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Monitoreo de Condición de Equipos Mina

Publicado el 1 jun 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 las detenciones no planificadas junto con las consecuentes pérdidas en la producción, incrementándose así la vida útil de ítems mantenibles en las máquinas. La identificación del componente específico de la máquina que ha fallado permite al equipo de mantenimiento poder planificar 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 pedir repuestos que deben ser reemplazadas.

El mantenimiento predictivo utiliza en su propósito varios equipos de tecnología de punta, de personal con conocimientos específicos y del historial de operación de las máquinas que debe ser examinado para determinar su condición. Las técnicas no destructivas de mayor uso en 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. También se incluyen los líquidos penetrantes y la radiografía industrial, además de numerosos ensayos eléctricos como las descargas parciales, resistencia de aislamiento e índice de polarización, ensayos de respuesta en frecuencia para circuitos magnéticos, y ensayos físico-químicos como la cromatografía y furfuraldehídos, solo por nombrar algunos tipos de ensayos eléctricos. De entre todas 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

Desde hace unos años SPM Ingenieros Ltda. se encuentra desarrollando en forma exitosa ingeniería basada en Planes de Monitoreo de Condiciones en varios campos industriales.

Entre las máquinas ya monitoreadas por nuestros sistemas, encontramos maquinaria esencial en un proceso minero como son los chancadores, que deben estar disponibles en todo momento con el fin de lograr una producción continua del metal extraído. Debido a las características singulares de operación que poseen estas máquinas es necesario implementar sistemas diseñados especialmente para monitoreos de esta índole, con técnicas que permitan discriminar los diferentes niveles de carga a los cuales se encuentra sometido un chancador durante su tiempo de trabajo. A raíz de lo anterior, un sistema estándar de monitoreo continuo es incapaz de arrojar diagnósticos fidedignos; menos aún un operador sintomático con un recolector manual.

Lo mismo pasa con otro tipo de máquinas complejas como los molinos, en donde los sistemas observados carecen de un estudio previo de sus componentes, lo que deriva en la implementación de softwares que no poseen la rigurosidad técnica suficiente para que los resultados reflejen la real condición de un molino. A éstos se le debe sustraer el run-out mecánico desde sus sensores de desplazamiento sin contacto. Las señales parásitas son típicas en los descansos hidrodinámicos y alteran las mediciones de vibraciones si no son restadas vectorialmente. A modo de citar otro ejemplo, se puede mencionar la medición de descansos en turbogeneradores.

Tomando parte de la experiencia anterior, y volcándola a otro tipo de máquinas, es que hemos comenzado a estudiar otro tipo de maquinaria de alta complejidad y de características no convencionales. Máquinas mina como los camiones de carga y las palas, operan en la mayoría de las industrias dedicadas a la extracción de metales. Este tipo de maquinaria presenta condiciones de velocidad y carga variable por lo que requieren de sistemas de monitoreo con rasgos especiales que, junto con estudios y análisis previos, se mencionan más adelante dentro de este artículo.

El presente documento intenta dar a conocer la solución para el aumento de la confiabilidad de una máquina compleja como son los camiones de carga mina.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Dentro de los equipos mina se centró el estudio en los camiones y dentro de ellos a su principal componente: el motor. Los camiones mina son máquinas grandes, robustas, costosas, de gran complejidad mecánica y de gran importancia dentro del proceso de extracción de mineral. Un camión tiene como objetivo transportar toneladas de material tronado fuera de la mina para subproceso o depósito. Una detención imprevista se traduce en una gran suma de dinero en pérdida de producción, por lo que poder determinar su condición en todo momento posee una importancia trascendental en el negocio.

Determinar la condición de un camión utilizando un recolector de vibraciones comercial manipulado por personal sintomático de una minera arroja resultados totalmente insatisfactorios debido a que no se estarían considerando las diferencias de carga y velocidad a cada momento durante una medición. Vibraciones propias a máquinas reciprocantes inutilizan los análisis convencionales; lo mismo ocurre en el análisis de ultrasonido para detección de fallas. Las técnicas anteriores, junto con mediciones de termografía, y de parámetros de operación y control como son presiones, potencia, velocidades, caudal, temperatura y otros, deben realizarse además en un ambiente sucio y de poca accesibilidad.

Por lo antes expuesto, es necesario entonces un sistema de monitoreo continuo que considere el régimen no estacionario como condiciones de operación inherentes al trabajo realizado por este tipo de máquinas. La adquisición debe ser inteligente, se debe medir en cada cilindro presión, vibraciones y ultrasonido, relacionando estas mediciones con la posición angular del cigüeñal y el nivel de carga asociado. Se debe implementar un sistema, sólido y robusto, de vigilancia en línea de la condición mecánica en donde se considere por ejemplo:

• Tendencia valor global
• Tendencia bandas espectrales
• Envolvente espectral
• Zona de aceptación

Y se utilicen técnicas avanzadas de análisis como son entre otras:

• Transformadas Tiempo-Frecuencia (TTF)
• Order Analysis
• Peak Vue
• Demodulación
• Autocorrelación
• Espectro de potencia

A continuación se presenta un completo estudio que deriva finalmente en la utilización del software SAM como solución a este problema. En forma previa a su diseño, es necesario realizar un acucioso estudio de ingeniería que analice completamente la máquina 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 Camión

Antes de poder implementar el software para un completo análisis del camión, 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 camión mina.

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. Cabe mencionar que la mayoría fueron completamente tratadas dentro de este estudio, sin embargo algunas solo fueron revisadas en forma parcial. De todas formas, serán mencionadas como parte explicativa de un Plan de Monitoreo de Condiciones.

Desarrollo de la estrategia de un Plan de Monitoreo de Condiciones

Se identificaron los equipos y componentes que debieron monitorearse, junto con las fallas que desearon encontrar en ellos. También se establecieron las técnicas y los registros que permitieron diagnosticar cada una de las fallas. 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 de los componentes.
• Selección de equipos, componentes e ítems mantenibles a monitorear.
• Elaboración de jerarquía.
• 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 del componente, y si se dispone de equipo 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 debió ejecutarse, debieron configurarse los parámetros tanto en hardware como en software que permitieron, bajo cada una de las técnicas de análisis, poder obtener mediciones fidedignas que permitieron 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 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 revisados, se confeccionaron una serie de informes. Éstos permitieron contener todo el know-how adquirido. Además, señalaron los parámetros exactos con los que se debieron configurar los parámetros de medición, los puntos en donde se realizaron las mediciones, el seguimiento al desarrollo de fallas en el tiempo, etc. Así se evitó el riesgo de que personal sintomático no trabajase en forma conjunta y coordinada en la empresa de diagnosticar la condición de los camiones. Algunos de estos documentos 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
• Listado 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 (no aplicó)
• Pauta de configuración de puntos de medición Ultrasonido detección de espesores y grietas (no aplicó)
• Informe de diagnóstico

Herramienta central del estudio: Sistema avanzado de monitoreo (SAM)

Para llevar a cabo este estudio, se empleó un software ya implementado en otras industrias del país. Este software se reacondicionó para esta nueva aplicación, lo que culminó finalmente en la creación de un submódulo para el monitoreo de máquinas mina como los camiones.

SAM ha sido diseñado íntegramente por Ingenieros Mecánicos expertos en desarrollo de software y análisis de vibraciones mecánicas. La principal diferencia de este software la marca el hecho de que SAM se adecúa relacionando los niveles de vibraciones con la condición de operación de la maquinaria a analizar, además posee numerosas técnicas de análisis, entre otras cosas.

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 ejemplo del Monitoreo de Condiciones Continuo (MCC) típicamente desarrollado por SPM para el estudio presentado.

Se definen cinco componentes o módulos dentro de un MCC a implementar en forma completa: Base de datos, Adquisición, Monitor, Análisis y Diagnóstico Remoto. Las herramientas de programación utilizadas para el desarrollo de los componentes anteriormente señalados son: LabVIEW 8.2, LabVIEW Real-Time, LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit, LabVIEW Order Analysis Toolkit y lenguaje plpgsql con PostgreSQL 8.1. Cada uno de estos componentes se desarrollan 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. Por ello se pudo rescatar datos registrados en forma previa, que significaron de gran aporte en el desarrollo del análisis.

 

Base de datos

La información transada entre los distintos módulos del sistema fue 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., tuvo lugar en esta base de datos. El diseño de la base de datos relacional contempló el uso de múltiples tablas, funciones, vistas, claves, índices, etc., lo que aseguró la rapidez de respuesta del motor de búsqueda utilizado.

El diseño de la base de datos contempló además (ver figura 3) el almacenamiento de una estructura jerárquica formada por 9 niveles (Área, Conjuntos prueba, Máquina, Componente, Punto de medición). Cada nivel de la estructura jerárquica poseyó información asignada, por ejemplo: nombre, descripción y estado de alarma. De esta forma se aseguró el tener toda la información en forma ordenada. Incluso en algunos niveles se trabajó con información adicional, como:

• 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 ejecutó sobre el PXI dispuesto para el análisis. Éste adquirió las señales provenientes de los diferentes sensores y tarjetas, luego las señales fueron procesadas y enviadas hacia el PC-Monitor. Este software carece de una interfaz gráfica, debido a que todos los parámetros configurables se configuran desde el software Análisis y Monitor.

Análisis

El módulo de Análisis sirve de corazón del sistema, integra los módulos del sistema de monitoreo; administra la estructura de la 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). Algunos parámetros o valores configurados para la ocasión fueron:

• 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 no implementadas en software comerciales. Ello nos permitió obtener análisis más depurados y rigurosos. 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 diseñó un panel de vigilancia con figuras esquemáticas que representaron cada parte del conjunto mecánico analizado. En él se presentaron los valores de las variables monitoreadas y el estado de alarma de cada componente según el conjunto de técnicas de vigilancia que incluimos en el estudio. Mediante este software se seleccionaron las mediciones que se almacenaron en la base de datos. Los criterios de almacenamiento fueron:

• Eventos disparados por alarma de alguna técnica de vigilancia
• Número de excesos contabilizados en un intervalo de tiempo
• Registro manual cuando estimamos necesario

Para visualización rápida y fácil de algunos eventos, el panel de este software posee un árbol que muestra la jerarquía de la máquina monitoreada, lo que permite seleccionar los distintos puntos de medición. Señala también controles que representan esquemáticamente la máquina monitoreada y que cambian de color según el estado de alarma de cada componente.

Fallas

Concluidas algunas experiencias investigativas fue posible encontrar fallas debido a las siguientes posibles causas que se enlistan a continuación.

 

Estas fallas pueden ser monitoreadas mediante la correcta implementación de sensores de vibración y de ultrasonido más la ayuda de un sensor de posición del eje en el descanso que relacione las mediciones con los giros del eje del motor. Mediante esta configuración se pueden observar los siguientes fenómenos.

La observación de estos fenómenos, más otras mediciones de presión, caudal, análisis de lubricantes, etc. se referencian a la posición angular del cigüeñal, de esta forma se relacionan los eventos con los que ocurren durante el ciclo del cilindro y con la localización de sus componentes.

 

Todo el mantenimiento predictivo a proponer dentro de una estrategia de mantenimiento para equipos mina, se debe implementar considerando tareas complementarias propias de otros tipos de mantenimiento como son el correctivo y preventivo de manera de poder mantener la maquinaria de  forma adecuada, logrando satisfacer los objetivos de confiabilidad de la máquina. En la figura 6 se observa una transformada tiempo-frecuencia o TTF, derivada de mediciones realizadas a uno de los motores. Para condiciones de carga variable las TTF, que corresponden a representaciones tridimensionales de amplitud, tiempo y frecuencia, representan de mejor forma lo que sucede con la amplitud de las componentes espectrales de la señal durante el tiempo de adquisición de ella, ya que estiman la distribución de energía de la señal en el plano Tiempo-Frecuencia.

CONCLUSIONES

SPM se encuentra implementado SAM en el diagnóstico de la condición de camiones mina mediante técnicas predictivas con resultados exitosos. Esto nos permite concluir entre otras cosas que:

• En el presente, existen los conocimientos, la metodología y la tecnología para llevar a cabo un correcto Monitoreo de Condiciones a diversas máquinas complejas de la industria minera y de otras.
• La ingeniería detrás de SAM sirve de enorme respaldo antes de implementar un sistema de monitoreo, ya que como se describió, se realiza un estudio específico. Se seleccionaron cuidadosamente las variables a medir, técnicas a aplicar y fallas a detectar para cada componente del conjunto mecánico en cuestión.
• SAM incluye técnicas adicionales de análisis que permitieron evaluar de forma adecuada la condición de estas máquinas.
• Se han emitidos diagnósticos de la condición de camiones en donde se han revisado todos los síntomas característicos de fallas que se han querido detectar bajo cada una de las técnicas predictivas en forma integrada.
• El sistema impuesto cuenta con la tecnología necesaria para solventar problemas como son las fuertes condiciones desfavorables del entorno. Polvo en suspensión, suciedad, calor, altura geográfica, vibraciones e impactos, reglamentos de seguridad y la poca accesibilidad son algunas de las dificultades que debieron tomar en cuenta.
• El estudio al cual hace referencia este artículo es aplicable para más equipos mina como son las palas. Además se respalda en estudios previos desarrollados para equipos planta como chancadores, molinos, tambores aglomeradores, harneros, etc., en donde ya se cuenta con monitoreos actualmente implementados.