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Monitoreo de Condición de un Chancador Rotatorio

Publicado el 1 Ene 2008

El diseño de máquinas en la industria tiende en estos tiempos a ser de unidades más grandes, más complejas y de mayor productividad. Más aún en la industria minera en donde las grandes cantidades de material extraído, transportado y procesado requieren de máquinas colosales que satisfagan los distintos trabajos necesarios para la obtención de mineral. Al ser más grandes, los períodos de inactividad de una unidad generan una gran pérdida de producción junto a grandes costos de mantención. Esto ha conducido a un cambio en las estrategias de mantenimiento, evolucionando desde el esquema de inspecciones periódicas y operacionales a un esquema basado en condiciones propio de un plan de mantenimiento predictivo. Además, se hace impostergable buscar soluciones sustentables en el tiempo que respondan a estrategias de mantenimiento seguras y confiables y de bajo costo con el fin de responder a los cambios que se esperan en el horizonte chileno de la minería.

La estrategia de mantenimiento predictivo es una solución viable para incrementar los intervalos en la planificación de reparaciones y mantención. Reparaciones en máquinas son efectuadas solo cuando el análisis de algunos valores registrados indican que es estrictamente necesario. Es un procedimiento de examinación no destructivo que monitorea ciertos valores en una máquina, ya sea medidos o calculados, que determinan en todo momento la condición de la máquina con el fin de lograr diagnosticar  problemas incipientes y/o para ejecutar reparaciones que puedan prevenir fallas catastróficas, reduciéndose así el riesgo y el número de fallas inesperadas. Esta técnica se realiza con la mínima interrupción de un proceso. Esto reduce detenciones no planificadas junto con las consecuentes pérdidas en la producción, incrementándose así la vida estimada de la maquinaria. La identificación del componente específico de la máquina que ha fallado permite poder planificar al equipo de mantenimiento cada reparación con el mínimo de tiempos muertos. La detección prematura de fallas también reduce el número de componentes auxiliares en el inventario de mantención debido a que se cuenta con el tiempo suficiente para ordenar partes que deben ser reparadas o reemplazadas.

El mantenimiento predictivo utiliza en su propósito varios equipos de tecnología de punta, de conocimientos específicos de las máquinas y del historial de operación de las máquinas que deben ser examinadas para determinar su condición. Las técnicas no destructivas de mayor uso utilizadas normalmente por el mantenimiento predictivo son: el análisis de vibraciones, la termografía infrarroja, análisis de temperatura, el análisis de aceite y de partículas magnéticas, análisis de corriente eléctrica, y análisis de ultrasonido ya sea para detección de fallas, de grietas o para medir espesores. De estas técnicas, las mediciones y posterior análisis de las vibraciones han demostrado ser la técnica más versátil e importante para vigilar la condición de una máquina rotatoria.

METODOLOGÍA

Este trabajo responde a la presentación de la ingeniería que en estos momentos SPM Ingenieros Ltda. se encuentra desarrollando desde algún tiempo en varios campos industriales del país y próximamente fuera de él. Se intenta dar a conocer la solución para el aumento de la confiabilidad de una máquina compleja como el chancador.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Uno de los primeros eslabones dentro de la cadena de proceso de material en la minería son los chancadores. Son máquinas, grandes, robustas y de gran complejidad mecánica, en donde pueden circular miles de toneladas hora dependiendo del modelo. Esta máquina esencial en el proceso minero debe encontrarse disponible en todo momento con el fin de lograr una producción continua del metal extraído. Una detención imprevista se traduce automáticamente en miles de dólares de pérdida de producción por hora, por lo que poder determinar su condición en todo momento tiene una importancia trascendental para el negocio.

Un chancador tiene como objetivo triturar el mineral traído desde la mina a modo de disminuir el tamaño de las rocas ingresadas aumentando así la superficie de contacto de las piedras consecuentes y exponiendo a su paso el mineral residente en ellas. Junto con facilitar el transporte, permite optimizar los procesos siguientes.

En forma general, y no queriendo entrar en detalle, un chancador, ya sea giratorio o de cono, posee básicamente los siguientes sistemas:

• Araña o gorro, o tapa del cojinete superior, según sea giratorio o de cono, respectivamente: cuya función es sostener el eje principal.
• Eje principal: que realiza la trituración del mineral presionándolo contra el revestimiento interior.
• Carcasa: que sirve de protección, contiene el revestimiento interno y que soporta a la araña, los conjuntos de excéntrica, eje-piñón e hydroset. Se distingue una carcasa superior y otra inferior.
• Excéntrica: elemento que permite el giro excéntrico al eje principal.
• Contraeje-Piñón: entrega el torque proveniente de un sistema motriz a la excéntrica.
• Hydroset: determina la altura del poste con el cual se realiza el chancado. También previene de riesgos en los componentes al pasar un inchancable por el proceso.
• Sistema de lubricación: que provee de la lubricación necesaria a toda la máquina.

Si bien es cierto, técnicas complementarias como la imagen termográfica y el ultrasonido son útiles en el diagnóstico de los componentes mantenibles rotatorios de un chancador, un mantenimiento predictivo basado en análisis de vibraciones realizado por personal sintomático es incapaz de diagnosticar la condición de un chancador en forma correcta. Una máquina con las características de un chancador se encuentra sometido a cargas variables lo que hace que mediciones periódicas no sean comparables unas con otras. Es incongruente efectuar comparaciones cuando se difiere en las condiciones de operación del chancador, esto dificulta el poder diagnosticar una falla incipiente y hace imposible seguir su evolución mediante un monitoreo periódico manual convencional. Una correcta vigilancia de la máquina que permita un alto grado de confiabilidad requiere que se disponga de estados de alarma dependientes del nivel de carga de la máquina. Esto se logra mediante la medición simultánea de niveles de vibraciones y de corriente.

La solución a este problema es un software donominado SAM y desarrollado por SPM Ingenieros Ltda. especialmente para el monitoreo de máquinas complejas como lo son chancadores y otras. Este programa ya se encuentra operando en indsutrias de este país con resultados exitosos. En forma previa al diseño de este tipo de sistemas, es necesario realizar un acucioso estudio de ingeniería que analiza la máquina completamente con el fin de que el software se adecúe perfectamente a los requerimientos que se suscitan en torno a ella.

Ingeniería dentro del Monitoreo de un Chancador

Antes de poder implementar el software para un completo análisis del chancador, se requiere de una ingeniería previa que tiene como finalidad conocer todos los aspectos que rodean a la máquina y que permitan la correcta configuración del software para un diagnóstico correcto y confiable por pate de SAM. Así, dentro del marco conceptual de gestión y aplicación del mantenimiento con el que comúnmente trabaja SPM, debemos hacer mención a una parte de él que tiene relación con el Plan de Monitoreo de Condiciones. En este caso no será aplicado a una planta completa, sino que específicamente para un chancador.

La elaboración de un Plan de Monitoreo de Condiciones consta en desarrollar la ingeniería necesaria para definir el óptimo Mantenimiento Predictivo mediante análisis de vibraciones y técnicas complementarias. El desarrollo de esto, contempla varias etapas que a continuación se detallan:

Desarrollo de la estrategia de un Plan de Monitoreo de Condiciones

Se identifican las máquinas y componentes que deben ser monitoreados junto con las fallas que desean encontrarse en ellas. También se establecen las técnicas y los registros que permiten diagnosticar cada una de estas fallas, lo que se traduce en el tipo de monitoreo que se debe adoptar más el hardware que permita llevarlo a cabo. En resumen, corresponde a la ingeniería que permite desarrollar un completo Plan de Monitoreo de Condiciones. Tópicos a analizar son:

• Análisis de manuales u otra información.
• Análisis de criticidad dentro del proceso.
• Selección de máquinas y equipos a monitorear dentro del chancador.
• Elaboración de jerarquía.
• Selección de sistemas a monitorear.
• Selección de componentes a monitorear.
• Elaboración de fichas técnicas.
• Definición del listado de fallas a detectar.
• Selección de técnicas de análisis.
• Selección de técnicas de vigilancia.
• Selección de puntos de medición.
• Selección de parámetros de análisis básicos para cada punto (ejemplo vibraciones):

            Magnitud: aceleración, velocidad, desplazamiento.
            Detección: peak, peak to peak, RMS, entre otros.
            Unidades de medida.
            Frecuencia máxima.
            Número de líneas.
            Número de promedios.
            Porcentaje de traslapo, etc

• Selección del hardware para el sistema de monitoreo.
• Determinación de periodicidad según:

            Grado de criticidad de la máquina, y si se dispone de máquina spare.
            Frecuencia con que se realizan los mantenimientos preventivos.
            El historial de falla de la máquina. Para poder establecer tendencias, se requiere  de un mínimo de 6 a 8 mediciones entre fallas.
            Potencia y velocidad de rotación de la máquina.
            Experiencia en otras máquinas similares.

Configuración del Tipo de Monitoreo a Utilizar

Una vez establecido el tipo de monitoreo que debe ejecutarse, se deben configurar los parámetros tanto en hardware como en software que permitirán, bajo cada una de las técnicas de análisis, poder obtener mediciones fidedignas que permitan a su vez poder establecer en forma correcta la condición de la máquina.

• Configuración de técnicas de vigilancia.
• Configuración de técnicas de análisis.
• Configuración de parámetros de medición.
• Elaboración de pautas de configuración de puntos.
• Ingreso de pautas de configuración en software de análisis.

Determinación de la Condición Inicial

Establece un plan que permite ejecutar el total de las mediciones necesarias en cada una de las técnicas. Además se definen las líneas bases para cada una de las ellas, que corresponden a los valores en que la máquina se encuentra operando en condiciones normales. Lo anterior permite poder establecer niveles de alarma y de comparación para los nuevos registros, asimismo el poder emitir diagnósticos más rigurosos y expeditos.

• Elaboración de calendario de medición.
• Elaboración de rutas de medición.
• Determinación condiciones de operación.
• Determinar la condición inicial.
• Configuración de alarmas.
• Elaboración de informe de diagnóstico.

Con los puntos anteriormente ya revisados, se confeccionan una serie de entregables que sirven para dar a conocer el análisis realizado por SPM. Estos entregables permiten que todo el know-how de la máquina permanezca en la industria, sin correr el riesgo que se diluya con algún cambio de personal. Además, muestra los parámetros exactos con los que se deben configurar parámetros de medición, los puntos en donde realizar dichas mediciones, seguir el desearrollo de fallas en el tiempo, etc, sin correr el riesgo que un equipo sintomático de personas no trabaje en forma conjunta y coordinada en su empresa de diagnosticar la condición de una máquina. Algunos de los entregables en un Plan de Monitoreo de Condiciones son:

• Evaluación de criticidad
• Jerarquía de sistemas y componentes
• Técnicas utilizadas por componente
• Esquema general de la máquina
• RCM monitoreo de condiciones
• Fichas técnicas componentes mantenibles
• Lsitado de hardware y software recomendado
• Pauta de configuración de puntos de medición Vibraciones
• Planilla condición inicial Vibraciones
• Pauta set alarmas Vibraciones
• Pauta de configuración de puntos de medición Termografía
• Planilla condición inicial Termografía
• Pauta de configuración de puntos de medición Ultrasonido detección de fallas
• Planilla condición inicial Ultrasonido detección de fallas
• Pauta de configuración de puntos de medición Análisis de Lubricantes
• Pauta de configuración de puntos de medición Análisis de Corriente
• Pauta de configuración de puntos de medición Ultrasonido detección de espesores y grietas
• Informe de diagnóstico

Sistema avanzado de monitoreo (SAM)

Este paquete de software es el fruto de la experiencia adquirida por el personal de SPM durante años de trabajo en el área de análisis de vibraciones mecánicas. SAM ha sido diseñado íntegramente por Ingenieros Mecánicos expertos en desarrollo de software y análisis de vibraciones mecánicas. SAM ha sido desarrollado pensando en las máquinas más complejas, ya sea, de la industria minera, siderúrgica, celulosa, energética o pesquera.

Así como en el caso de los chancadores SAM se adecúa relacionando los niveles de vibraciones con la condición de operación, para el caso de máquinas robustas que incluyen descansos hidrodinámicos como componentes, SAM se adecua eficazmente realizando una medición de vibraciones por medio de sensores de desplazamiento sin contacto junto a la necesaria sustracción de señales parásitas o run-out, como se conocen comúnmente. A diferencia del resto de los sistemas de monitoreo continuo, SAM, mediante esta extracción en la señal, entrega una medición limpia y fidedigna que permite establecer la condición de la máquina de forma confiable y con un diagnóstico libre de errores.

SAM es un sistema modular compuesto principalmente por: SAM VGL (Vigilancia) Continua y SAM ALS (Análisis). El módulo de vigilancia consiste en un panel de indicadores que muestra los datos adquiridos y procesados según distintas técnicas de vigilancia y análisis como: bandas espectrales, envolventes, posición del eje en el descanso, tendencias, etc. La aplicación de estas técnicas y la configuración adecuada de los niveles de alerta y peligro, entregan la información necesaria para detectar posibles fallas en los componentes de cada máquina. El software de vigilancia almacena las mediciones según criterios de periodicidad, alarmas o cuando el usuario lo desee. La figura 2 muestra un esquema general de un Monitoreo de Condiciones Continuo (MCC) típicamente desarrollado por SPM mediante el software SAM propuesto para un chancador y otras máquinas.

Se definen cinco componentes o módulos dentro del MCC: Base de datos, Adquisición, Monitor, Análisis y Diagnóstico Remoto. Las herramientas de programación utilizadas para el desarrollo de los componentes anteriormente señalados son: LabVIEW 8.6, LabVIEW Real-Time, LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit, LabVIEW Order Analysis Toolkit y lenguaje plpgsql con PostgreSQL 8.3. Cada uno de estos componentes se desarrollará bajo los conceptos: relacional, modular, escalable y mantenible en el tiempo. Además, dependiendo del sistema y de la configuración que posea, SAM tiene la facultad de poder interactuar con softwares previamente instalados dentro de una industria.  Esto permite a una industria tener un control íntegro del mantenimiento general acorde a los parámetros y estándares ya exigidos.

También ofrece en forma opcional una plataforma en línea del monitoreo continuo, permitiendo de esta forma a que cualquier persona, que posea acceso, pueda seguir en forma directa el estado de la máquina desde cualquier lugar en donde tenga un punto de red. Para esto se designa un sistema de passwords con distintos niveles de acceso y restricciones que permitan que no se produzcan errores al momento de manipular el software.

Base de datos

La información transada entre los distintos módulos del sistema será administrada por un gestor de base de datos PostgreSQL 8.1 instalado en un PC servidor. El almacenamiento de: datos, configuraciones, parámetros, alarmas, mediciones, fichas técnicas, etc., tendrá lugar en esta base de datos. El diseño de la base de datos relacional contempla el uso de múltiples tablas, funciones, vistas, claves, índices, etc., lo que asegura la escalabilidad y rapidez de respuesta del motor de búsqueda utilizado. El diseño relacional, modular, escalable y mantenible permite, por ejemplo, agregar nuevas tablas a la base de datos para manejar la información de nuevas técnicas de análisis en el futuro.

El diseño de la base de datos contempla el almacenamiento de una estructura jerárquica formada por 9 niveles (Área, hasta 5 conjuntos de máquinas, Máquina, Componente, Punto de medición). Cada nivel de la estructura jerárquica posee información asignada, por ejemplo: nombre, descripción y estado de alarma. En particular algunos niveles poseen información adicional:

• Máquina: condiciones de operación definidas por rangos de valores asociados a uno o más puntos de medición.
• Componente: ficha técnica.
• Punto de medición: alarmas, configuración de adquisición, Bandas espectrales, Espectro Base, mediciones históricas y cualquier técnica de vigilancia que se requiera.

Adquisición

El software de Adquisición es programado en LabVIEW Real-Time y se ejecuta sobre el PXI dispuesto para la máquina en especial, adquiere las señales provenientes de los diferentes sensores y tarjetas, luego las señales son procesadas y enviadas hacia el PC-Monitor. Este software carece de una interfaz gráfica, debido a que todos los parámetros configurables se configurarán desde el software de Análisis y Monitor.

Análisis

El módulo de Análisis es el corazón del sistema, éste integra los módulos del sistema de monitoreo; administra la estructura de base de datos que sustenta la información tranzada entre los distintos terminales; configura las opciones de los distintos módulos y principalmente entrega herramientas para analizar señales (ver figura 4). Administra sesiones de usuarios con distintos niveles de acceso al programa, lo que permite bloquear ciertas operaciones en función de un nivel de seguridad. El respaldo de la base de datos se realiza desde el software de análisis o directamente del administrador PostgreSQL en el PC servidor. Es posible archivar estos respaldos en CDs y recuperarlos posteriormente. Algunos parámetros o valores configurables por el usuario son:

• Bandas espectrales:

              Valores de advertencia, alarma, frecuencia y ancho de banda.

• Parámetros de adquisición:

              Asignación de canales para cada punto de medición.
              Frecuencia de muestreo.
              Número de Líneas.
              Ventana.
              Número de promedios.
              % de Traslapo.

• Filtros digitales:

              Tipo de filtro.
              Orden del filtro.
              Frecuencias centrales y anchos de banda.

Análisis integra un amplio grupo de técnicas, las que no se encuentran en ningún software comercial existente. Esto permite obtener un análisis más depurado y riguroso lo que tiene un inmediato impacto en la confiabilidad de los diagnósticos. Algunas de éstas técnicas son:

• Peakvue.
• Demodulación.
• Autocorrelación.
• Order tracking.
• Suma sincrónica.
• Espectro en frecuencia.
• Órbita.
• Forma de onda normal, extendida y filtrada.
• Tendencias.
• Espectro en cascada.

Algunas herramientas de estas técnicas son:

• Gráficos de datos históricos.
• Evaluación de valor RMS.
• Filtros digitales: pasa-bajos, pasa-bandas, pasa-altos.
• Las escalas se podrán redefinir on-line por el usuario.
• Cursores: Simple, Armónico, RMS, Periódico, etc.

Monitor

Se diseña un panel de vigilancia con figuras que representen cada parte del conjunto mecánico analizado. Se presentan los valores de las variables monitoreadas y el estado de alarma de cada componente según el conjunto de técnicas de vigilancia que el cliente desee. Este software es el encargado de seleccionar las mediciones que se almacenan en la base de datos. Los criterios de almacenamiento son:

• Eventos disparados por alarma de alguna técnica de vigilancia
• Número de excesos contabilizados en un intervalo de tiempo
• Registro manual cuando el usuario lo desee

El panel de este software tiene una forma similar a la que se muestra en la figura 5. A la izquierda se observa un árbol que muestra la jerarquía de la máquina monitoreada lo que permite seleccionar los distintos puntos de medición. Abajo se muestra una paleta por cada técnica de vigilancia (bandas espectrales, tendencias, forma de onda, espectro, órbita, posición del eje). Arriba se muestran controles que representan esquemáticamente la máquina monitoreada, éstos cambian de color según el estado de alarma de cada componente. Es posible monitorear las máquinas desde cualquier punto, no necesariamente se debe estar in-situ para poder vigilarlas. Esto permite poder monitorear las máquinas estratégicamente pudiéndose observar y controlar su comportamiento en forma cómoda y simultánea.

Diagnóstico remoto

A modo de poder efectuar un diagnóstico de la condición de la máquina desde cualquier lugar y en forma cómoda se ofrece la opción del diagnóstico remoto para estas máquinas. Mediante esta misma vía remota es posible disponer de los especialistas de SPM Ingenieros Ltda. para que estén conectados monitoreando, analizando y diagnosticando cada componente de estas máquinas. Se ofrece la entrega de informes periódicos completos hechos por los mejores especialistas certificados de SPM Ingenieros.

CONCLUSIONES

SPM ya ha implementado SAM en el diagnóstico de la condición de un chancador mediante técnicas predictivas con resultados exitosos. Esto nos permite concluir entre otras cosas que:

• La ingeniería detrás de SAM asegura que se está vigilando adecuadamente, ya que, antes de implementar un sistema de monitoreo se realiza un estudio específico para cada máquina en particular. SPM Ingenieros selecciona cuidadosamente las variables a medir, técnicas a aplicar y fallas a detectar para cada componente del conjunto mecánico en cuestión.
• Se han emitidos diagnósticos de la condición de un chancador en donde se han revisado todos los síntomas característicos de cada una de las fallas que se han querido detectar bajo cada una de las técnicas predictivas en forma integrada.
• Por definición SAM es un software escalable, ya que se utiliza una base única sobre la cual se construyen, administran y configuran los distintos sistemas de monitoreo instalados en un área, línea de producción, conjunto de máquinas o incluso una planta completa.
• Incluye técnicas de análisis adicionales a las tradicionales que incluye cualquier software comercial.