Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka Teknologiakartoitus LUONNOS prognoskartoitus_v1.5.doc / 2004-06-07
LUONNOS Sisällysluettelo 1. Johdanto...5 2. Käynnissäpidon terminologia...6 2.1 Käyttövarmuuden käsitteitä...6 2.2 Käyttövarmuuden mittareita...9 2.3 Käyttövarmuuden mittaamiseen liittyviä aikakäsitteitä...11 2.4 Kunnossapito ja käynnissäpito...13 2.5 Lähdeluettelo...16 3. Monitorointi...18 3.1 Anturit...18 3.1.1 Värähtelyanturit...18 3.1.1.1 Kiihtyvyysanturit...19 3.1.1.2 Nopeusanturit...20 3.1.1.3 Siirtymäanturit...21 3.1.1.4 AE-anturit...22 3.1.1.5 Mikromekaaniset anturit...23 3.1.2 Lämpötila-anturit...23 3.1.3 Kosteusanturit...25 3.1.4 Voima-anturit...25 3.1.5 Lähdeluettelo...26 3.2 Tiedonkeruu...28 3.2.1 Kunnossapidon tietojärjestelmät...29 3.2.2 Käyttövarmuustieto kunnossapidon tietojärjestelmissä...30 3.2.3 Tehokkaat raportointityökalut häiriö ja vikatietojen analysointiin...32 3.2.4 Säätösovellusten käyttövarmuutta koskeva tiedonkeruu automaation tietojärjestelmistä...33 3.2.5 Käyttövarmuustiedonkeruun apuvälineet...34 3.2.6 Henkilöstön motivointi ja koulutus...36 3.2.7 Tiedonhallinta...37 3.2.7.1 Relaatiotiedonhallinnan perusteita...38 3.2.7.2 Relaatiotietokannan suunnittelumenetelmistä...39 3.2.7.3 RapidBase - keskusmuistipohjainen tiedonhallintajärjestelmä39 3.2.7.4 RapidBasen soveltuvuus Prognos-hankkeen tarpeisiin...43 3.2.8 Lähdeluettelo...46 3.3 Tiedonsiirtoteknologiat...48 3.3.1 Tiedonsiirto toimilaitteella sijaitsevalta anturilta kenttäväylätasolle...49 3.3.2 Tiedonsiirto kenttäväylätasolta etädiagnostiikkajärjestelmän tasolle..57 2
LUONNOS 3.3.3 Lähdeluettelo...58 3.4 Signaalinkäsittely ja analysointimenetelmät...60 3.4.1 Piirteiden irrotus...60 3.4.2 Aikasarjan muunnokset...64 3.4.2.1 FT (Fourier Transform)...64 3.4.2.2 Wavelet...65 3.4.3 Mittausinformaation keruu...65 3.4.4 Lähdeluettelo...73 3.5 Mittauksien visualisointi...74 3.5.1 Visualisoinnin merkitys...74 3.5.2 Perinteisiä mittauksien visualisointitekniikoita...75 3.5.3 Uusia mittauksien visualisointitekniikoita...76 3.5.4 Lähdeluettelo...78 4. Diagnostiikka ja prognostiikka...79 4.1 Koneiden vikaantuminen ja vaurioituminen...79 4.1.1 Kuluminen ja sen malliteoria...80 4.1.2 Voiteluaineen vaikutus kulumiseen...82 4.1.3 Kulumismekanismit...83 4.1.3.1 Adhesiivinen kuluminen...83 4.1.3.2 Abrasiivinen kuluminen...84 4.1.3.3 Väsymiskuluminen...85 4.1.3.4 Eroosiokuluminen...86 4.1.3.5 Fretting (värähtelykuluminen)...86 4.1.3.6 Korroosiokuluminen ja eroosiokorroosio...87 4.1.3.7 Kavitaatio...88 4.1.4 Sähkömoottorien vikaantuminen...88 4.1.5 Kulumisen seuranta ja ennustaminen...91 4.1.6 Vaurioanalyysit...92 4.1.7 Lähdeluettelo...94 4.2 Prosessihäiriöt...97 4.2.1 Johdanto...97 4.2.2 Prosessihäiriöiden ilmeneminen ja seuraukset...98 4.2.3 Toiminta prosessihäiriöiden ilmetessä...99 4.2.4 Lähdeluettelo...101 4.3 Diagnostiikan ja prognostiikan menetelmät...103 4.3.1 Johdanto menetelmiin...103 4.3.2 Analysointimenetelmät...105 4.3.2.1 Pääkomponenttianalyysi...105 4.3.2.2 Regressioanalyysi ja korrelaatioanalyysi...105 4.3.2.3 PLS-regressio...107 4.3.2.4 Diskriminanttianalyysi...107 3
LUONNOS 4.3.2.5 Moniulotteinen skaalaus...108 4.3.2.6 Klusterianalyysi...108 4.3.2.7 Neuroverkot...109 4.3.2.8 Lingvistiset yhtälöt...110 4.3.2.9 Bayesilainen päättely...111 4.3.2.10 Eri menetelmien yhdistelmät...111 4.3.3 Analysointitulosten hyödyntäminen...112 4.3.4 Lähdeluettelo...113 5. Kunnossapidon suunnittelu prognostiikan avulla...116 5.1 Kunnossapidon strategiat ja pääluokat...116 5.1.1 Kunnossapitolajit...117 5.2 Kunnossapidon suunnittelu- ja ohjausmenetelmiä...118 5.2.1 Luotettavuuskeskeinen kunnossapito (RCM)...119 5.2.2 Kokemuspohjainen RCM...119 5.2.3 Tuottava kunnossapito (TPM)...120 5.2.4 Kunnossapidon optimointimallit...121 5.2.5 Elinjaksokustannus- ja -tuottolaskenta...121 5.3 Liittyminen muihin tietojärjestelmiin...122 5.4 Lähdeluettelo...124 6. Katsaus kaupallisiin tuotteisiin...127 6.1 Kunnonvalvontaan ja voideltuihin kohteisiin liittyviä tuotteita ja ohjelmistoja127 6.2 Kunnossapidon hallinnan ohjelmistot...131 6.2.1 Lähdeluettelo...133 6.3 Paperikoneen laatusäätöjärjestelmät...134 6.3.1 Laatusäätöjärjestelmien käyttövarmuuteen liittyvät ohjelmistot...135 6.3.1.1 Honeywell...136 6.3.1.2 Metso Automation...137 6.3.1.3 Muut valmistajat...137 6.3.2 Laatusäätöjärjestelmien käynnissäpidon haasteet...138 6.3.3 Lähdeluettelo...139 7. Tulevaisuuden kehitystrendit...141 7.1 Kunnossapidon tietojärjestelmien kehitystrendejä...141 7.1.1 Lähdeluettelo...143 8. Yhteenveto...144 4
1. Johdanto Aino Helle VTT Tuotteet ja tuotanto Teollisuuden koneet ja tuotantojärjestelmät ovat teknisesti yhä kehittyneempiä ja samalla monimutkaisempia ja vaikeampia hallita. Tämä yhdessä taloudellisten, ympäristöllisten ja turvallisuuteen liittyvien vaatimusten ja reunaehtojen kanssa lisää käyttövarmuuden hallinnan merkitystä ja haasteita. Käyttövarmuuden hallinnassa korostuu laitteiden, prosessien ja tuotantojärjestelmien käynninaikaisen monitoroinnin, diagnostiikan ja prognostiikan tärkeä ja lisääntyvä merkitys. Käynnissäpidon hallinta kattaa laajan kokonaisuuden yksittäisten komponenttien, laitteiden ja tuotantolinjojen käyttövarmuudesta aina tuotantoprosessin hallintaan ja koko laitokseen asti. Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka-hankkeessa toteutettavan tutkimus- ja kehitystyön tavoitteena on luoda menetelmiä teollisuuden koneiden ja tuotantolinjojen käynnissäpidon hallitsemiseksi kehittämällä tekniikkaa niiden toimintakunnon, vikaantumistodennäköisyyden ja jäljellä olevan käyttöiän ennustamiseen. Hankkeessa kehitetään menetelmiä sekä yksittäisten komponenttien jäljellä olevan eliniän ennustamiseen että tukemaan koko järjestelmän käynnissäpidon hallintaa. Yksittäisten komponenttien eliniän ennustaminen tapahtuu mittaus- ja historiatietojen sekä fysikaalisten mallien pohjalta. Kehitettävät menetelmät liittyvät näiden tietojen entistä tehokkaampaan keruuseen ja hyödyntämiseen. Koko järjestelmän käynnissäpidon hallintaan kehitetään päätöksenteon tukivälineitä, joiden avulla käyttö- ja kunnossapitotoimet voidaan kohdentaa optimaalisesti järjestelmälle asetettujen tavoitteiden mukaisesti. Teknologiakartoituksen tarkoituksena on selvittää prognostiikkahankkeen aihepiiriin kuuluvia teknologioita ja menetelmiä. Näkökulmana tässä on erityisesti niiden soveltuvuus ja rajoitukset, eli mihin, miten ja kuinka olemassa olevia menetelmiä ja teknologioita on sovellettu tai voisi soveltaa ja mitä rajoituksia tai reunaehtoja niillä on. Aihepiirin laajuuden vuoksi syvällistä ja tarkkaa menetelmien ja teknologioiden kuvausta ei voida eikä ole tarkoituksenmukaista tehdä. Kaikki tärkeimmät menetelmät on kuitenkin pyritty sisällyttämään kartoitukseen ja referenssien pohjalta lukijan on mahdollista tarvitessaan löytää niistä lisätietoa. Kartoituksen tuloksena tulisi saada hyvä kuva olemassa olevista menetelmistä ja siitä, minkälaisia mahdollisuuksia ne antavat hankkeen tavoitteiden kannalta, ja näin luoda pohjaa yhdessä casien nykytilanteen kartoitusten kanssa hankkeessa tehtävälle tutkimukselle ja kehitystyölle. 5
2. Käynnissäpidon terminologia Susanna Kunttu, Kari Komonen, Jari Halme, Aino Helle VTT Tuotteet ja tuotanto Käynnissäpidon terminologiaa sekä yleisimmin luotettavuutta on käsitelty useissa eri standardeissa. Tällaisia ovat mm. kansainväliset IEC / TC 56 standardit, ISO standardit sekä kansalliset SFS-IEC ja PSK standardit. Aihepiirin keskeisimmät standardit on listattuna tämän kappaleen lähdeluettelossa. Käyttövarmuuteen ja käynnissäpitoon liittyvä sanasto ei kaikilta osiltaan ole täysin vakiintunutta. Seuraavassa on esitetty joitakin käyttövarmuuteen ja käynnissäpitoon liittyviä käsitteitä tavoitteena yhtenäinen terminologia hankkeen sisällä. 2.1 Käyttövarmuuden käsitteitä Käyttövarmuus (availability performance) on kohteen ja sen kunnossapito-organisaation kyky suorittaa vaadittu toiminto määräoloissa vaaditulla ajan hetkellä tai aikavälillä. Nämä kaikki yhdessä muodostavat kohteen luotettavuuden (reliability) [SFS-IEC 50(191) 1996]. Seuraavassa esitetään SFS-IEC 50(191) (1996) standardin mukaiset määritelmät käyttövarmuuden eri osatekijöille. Luotettavuus on yleiskäsite, jota käytetään kuvaamaan käyttövarmuutta ja siihen läheisesti liittyviä ominaisuuksia, kun ei tarkoiteta mitään ominaisuutta erityisesti. KÄYTETTÄVYYS LUOTETTAVUUS TOIMINTAVARMUUS KUNNOSSAPIDETTÄVYYS KUNNOSSAPITOVARMUUS Kuva 2.1.1. Luotettavuuden osatekijät [SFS-IEC 50(191) 1996]. 6
Toimintavarmuudella (reliability performance) tarkoitetaan standardissa kohteen 1 kykyä suorittaa vaadittu toiminto määräoloissa ja vaaditun ajan kun ulkoiset edellytykset toiminnon suorittamiselle ovat olemassa. Kunnossapidettävyydellä (maintainability performance) tarkoitetaan kohteen kykyä pysyä toimintakunnossa tai olla palautettavissa toimintakuntoon, kun kunnossapito suoritetaan määräoloissa käyttäen määrämenetelmiä, -välineitä ja -henkilöstöä. Kunnossapitovarmuus (maintenance support performance) on kunnossapitoorganisaation kyky tarvittaessa järjestää kunnossapitovälineet, -tarvikkeet ja henkilöt kohteen kunnossapitoa varten. Kunnonvalvonta, diagnostiikka ja prognostiikka lisäävät kunnossapitovarmuutta, kehittävät kohteen kunnossapidettävyyttä ja siten parantavat toimintavarmuutta. Luotettavuuden kasvumallit: Uusien tuotteiden toimintavarmuus on elinkaaren alkuvaiheessa tyypillisesti matalampi kuin kehityskaaren myöhäisemmässä vaiheessa. Samoin yksittäisen, käytössä olevan laitteen toimintavarmuus paranee alkuvaiheen lastentautien jälkeen. Koneiden käyttövarmuus paranee niiden käyttöajan kasvaessa ja toimitettujen koneiden lukumäärän kasvaessa. Tätä seikkaa tutki ensimmäiseksi J.T. Daune [O Connor 1991]. Kohteen luotettavuuden muita kasvumalleja ovat mm. Gompertzin malli, Logistinen malli, Lloyd-Lipowin malli ja AMSAA-malli, jota voidaan kutsua myös N.H.P.P. (epähomogeeninen poisson prosessi) malliksi [Kececioglu 1991]. On myös luonnollista, että volyymituotteiden osalta käyttövarmuuden kehittämistä koskeva tieto kumuloituu nopeammin kuin asiakaskohtaisesti suunniteltujen laitteistojen. Asiakaskohtaisesti suunnitelluissa tai erittäin räätälöidyissä kohteissa voi luonnollisesti olla runsaasti standardeja komponentteja, joita koskevaa luotettavuustietoa on runsaasti, mutta toisaalta niissä voi olla myös runsaasti harvemmin käytettyjä modifikaatioita ja yhdistelmiä, joiden ominaisuuksia ei riittävästi tunneta [Komonen 2002]. Vika on kohteen tila, jolloin kohde on kykenemätön suorittamaan vaadittua toimintoa. Viaksi ei kuitenkaan lasketa tilaa, jolloin kohde ei voi suorittaa toimintoa ehkäisevän kunnossapidon tai muun ennalta suunnitellun toiminnon aikana tai välttämättömien ulkoisten edellytysten puutteen takia. Vikaantuminen on tapahtuma, jonka tuloksena kohde menettää kykynsä suorittaa vaadittua toimintaa. Vikaantumisen jälkeen kohteessa on vika. 1 Kohde voi olla tuotantolinja, sen osa, laite tai yksittäinen komponentti. 7
Häiriö aiheuttaa tuotannon menetyksiä ja välittömän korjaustarpeen. Vikamuoto on yksi viallisen kohteen mahdollisista tiloista, liittyen tiettyyn kohteelta vaadittavaan toimintoon (Esimerkki:Venttiilin mahdollisia vikamuotoja ovat mm. venttiili ei avaudu, venttiili ei sulkeudu, venttiili vuotaa, virtauksen säätö virheellinen, sulkuelimen murtuma tai syöpymä). Vikaantumismekanismi on fyysinen, kemiallinen tai muu prosessi, joka on johtanut vikaantumiseen (esimerkiksi kuluminen, syöpyminen, väsyminen, murtuminen). Äkkivikaantuminen tarkoittaa vikaantumista, jota ei osattu ennakoida etukäteen tapahtuvalla tarkastuksella tai valvonnalla. Vähittäisvikaantuminen tarkoittaa vikaantumista, joka aiheutuu kohteen kyseessä olevien ominaisuuksien ajan myötä tapahtuvista asteittaisista muutoksista. Vähittäisvikaantuminen voidaan ennakoida etukäteen tapahtuvalla tarkastuksella tai valvonnalla ja se voidaan joskus välttää ehkäisevällä kunnossapidolla. Virhekäytön esto on laitteiden ja järjestelmien tekninen ominaisuus, jolla estetään niiden virheellinen käyttö tai vaaran aiheuttaminen ympäristölle. Äkkivikaantumiseen ei voida varautua kunnonvalvonnan ja prognostiikan avulla. Sen sijaan jaksotettu kunnossapito saattaa olla järkevää, mikäli äkkivikaantumisen ajankohta on riittävällä tarkkuudella tiedossa. Kunnonvalvonta voi olla tehokas käynnissäpitomenetelmä, kun kyseessä on vähittäisvikaantuminen. Mallinnettaessa vikaantumisajankohtaa tilastomatemaattisten menetelmien avulla, kunnonvalvonta voi olla tehokasta ja mahdollista silloin, kun vikatajuus h(t)=f(t)/r(t) on ajan suhteen kasvava. Tässä tapauksessa käyttökertojen lukumäärä, käynnistysten lukumäärä, ajokilometrit, lentotunnit, korroosio jne. voidaan lukea aikasidonnaisiksi ilmiöiksi. Todennäköisyysjakaumia käyttäen esimerkiksi Weibullin jakauman vikataajuus on kasvava, kun muotoparametri (β) saa arvon, joka on suurempi kuin yksi. Tällöin vikatajuusfunktion 1.derivaatta h (t) on positiivinen. Se, että ilmiö tulkitaan äkkivikaantumiseksi voi tietenkin johtua myös siitä, että siihen liittyvää aikasidonnaisuutta ei tunneta. Kuntoon perustuvan käynnissäpidon tehokkuutta voidaan kuvata kolmen mittarin avulla: (1) kuinka monta % kehittyvistä vioista voidaan havaita ennen vikaantumista (detecting effectiveness); Al-Najjar [2000] käyttää tässä yhteydessä käsitettä effectiveness 8
(2) kuinka tarkasti vikaantumisajankohta voidaan määritellä (predicting accuracy); Al-Najjar [2000] käyttää tässä yhteydessä käsitettä accuracy (3) kuinka suuri osa vioista voidaan ennustaa niin aikaisin, että ehkäisevät toimenpiteet voidaan suorittaa aidoissa suunnitelluissa seisokeissa ja/tai ns. tuotantoikkunan aikana (scheduling effectiveness) Vaikka vikaantuminen siis tapahtuisi vähitellen ja vaikka olisi käytettävissä menetelmä, jolla voisi seurata vikaantumisen etenemistä, kunnonvalvonta ei ole kaikissa tilanteissa yhtä tehokas menetelmä. Elinjakso on ajanjakso, joka alkaa kun järjestelmä- tai laitetarve määritellään ja päättyy, kun ao. järjestelmä tai laite romutetaan tai siirtyy toiseen käyttöön. Elinjaksoa käytetään erityisesti taloudellisissa laskelmissa. Elinkaari on ajanjakso, joka alkaa kun valmistaja määrittelee uuden tuotteen ja päättyy, kun valmistaja poistaa tuotteen lopullisesti tuoteohjelmastaan. Elinaika on aika, jolloin kohde pystyy suorittamaan vaaditut toiminnat, päättyen vasta kun kohde vikaantumisen takia ei enää ole teknisesti tai taloudellisesti korjattavissa. Hyödyllinen käyttöikä on määrätyissä olosuhteissa ajanjakso, joka alkaa tiettynä ajanhetkenä ja päättyy, kun vikataajuus ei ole enää hyväksyttävissä tai kun kohde voidaan todeta korjauskelvottomaksi vian tai jonkun muun tapahtuman vuoksi. 2.2 Käyttövarmuuden mittareita Käytettävyys on, ex ante, todennäköisyys sille, että kohde kykenee suorittamaan vaaditun toiminnon määräoloissa vaaditulla ajan hetkellä, kun tarvittavat ulkoiset edellytykset ovat olemassa [SFS-IEC50(191) 1996]. Ex post tarkastelussa on käytettävyyden mittarina järkevää käyttää toteutuneiden arvojen suhdelukuja. Käytettävyys voidaan yleisesti ilmaista käyntiajan sekä käyntiajan ja seisokkiajan summan suhteena. Tunnusluvun tarkempi valinta riippuu tarkastelun tavoitteesta. Esimerkiksi (1) kunnossapidollinen ominaiskäytettävyys on käyntiajan (tuotantoajan) suhde käyntiajan (tuotantoajan) ja kunnossapidollisen seisokkiajan summaan. Kunnossapidon seisokkiaika sisältää myös joutoaikana ja ulkoisena toimintakyvyttömyysaikana suoritetun kunnossapidon (paitsi jos se voidaan tehdä käynnin aikana). Käyntiaika A = (1) Käyntiaika + kunnossapidollinenseisokkiaika 9
Jos halutaan korostaa käyttötoiminnon ja kunnossapidon yhteistyön onnistumista (2) Kunnossapidosta johtuva toiminnallinen käytettävyys on sopivampi tunnusluku. Tämä mittari on käyntiajan suhde käyntiajan ja käytön seisokit ylittävän kunnossapitoajan summaan. Tämä tunnusluku ei sisällä kunnossapitoa, joka on suoritettu joutoaikana ja ulkoisena toimintakyvyttömyysaikana. Käyntiaika A = (2) Käyntiaika + käyttöseisokit ylittävä kunnossapitoaika Silloin kun tarkastelussa on mukana vikaantumisen (laitehäiriöiden) lisäksi myös prosessihäiriöt on parempi käyttää kunnossapidon sijasta termiä käynnissäpito. Käytettävyys vaihtelee ajan funktiona: hetkellisestä käytettävyydestä käytetään symbolia A(t). Epäkäytettävyys on käytettävyyden komplementti: U = 1 A (3) Hetkellisestä epäkäytettävyydestä käytetään symbolia U(t). Käyttövarmuuden laskeminen on yhtälön (1) näennäisestä yksinkertaisuudesta huolimatta sangen monimutkaista ja siihen liittyviä laskentakaavoja ja määritelmiä on esitetty useissa standardeissa ja muissa kirjallisissa lähteissä. Sovellutusten kannalta tärkeintä on määritellä yksityiskohtaisesti ne syyt, joiden katsotaan alentavan käytettävyyttä. Käytettävyys on edellä määriteltynä ex post käsitteenä aikaperusteinen, jolloin toiminta-aste (nopeuskerroin) ja laatukerroin eivät ole tarkastelussa mukana. Kuitenkin prosessi- ja laitehäiriöt saattaavat näkyä myös prosessin toiminta-asteen tai saannon alenemisena. Tällöin OEE (K*N*L) eli tuotantolaitteiston kokonaistehokkuus (Overall equipment effectiveness) on parempi tunnusluku. Tämä tunnusluku ei tosin yleensä erittele käytön ja kunnossapidon aiheuttamaa tehokkuuden laskua. Tunnusluvussa (K*N*L) K tarkoittaa käytettävyyttä, N toimintastetta ja L laatukerrointa. Toiminta-asteen laskentaan voidaan käyttää esimerkiksi seuraavaa kaavaa: N = Tuotanto / (Nimellistuotantokyky x käyntiaika) (4) Laatukertoimen laskentaan voidaan käyttää kaavaa: L = (Tuotanto - Hylätty tuotanto) / Tuotanto (5) 10
Määriteltäessä kohteen käytön intensiteettiä on syytä erikseen tarkastella käyntiastetta ja käyttöastetta. Käyttöaste on käyttöajan ja kalenteriajan suhde [PSK 6201 2004] Käyttöaste = Käyttöaika Kalenteriaika missä kalenteriajan pituus on yleensä 1 vuosi eli 8760 tuntia ja käyttötunnit ovat käyntituntien (tuotantotuntien) sekä käytön- ja kunnossapidon seisokkien vaatima kokonaisaika. Käyntiaste [O] [PSK 6201 2004] on käyntituntien suhde tarkastelujakson vertailtavaan kalenteriaikaan Käyntiaste = Käyntiaika Kalenteriaika missä kalenteriajan on pituus on yleensä 1 vuosi eli 8760 tuntia. Vikataajuus on tarkastelujaksolla vioittuneiden laitteiden lukumäärän suhde tarkastelujakson alussa kunnossa olleisiin laitteisiin. 2.3 Käyttövarmuuden mittaamiseen liittyviä aikakäsitteitä Kuvassa 2.3.1 havainnollistetaan joitain korjattavan järjestelmän käytettävyyden laskentaan liittyviä aikakäsitteitä. Korjattava järjestelmä korjataan sen vikaantuessa, ei-korjattava järjestelmä vaihdetaan uuteen. Esimerkkinä edellisestä olkoon auto ja jälkimmäisestä hehkulamppu. Vikaantumisväli TBF (Time Between Failures) on kahden perättäisen vikaantumisen välinen aika, odotusarvo on keskimääräinen vikantumisväli MTBF (Mean Time Between Failures). Keskimääräinen vikaantumisväli tarkoittaa jatkuvasti toimivan, korjattavan järjestelmän kahden perättäisen vikaantumisen välistä keskimääräistä ajanjaksoa. Korjausaika lasketaan tällöin mukaan vikavälille [SFS-IEC 50(191) 1996, IEC/TC56 1996]. Vikaantumisaika TTF (Time To Failure) on kohteen toiminta-aika vikaantumisvälillä, odotusarvo on keskimääräinen vikaantumisaika MTTF (Mean Time To Failure). 11
Vika! Vikaantumisväli, TBF Vika! Kohde toimintakelpoinen (upstate) TTF TTF TTF TTR TTR TTR Kohde toimintakelvoton (downstate) AIKA Kuva 2.3.1. Käyttövarmuuteen liittyviä vikaantumisaikojen määrittelyjä korjattavalle järjestelmälle [IEC 50(191) 1996]. Toipumisaika TTR (Time To Recovery tai Restoration), odotusarvo on keskimääräinen toipumisaika MTTR (Mean Time To Recovery/Restoration). Toipumisaikaan lasketaan aktiivisen korjausajan lisäksi myös vian havaitsemisviive, hallinnolliset, logistiset ja tekniset viiveet. Kunnossapitoaika TTM (Time to maintain) on häiriökorjauksiin ja suunniteltuun kunnossapitoon kuluva alasajo-, viive-, toimenpide- ja ylösajoaika. Tässä luvussa esitettyjä käsitteitä voidaan havainnollistaa oheisen kuvan avulla [PSK 6201 2004]. Vika (F) Vika (F) UT Ei-käyttöaika 1) (NUTT) Tyhjäkäynti (IT) Varallaolo (SBT) DT Käyttöaika(UTT) Seisokkiaika 4) (DT) UT Ei-käyttöaika (NUTT) Häiriötoipumisaika (CMT tai TTR) Odotusaika (viiveaika) (WT) Vikaväli (TBF) Toimintakelvottomuusaika (DT) Käyttöaika (UTT) 3) Ulkoinen toimintakyvyttömyysaika(edt) Seisokkiaika (DT) Ehkäisevä kp-aika Käytön tarpeen ylittävä kp-aika (EMT) Käytön seisokkiaika (ODT) (PMT) Korjausaika Kunnossapitoseisokkiaika (TTM) (RT) 2) Häiriökorjausaika (RT) Ehkäisevä kunnossapitoaika (PMT tai PDT) Jaksotettu kp-aika (SMT) Kuntoon perustuva kp-aika (CBT) Käytön seisokkiaika (ODT) Toimintakelpoisuusaika(UT) Käyntiaika tai tuotanto-aika (OT) Vikaantumisaika (TTF) Käynninaikainen kp-aika (PMOT) (SMOT (CBOT) Kuva 2.3.2. Kunnossapidon (käynnissäpidon) aikakäsitteet [PSK 6201 2004] 12
2.4 Kunnossapito ja käynnissäpito Kunnossapito on kaikki ne tekniset ja hallinnolliset toimenpiteet, joilla todetaan kohteen toimintakunto, pidetään kohde halutussa toimintakunnossa tai saatetaan se takaisin haluttuun toimintakuntoon [SFS-IEC 50(191) 1996, IEC/TC56 1996]. Käynnissäpito on yleiskäsite, jolla tarkoitetaan kaikkia niitä toimintoja, joilla suunnitellaan, rakennetaan ja ostetaan kone tuottamaan häiriöttömästi virheettömiä tuotteita koko elinikänsä. Päivittäisessä tehdaskäytössä käynnissäpidolla ymmärretään valmistus- ja kunnossapitoresurssien toimintoja [Käynnissäpidon, 1996]. Käynnissäpitokäsitteellä pyritään korostamaan käyttö- ja kunnossapitotoiminnan yhteenkuuluvuutta. Kunnossapitostrategiassa määritellään yleiset suuntaviivat, kuinka toimet ja resurssit tulee priorisoida ja jakaa eri järjestelmille ja komponenteille, jotta kunnossapidon tavoitteet toteutuvat [Laakso ym. 2002]. Kunnossapitosuunnitelmassa on määritelty yksittäisille kohteille niille soveltuva kunnossapitolaji. Kunnossapitosuunnitelmassa otetaan huomioon kunnossapitostrategian tavoitteet [Laakso ym. 2002]. Kunnossapidossa on käytössä useita kunnossapidon lajeja koskevia jaotteluita. Jotkut niistä on esitetty standardeissa, toiset ovat taas osa jotain käynnissäpidon kehittämisjärjestelmää ja osa henkilökohtaisia näkemyksiä. SFS-EN-13306 standardissa kunnossapitolajit on esitetty perinteisellä tavalla, joka ei kuitenkaan huomioi eräitä oleellisia kunnossapidon tavoitteisiin ja toimintatapoihin liittyviä näkökulmia: (1) ehkäisevä kunnossapito, joka jakaantuu kuntoon perustuvaan sekä jaksotettuun kunnossapitoon ja (2) korjaava kunnossapito, joka jakaantuu välittömään ja siirrettyyn kunnossapitoon. PSK 7501 ja 6201 ottavat huomioon kunnossapidon tavoitteet (esim. vaikutukset käytettävyyteen) ja nykyiset toimintamallit (komponenttien vaihto vs. korjaus). Toisaalta standardissa on kunnossapitoon otettu mukaan myös parantava kunnossapito. Lisäksi kunnonvalvonnan perusteella tehtävät suunnitellut korjaukset (esim. tuotantoikkunan aikana) pidetään selkeästi erillään suunnittelemattomista tuotannon menetyksiä aiheuttavista häiriökorjauksista. Ehkäisevällä kunnossapidolla pidetään yllä kohteen käyttöominaisuuksia, palautetaan heikentynyt toimintakyky ennen vian syntymistä tai estetään vaurion syntyminen. 13
Jaksotettu kunnossapito on ehkäisevän kunnossapidon toimenpide, joka tehdään suunnitelluin jaksotuksin esimerkiksi käyttötuntien, kalenteriajan, tuotantomäärän tai energian käytön mukaisesti. Huolto on jaksotetun kunnossapidon toimenpide, joka sisältää kohteen tarkastamisen, säädön, puhdistamisen, rasvauksen, öljynvaihdon, suodattimen vaihdon ja muut vastaavat toimenpiteet. Kunnonvalvonta sisältää mittaavan kunnossapidon ja tarkastustoiminnan (esim. värähtelymittaukset ja NDT:n) sekä aistinvaraisen kunnonvalvonnan. Kuntoon perustuva kunnossapito sisältää laitteiden suunnittellut komponentin vaihdot ja korjaukset kohteella. Jaksotettu kunnossapito Pre-determined maintenance Ehkäisevä kunnossapito Preventive maintenance Kunnonvalvonta Condition monitoring Kunnossapitolajit Maintenance types and strategies Suunniteltu kunnossapito Planned maintenance Kunnostaminen Refurbishment Parantava kunnossapito Improvement maintenance Kuntoon perustuva suunniteltu korjaus Conditon based planned repairs Häiriökorjaus Breakdown maintenance Välittömät korjaukset Immediate repairs Siirretyt korjaukset Deferred repairs Kuva 2.4.1. Kunnossapitolajit PSK 6201 standardin mukaan. 14
Kunnostaminen tarkoittaa kuluneen tai vaurioituneen käytöstä pois otetun kohteen palauttaminen käyttökuntoon (esim. vaihdettujen osien, komponettien ja rakenneosien korjausta erillisessä työpajassa). Parantavan kunnossapidon tarkoituksena on parantaa kohteen luotettavuutta ja/tai kunnossapidettävyyttä muuttamatta kohteen toimintoa. Häiriökorjauksella palautetaan vikaantunut kohde toimintakuntoon ja käyttöturvallisuudeltaan alkuperäiseen tilaansa. Välitön korjaus suoritetaan heti vian havaitsemisen jälkeen, jotta voidaan palauttaa toimintakunto tai rajoittaa vian aiheuttamat seuraukset hyväksyttävälle tasolle. Siirretty korjaus on toimenpide, jota ei suoriteta välittömästi vian havaitsemisen jälkeen, vaan se on siirretty tehtäväksi kohteen, tuotannon tai organisaation tilan salliessa. Se tarkoittaa esimerkiksi toimepidettä, joka on tehtävä ensitilassa, mutta on siirrettävä ajankohtaan, jolloin esimerkiksi osaavat ja riittävät resurssit ovat paikalla (esimerkiksi yövuorosta päivävuoroon). Kuntoon perustuva mittaava käynnissäpito sisältää mittauksen, signaalinkäsittelyn, diagnostiikan ja prognostiikan. Mittaus on menetelmä, jolla mitattavasta kohteesta voidaan havaita ja seurata halutun ilmiön synnyttämää suoraa tai epäsuoraa vastetta ja siinä tapahtuvia muutoksia. Mittauksessa mitattava ilmiön synnyttämä vaste muutetaan mittaussignaaliksi, joka korreloi seurattavan ilmiön kanssa. Signaalikäsittelyllä mittaussignaalista irroitetaan ja suodatetaan esiin haluttuja, mitatun ilmiön kanssa korreloivia mittauspiirteitä ja ominaisuuksia ja/tai vaimennetaan ei haluttuja signaalipiirteitä (häiriöt). Signaalikäsittelyn työkaluja ja menetelmiä käytetään mm. mitatun mittaussignaalin näytteistyksessä, analogia-digitaali -muunnoksissa, suodatuksessa, aikataso- ja taajuustasoanalyyseissa ja muunnoksissa sekä matemaattisessa mallinnuksessa. Monitorointi tarkoittaa mm. mittaussignaalien ja -piirteiden tilan seurantaa ja sen avulla tapahtuvaa tarkasteltavan kohteen tilan tai kunnon seurantaa. Usein monitoroinnilla seurataan valittujen signaalipiirteiden muutosta ajan suhteen (trendiseuranta). Monitorointi voi olla myös aistihavaintoihin perustuvaa kohteen tilan seurantaa. Diagnostiikka tarkoittaa tässä yhteydessä koneiden, laitteiden, prosessien ja prosessin osien käyttö- ja toimintakunnosta sekä -tilasta ja -laadusta mittaavilla menetelmillä 15
monitoroimalla ja/tai aistinvaraisesti havainnoimalla tehtäviä päätelmiä, joilla kohteiden tila voidaan päätellä monitorointihetkellä sekä tunnistaa ja paikallistaa poikkeamatilanteet käytetyn kokemusperäisen tai opetetun/oppivan diagnoosimallin avulla. Diagnostiikkamallit voivat perustua mm. asiantuntijaratkaisumalleihin, fysikaalisesti johdettuihin malleihin, regressiomalleihin (Black Box), sumeaan logiikkaan, neuroverkkoihin, Bayesilaiseen päättelyyn ja/tai näiden yhdistelmiin. Prognostiikka eli tulevan ennakointi on koneiden, laitteiden ja prosessien tai prosessin osien kunnon ja toimintatilan ja -laadun ennustamista tulevana ajanhetkenä pohjautuen olemassa olevien ja/tai saatavissa olevien nykyisten monitorointi-, päättely- ja/tai diagnostiikkatietoihin sekä kohteen kuormitus- ja käyttöennusteiden pohjalta tehtävien ennustemallien antamiin ennusteisiin. Ennustemallit voivat pohjautua samoihin menetelmiin kuin diagnostiikkamallit (ks. kohta Diagnostiikka). 2.5 Lähdeluettelo Al-Najjar, B. 2000. Impact of real-time measurements of operating conditions on effectiveness and accuracy of vibration-based maintenance policy. Journal of Quality in Maintenance Engineering, vol.6, no 4, 2000. s. 275-286. IEC 300-3-2. 1993. Dependability management - Section 2. Collection of dependability. IEC/TC 56. 1996. Mathematical expressions for reliability, availability, maintainability and maintenance support terms. International electrotechnical commission. 72 s. IEC 60300-3-3. 1996. Dependability management- Part 3. Application guide- Section 3: Life Cycle Costing. 1996. 47 s. Kececioglu, D. 1991. Reliability Engineering Handbook. Volume 2. Englewood Cliffs NJ. Prentice Hall. ISBN 0-13-772302-4. Komonen, K. 2002. Käyttövarmuustakuut. Espoo: VTT Tuotteet ja tuotanto. Raportti BVAL73-021194. 42 s. Kortelainen, H. 1997. LCC - Life cycle cost, tuotteen elinjaksokustannukset Tampere: VTT Valmistustekniikka. Raportti VALB 231. 18 s. + liitt. 8 s. 16
Kortelainen, H. 1999. Paperi- ja selluteollisuuden käyttövarmuuden mittarit. Tampere: VTT Automaatio. Raportti RISB 005. 22 s. + liitt. 7 s. Käynnissäpidon johtaminen ja talous. 1996. SCEMM. Scandinavian Center for Maintenance Management Finland ry. Loviisa, 1996. 224 s. Laakso, K., Simola, K. & Hänninen S. 2002. Maintenance analysis of technical systems. Kunnossapito, vol. 5/2002. s. 49-51. O Connor, P. 1991. Practical Reliability Engineering, Third Edition. West Sussex, England: John Wiley & Sons Ltd. 409 s. ISBN 0-471-92696-5 Peltonen, M., Pursio, S. 1999. Elinjaksokustannus(LCC)- ja -tuotto(lcp)laskenta. Laskentamallin kehittäminen. Tampere: VTT Automaatio. Raportti RISB 008. 22 s. + liitt. 11 s. PSK 6201 2004. Kunnossapito. Käsitteet ja määritelmät. Espoo: PSK Prosessiteollisuuden standardisoimiskeskus ry. 18 s. PSK 7501 EHD 46. 2000. Prosessiteollisuuden kunnossapidon tunnusluvut. Espoo: PSK Prosessiteollisuuden standardisoimiskeskus ry. 29 s. Rausand M., Øien K. 1996. The basic concepts of failure analysis. Reliability Engineering and Systems Safety, vol 53, 1996. s. 73-83. Rosqvist T., Kortelainen H., Bergman E. 1997. Käyttövarmuusdatasta informaatioon. Tampere: VTT Valmistustekniikka. Raportti VALB 286. 30 s. + liitt. 21 s. SFS-IEC 50(191). 1996. Sähköteknillinen sanasto. Luotettavuus ja palvelun laatu. Helsinki: Suomen standardisoimisliitto. 143 s. SFS-IEC 60300-3-11. 1999. Luotettavuuden hallinta. Osa 3-11: Sovellusohje Luotettavuuskeskeinen kunnossapito. 55 s. 17
3. Monitorointi 3.1 Anturit Lahdelma Sulo*, Leinonen Jaakko* ja Ahola Jero** * Oulun Yliopisto ** Lappeenrannan teknillinen yliopisto Anturin tehtävänä on muuntaa ajan funktiona muuttuva tutkittava suure vastaavan muotoiseksi sähköiseksi signaaliksi, jota käsitellään halutulla tavalla [Lahdelma 1991]. Antureita voidaan luokitella eri perustein ja yleisesti käytetään seuraavaa luokittelua [Mckerrow 1991]: 1. Mitä fysikaalista tai kemiallista suuretta anturi mittaa? Näistä mainittakoon nopeus, viskositeetti tai väri. 2. Mihin ilmiöön anturin käyttämä mittausperiaate perustuu? Anturin toiminta voi perustua vaikkapa Hallin ilmiöön. 3. Mitä teknologiaa on käytetty? Siihen on voitu hyödyntää esimerkiksi piiteknologiaa. 4. Millaista energiatyyppiä hyödynnetään? Voidaan käyttää vaikkapa sähköistä tai mekaanista energiaa. 5. Millainen on anturin ja mitattavan kohteen suhde? Onko se kosketuksellinen vai kosketukseton? 3.1.1 Värähtelyanturit Värähtelyanturit jaetaan yleensä kahteen pääluokkaan, jotka ovat kosketuksellinen ja kosketukseton anturi. Kosketukselliset anturit asetetaan mekaaniseen yhteyteen mitattavan rakenteen kanssa. Näitä antureita ovat esimerkiksi pietsosähköiset kiihtyvyysanturit ja seismiset nopeusanturit. Kosketuksettomia antureita ovat mm. pyörrevirta-anturit, jotka asetetaan mitattavan pinnan lähelle. Ne mittaavat kiinnityskohdan ja tutkittavan rakenteen suhteellista liikettä [SFS-ISO 5348 1991]. 18
3.1.1.1 Kiihtyvyysanturit Värähtelymittauksissa yleisimmin käytetty anturi on kiihtyvyysanturi, joka pohjautuu Newtonin toiseen lakiin ma=f. Sen toimintaperiaate on yksinkertainen, vaikka anturi sisältääkin useita eri komponentteja. Kiihtyvyysantureiden yleisimpiä tyyppejä ovat pietsosähköinen, pietsoresistiivinen ja kapasitiivinen kiihtyvyysanturi. Kiihtyvyysanturissa on tunnetun painoinen seisminen massa (kuva 3.3.1), joka on kiinnitetty pietsosähköisiin levyihin ja koko tämä systeemi on kiinni anturin rungossa. Värähdellessään seisminen massa aiheuttaa levyjen välille jännitteen, joka on verrannollinen kiihtyvyyteen. [Brüel & Kjær B]. Kuva 3.1.1. Kaaviokuva kiihtyvyysanturin rakenteesta [ Brüel & Kjær B]. Kiihtyvyysanturit kiinnitetään mitattavaan kohteeseen yleisimmin magneetilla, vaarnaruuvilla tai käsin painamalla. Joissakin kohteissa voidaan kiinnitykseen käyttää mehiläisvahaa. Kiihtyvyysantureiden mittausalue on tyypillisesti noin 2 10 000 Hz. Nykyään käytössä olevien kiihtyvyysantureiden ylärajataajuus voi olla useita kymmeniä kilohertsejä. Anturin kiinnitystapa, ympäristön lämpötila sekä anturin ominaisuudet vaikuttavat kiihtyvyysanturin mittausalueeseen [Lahdelma 1991]. Jotta saataisiin luotettavia tuloksia, tulisi anturi valita siten, että sen poikittaisherkkyys on pienempi kuin 5 %. Pietsosähköisten levyjen tuottama signaali on suuri-impedanssinen varaussignaali. Signaali muutetaan vahvistimessa pieni-impedanssiseksi jännitesignaaliksi, joka ei ole yhtä herkkä häiriöille kuin suuri-impedanssinen signaali. Muutos pieni-impedanssiseksi signaaliksi tehdään joko anturin sisäisellä varausvahvistimella tai erillisellä ulkoisella vahvistimella [PSK 5703 2000]. Kaapelin valinnassa täytyy huomioida anturin vahvistintyyppi. Sisäisellä varausvahvistimella varustetun anturin kaapelina käytetään lyhytnousuista kierrettyä parikaapelia, joka on suojattu metallivaipalla tai alumiinikalvolla. Anturin ja ulkoisen vahvistimen välissä käytettävän kaapelin tulee olla mahdollisimman lyhyt ja pienikohinainen koaksiaalikaapeli [PSK 5703 2000]. 19
3.1.1.2 Nopeusanturit Tyypillisessä nopeusanturissa (kuva 3.1.2) on seismisesti jousella tuettu magneetti sekä käämi. Magneetti on kiinnitetty kahdella jousella anturin kuoreen. Suhteellinen liike käämin ja magneetin välillä saa aikaan nopeuteen verrannollisen ulostulojännitteen. Nopeusanturi on massa jousi-systeemi, jolla on tietty resonanssitaajuus, joka riippuu magneetin massasta ja jousen jäykkyydestä. Tyypillisesti nopeusanturin sisäinen resonanssitaajuus on välillä 2 10 Hz, joten mittausalueen alarajataajuuden on oltava resonanssitaajuutta muutamia hertsejä suurempi [Crawford 1992A]. Nopeusanturi on suurikokoinen ja mittausten ylärajataajuus on tavallisesti noin 2000 Hz. Nopeusanturiin aiheuttavat häiriöitä sähkömagneettiset kentät sekä lämpötilan muutokset. Lisäksi nopeusanturin kiinnityksessä on huomioitava sen suoruus kiinnitettyyn pintaan nähden. Kuva 3.1.2.Kaaviokuva nopeusanturin rakenteesta [Crawford 1992A]. Nopeusantureita voidaan käyttää yksinkertaisen vahvistimen ja mittalaitteen kanssa nopeuden tehollisarvojen mittaamiseen. Nykyään nopeusanturin käyttö on varsin vähäistä. Toisaalta on olemassa myös sellaisia kiihtyvyysantureita, joiden sisään on rakennettu integrointipiiri, joka muuntaa kiihtyvyyssignaalin nopeussignaaliksi [Lahdelma 1991]. Värähtelynopeutta voidaan mitata myös kosketuksettomasti muun muassa laser- Doppler-vibrometrillä (LDV) eli tärinämittauslaserin avulla. Laservalo jaetaan kahteen osaan, jotka kulkevat mitattavaan kohteeseen ja mittalaitteen sisällä olevaan pyörivään levyyn (kuva 3.1.3). Pyörivä levy aiheuttaa säteelle vakiotaajuussiirtymän, joka perustuu Doppler-ilmiöön. Tätä sädettä käytetään referenssivalona, johon sekoitetaan kohteesta heijastunut säde. Tällöin tuloksena on kohteen värähtelyn aiheuttamalla Doppler-siirtymällä moduloitu signaali. Se demoduloidaan ja näin saatu signaali on verrannollinen mittauskohteen nopeuteen. Tyypillisesti LDV:n avulla mitataan värähtelyjä paikoista, jotka ovat erityisen keveitä tai kuumia. Lisäksi se mahdollistaa värähtelynopeuden mittaamisen paikoista, joihin ei voi kiinnittää tavanomaista nopeusanturia. [Bell 2000, Brüel & Kjær A] 20
Kuva 3.1.3. Lasermittauksen periaate [Brüel & Kjær A]. Lasermittareita käytetään yleensä pituuden, etäisyyden, nopeuden ja pyörimisnopeuden mittaamiseen sekä linjaamiseen. LDV:n käyttöä rajoittaa heijastavalle pinnalle asetettavat vaatimukset ja lisäksi sen korkeahko hinta. 3.1.1.3 Siirtymäanturit Poikkeama- eli siirtymäanturin päässä oleva kela muodostaa magneettikentän, joka indusoi pyörrevirtoja kohdatessaan ferromagneettisen pinnan. Nämä pyörrevirrat aiheuttavat muutoksia anturin päässä olevan kelan jännitteeseen, kun kelan ja mitattavan pinnan, kuten akselin, välinen etäisyys muuttuu. Tämä jännitemuutos ilmaisee anturin ja mitattavan pinnan välisen etäisyyden muutoksen [Crawford 1992A]. Pyörrevirtaantureiden lämpötila-alue on laaja (esim. 55 C +150 C) ja ne kestävät hyvin iskuja ja tärinää. Näiden antureiden mittausalue on suuruusluokkaa 0 11 mm. Pyörrevirta-anturia käytetään paljon koneiden liukulaakereiden kunnonvalvonnassa, kun mitataan akselin ja laakeripesän suhteellista liikettä. Kiinnittämällä kaksi anturia 90 kulmaan toisiinsa nähden (kuva 3.1.4), saadaan akselin värähtelyt selville [Crawford 1992B]. Yleensä pyörrevirta-anturit ovat kiinteästi asennettuja, koska muunlainen kiinnitys on epäluotettavaa. 21
Kuva 3.1.4. Suhteellista poikkeamaa mittaavat pyörrevirta-anturit [Villanen & Luukkanen 1998]. Pyörrevirta-anturilta saatava signaali muodostuu kahdesta eri komponentista: ACkomponetti kuvaa akselin värähtelyä ja DC-komponentti ilmaisee akselin keskimääräisen aseman anturiin nähden. Kun kahdelta 90 kulmassa toisiinsa nähden asennetulta anturilta tulevat signaalit yhdistetään esimerkiksi oskilloskoopissa, saadaan sen näyttöön akselin liikkeen muoto xy-tasossa eli ratakäyrä [Villanen & Luukkanen 1998]. Pyörrevirta-anturia voidaan käyttää myös tahdistus- eli takopulssin saamiseen. 3.1.1.4 AE-anturit Akustisella emissiolla tarkoitetaan ilmiötä, jossa materiaalissa tapahtuva paikallinen nopea energian vapautuminen synnyttää siinä etenevän hetkellisen jännitysaaltoimpulssin. Tällaisia impulsseja syntyy esimerkiksi toisiinsa nähden liikkuvien pintojen kosketuksessa, särönkasvussa tai materiaalin deformoitumisen yhteydessä. Ne etenevät materiaalissa ultraäänen tapaan heijastuen, vaimentuen ja synnyttäen erilaisia aaltomuotoja. Muutosten tuloksena materiaaliin syntyvät energiaaallot voidaan havaita materiaalin pinnalle kiinnitetyllä AE-anturilla, joka toimintaperiaatteeltaan on korkeataajuista värähtelyä vastaanottava mikrofoni. [Villanen & Luukkanen 1998, Lahdelma & Leskinen 1991] AE-antureina käytetään tavallisimmin pietsosähköisiä antureita, jotka muuttavat mekaanisen värähtelyn sähköiseksi signaaliksi. Se vastaa rakenteeltaan kiihtyvyysanturia, mutta pietsösähköisen kiteen päällä ei ole yleensä lisämassaa. AEanturit mittaavat korkeataajuista värähtelyä, esim. alueella 40 khz 1 MHz. Yleensä taajuuskaista valitaan väliltä 100 200 khz. Tällöin mekaanisten häiriölähteiden kuten koneen normaalista käynnistä johtuvat värähtelyt jäävät tämän mittausalueen ulkopuolelle, eivätkä ne vaikuta mittaussignaaliin. 22
Tyypillisesti akustisen emission antureita käytetään säiliöiden, paineastioiden, laakereiden ja hammasvaihteiden kunnonvalvonnassa. 3.1.1.5 Mikromekaaniset anturit Mikromekaaniset anturit ovat pieniä ja ne vaativat vähän tehoa. Niitä käytetään yleisesti autoteollisuudessa. Mikromekaanisten antureiden tuotantomäärät ovat suuria ja kustannukset yhtä anturia kohti muodostuvat pieniksi. Niiden valmistusmateriaalina käytetään lähes yksinomaan piitä (Si) sen hyvien mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi. Mikromekaaniset anturit valmistetaan mikroelektroniikasta periytyvillä menetelmillä, kuten syövyttämällä, koska mekaanista työstöä ei voi käyttää. Tätä tekniikka kutsutaan bulkmikromekaniikaksi [Halme 2002]. Piin etuna on myös se, että sitä käytettäessä samalle alustalle on mahdollista valmistaa sekä mikromekaaninen rakenne (anturi) että sen lukemiseen ja ohjaamiseen tarvittava mikroelektroniikka. Nämä yhdessä muodostavat mikroelektromekaanisen järjestelmän (Microelectromechanical System, MEMS) [Kuivalainen 1993]. Autoteollisuudessa käytetään paljon MEMS-tekniikalla valmistettuja kiihtyvyysantureita. Teollisuuden koneiden kunnonvalvontaan nämä anturit eivät suoraan sovellu, koska teollisuudessa antureilta vaaditaan mm. suurempaa dynamiikkaa ja laajempaa lineaarista taajuusaluetta [Halme 2002]. Teollisuuden koneiden kunnonvalvontaan soveltuvia MEMS-kiihtyvyysantureita on olemassa, vaikka niiden herkkyys ja taajuuskaistan leveys ja jääkin piezo-antureiden vastaavista. Esimerkiksi MEMS-anturin ADXL105 kaistaleveys on 0...12 khz, herkkyys 225-275 mv/g ja mittausalue -5g...5g [Analog 1999]. Vahvuutena näillä on kuitenkin piezo-anturiin verrattuna edullinen hinta, pieni koko ja yksinkertainen integroitavuus mittauselektroniikkaan [Lindh 2001, 2002]. 3.1.2 Lämpötila-anturit Lämpötila-antureiden käyttö teollisuudessa on hyvin yleistä. Laakerien ja muiden keskeisten koneenosien lämpötilan tarkkailu on erittäin tärkeää. Mikäli käyttöolosuhteissa ei ole tapahtunut muutoksia ja kohteen lämpötila nousee, se voi olla merkki alkavasta viasta. Lämpötilan kohoamista aiheuttavat mm. voiteluaineen vähyys tai sen liian suuri määrä, epäpuhtaudet voiteluaineessa, liian pieni välys, laakeriviat, liian suuri kuormitus jne. Yleisimmin käytettyjä lämpötilan mittausantureita ovat termoelementit, vastusanturit sekä termistorit. 23
Vastusanturit ovat metallista valmistettuja antureita, joiden toiminta perustuu resistanssin lämpötilariippuvuuteen. Näissä antureissa käytettyjen metallien resistanssi suurenee, kun lämpötila kasvaa. Tavallisimmin niissä hyödynnetään platinaa, nikkeliä tai kuparia. Yleisin vastusanturityyppi on Pt100-anturi. Sen mittausalue on erittäin laaja, ollen esimerkiksi 220 C +850 C [Aumala 1999]. Termoelementti valmistetaan kahdesta eri metallilangasta joiden päät on hitsattu yhteen. Kun termoelementin kuuman- ja kylmänpään välille syntyy lämpötilaero, aiheuttaa se termoelementissä sähkömotorisen voiman, jonka suuruus on verrannollinen vallitsevaan lämpötilaeroon ja materiaaliin, mistä termoelementti on tehty. Yleisimmin käytetty termoelementtityyppi on NiCr. Termoelementin etuja verrattuna vastusanturiin ovat nopeus ja halpa hinta [Aumala 1999]. Termistorit ovat joko puolijohdemateriaaleista tai metallioksideista valmistettuja vastusantureita. Termistoreiden resistanssi muuttuu nopeasti lämpötilan funktiona. Termistorin etuna vastusanturiin verrattuna on huomattavasti suurempi herkkyys ja pieni koko. Niitä käytetään lähinnä lämpötilakytkimissä, kuten puhaltimien moottorien suojauksessa ja nopeiden lämpötilamuutosten mittauksissa +200 C saakka. Varsinaisissa lämpötilan mittauksissa sitä hyödynnetään epälineaarisuudesta johtuen vähemmän [Aumala 1999]. Infrapuna-antureita käytetään kohteissa, jossa lämpötilaa halutaan mitata kosketuksetta. Mittauskohteena voi olla esim. kuuma pinta tai sula metalli. Tämä anturi pohjautuu siihen, että jokainen kappale, jonka lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella lähettää ympäristöönsä lämpösäteilyä. Säteilyn infrapunaosa suunnataan anturin optisen systeemin kautta ilmaisimelle, missä se muunnetaan säteilyyn verrannolliseksi sähköiseksi signaaliksi. Infrapuna-antureiden mittausalue on hyvin laaja, se voi olla esim. välillä 200 C +1400 C [Kuoppala 1986]. Puolijohdelämpötila-antureita käytetään erillisinä tai integroituina IC-piireihin, kuten esimerkiksi mikrokontrollereihin tai tehokomponentteihin. Näiden antureiden toiminta perustuu tyypillisesti puolijohdekomponenttien kuten esimerkiksi transistorien ja diodien puolijohdeliitoksen ominaisuuksien lämpötilariippuvuuteen. Niiden toimintaalue on rajoitettu verrattuna termistoreihin ja termopareihin, esimerkiksi National Semiconductorin LM35A-anturin toiminta-alue on -50...150 C. Puolijohde-antureiden vahvuuksina on yksinkertainen integroitavuus muuhun elektroniikkaan, tarkkuus, pieni koko ja edullinen hinta. 24
3.1.3 Kosteusanturit Kosteus on haitallista sähkökoneiden käämityksille. Vettä pääsee käämityksiin käytännöllisesti katsoen aina, joko nesteenä tai höyrynä. Eristyksen pinnalle tiivistynyt vesi saattaa aiheuttaa läpilyönnin konetta käynnistettäessä ja toisaalta sen aikaansaamat pintavirrat voivat aiheuttaa eristyksen tuhoutumisen. Näiden syiden takia kosteuden mittaaminen on oleellista sähkömoottorien kunnonvalvonnan kannalta [Paloniemi 1996]. Kosteusanturit mittaavat suhteellista kosteutta ja niiden toimintaperiaate perustuu joko anturin kapasitanssin tai resistanssin mittaamiseen. Kapasitiivisissa antureissa toimintaperiaate pohjautuu vesihöyryn ilmaa suurempaan dielektrisyyskertoimeen. Vastaavasti resistiivisissä antureissa anturin resistanssi pienenee kosteuden funktiona. 3.1.4 Voima-anturit Voima-antureiden toiminta perustuu voiman aiheuttaman muodonmuutoksen mittaamiseen. Niiden yleisimpiä tyyppejä ovat venymäliuska-, pietsosähköiset- ja induktiiviset anturit. Voima-antureita käytetään yleisesti taipuman, voiman ja momentin mittaamiseen sekä massan punnitukseen. Venymäliuskat ovat ohuita vastuksia, joiden toiminta perustuu elastisen muodonmuutoksen aiheuttamaan resistanssin muutokseen. Venymäliuskat valmistetaan tyypillisesti 0.015-0.03 mm paksuisesta vastuslangasta. Niitä käytetään yleisesti voimien tai momenttien mittaamiseen sellaisissa paikoissa, joihin ei voi sijoittaa tavallista voima-anturi. Useimmiten voima-anturit perustuvat venymäliuskatekniikkaan. Venymäliuska-anturit ovat rakenteeltaan hyvin erilaisia riippuen käyttötarkoituksesta. Niillä mitataan yleisesti venymää, momenttia tai aksiaalivoimaa. Niiden mittausalue vaihtelee valmistajasta ja venymäliuskatyypistä riippuen välillä 0 5000 kn [Kuoppala 1986]. Pietsosähköiset voima-anturit sisältävät pietsosähköisen kiteen, jota kuormittaessa syntyy vaikuttavaan voimaan verrannollinen sähkövaraus, joka muutetaan jännitteeksi varausvahvistimella. Pietsosähköisiä voima-anturit soveltuvat dynaamisiin mittauksiin ja niillä voidaan mitata iskujen voimakkuutta. Pietsosähköisten voima-antureiden valikoima on hyvin laaja. Esimerkiksi PCB:n valmistamalla ICP-tyypin 209C01 anturilla suurin mitattava voima on 9,79 N, kun taasen 227C sarjan anturilla se on 222,40 kn. 25
Induktiivisessa voima-anturissa voima muutetaan liikkeeksi, joka rekisteröidään induktiivisella liikkeen muutosta mittaavalla asema-anturilla (LDVT). Tällainen anturi soveltuu lähinnä pienten voimien mittaamiseen. Tyypillisesti mittausalue on välillä 10 1000 N [Kuoppala 1986]. 3.1.5 Lähdeluettelo Analog Devices Inc. 1999. ADXL105 Datasheet. Viitattu 18.3.2004. http://www.analog.com/uploadedfiles/data_sheets/411410542adxl105_a.pdf Aumala, O. 1999. Mittaustekniikan perusteet. Helsinki: Otatieto. 223 s. ISBN 951-672- 294-6. Bell, J. R. & Rothberg, S. J. 2000. Laser vibrometers and contacting transducers, target rotation and six degree-of freedom vibration: What do we really measure. Journal of Sound and Vibration, vol. 237, 2, 2000. s. 245-261. Brüel & Kjær. A. Laser Velocity-Transducer Set. Product data, type 3544. Denmark, Naerum Offset. Brüel & Kjær. B. Johdatus tärinän mittaamiseen. Oy Suomen Brüel & Kjær Ab. 54 s. Crawford, A. R. 1992A. The Simplified Handbook of Vibration Analysis. Volume 1: Introduction to Vibration Analysis Fundamentals. Knoxville, Computational Systems, Incorporated. 175 s. Crawford, A. R. 1992B. The Simplified Handbook of Vibration Analysis. Volume 2: Applied Vibration Analysis. Knoxville, Computational Systems, Incorporated. 344 s. Halliwell, N. A. 1996. The laser torsional vibrometer: A step forward in rotating machinery diagnostics. Journal of Sound and Vibration, vol 190, 3, 1996. s. 399-418. Halme, J., Sillanpää, T., Pekko, P., Heikkinen, M. & Oja A. 2002. Micromechanical acoustic emission sensors for condition monitoring. Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM). Proceedings of the 15th International Congress, 2. 4.92002. Birmingham UK, COMADEM International, s. 330-338. ISBN 0-9541307-0-7. Kuivalainen, P. 1993. Mikroanturit. Espoo: Otatieto. 174 s. ISBN 951-672-165-6. 26
Kuoppala, R. 1986. Anturit koneautomaatiossa. Helsinki: Metalliteollisuuden kustannus, tekninen tiedotus 21/86. 183 s. Lahdelma, S. & Leskinen, R. 1991. Kunnonvalvonta. Kunnossapitokoulu 7. Kunnossapito vol. 5, 2, 1991. 16 s. Lahdelma, S. 1991. Mittalaitteiden toimintaperiaatteet. Helsinki: Insinöörijärjestöjen koulutuskeskus, julkaisu 42-91. 20 s. Lindh, T., Ahola, J. & Partanen, J. 2001. Oikosulkumoottorin laakerivian tunnistaminen mikrotyöstetyn kiihtyvyysanturin avulla. Tutkimusraportti 14, TESLA-ohjelman raportti 56/2001. Lindh, T., Ahola, J. & Partanen, J. 2002. An Evaluation of micromachined accelerometer in the Condition Monitoring of Induction Motor Bearings, 17. 19.8.2002. Lodz, Poland. MCKerrow, P.J. 1991. Introduction to robotics. Sydney, Addison-Wesley. 811 s. ISBN 0-201-18240-8. Paloniemi, P. & Keskinen, E. Sähkökoneiden eristykset. Teknillinen korkeakoulu, Sähkötekniikan osasto, Sähkömekaniikan laboratorio. Otaniemi. PSK 5703. 2000. Kunnonvalvonnan värähtelymittaus. Anturin, liittimen ja kaapelin valinta sekä asennus. Helsinki, PSK Standardisointiyhdistys. 5 s. SFS-ISO 5348. 1991. Mekaaninen värähtely ja isku. Kiihtyvyysantureiden mekaaninen kiinnitys. Helsinki, Suomen Standardisoimisliitto. 10 s. Villanen, A. & Luukkanen, P. 1998 Liukulaakerin kunnonvalvonta. Kunnossapitokoulu 44. Kunnossapito vol 13, 2, 1998. 19 s. 27
3.2 Tiedonkeruu Minna Peltonen*, Mikko Hiirsalm**i, Merja Mäkelä**, Susanna Kunttu* * VTT Tuotteet ja tuotanto **VTT Tietotekniikka ***Lappeenrannan teknillinen yliopisto/kymen Ammattikorkeakoulu Käyttövarmuustiedon keruun kenttä on hyvin laaja, ja tietoa on saatavilla useista eri lähteistä (kuva 3.2.1). Käyttövarmuustiedon hyödyntäjät voidaan karkeasti jakaa kahteen ryhmään: laitteen/järjestelmien valmistajat ja toimittajat sekä laitteiden/järjestelmien käyttäjät. Käyttövarmuuden hallinnan keinoja painotetaan luonnollisesti eri tavalla eri ryhmien näkökulmasta: esimerkiksi laitesuunnittelu painottuu toimittajan näkökulmasta katsottuna eri tavalla kuin kunnossapidon suunnittelu käyttäjän näkökulmasta katsottuna. Tällöin on myös odotettavissa että tiedonkeruulle asetettavat vaatimukset ja informaation tarve ja käyttövarmuusinformaation hyödyntäminen poikkeaa osapuolten välillä [Peltonen et al. 1999]. Lisäksi käyttövarmuustiedonkeruun suunnittelussa on ensiarvoisen tärkeää määrittää, mitä halutaan kehittää. Jos tavoitteena on esimerkiksi tukea kunnossapidon suunnittelua, on kerättävä korjausaikoja ja kustannustietoja. Jos tavoitteena on järjestelmän keskimääräisen käytettävyyden vertailu samantyyppisiin järjestelmiin saattaa järjestelmätason vika- ja häiriötietojenkeruu olla riittävä toimenpide [Peltonen et al. 1999]. Suunnittelu Muut järjestelmät Keruu 'kentällä' Laitetoimittajat Automaatio Pneumatiikka ja hydrauliikka Mekaaniset laitteet Osaluettelot Käyttö- ja huolto-ohjeet Sähkönjakelu Tehdashierarkiat Kaupalliset tiedot Ennakkohuolto - suositukset Piirustukset Materiaalihallinta Kunnossapito Dokumenttien Laitosrakenteet Laitehallinta hallinta Operatiivinen järjestelmä Kuva 3.2.1. Tiedonkeruun yleiskuva [Kuusisaari 1998]. 28