Sistema di monitoraggio real time dei parametri di funzionamento di macchine per manutenzione predittiva a distanza e teleassistenza

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"Il programma, realizzato in ambiente LabVIEW Real Time Module di National Instruments, acquisisce in tempo reale otto grandezze di particolare interesse: pressione di aspirazione e mandata, potenza elettrica assorbita o coppia trasmessa all’asse, numero di giri dell’asse,vibrazione su due giunti di particolare interesse e valori di temperatura in altrettanti punti."

- L. Nitopi, SITEM

The Challenge:
Disporre di un sistema di acquisizione dati remoto che registri 24 ore al giorno i valori di alcuni parametri critici del funzionamento di macchine. L’esigenza è particolarmente sentita da tutti i costruttori che hanno installazioni sparse sul territorio, nazionale ed internazionale. Poter disporre di uno strumento di diagnostica predittiva a distanza consente di ridurre sia i costi di intervento di un tecnico on site, che quelli per la riparazione e/o sostituzione di parti danneggiate o usurate.

The Solution:
Si è progettato e realizzato un sistema di piccole dimensioni, capace di lavorare in condizioni ambientali difficili (all’aperto con esposizione a grandi escursioni termiche), e intelligente, ossia in grado di collezionare, inviare/ricevere dati e/o istruzioni da un centro di raccolta dati remoto. Allo scopo sono stati utilizzati un modulo FP-2000 ed un’applicazione realizzata in LabVIEW.

Author(s):
L. Nitopi - SITEM

L’architettura hardware
Per rispettare i requisiti fisici e ambientali, il sistema di acquisizione dati è stato progettato su un modulo intelligente FP-2000, ed un modulo di acquisizione dati con convertitori a 16 bit di risoluzione e filtri antirumore, FP-AI-110. ll modem GSM (Wavecom) è stato connesso proprio sulla porta seriale. Il sistema è alloggiato in un piccolo armadio con grado di protezione IP65, consentendo perciò un’installazione anche in ambiente aperto. Tramite un connettore multipolare (standard industriale) posto sulla base dell’armadio è possibile collegare i segnali provenienti dai sensori posti sulla macchina.

L’architettura software
Il programma, che è stato realizzato in ambiente LabVIEW Real Time Module di National Instruments è strutturato in due moduli distinti:
- un programma di acquisizione dati (che in seguito chiameremo RTSW) realizzato in ambiente LabVIEW Real Time di National Instruments utilizzando anche il software FieldPoint Explorer di National Instruments per configurazione.
Il programma di acquisizione viene eseguito localmente sul modulo intelligente FP-2000 su un kernel di sistema operativo Real Time.
- un programma di configurazione e visualizzazione dei dati (che in seguito chiameremo CFSW) che è stato realizzato in ambiente LabVIEW .
Il programma di configurazione e visualizzazione dati viene eseguito su un Personal Computer tradizionale: esso è quindi connesso ad un modem tradizionale, con il quale realizza la comunicazione con il sistema remoto.

Modulo di acquisizione Real Time
Il programma RTSW è eseguito localmente sul modulo intelligente FP-2000 e quindi non necessita di alcuna interfaccia grafica verso l’operatore. Il programma viene scaricato sul modulo FP-2000 da un Personal Computer connesso via Ethernet al modulo intelligente, dopo aver opportunamente configurato i parametri di acquisizione e salvataggio dati tramite un file di configurazione (tipo ini).
Il programma acquisisce in tempo reale otto grandezze di particolare interesse: pressione di aspirazione e mandata, potenza elettrica assorbita o coppia trasmessa all’asse, numero di giri dell’asse,vibrazione su due giunti di particolare interesse e valori di temperatura in altrettanti punti.
I dati, campionati dal modulo FP-AI-110 con una frequenza impostabile in fase di installazione, vengono salvati solo se ricadono all’esterno di una banda di valori, la cui ampiezza è impostabile dall’operatore sia via SMS, sia via modem grazie al programma CFSW. Una volta che il valore di una certa grandezza fuoriesce dalla banda, esso viene salvato e la banda, in modo automatico, si dispone simmetricamente attorno a quel valore. I dati salvati con questo criterio vengono conservati in un buffer dinamico sulla memoria locale con una tecnica di scrittura circolare: i dati più recenti vengono cioè sovrascritti su quelli più vecchi che, evidentemente, vengono perduti. Questo meccanismo si rende necessario viste le dimensioni della memoria disponibile (3 MB).
Tuttavia il sistema è in grado di generare un SMS al superamento dell’80% dello spazio disponibile per il salvataggio dei dati, in modo tale da avvisare l’operatore remoto dell’imminente sovrascrittura dei dati nel buffer. In questo modo, se l’operatore lo ritiene opportuno, può inviare un comando di salvataggio, sia via SMS, che via modem, e i dati contenuti nel vettore vengono salvati su file oppure può ignorare tale allarme. I dati possono comunque essere salvati su file in qualsiasi momento, alla ricezione da parte del sistema dell’opportuno comando.
Il programma, grazie al modem GSM connesso sulla porta seriale del modulo intelligente, è dunque in grado di generare l’invio di un SMS, contente un breve messaggio di testo, indirizzato ad una lista di numeri telefonici predefiniti. Analogamente, è in grado di ricevere SMS da una lista di numeri telefonici predefiniti (che può essere differente dalla lista dei destinatari abilitati), contente un comando (che può essere sia un codice breve di due cifre, sia un comando esteso di testo).
Le principali operazioni che possono essere eseguite via SMS sono:
 richiesta ed invio, all’accensione del sistema, di un SMS dal quale vengono estratti data ed ora locale corrente (il sistema FP non dispone infatti di un orologio interno);
 invio del tempo trascorso dall’ultimo avvio del sistema;
 invio del valore corrente, in unità ingegneristiche, delle 8 grandezze acquisite;
 settaggio, comune a tutti i canali, della banda di acquisizione, con la possibilità di ampliarla o diminuirla del 5% rispetto all’ampiezza corrente;
 invio del comando di salvataggio dei dati presenti nel buffer momentaneo in un file di dati;
 invio del comando di salvataggio delle configurazioni correnti in un file di configurazione (file ini);
 reinvio dell’ultimo SMS.
In aggiunta, il programma è in grado di generare anche un file (formato ASCII) di log che tiene traccia del generale funzionamento del programma. Saranno perciò riportati, con relativa data e ora, gli eventi di avvio/arresto del programma, generazione degli ultimi allarmi ecc. La lunghezza del file è configurabile in termini di righe.

Modulo di configurazione e visualizzazione dei dati
Il modulo presenta, all’avvio, un Pannello Principale che consente di accedere al Pannello delle Anagrafiche delle Stazioni, al Pannello Ricezione SMS oppure al Pannello di Visualizzazione Dati.
Il Pannello delle Anagrafiche delle Macchine consente di aggiungere, modificare o eliminare i dati anagrafici identificativi dei sistemi. Ad ogni sistema è infatti possibile associare un identificativo numerico, una descrizione e note, oltre, ovviamente, al numero telefonico che consente la connessione con il modem GSM.
Un pulsante, posto in corrispondenza del record che identifica ogni sistema, consente di inviare via modem comandi al sistema remoto e ricevere i corrispettivi dati. Allo scopo è stato implementato un opportuno protocollo.
Le principali operazioni che possono essere eseguite via modem sono:
 settaggio della password che viene richiesta al momento della connessione;
 settaggio della frequenza di acquisizione del modulo FP-AI-110;
 definizione dei canali attivi e non attivi (ossia la possibilità di escludere dall’acquisizione uno o più canali);
 definizione e settaggio della banda di acquisizione, per ognuno dei canali abilitati;
 definizione e settaggio della soglia di allarme per ognuno dei canali abilitati;
 definizione della lista di ingresso ed uscita di numeri telefonici abilitati per gli SMS;
 invio del file dei dati (ossia quelli contenuti nel buffer e che sono stati “congelati”);
 invio del file degli allarmi verificatisi;
 ricezione e lettura di un file di configurazione (tipo ini)

Nel Pannello di Visualizzazione Dati l’operatore può visualizzare, sul grafico superiore, l’andamento nel tempo di una delle grandezze acquisite, oltre ai valori del limite di soglia inferiore e superiore. Nel grafico posto nella parte inferiore del pannello sono invece rappresentati i valori di tutti i canali di acquisizione del banco FieldPoint.

Conclusioni:
Utilizzando un sistema intelligente in grado di inviare, ovunque sia, informazioni sullo stato di funzionamento del manufatto ad un centro di raccolta dati presieduto da un operatore, è possibile ridurre i tempi di intervento in caso di sospette anomalie e di offrire un servizio di manutenzione tra i più innovativi e moderni.

Author Information:
L. Nitopi
SITEM
sitem@sitemnet.it

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