mittaamaan hyvin läheltä ilman mittausta häiritseviä rajapintoja, kertoo Moventaksen Jukka Elfström, Moventas Wind on toimittanut omaa kunnonhallintajärjestelmää (CMaS = Condition Management System) vuodesta 2006 saakka osana vaihteiden normaalia varustelua. CMaS-järjestelmän tarkoituksena on kerätä tietoa vaihteen toiminnasta normaalissa käyttöympäristössä ja tuoda palautetta suunnitteluun ja tuotekehitykseen. Järjestelmän hyödyntä- Langattoman anturin antama tieto jalostetaan ja toimitetaan esimerkiksi graafisena esityksenä webbikäyttöliittymän käyttäjälle valvontakeskukseen. Kuvassa planeettavaihteiston värähtelymittaus. 20 3/2012 www.automaatiovayla.fi 3 MW tuuliturbiinivaihde rakentuu kahdesta planeettaportaasta ja yhdestä lieriöportaasta. minen myös takuu- ja reklamaatiotapauksissa sekä näihin liittyvissä on-site huoltojen toteutuksessa ja aikatauluksessa on huomattavan tärkeää. CMaSjärjestelmän mukana tarjotaan erityyppisiä analyysipalveluita Moventas Servicen toimesta. CMaS järjestelmän strateginen merkitys yrityksen imagolle on korostunut. Se erottelee yrityksen perinteisistä konepajateollisuuden yrityksistä ja tarjoaa huoltoliiketoiminnalle todellisen mahdollisuuden ennakoivaan tietopohjaiseen huoltotoimintaan. Lisäarvontuotto asiakkaille on selkeä, summaa Elfström. Planeettaportaan havainnekuva.