Chapitre 1 : Introduction – La position stratégique du TDI dans les systèmes de gestion de la santé des machines
1.1 Industrie 4.0 et l'essor de la maintenance prédictive
Avec les progrès de l'Industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, la gestion des usines passe de la maintenance planifiée et réactive traditionnelle à la maintenance prédictive. Le cœur de la maintenance prédictive réside dans l’utilisation des données pour prédire les pannes, ce qui repose sur l’acquisition en temps opportun de données opérationnelles de haute qualité provenant des équipements. L'analyse des vibrations est l'une des méthodes les plus efficaces pour surveiller l'état des machines tournantes, permettant une identification précoce de problèmes tels que le déséquilibre, le désalignement, l'usure des roulements, les défauts d'engrenages et les surtensions.
1.2 Le système de surveillance 3500 : une architecture à deux niveaux pour la protection et la gestion
Le système Bently Nevada 3500 est un système modulaire et programmable de protection et de gestion des machines. Il utilise une architecture à deux niveaux :
Couche de protection : sa fonction principale est de surveiller les paramètres critiques (tels que les vibrations, les déplacements, la température) en temps réel. Si les points de consigne de sécurité sont dépassés, il déclenche immédiatement des actions de relais (par exemple, arrêt) pour éviter des incidents catastrophiques. Il s’agit d’une protection « dure ».
Couche de gestion : sa fonction principale est de collecter, stocker et analyser les données opérationnelles détaillées de la machine (y compris les données en régime permanent et transitoires) pour l'évaluation des performances, le diagnostic des pannes et la prévision des tendances, aidant ainsi les décisions de maintenance. Il s’agit d’une gestion « douce ».
Le 3500/22M TDI est le module d'interface principal qui permet cette couche de gestion « soft ». Il s'installe dans l'emplacement 1 du rack 3500 (à côté des alimentations). Bien qu'il ne participe pas au chemin de protection critique (en garantissant que sa défaillance n'affecte pas la fonction d'arrêt de sécurité), il constitue le point d'agrégation, la station de traitement et le hub de transmission de toutes les données de gestion.
1.3 La mission principale du TDI
La mission du TDI peut être résumée en deux points :
Portail de configuration : agit comme un pont entre l'ordinateur hôte (exécutant le logiciel de configuration) et le rack 3500, utilisé pour télécharger les paramètres de configuration du rack et de ses modules.
Moteur de données : collecte, met en mémoire tampon et traite efficacement les données de la machine provenant de divers modules de surveillance au sein du rack (par exemple, vibrations, Keyphasor, modules de température) et les transmet à l'ordinateur d'acquisition de données de niveau supérieur et au logiciel de gestion des actifs (par exemple, Système 1).
Chapitre 2 : Présentation du matériel TDI et fonctionnalités de base
2.1 Composition physique et installation
Le module TDI lui-même occupe un emplacement pleine hauteur. Son fonctionnement repose sur un module d'E/S adapté, principalement de deux types :
Module d'E/S Ethernet 10/100 BASE-T : fournit une interface RJ-45, utilise un câble standard de catégorie 5 et prend en charge la négociation automatique 10 M/100 M.
Module d'E/S Ethernet 100 BASE-FX : fournit une interface à fibre optique MT-RJ pour les environnements longue distance ou à fortes interférences électromagnétiques.
De plus, un module de sortie de signal tamponné en option peut être installé pour un accès direct aux signaux de sortie tamponnés des modules de surveillance.
Le module doit être installé dans un rack Management Ready 3500/05, identifiable par le logo Bently Nevada Orbit sur le côté gauche du panneau.
2.2 Disposition du panneau avant et indicateurs
Le panneau avant est la première fenêtre sur l'état du TDI, contenant les éléments clés suivants :
2.3 Caractéristiques fonctionnelles de base du TDI
Ports de communication :
Port RS-232 sur le panneau avant.
Port Ethernet sur le panneau arrière (primaire), prenant en charge le protocole TCP/IP.
Contacts système :
Fournit des entrées de contact sec via le module d'E/S pour 'Trip Multiply', 'Alarm Inhibit', 'Rack Reset', etc., permettant aux systèmes externes (par exemple, DCS) de contrôler le rack.
OK Relais :
Il s'agit d'un contact de sortie matériel critique utilisé pour signaler l'« état de santé » global de l'ensemble du système 3500 aux systèmes externes (par exemple, indicateurs de salle de contrôle, DCS). Toute panne de module, erreur de configuration, perte de communication ou violation des règles de sécurité entraînera la désexcitation du relais OK (PAS OK).
Listes d'événements :
Liste des événements système : enregistre les événements liés au fonctionnement du système, tels que l'insertion/le retrait de modules, les défauts de communication, les anomalies d'alimentation.
Liste des événements d'alarme : enregistre les changements d'état d'alarme (entrée/sortie d'alarme, OK/Pas OK) à partir des modules de surveillance et de relais.
2.4 Prise en charge de la redondance modulaire triple (TMR)
Pour les applications critiques exigeant une sécurité extrêmement élevée (par exemple, l'énergie nucléaire, certains processus pétrochimiques), le système 3500 prend en charge une configuration TMR. Cela nécessite la version TMR du TDI. En plus des fonctions standard, le TMR TDI compare en permanence les sorties de trois modules de surveillance redondants. Si la sortie d'un module diverge (au-delà d'un pourcentage configuré) des deux autres, il signale ce module comme défectueux et enregistre un événement dans la liste des événements système.
Chapitre 3 : Mécanisme de collecte de données TDI – Du signal à l'information
La collecte de données est la valeur fondamentale du TDI. Il peut collecter différents types de données pour répondre à différents états de fonctionnement de la machine.
3.1 Classification du contenu des données
3.1.1 Valeurs statiques
Les valeurs statiques sont des valeurs scalaires extraites après traitement du signal, généralement mises à jour une fois par seconde.
Valeurs de protection : générées par les modules de surveillance eux-mêmes, utilisées pour la comparaison avec les points de consigne et le déclenchement d'actions de protection, par exemple l'amplitude globale des vibrations, la tension d'espacement. Tous les modules de surveillance 3 500 (quel que soit leur âge) peuvent fournir des valeurs de protection via TDI.
Valeurs de gestion : valeurs supplémentaires générées par le traitement TDI des formes d'onde dynamiques des modules de surveillance de la série M. Les plus importants sont l’amplitude et la phase d’ordre nX. Le TDI peut calculer jusqu'à 4 valeurs nX définies par l'utilisateur par canal (par exemple, vitesse de fonctionnement 1X, 2X), qui sont cruciales pour identifier des défauts spécifiques tels que le déséquilibre, le désalignement et le jeu.
Variables logicielles : paramètres de diagnostic avancés calculés par un logiciel de niveau supérieur (par exemple, système 1) après avoir effectué d'autres calculs (par exemple, analyse de démodulation, calculs crête à crête) sur les données brutes de forme d'onde reçues du TDI.
3.1.2 Données dynamiques (données de forme d'onde)
Les données dynamiques sont le signal brut dans le domaine temporel à haute densité, fondamental pour les diagnostics avancés tels que l'analyse spectrale, les tracés d'orbite et l'analyse modale. Seuls les modules de moniteur « M-Series » peuvent fournir des données dynamiques.
Formes d'onde synchrones : l'échantillonnage est synchronisé avec le signal Keyphasor une fois par tour. Les utilisateurs peuvent configurer des échantillons par tour (16x à 1024x), en équilibrant les détails de la forme d'onde (taux d'échantillonnage élevé) et la résolution spectrale (taux d'échantillonnage faible). Les formes d'onde synchrones sont essentielles pour analyser les défauts liés à la vitesse et tracer les orbites des arbres.
Formes d'onde asynchrones : échantillonnées à une fréquence fixe (de 25,6 Hz à 64 kHz), indépendante de la vitesse de l'arbre. Chaque forme d'onde comprend 2 048 points, utilisés pour générer un spectre de 800 raies. Les données asynchrones sont filtrées anti-alias, ce qui convient à l'analyse des défauts caractéristiques à haute fréquence comme ceux des roulements et des engrenages.
Données intégrées : Le TDI peut être configuré pour renvoyer des données de forme d'onde intégrées, convertissant les signaux de vitesse en déplacement pour analyse selon certaines normes.
3.2 Modes de collecte de données
Le TDI collecte des données dans différents modes et densités en fonction des différents états de la machine et des conditions de déclenchement.
3.2.1 Valeurs actuelles
Le logiciel hôte peut demander au TDI d'envoyer à tout moment les valeurs statiques et les formes d'onde actuelles. Ceci est utilisé pour :
Affichage en temps réel : affichage des données en direct sur les postes opérateur.
Tendances historiques : collecte de valeurs statiques à intervalles d'une seconde pour créer des tracés de tendances à long terme.
Capture de forme d'onde programmée : collecte et stockage automatiques de formes d'onde à des intervalles définis par l'utilisateur (par exemple, toutes les heures) pour établir des données de base.
3.2.2 Données d'alarme
Lorsqu'un point de mesure dans le rack déclenche une alarme (Alerte ou Danger), le TDI capture automatiquement les données avant et après l'événement pour tous les points du « Groupe de collecte » associé. Il s'agit d'une fonction de diagnostic extrêmement puissante car elle enregistre des données complètes à partir du moment du défaut et de la période qui l'entoure.
Méthodes de déclenchement : alarme de protection ou alarme logicielle.
Contenu des données : comprend des données statiques haute densité 20 secondes avant l'événement (intervalle de 0,1 s), des données statiques standard 10 minutes avant (intervalle de 1 s), des données de forme d'onde 2,5 minutes avant (intervalles de 10 s) et les périodes de données correspondantes après l'événement. Toutes les données sont synchronisées dans le temps au sein du groupe de collecte.
3.2.3 Données transitoires (données de démarrage/ralentissement)
Les processus de démarrage (démarrage) et d'arrêt (ralentissement) de la machine contiennent de riches informations de diagnostic. Le TDI dispose d’un mode dédié de collecte de données transitoires.
Déclencheur d'entrée : défini via les « Activateurs de groupe de collecte », qui sont des plages de vitesse (par exemple, « roulage lent jusqu'à la vitesse de fonctionnement » et « plage de survitesse »). Lorsque la vitesse de la machine entre dans cette plage, le TDI passe automatiquement en mode transitoire.
Déclencheur de collecte : défini via les « Paramètres de contrôle de collecte » :
Delta RPM (Δ Speed) : collecte un ensemble de données lorsque la vitesse change d'une quantité définie (configurable séparément pour augmenter et diminuer la vitesse).
Delta Time (Δ Time) : collecte des données à intervalles de temps fixes.
Lecture des données : avant d'entrer en mode transitoire, le TDI conserve les 200 derniers ensembles de données dans un tampon interne. Dès l'entrée, il envoie immédiatement ces 200 ensembles « historiques » ainsi que les données ultérieures en temps réel à l'hôte, recréant ainsi complètement le processus transitoire.
3.3 Flux de données et mécanisme de synchronisation
Le TDI ne se contente pas de transmettre des données. Il organise les données à travers le concept de « Groupes de collections ». Les utilisateurs attribuent des points de mesure associés (par exemple, vibrations dans les directions X et Y, signal Keyphasor pour le même arbre) au même groupe de collecte. Le TDI assure :
Les formes d'onde de tous les canaux du groupe sont échantillonnées au même instant, garantissant ainsi la cohérence temporelle des tracés d'orbite et des formes d'onde des canaux.
Les valeurs statiques de tous les canaux du groupe sont collectées au même instant.
Les données d’alarme et transitoires sont collectées et regroupées par groupe de collecte, garantissant ainsi la cohérence contextuelle pour l’analyse des données.
Chapitre 4 : Considérations sur la configuration TDI et l'ingénierie des systèmes
La configuration du TDI est un processus d'ingénierie système impliquant la mise en correspondance du matériel, la configuration du réseau, la coordination des logiciels, etc.
4.1 Conditions préalables et limites
Configuration matérielle requise : le rack doit être prêt pour la gestion ; les modules de surveillance fournissant des données dynamiques doivent être de la série M avec PWA révision G ou supérieure ; une version spécifique du module Keyphasor est requise pour les signaux multi-événements par tour.
Configuration logicielle requise : des versions minimales spécifiques des logiciels de configuration, d'acquisition de données, d'affichage et du système 1 du 3500 sont nécessaires.
Éléments non pris en charge : le TDI ne peut pas communiquer avec les réseaux TDXnet et TDIX existants, ni être configuré via une passerelle de communication 3500/92.
4.2 Présentation du processus de configuration
Installation physique : insérez le TDI dans l'emplacement du rack 1 et installez le module d'E/S correspondant.
Initialisation du réseau : à l'aide du port RS-232 du panneau avant et du logiciel de configuration 3500, définissez les paramètres Ethernet du TDI (nom de l'appareil, adresse IP, masque de sous-réseau, passerelle).
Configuration du rack : via le port Ethernet, complétez la configuration de l'ensemble du rack 3500 (y compris les modules de surveillance, les modules de relais, etc.) et téléchargez-la sur le rack. Il est indispensable de sauvegarder le fichier de configuration du rack généré.
Intégration du système 1 : dans la configuration du système 1, ajoutez ce rack 3500 et importez le fichier de configuration du rack enregistré à l'étape précédente.
Configuration de la couche de gestion : dans le système 1, complétez la configuration détaillée de l'acquisition de données, notamment :
Création et définition de groupes de collections.
Attribution de canaux aux groupes de collecte.
Configuration des fréquences d'échantillonnage synchrones/asynchrones.
Définition des catalyseurs de collecte transitoire et des paramètres de contrôle (Δ RPM, Δ Time).
Configuration des options de capture des données d'alarme.
4.3 Options de configuration des clés en détail
4.3.1 Options de sécurité
Pour éviter les erreurs de fonctionnement, le TDI offre une sécurité multicouche :
Protection par mot de passe : mot de passe de connexion (lecture seule) et mot de passe de configuration (lecture-écriture).
Interrupteur à clé : verrouille physiquement les privilèges de configuration.
Options de sécurité logicielle (sélectionnables) :
Modifiez les points de consigne en mode programme uniquement.
Désactivez le port de communication avant du TDI.
Drive Rack NOT OK Relais si l’adresse du rack est modifiée en mode Run.
Rack de lecteur NON OK Relais si un module est retiré ou inséré dans le rack.
Le rack de lecteur n'est pas OK Relais si l'interrupteur à clé passe du mode Exécution au mode Programme.
4.3.2 Optimisation des paramètres de contrôle de collecte
Le manuel avertit spécifiquement qu'une configuration incorrecte peut provoquer des inondations de données. Par exemple, définir un Δ RPM de 0,1 pour une machine tournant à 30 000 tr/min générera une quantité massive de données au démarrage, ce qui pourrait saturer la mémoire TDI et le réseau.
Formule d'optimisation : le manuel fournit une formule pour estimer une valeur Δ RPM appropriée, en tenant compte de la plage de vitesse de la machine, du temps de rampe, de la capacité de stockage de forme d'onde interne du TDI (35 jeux) et de la capacité de l'ordinateur d'acquisition de données.
4.4 La cohérence de la configuration est primordiale
La configuration physique du rack 3500, la configuration dans le logiciel de configuration 3500 et la configuration dans le système 1 doivent être totalement cohérentes. Toute divergence (par exemple, non-concordance des fichiers du rack avec les modules physiques, affectation incohérente du Keyphasor) entraînera l'arrêt de la collecte de données ou produira des erreurs.
Chapitre 5 : Installation, maintenance et dépannage
5.1 Les modules de protection contre les décharges électrostatiques et de réception (ESD)
contiennent des composants sensibles aux décharges électrostatiques. La manipulation doit respecter les directives de protection ESD : utilisez une sangle de mise à la terre, transportez et stockez dans des sacs conducteurs ou du papier d'aluminium, avec une prudence particulière dans les environnements secs.
5.2 Opérations d'entretien
Mise à niveau du micrologiciel : peut être effectuée via le logiciel de configuration 3500. L'alimentation ne doit pas être interrompue et les modules ne doivent pas être retirés pendant la mise à niveau, car cela pourrait endommager le module. Sauvegardez toujours la configuration actuelle avant la mise à niveau.
Test de vérification : utilisez l'utilitaire de vérification du logiciel de configuration pour tester la fonctionnalité de communication des ports hôtes du TDI.
5.3 Guide de dépannage
Le TDI fournit de riches informations de diagnostic, qui constituent la première ressource pour la résolution des problèmes.
5.3.1 Diagnostic via l'état des LED
LED OK clignotant à 5 Hz : Défaut interne, vérifiez la liste des événements système.
La LED TX/RX ne clignote pas : communication TDI anormale, vérifiez la liste des événements système.
LED Config OK ÉTEINTE : Un module rack présente une erreur de configuration.
LED Config OK clignotant à 5 Hz : Une option de sécurité déclenchée (par exemple, module inséré/retiré), appuyez sur le bouton Rack Reset pour effacer.
5.3.2 Diagnostic via les listes d'événements
La liste d'événements système est une puissante « boîte noire » enregistrant tous les événements au niveau du système. Le manuel détaille des dizaines de codes d'événement, leur signification et les actions recommandées. Exemples :
Événement 11 : Défaillance de la mémoire flash – Remplacez le TDI dès que possible.
Événement 32 : Le périphérique ne communique pas – Vérifiez le module dans l'emplacement indiqué ou dans le fond de panier du rack.
Événement 1018 : Révision du moniteur de gestion non valide – Identifiez et remplacez le moniteur de la série M qui ne répond pas aux exigences de révision de la PWA.
5.3.3 Liste des événements de gestion
Enregistre spécifiquement les événements liés à la fonction de gestion de la collecte de données ; n'affecte pas le fonctionnement du système de protection mais a un impact sur le téléchargement des données.
Événement 1002 : Défaut du phaseur de gestion – Vérifiez la qualité du signal du phaseur.
Événement 1008/1009 : Système de gestion arrêté/en ligne – Généralement normal pendant les opérations (par exemple, redémarrage de DAQ) ; si cela se produit autrement, peut nécessiter le remplacement du TDI.
