Monitorización del estado con datos eléctricos

La monitorización del estado mide cómo funciona una máquina mientras está en marcha, para que el mantenimiento responda a pruebas y no solo a un calendario. ISO 17359 establece el proceso: clasificar los equipos por criticidad, identificar los modos de fallo relevantes, elegir medidas que respondan a esos fallos, fijar una línea base y actuar ante los cambios.

Muchas instalaciones ya miden sus motores, bombas, ventiladores y compresores grandes para informar sobre energía. Los sensores de corriente y el contador están instalados y se registran los datos. El coste adicional de monitorizar el estado con esos datos consiste en crear la línea base y las reglas de alerta, no en adquirir equipos nuevos.

Cuándo compensa monitorizar el estado

Dejar funcionar hasta el fallo es razonable para un equipo barato y no crítico. Un intervalo fijo de mantenimiento es adecuado cuando el desgaste es previsible y la intervención es económica. La monitorización compensa en los activos donde una parada imprevista cuesta más que varios años de seguimiento: una enfriadora de proceso en una fábrica alimentaria, el compresor principal de una línea de producción, una bomba de elevación de aguas residuales sin reserva o un motor grande cuyo rebobinado tarda varias semanas. Clasifique los activos según la criticidad de ISO 17359 y empiece por los primeros de la lista.

Qué pueden mostrar los datos eléctricos

Un monitor trifásico como el ZEM registra corriente y tensión eficaces, potencia activa y aparente y factor de potencia por fase, además de frecuencia y energía acumulada. Los indicadores útiles del estado proceden de comparar estas lecturas en el mismo estado de funcionamiento:

Los fallos de devanado y rotor rara vez se observan claramente en el factor de potencia por intervalos. Una disminución del factor de potencia de un motor de arranque directo suele indicar un cambio de carga, porque la corriente de magnetización se mantiene casi constante mientras disminuye la corriente de trabajo.

La corriente es una medida deficiente de la carga del motor por debajo de aproximadamente el 50 % de plena carga. La ficha del DOE sobre carga del motor muestra que la curva de corriente deja de ser lineal en esa zona, también por la corriente de magnetización. Use potencia activa, no corriente, para estimar la carga de un motor poco cargado.

La velocidad altera las cifras más que cualquier fallo. Según las leyes de afinidad, la potencia de una bomba es proporcional al cubo de su velocidad. Reducirla de 1.500 a 1.200 rpm (80 % de velocidad) reduce la potencia ideal a 0,8³, es decir, al 51 %. Al 60 % de velocidad, la bomba consume alrededor del 22 %. Una tendencia bruta de potencia de una bomba con variador mezcla cambios de servicio y de estado; agrupe primero las lecturas por velocidad o caudal:

Desequilibrio de tensión: ejemplo

El desequilibrio de tensión es la comprobación eléctrica más sencilla sobre la que actuar. Con tensión desequilibrada, las corrientes del motor se desequilibran aproximadamente entre 6 y 10 veces más. NEMA MG 1-14.35 describe el efecto térmico: en la fase de mayor corriente, el aumento porcentual de la elevación de temperatura equivale aproximadamente al doble del cuadrado del porcentaje de desequilibrio de tensión. Con un 3,5 % de desequilibrio, el aumento es de alrededor del 25 %. La ficha del DOE recomienda mantener el desequilibrio en bornes del motor por debajo del 1 %. NEMA MG 1 exige reducir la potencia nominal por encima del 1 % y desaconseja funcionar por encima del 5 %.

El cálculo utiliza las tres tensiones entre fases. Para 460 V, 467 V y 453 V, la media es 460 V y la mayor desviación, 7 V:

El resultado es 7 ÷ 460 = 1,52 %. Supera el límite del 1 %. Las corrientes pueden presentar un desequilibrio del 9 al 15 %, y el devanado más caliente tiene una elevación de temperatura aproximadamente un 2 × 1,52² = 4,6 % mayor que con alimentación equilibrada. La tabla de la ficha del DOE indica la pérdida de eficiencia de ese motor a plena carga: 94,4 % con alimentación equilibrada y 93,0 % con desequilibrio del 2,5 %.

Si el desequilibrio de tensión es inferior al 1 % pero un motor presenta un desequilibrio de corriente elevado, la causa está en ese circuito. Compruebe conexiones y devanados antes de examinar el suministro.

Motores con variador de velocidad

La mayoría de las bombas y ventiladores de esta guía funcionan con variadores de velocidad. El variador cambia lo que puede observar el monitor.

Instale el monitor en el lado de alimentación del variador. El ZEM está especificado para redes de 50 o 60 Hz, mientras que la salida del variador funciona a frecuencia variable con una forma de onda conmutada. En el lado de alimentación, la potencia activa es la potencia de entrada del motor más las pérdidas del variador, de unos pocos puntos porcentuales. Sigue sirviendo una línea base de potencia frente a caudal.

Cambian las demás comprobaciones eléctricas. El factor de potencia del lado de alimentación describe el rectificador del variador, no el motor. El desequilibrio de tensión en la entrada afecta al variador, pero el motor recibe una tensión equilibrada generada por este. Por tanto, un fallo de devanado puede quedar oculto tras el variador. Lea del propio variador la corriente de salida, velocidad y registro de fallos por Modbus RTU, y use la velocidad como señal de estado de la línea base.

Calidad de medida y eventos de datos

Una línea base compara la cadena de medida consigo misma. Un error de calibración fijo está tanto en la línea base como en la lectura actual y, por tanto, se cancela. Dos tipos de error no se cancelan.

El primero es el error que varía con el punto de funcionamiento. Los límites de error del contador aumentan con poca corriente y bajo factor de potencia; el error de fase del TC afecta más a la potencia cuando el factor de potencia es bajo. Elija un rango de sensor de corriente adecuado para la corriente habitual del motor. Una bobina Rogowski de 3.000 A en un circuito de motor de 40 A sitúa todas las lecturas al final inferior de su rango.

El segundo es un salto en la cadena de medida. Sustituir un TC por otro de relación distinta, cambiar el factor de escala o sustituir el contador desplaza todas las lecturas un porcentaje fijo en un momento concreto. El modelo lo interpreta como fallo. Un TC instalado al revés da potencia activa negativa en esa fase. Dos TC intercambiados entre fases producen factores de potencia inverosímiles en ambas. Después de cada intervención eléctrica, compruebe signo de la potencia activa y factor de potencia por fase, y registre la intervención como un evento del activo.

Construir una línea base

Una línea base es el rango normal de cada indicador en cada estado de funcionamiento del activo.

1. Enumere los estados de funcionamiento. Por ejemplo: apagado, espera, servicio con carga baja, media y alta, y ciclo de limpieza.
2. Registre una señal de estado. Use señal de marcha, consigna de velocidad, caudal o recuento de producción para asociar cada lectura con un estado. Un ZIO lee un caudalímetro de 4 a 20 mA, y un ZMB lee un variador o calculador de caudal por Modbus.
3. Recopile datos normales. Reúna al menos dos semanas de cada estado y al menos 50 ciclos de marcha para un activo que arranca y para. Una carga dependiente del tiempo atmosférico necesita una temporada de calefacción y otra de refrigeración.
4. Registre eventos. Anote mantenimiento, reparaciones y cambios de consignas o procesos con sus fechas. Cada uno inicia una línea base nueva.
5. Calcule el rango normal. Use mediana y percentiles 5 y 95 de cada indicador en cada estado.

Conserve la línea base con el registro del activo. Cuando alguien pregunte por qué se activó una alerta, la línea base será la prueba.

De la línea base a la alerta

Use cuatro tipos de reglas, en este orden:

1. Límites fijos para estados que nunca son normales: desequilibrio de tensión superior al 1 %, corriente por encima de la corriente nominal a plena carga o un motor que funciona fuera de horario.
2. Límites de línea base por estado, como en el ejemplo de la bomba: potencia superior al percentil 95 más un margen durante un tiempo determinado. Empiece con un margen del 3 al 5 % y 30 a 60 minutos; luego ajústelo.
3. Velocidad de cambio para deterioro lento: energía específica creciente durante tres semanas consecutivas o más.
4. Modelos para activos cuya potencia normal depende de varias variables simultáneas (véase el apartado siguiente).

Asigne a cada regla un responsable y una acción definida. Para cada activo, anote cuántas alertas se producen al mes y cuántas dieron lugar a una orden de trabajo. Si una regla genera tres falsas alarmas seguidas, amplíe el margen, prolongue la duración exigida o retire la regla.

Cuándo ayuda el aprendizaje automático

Un límite fijo falla si la potencia normal depende a la vez de varias variables. Una enfriadora es el ejemplo habitual: su potencia depende de la carga frigorífica, la temperatura del agua del condensador o del aire exterior y la consigna de agua fría. Un límite correcto en julio será incorrecto en enero.

Para estos activos, ajuste una regresión de potencia respecto a las variables que la determinan, usando el periodo de línea base. Genere una alerta por el residuo, potencia medida menos prevista, con el mismo límite y tiempo de permanencia anteriores. Por ejemplo, avise cuando el residuo supere tres desviaciones estándar sobre cero durante 30 minutos. Una regresión lineal con pocos términos suele bastar y permite a un ingeniero interpretar los coeficientes y comprobarlos frente a la instalación.

Los fallos son poco frecuentes, de modo que hay pocos ejemplos etiquetados para entrenar un modelo más complejo. El marco de gestión de riesgos de IA del NIST pide validar de forma documentada y vigilar el rendimiento del modelo durante su uso. Para un modelo de mantenimiento, reserve un periodo de la línea base para probarlo, registre cada alerta y su resultado, y vuelva a ajustarlo después de cada evento registrado.

Otras medidas

Los datos eléctricos no sustituyen la medida que responde primero a un modo de fallo. La vibración responde antes a defectos de rodamientos, desequilibrio mecánico, desalineación y holguras. La temperatura detecta fallos de rodamientos, devanados y conexiones. El análisis de aceite sirve para cajas de engranajes, sistemas hidráulicos y transformadores. Caudal, presión y presión diferencial permiten convertir potencia en eficiencia.

La combinación más útil en un motor crítico es potencia y una sonda de temperatura en la carcasa del rodamiento del lado del accionamiento. Una sonda TES-2X en esa carcasa informa por la misma red Zigbee que el ZEM. Compare el aumento de temperatura del rodamiento respecto al ambiente con la misma carga. Si sube la potencia pero no la temperatura del rodamiento, examine la carga accionada o el proceso. Si suben ambas, examine el rodamiento o la alineación.

Empezar con un piloto

1. Elija de tres a cinco activos críticos de la clasificación, cada uno con un modo de fallo conocido.
2. Instale un ZEM en cada circuito de motor e incorpore una variable de proceso que describa la producción, como caudal, presión o recuento de unidades.
3. Reúna los datos de línea base y registre cada evento.
4. Configure primero límites fijos y luego límites de línea base.
5. Revise cada alerta durante tres meses. Mantenga las reglas que detectaron problemas reales y retire las demás.
6. Extienda el sistema a más activos con las reglas que funcionaron.

Defina el éxito antes de iniciar el piloto: por ejemplo, detectar un fallo antes de que cause una parada imprevista o verificar una pérdida de eficiencia cuyo ahorro justifique la reparación.