Come effettuare le misurazioni di una macchina industriale? Misurazioni precise per l’automazione

Le misurazioni di una macchina industriale devono essere eseguite in modo ordinato: prima valutare lo stato meccanico dell’apparecchiatura, poi controllare i parametri elettrici, i sistemi di azionamento, la temperatura di lavoro, le vibrazioni e gli elementi dell’automazione industriale. Solo la combinazione di questi dati consente di valutare in modo affidabile le condizioni della macchina, individuare l’inizio di un guasto e pianificare gli interventi di assistenza prima dell’arresto della produzione.

In pratica, le misurazioni precise delle macchine industriali non si limitano a un singolo test. Si tratta di un processo che unisce metrologia meccanica, misurazioni elettriche, analisi delle vibrazioni, termografia, diagnostica di motori, inverter, servoazionamenti, controllori PLC, alimentatori, moduli I/O e sistemi di potenza. Per i reparti di manutenzione significa la possibilità di passare dalla reazione ai guasti alla pianificazione consapevole dell’assistenza.

Le misurazioni regolari delle macchine aiutano a rilevare anomalie che all’inizio non sono necessariamente visibili all’operatore. Un lieve disallineamento dell’albero, un aumento della temperatura su un collegamento, un’asimmetria degli avvolgimenti, un calo della resistenza di isolamento o un livello elevato di vibrazioni possono essere il primo segnale che la macchina sta andando incontro a un guasto grave.

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Quali misurazioni di una macchina industriale bisogna eseguire per valutarne lo stato tecnico?

Da dove iniziare la diagnostica di una macchina industriale?

È consigliabile iniziare la diagnostica di una macchina industriale definendo quale problema deve essere risolto. Una misurazione periodica eseguita a scopo preventivo è diversa dalla diagnostica dopo un guasto, così come sono diverse le misurazioni di una macchina che lavora in modo instabile solo con un determinato carico o in uno specifico ciclo produttivo.

All’inizio è necessario raccogliere informazioni su:

• tipo di macchina e sua funzione nel processo produttivo,
• storia dei guasti e delle riparazioni precedenti,
• sintomi segnalati dagli operatori o dalla manutenzione,
• parametri di lavoro di motori, inverter, servoazionamenti e sistemi di controllo,
• condizioni di esercizio, come temperatura, polvere, umidità, vibrazioni, sovraccarichi e frequenza di lavoro,
• criticità della macchina per la continuità della produzione.

Solo su questa base vengono selezionati i metodi di misurazione adeguati. Nell’automazione industriale si controllano più spesso contemporaneamente lo stato meccanico, elettrico e termico dell’apparecchiatura, perché il guasto di una parte della macchina molto spesso influisce sugli altri ambiti.

Esempio: un sovraccarico meccanico può causare un aumento della corrente del motore, il surriscaldamento dell’inverter, un funzionamento instabile dell’azionamento ed errori nel sistema di controllo. In questo caso la sola lettura dell’allarme dall’inverter non è sufficiente per individuare la fonte del problema.

Misurazioni meccaniche: geometria, allineamento, vibrazioni e stato del gruppo di azionamento

La geometria è la base del corretto funzionamento della macchina. Per questo uno degli stadi fondamentali della diagnostica è costituito dalle misurazioni meccaniche, soprattutto nell’area dei gruppi di azionamento, alberi, giunti, riduttori, cuscinetti ed elementi rotanti.

In pratica si controllano, tra l’altro:

• allineamento degli alberi,
• stato di riduttori e cuscinetti,
• livello di vibrazioni della macchina,
• squilibrio degli elementi rotanti,
• giochi meccanici,
• stabilità del basamento,
• funzionamento della macchina sotto carico.

Il disallineamento degli alberi, anche se pari a frazioni di millimetro, può generare forze trasversali significative. Di conseguenza cuscinetti, guarnizioni, giunti e riduttori si usurano più rapidamente. Per la produzione può significare vibrazioni crescenti, maggiore consumo di energia, fermi più frequenti e rischio di guasto improvviso.

I moderni sistemi laser consentono un controllo molto preciso dell’allineamento. Tuttavia, la sola misurazione della geometria non sempre fornisce una risposta completa. Per questo nella diagnostica delle macchine industriali viene combinata con l’analisi delle vibrazioni, che consente di valutare il comportamento reale della macchina durante il lavoro.

Che cosa mostra l’analisi delle vibrazioni?

L’analisi delle vibrazioni è uno dei metodi più importanti per valutare lo stato tecnico di una macchina. Permette di rilevare guasti prima che provochino l’arresto della linea di produzione.

Nella diagnostica si utilizza spesso la trasformata rapida di Fourier, cioè la FFT. Grazie ad essa il segnale vibratorio può essere trasferito dal dominio del tempo al dominio della frequenza. In pratica significa che il diagnostico può separare diverse sorgenti di vibrazioni e determinare se il problema deriva da squilibrio, disallineamento, giochi, danneggiamento dei cuscinetti, problemi ai riduttori o al basamento della macchina.

L’analisi FFT aiuta a riconoscere, tra l’altro:

• squilibrio del rotore,
• disallineamento degli alberi,
• danni alle piste dei cuscinetti,
• giochi meccanici,
• problemi ai riduttori,
• risonanze strutturali,
• funzionamento instabile del gruppo di azionamento.

Questo è particolarmente importante nelle macchine in cui lavorano motori elettrici, inverter, servoazionamenti, riduttori e sistemi attuatori. Un errore meccanico può manifestarsi nell’automazione come sovraccarico dell’azionamento, allarme dell’inverter o problema di posizionamento, ma la sua causa reale può trovarsi sul lato meccanico.

Misurazioni elettriche delle macchine conformi ai requisiti di sicurezza

Il secondo ambito chiave è costituito dalle misurazioni elettriche delle macchine. Il loro obiettivo è verificare se l’impianto, l’equipaggiamento elettrico e i sistemi di controllo lavorano in sicurezza e se compaiono segni di degradazione dell’isolamento, dei collegamenti, dei conduttori di protezione o dei componenti di alimentazione.

Nel caso delle macchine industriali, un importante punto di riferimento è la norma PN-EN 60204-1, che definisce i requisiti relativi all’equipaggiamento elettrico delle macchine. In pratica, le misurazioni elettriche comprendono sia le questioni di sicurezza degli operatori, sia la valutazione delle condizioni dei sistemi responsabili del funzionamento stabile della macchina.

Le misurazioni di base comprendono:

• verifica della continuità dei conduttori di protezione,
• misurazione dell’impedenza dell’anello di guasto,
• misurazione della resistenza di isolamento,
• controllo dei collegamenti di protezione ed equipotenziali,
• controllo delle protezioni da sovracorrente e differenziali,
• misurazione delle tensioni di alimentazione,
• controllo della qualità dei collegamenti nei quadri di comando,
• valutazione dello stato di cavi, morsetti, contattori, alimentatori e sistemi di potenza.

La misurazione dell’impedenza dell’anello di guasto è importante perché consente di verificare se, in caso di guasto, l’alimentazione verrà scollegata automaticamente nel tempo richiesto. Dal punto di vista di uno stabilimento industriale, non è solo una questione formale, ma soprattutto un elemento di sicurezza per persone, macchine e processo produttivo.

Perché la misurazione della resistenza di isolamento è così importante?

La misurazione della resistenza di isolamento consente di valutare se l’isolamento di cavi, avvolgimenti ed elementi elettrici non stia subendo degradazione. Un calo della resistenza di isolamento può essere uno dei primi segnali della presenza di umidità, sporco, polvere di processo, surriscaldamento o danneggiamento del materiale isolante nella macchina.

In pratica, una resistenza di isolamento troppo bassa può portare a:

• cortocircuito nel motore,
• scariche verso la carcassa,
• intervento delle protezioni,
• funzionamento instabile dell’inverter o del servoazionamento,
• danneggiamento dei sistemi di potenza,
• pericolo per operatori e personale di assistenza.

Il controllo regolare dell’isolamento è particolarmente importante in ambienti con umidità elevata, forte presenza di polvere, temperature variabili o dove le macchine lavorano in modalità continua.

Diagnostica di motori, inverter, servoazionamenti e sistemi di automazione

Le misurazioni precise per l’automazione industriale devono comprendere non solo la macchina meccanica stessa, ma anche gli elementi responsabili del suo controllo, dell’alimentazione e dell’azionamento. In molti casi la causa del guasto non si trova in un singolo componente, ma all’interfaccia tra più sistemi.

Nella diagnostica delle macchine industriali conviene controllare, tra l’altro:

• motori elettrici e i loro avvolgimenti,
• inverter e parametri di lavoro dei convertitori di frequenza,
• servoazionamenti e sistemi di posizionamento,
• encoder e sistemi di retroazione,
• soft starter, convertitori e alimentatori,
• controllori PLC e moduli I/O,
• pannelli HMI e comunicazione industriale,
• contattori, relè, protezioni e sistemi di potenza,
• quadri di comando e stato dei collegamenti elettrici.

Nel caso dei motori, una delle misurazioni più importanti è la misurazione della resistenza degli avvolgimenti. Il confronto dei valori tra le fasi consente di rilevare un’asimmetria che può portare a funzionamento irregolare, aumento della temperatura, calo dell’efficienza e danneggiamento dell’azionamento.

Se il motore lavora con un inverter, la diagnostica deve considerare anche le condizioni operative del convertitore di frequenza. Parametri di alimentazione errati, sovraccarico, surriscaldamento dello stadio di potenza, guasto della ventilazione o errori nel circuito motore possono causare allarmi, arresti e funzionamento instabile dell’intera macchina.

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Quando si utilizzano il test HiPot e il test Surge?

La misurazione standard della resistenza degli avvolgimenti o dell’isolamento non sempre è sufficiente per rilevare tutti i problemi. Per questo nella diagnostica più avanzata si utilizzano test specialistici, come il test HiPot e il test Surge.

Il test HiPot consiste nell’applicare una tensione elevata per verificare la tenuta dell’isolamento e misurare la corrente di dispersione. È un test che aiuta a rilevare i punti deboli del sistema di isolamento prima che provochino una scarica durante il normale funzionamento della macchina.

Il test Surge serve a rilevare cortocircuiti tra spire negli avvolgimenti. È particolarmente importante perché i cortocircuiti tra spire della stessa fase possono non essere visibili con un normale ohmmetro. Il test a impulso consiste nell’applicare brevi impulsi ad alta tensione e nell’analizzare la risposta dell’avvolgimento. Differenze nella forma d’onda possono indicare la degradazione dell’isolamento del filo di avvolgimento.

Queste misurazioni sono particolarmente utili nella diagnostica di motori che lavorano in condizioni difficili, dopo sovraccarichi, dopo esposizione all’umidità, dopo un guasto dell’inverter o quando la macchina mostra sintomi di funzionamento instabile senza una causa evidente.

Misurazioni termografiche nei quadri di comando, negli azionamenti e nei motori

Le misurazioni della temperatura sono un importante complemento della diagnostica meccanica ed elettrica. La termografia consente di individuare rapidamente i punti in cui si verifica un riscaldamento eccessivo. Spesso si tratta di punti che non hanno ancora causato un guasto, ma indicano già un problema.

Con una termocamera è possibile controllare, tra l’altro:

• collegamenti nei quadri di comando,
• morsetti dei cavi, contattori e protezioni,
• alimentatori e convertitori,
• inverter, servoazionamenti e sistemi di potenza,
• carcasse di motori elettrici,
• cuscinetti, riduttori ed elementi meccanici,
• punti con resistenza di contatto aumentata.

L’aumento della temperatura può indicare un collegamento allentato, sovraccarico, sporcizia nel sistema di raffreddamento, problema di ventilazione, usura del cuscinetto, carico meccanico eccessivo o degradazione di un componente elettronico.

Nell’automazione industriale le misurazioni termografiche sono particolarmente preziose, perché spesso possono essere eseguite senza arrestare la macchina. In questo modo la manutenzione riceve informazioni pratiche sui punti che richiedono controllo, pulizia, serraggio, sostituzione o ulteriore diagnostica.

Quando eseguire misurazioni regolari delle macchine e perché conviene affidarle a specialisti?

Quali sintomi indicano che una macchina richiede misurazioni?

Le misurazioni di una macchina industriale vanno eseguite non solo dopo un guasto. In molti casi una diagnostica anticipata permette di evitare un costoso arresto della produzione, il danneggiamento dell’azionamento, la bruciatura del motore o il danneggiamento dell’elettronica di controllo.

Tra i sintomi più frequenti che dovrebbero spingere a eseguire misurazioni rientrano:

• vibrazioni insolite della macchina,
• aumento del rumore durante il funzionamento,
• surriscaldamento del motore, dell’inverter o del quadro di comando,
• intervento frequente delle protezioni,
• errori dell’inverter, del servoazionamento o del controllore PLC,
• funzionamento instabile dell’asse o dell’azionamento,
• problemi di posizionamento,
• calo delle prestazioni della macchina,
• arresti che si verificano solo sotto carico,
• odore di isolamento o elettronica surriscaldati,
• tracce di umidità, sporco o surriscaldamento nel quadro di comando,
• guasti ripetuti dello stesso sottogruppo.

Questi sintomi non indicano sempre in modo univoco un componente specifico. Per questo una diagnostica efficace deve combinare misurazioni meccaniche, elettriche, termografiche e analisi del lavoro dei sistemi di automazione.

Come si svolge il processo di misurazione di una macchina industriale passo dopo passo?

Le misurazioni delle macchine industriali eseguite correttamente devono avere un andamento ordinato. In questo modo i risultati sono confrontabili, utilizzabili per l’analisi dei trend e utili per prendere decisioni di assistenza.

• Riconoscimento del problema e raccolta dei dati – analisi dei sintomi, della storia dei guasti, delle condizioni di lavoro e dell’importanza della macchina per la produzione.
• Ispezione della macchina e del quadro di comando – controllo di collegamenti, cavi, raffreddamento, sporco, tracce di surriscaldamento e danni meccanici.
• Misurazioni meccaniche – controllo di allineamento, vibrazioni, giochi, cuscinetti, riduttori ed elementi rotanti.
• Misurazioni elettriche – controllo della continuità dei conduttori di protezione, dell’impedenza dell’anello di guasto, della resistenza di isolamento, delle tensioni e dei collegamenti.
• Diagnostica degli azionamenti e dell’automazione – analisi del lavoro di motori, inverter, servoazionamenti, encoder, controllori PLC, moduli I/O e sistemi di comunicazione.
• Misurazioni termografiche – localizzazione dei punti caldi nei quadri, negli azionamenti, nei motori e nei collegamenti elettrici.
• Analisi dei risultati – confronto dei valori con documentazione, norme, misurazioni precedenti e condizioni reali di lavoro.
• Raccomandazioni di assistenza – indicazione degli elementi che richiedono regolazione, pulizia, riparazione, sostituzione o ulteriore diagnostica.

Il valore più alto non è dato dai singoli risultati, ma dalla loro interpretazione nel contesto del funzionamento dell’intera macchina. Ad esempio, una temperatura elevata del motore può derivare da sovraccarico meccanico, problema di raffreddamento, impostazioni errate dell’inverter, asimmetria degli avvolgimenti o danneggiamento del cuscinetto.

Perché le misurazioni regolari delle macchine riducono il rischio di fermi?

Le misurazioni regolari delle macchine sono uno degli strumenti più efficaci per ridurre i guasti di produzione. Consentono di osservare i cambiamenti nel tempo e individuare trend che non sarebbero visibili con un controllo una tantum.

L’analisi dei trend consente di rispondere a domande come:

• se il livello di vibrazioni cresce di mese in mese,
• se la resistenza di isolamento diminuisce sistematicamente,
• se la temperatura nel quadro di comando aumenta sotto carico,
• se l’inverter lavora sempre più vicino al limite di sovraccarico,
• se lo stesso errore dell’azionamento compare in condizioni specifiche del processo,
• se l’usura di cuscinetti, riduttori o elementi attuatori accelera.

Proprio in questo consiste il valore pratico della predictive maintenance. L’obiettivo non è la semplice esecuzione della misurazione, ma l’utilizzo dei dati in modo da pianificare l’assistenza nel momento meno gravoso per la produzione.

Per uno stabilimento industriale significa minore rischio di fermi improvvisi, costi di guasto inferiori, migliore pianificazione dei ricambi e maggiore sicurezza degli operatori.

Misurazioni delle macchine industriali come servizio per manutenzione e produzione

Affidare le misurazioni a specialisti è particolarmente importante quando la macchina ha un’elevata importanza per la produzione, il guasto genera costi elevati o il problema riguarda contemporaneamente meccanica, elettrica e automazione industriale.

Una diagnostica professionale consente di collegare i risultati delle misurazioni alla conoscenza pratica del funzionamento di azionamenti, inverter, servoazionamenti, controllori PLC, alimentatori, encoder, moduli I/O, sistemi di potenza e quadri di comando. In questo modo il cliente riceve non solo valori misurati, ma soprattutto un’interpretazione: che cosa significano i risultati, dove si trova il rischio e quali azioni devono essere intraprese.

In RGB Elektronika eseguiamo misurazioni di macchine industriali e diagnostica di sistemi di automazione ed elettronica industriale. Aiutiamo i reparti di manutenzione, produzione e assistenza a valutare lo stato tecnico delle apparecchiature, rilevare le cause dei guasti e pianificare ulteriori interventi di assistenza.

Se la macchina lavora in modo instabile, compaiono errori dell’azionamento, aumenti di temperatura, vibrazioni o fermi ripetuti, conviene eseguire le misurazioni prima del guasto successivo. Una diagnostica precisa consente di individuare più rapidamente la fonte del problema e ridurre il rischio di un arresto non pianificato della produzione.

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