Surveillance d’état par données électriques

La surveillance de l’état d’une machine mesure son fonctionnement pour que la maintenance repose sur des indices plutôt que sur un calendrier. La norme ISO 17359 décrit la démarche : classer les équipements selon leur criticité, identifier les modes de défaillance importants, choisir les mesures sensibles à ces défaillances, établir une référence et réagir aux changements.

De nombreux sites mesurent déjà leurs gros moteurs, pompes, ventilateurs et compresseurs pour le suivi énergétique. Capteurs de courant et compteur sont installés, et les données sont enregistrées. Pour surveiller l’état de ces équipements à partir des mêmes données, le travail supplémentaire porte sur la référence et les règles d’alerte, pas sur un nouveau matériel.

Quand surveiller l’état d’un équipement

Laisser un équipement peu coûteux et non critique fonctionner jusqu’à la panne peut être raisonnable. Un entretien à échéance fixe convient lorsque l’usure est prévisible et l’intervention peu coûteuse. La surveillance de l’état est surtout utile lorsque l’arrêt imprévu d’un équipement coûte plus que plusieurs années de suivi : groupe frigorifique d’un site alimentaire, compresseur principal d’une ligne de production, pompe de relevage d’eaux usées sans secours ou gros moteur dont le rebobinage demande plusieurs semaines. Classez les équipements selon la criticité, comme le prévoit ISO 17359, puis commencez par les premiers.

Ce que révèlent les données électriques

Un compteur triphasé comme le ZEM enregistre courant et tension efficaces (RMS), puissances active et apparente et facteur de puissance par phase, ainsi que fréquence et énergie cumulée. Les indicateurs utiles comparent ces mesures dans un même état de fonctionnement :

Les défauts de rotor ou d’enroulement apparaissent rarement clairement dans le facteur de puissance moyenné par intervalle. Sur un moteur démarré directement sur le réseau, une baisse du facteur de puissance indique le plus souvent un changement de charge : le courant magnétisant reste presque constant tandis que le courant utile diminue.

Sous environ 50 % de la pleine charge, le courant renseigne mal sur la charge d’un moteur. La fiche du ministère américain de l’Énergie montre que la courbe du courant devient non linéaire dans cette plage, encore à cause du courant magnétisant. Estimez la charge d’un moteur peu chargé à partir de la puissance active, pas du seul courant.

Les changements de vitesse influent sur les chiffres plus que la plupart des défauts. Selon les lois d’affinité, la puissance d’une pompe est proportionnelle au cube de sa vitesse. Passer de 1 500 à 1 200 tr/min (80 % de la vitesse) ramène la puissance idéale à 0,8³, soit 51 %. À 60 % de vitesse, elle est d’environ 22 %. Une simple courbe de puissance d’une pompe à vitesse variable mélange variation de service et variation de l’état : regroupez d’abord les relevés par vitesse ou par débit.

Déséquilibre de tension : exemple chiffré

Le déséquilibre de tension est l’un des contrôles électriques les plus faciles à traduire en action. Lorsque les tensions sont déséquilibrées, les courants du moteur le sont environ 6 à 10 fois plus. NEMA MG 1-14.35 donne l’effet thermique : dans la phase qui porte le courant le plus élevé, l’augmentation en pourcentage de l’échauffement est approximativement le double du carré du pourcentage de déséquilibre de tension. À 3,5 %, cela représente environ 25 %. La fiche du ministère américain de l’Énergie recommande de maintenir le déséquilibre aux bornes du moteur sous 1 %. NEMA MG 1 impose un déclassement au-delà de 1 % et déconseille l’exploitation au-delà de 5 %.

Calculez-le à partir des trois tensions entre phases. Pour 460 V, 467 V et 453 V, la moyenne vaut 460 V et l’écart maximal 7 V :

Le résultat est 7 ÷ 460 = 1,52 %, au-dessus de la limite de 1 %. Le déséquilibre des courants peut atteindre 9 à 15 % ; l’échauffement de l’enroulement le plus chaud augmente d’environ 2 × 1,52² = 4,6 % par rapport à une alimentation équilibrée. Le tableau de la fiche DOE donne, à pleine charge, un rendement de 94,4 % avec une alimentation équilibrée et 93,0 % pour 2,5 % de déséquilibre.

Si le déséquilibre de tension reste sous 1 % mais que celui du courant d’un seul moteur est élevé, cherchez la cause dans son circuit. Contrôlez connexions et enroulements avant de mettre en cause l’alimentation.

Moteurs avec variateur de vitesse

La plupart des pompes et ventilateurs de ce guide fonctionnent avec un variateur. Celui-ci modifie ce que le compteur peut observer.

Placez le compteur en amont du variateur, côté réseau. Le ZEM est spécifié pour des alimentations à 50 ou 60 Hz ; la sortie du variateur a une fréquence variable et une forme d’onde commutée. Côté réseau, la puissance active correspond à la puissance d’entrée du moteur plus quelques pour cent de pertes dans le variateur. Une référence de puissance en fonction du débit reste pertinente.

Les autres contrôles électriques changent. Le facteur de puissance mesuré côté réseau caractérise le redresseur du variateur, pas le moteur. Un déséquilibre de tension en entrée affecte le variateur, mais celui-ci fournit au moteur une tension équilibrée qu’il génère lui-même. Un défaut d’enroulement peut ainsi être masqué. Lisez dans le variateur son courant de sortie, sa vitesse et son journal de défauts par Modbus RTU, et utilisez la vitesse comme signal d’état pour la référence.

Qualité des mesures et événements

Une référence compare une chaîne de mesure à elle-même. Une erreur d’étalonnage fixe est présente dans la référence comme dans les relevés actuels : elle s’annule dans la comparaison. Deux autres types d’erreur ne s’annulent pas.

La première varie avec le point de fonctionnement. Les limites d’erreur d’un compteur s’élargissent à faible courant et à faible facteur de puissance ; l’erreur de phase d’un transformateur de courant influe davantage sur la puissance lorsque le facteur de puissance est bas. Choisissez une plage de capteur adaptée au courant de marche du moteur. Une bobine de Rogowski de 3 000 A sur un circuit de moteur de 40 A place chaque relevé tout en bas de sa plage.

La seconde est un changement brusque de la chaîne de mesure. Un transformateur de courant remplacé par un autre rapport, une échelle modifiée ou un compteur échangé décale soudain tous les relevés d’un pourcentage fixe. Un modèle interprète ce décalage comme une panne. Un TC monté à l’envers donne une puissance active négative sur sa phase. Deux TC permutés entre phases donnent des facteurs de puissance invraisemblables sur les deux phases. Après chaque intervention électrique, vérifiez le signe de la puissance active et le facteur de puissance par phase, puis consignez l’intervention comme événement associé à l’équipement.

Établir une référence

La référence est la plage normale de chaque indicateur pour chaque état de fonctionnement de l’équipement.

1. Recensez les états. Par exemple : arrêt, veille, service à charge faible, moyenne ou forte, et cycle de nettoyage.
2. Enregistrez un signal d’état. Utilisez un contact de marche, une consigne de vitesse, un débit ou un compteur de production pour rattacher chaque mesure à un état. Un ZIO lit un débitmètre 4–20 mA ; un ZMB lit un variateur ou un calculateur de débit par Modbus.
3. Recueillez les données normales. Comptez au moins deux semaines par état et au moins 50 cycles de fonctionnement pour un équipement qui démarre et s’arrête. Une charge sensible à la météo nécessite une saison de chauffage et une saison de refroidissement.
4. Consignez les événements. Notez avec leurs dates maintenance, réparations, changements de consigne et modifications du procédé. Chacun ouvre une nouvelle référence.
5. Calculez la plage normale. Utilisez la médiane et les 5e et 95e percentiles de chaque indicateur dans chaque état.

Conservez la référence dans la fiche de l’équipement. Lorsqu’une personne demande pourquoi une alerte s’est déclenchée, elle constitue la preuve.

De la référence à l’alerte

Utilisez quatre types de règles, dans cet ordre :

1. Seuils fixes pour les situations toujours anormales : déséquilibre de tension supérieur à 1 %, courant au-dessus du courant nominal à pleine charge ou moteur en marche hors de ses horaires.
2. Seuils par état : comme dans l’exemple de la pompe, puissance supérieure au 95e percentile avec une marge, pendant une durée définie. Commencez avec une marge de 3 à 5 % et 30 à 60 minutes, puis ajustez.
3. Vitesse de dégradation : énergie spécifique en hausse pendant au moins trois semaines consécutives.
4. Modèles lorsque la puissance normale dépend de plusieurs variables à la fois (voir la section suivante).

Attribuez un responsable et une action définie à chaque règle. Pour chaque équipement, relevez le nombre d’alertes mensuelles et celles qui ont donné lieu à un ordre de travail. Après trois fausses alertes consécutives, élargissez la marge, allongez la durée de confirmation ou supprimez la règle.

Quand un modèle statistique aide

Un seuil fixe devient inadapté lorsque la puissance normale dépend simultanément de plusieurs variables. C’est souvent le cas d’un groupe frigorifique : sa puissance dépend de la charge de refroidissement, de la température de l’eau au condenseur ou de l’air extérieur et de la consigne de température de l’eau glacée. Un seuil correct en juillet serait faux en janvier.

Pour ce type d’équipement, ajustez sur la période de référence une régression de la puissance en fonction des variables qui la déterminent. Déclenchez l’alerte sur le résidu, soit la puissance mesurée moins celle prédite, avec un seuil et une durée de confirmation. Par exemple, alertez lorsque ce résidu dépasse de plus de trois écarts-types la valeur zéro pendant 30 minutes. Une régression linéaire avec quelques termes suffit généralement ; un ingénieur peut en lire les coefficients et les confronter à l’installation.

Les pannes étant rares, les exemples étiquetés pour entraîner un modèle plus complexe le sont aussi. Le cadre de gestion des risques liés à l’IA du NIST demande une validation documentée et un suivi des performances du modèle en exploitation. Pour un modèle de maintenance, réservez une période hors entraînement pour le tester, journalisez chaque alerte et son issue, puis réajustez le modèle après chaque événement consigné.

Autres mesures

Les données électriques ne remplacent pas la grandeur qui réagit en premier à un mode de défaillance. Les vibrations révèlent d’abord les défauts de roulement, le balourd, le désalignement et le desserrage. La température réagit aux défauts de roulement, d’enroulement et de connexion. L’analyse d’huile concerne réducteurs, circuits hydrauliques et transformateurs. Débit et pression différentielle permettent de convertir la puissance en rendement.

Pour un moteur critique, associez utilement la puissance à la température mesurée par une sonde sur le palier côté entraînement. Une sonde TES-2X fixée sur ce palier transmet sa mesure sur le même réseau Zigbee que le ZEM. Comparez l’élévation de température du palier au-dessus de l’ambiante à charge égale. Une hausse de puissance sans hausse de cette température oriente vers la charge entraînée ou le procédé ; si les deux augmentent, examinez le roulement ou l’alignement.

Commencer par un pilote

1. Choisissez trois à cinq équipements critiques dans votre classement, chacun avec un mode de défaillance connu.
2. Installez un ZEM sur chaque circuit moteur et acquérez une variable de procédé décrivant la production utile, comme le débit, la pression ou le nombre de pièces.
3. Recueillez la référence et consignez chaque événement.
4. Configurez d’abord les seuils fixes, puis les seuils par état.
5. Examinez chaque alerte pendant trois mois. Conservez les règles qui ont trouvé de vrais problèmes et retirez les autres.
6. Étendez le dispositif à d’autres équipements avec les règles qui ont fait leurs preuves.

Définissez le succès avant le début du pilote : par exemple, détecter une panne avant un arrêt imprévu, ou vérifier une perte de rendement dont la réparation se rembourse.