1. No category

Langattoman energian saanti
Langattoman anturin
energianhallinta
haasteellisinta
Karl-Kristian Högström, Espotel Oy
Koneiden ja laitteiden kunnonvalvonnassa erityisesti liikkuvien
ja pyörivien kohteiden anturointi on haasteellista ja edellyttää
langattomien ratkaisujen soveltamista. Tälläisiä laitteita ovat
esimerkiksi tuuliturbiinit, paperikoneet, moottorit ja
generaattorit. Tiedonsiirto ei sinänsä ole valvonnan
ongelmallisin osa, vaan se, miten kerätä anturiin riittävästi
energiaa niin, että anturi ylipäänsä pysyy toiminnassa ja
voi kerätä tietoa niin paljon kuin tarpeellista.
L
angattomuuden tarkoituksena on
poistaa tarve anturin kaapeloinnille. Jotta tämä on mahdollista, tulee
anturin tehonkulutus olla niin pientä, että
energia voidaan kerätä anturissa tai se
voidaan siirtää anturiin langattomasti.
Miten anturi saa energiaa, jos sitä ei voida kytkeä? Energian kerääminen anturiin
voidaan toteuttaa muutamalla eri tavalla.
Case ABB Marine: Azipodin propulsiomoottorin mittauksia vaativissa olosuhteissa
Azipod on ABB:n rekisteröimä sähkökäyttöinen ruoripotkurilaite. Kiinteälapaista potkuria pyörittävä vaihtosähkökäyttöinen moottori sijaitsee Azipodin sisällä ja
se pystyy kääntymään 360 astetta pysty-akselinsa ympäri. Toimintaperiaatteeltaan Azipod muistuttaa sähköistä perämoottoria. Koska ruoripotkuri kääntyy, laivaa on helppo ohjata kaikilla nopeuksilla. Lisäksi laite
tarvitsee vähemmän tilaa ja se on kevyempi propulsioratkaisu kuin perinteinen sähköinen potkurimoottori
akseleineen.
ABB Marinen ja Espotelin vuonna 1998 alkanut yhteistyö keskittyy tällä hetkellä Azipodin propulsiomoottorin roottorin mittauksiin erittäin vaativissa olosuhteissa, onhan kyseessä megawattiluokan taajuusmuuttajakäyttöinen propulsiomoottori ja peräsinkoneyhdistelmä. Laitteen ympäristöolot ovat vaikeat (lämpötila,
EMC-häiriöt ja tärinä) ja myös turvallisuus- ja laivaluokitusvaatimukset asettavat omat haasteensa.
"Järjestelmä sisältää kaksi suurta pyörivää rajapintaa, joihin langattomat ratkaisut sopivat hyvin. Halusimme luoda järjestelmän, jonka
avulla roottorilta
voidaan mitata
tarvittavia mittaAzipod mahdollistaa laivan
helpon ohjattavuuden kaikilla nopeuksilla.
18
3/2012
www.automaatiovayla.fi
suureita mahdollisimman helposti", kertoo ABB Marinen Juha Kaksonen, Lead Engineer, R&D.
Espotelin langaton anturi on roottoreissa moottorin
sisällä. Moottoriin tuodaan roottorin magnetointivirta,
josta otetaan sähköä anturia varten. Anturi ei tarvitse
toimiakseen paljonkaan energiaa: Azipodissa on 20
MW:n teho, josta anturia varten nipistetään 0,1 W.
Kaksonen kehuu yritysyhteistyön päämäärälähtöisyyttä: tavoitteena on luotettavat ja hyvin toimivat laitteet. ABB Marinella ollaan myös tyytyväisiä Espotelin
suunnittelemiin tuotteisiin liittyvään ja dokumentaatioon, joka on aina korkealuokkaista ja laaja-alaista
niin mekaniikan, sähkön, elektroniikan kuin softankin
osalta.
Azipodiin liittyvät kehitysprojektit ovat yleensä pitkäkestoisia ja nyt meneillään olevien projektien lopputulos nähdään vasta laivojen käyttöönoton yhteydessä.
"Onneksi tuotteita on voitu testata tätä ennen jo varsin kattavasti Azipodien tehdaskokeiden aikana ja pieniä muutoksia ehditään tehdä ennen varsinaista tuotejulkaisua", sanoo
Kaksonen.
Langaton anturi on
asennettuna moottorin sisällä roottoreissa.
Tehonsiirron vaihtoehdot
Anturiin voidaan asentaa akku, jonka kestoikä on jopa viisi vuotta. Hankalaa tässä vaihtoehdossa on akkujen vaihto tai lataaminen huoltotoimenpiteiden yhteydessä, joten usein yksinkertaisinta onkin vaihtaa koko anturi. Akun kapasiteetti ja toiminta-aikavaatimus myös rajoittavat tiedon keruun ja siirron määrää.
Laitteeseen asennetaan liukurengas, joka siirtää energiaa anturin käyttöön. Tämä on kuitenkin verrattain kallis vaihtoehto ja lisäksi epäluotettava, koska liukurengas sisältää herkkiä ja käytössä
kuluvia osia, mikä aiheuttaa säännöllistä huoltotarvetta. Koneiden sisällä liukurenkaiden huoltaminen voi monessa tapauksessa
olla mahdotonta.
Energy harvesting eli energian talteenottaminen esimerkiksi valosta, liikkeestä tai lämpötilaerosta. Tälläisillä menetelmillä energian talteenottamisessa tehot jäävät usein pieniksi, jolloin anturin
käytettävissä oleva energiamäärä on pienempi ja toiminta sen takia mahdollisesti rajoitettua. Joissakin tapauksissa voi olla mahdollista kaapata sähkötehoa suoraan mitattavasta prosessista, esimerkiksi sähkömoottorin roottorin käämeistä.
Yksi ratkaisu edellisten vaihtoehtojen heikkouksiin on energian
aktiivinen siirtäminen ja varastointi langattomaan anturiin esimerkiksi induktiivisen tehonsiirron avulla. Mikäli tehoa ei voida siirtää
anturiin jatkuva-aikaisesti, täytyy energiaa siirtää hetkellisesti suurella teholla ja varastoida se anturiin myöhempää käyttöä varten.
Induktiivisessa, kontaktittomassa tehonsyötössä energiaa voidaan
siirtää isolla teholla teholähettimen kelasta anturin vastaanottokelaan, kun ne ohittavat toisensa. Energia varastoituu anturissa oleviin kondensaattoreihin ja datan lähettäminen tukiaseman kautta
tiedonkeruujärjestelmään on mahdollista. Induktiivista tehonsiirtoa puoltavat sen luotettavuus, vaivaton ylläpito sekä huollettavuus. Käytettävissä olevan tehon määrä ei rajoita mitattavan tiedon määrää, mikä on tärkeää esimerkiksi tärinämittauksissa, joissa
vaaditaan suurta näytenopeutta, usein kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa. Myös hinta on muihin vaihtoehtoihin verrattuna
kilpailukykyinen.
Langattomassa kunnonvalvonnassa myös tiedonsiirtoon käytettäville radioille on useita vaihtoehtoja, jotka pitää analysoida ja
valita kohteen ja sen vaatimusten mukaan.
Tietoa jalostetussa muodossa
Espotel Oy:n kehittämän langattoman anturin välittämän tiedon
suurin hyöty liittyy laitteen kunnonvalvontaan, joka hyödyttää
niin laitteen toimittajaa kuin sen käyttäjääkin. Käyttäjälle suurin
hyöty tulee siitä, että järjestelmä ei vain mittaa kohdetta vaan se
kykynee prosessoimaan tietoa ja toimittamaan sen jalostetussa
muodossa (esimerkiksi graafisena esityksenä) webbikäyttöliittymän kautta käyttäjälle valvontakeskukseen. Esimerkiksi laivalla
data siirtyy komentojärjestelmään komentosillalla; tuulivoimaloissa tieto siirtyy SCADA-yksikköön eli teollisuusautomaation
hallintajärjestelmään. Valvottavat laitteistot ovat yleensä hyvin
kalliita, joten ennakoitavuus säästää yrityksille tuntuvasti rahaa:
viat voidaan havaita ennen kuin vaurio syntyy ja siten estää rikkoutuminen ja toisaalta tarpeeton huoltaminen, joka tapahtuu
vain varmuuden vuoksi.
Laitteen toimittajaa puolestaan kiinnostavat erityisesti vastuukysymykset ja takuuasiat. Jos laite rikkoutuu, voidaan anturin välittämästä tiedosta nähdä muun muassa onko laitetta kuormitettu
liikaa. ■
www.automaatiovayla.fi
3/2012
19
Langattoman energian saanti
Case Moventas Wind: Tietopohjainen ennakoiva huoltotoiminta tärkeä lisäarvo
Moventas Wind on yksi maailman suurimmista tuuliturbiinivaihteiden valmistajista. Yritys valmistaa
myös voimansiirtoratkaisuja teollisuuden käyttöön
sekä tarjoaa palveluja huoltoon ja ylläpitoon.
Moventas on tehnyt yhteistyötä Espotelin kanssa
viisi vuotta: Moventas määrittelee mitattavan laitteen
olosuhteet, joiden perusteella Espotel tekee sopivat
mittaustekniset valinnat. Isot tuuliturbiinivaihteet (>3
MW) rakentuvat pääsääntöisesti kahdesta planeettaportaasta ja sovelluksen mukaan myös lieriöportaasta. Espotelin suunnittelema anturi sijaitsee planeettapyörän tapilla ja antaa tietoa muun muassa
hammaspyörien ja laakereiden kunnosta. Tieto varastoidaan paikallisesti ja siirretään haluttaessa Moventaksen kunnonvalvontajärjestelmään.
Hitaasti pyörivien planeettaportaiden kunnon mittaaminen luotettavasti on hyvin hankalaa, ja langaton mittaus soveltuukin kohteeseen erinomaisesti.
Langaton mittaus helpottaa planeettaportaiden kunnonvalvontaa, koska tällä tavalla kohdetta päästään
mittaamaan hyvin läheltä ilman mittausta häiritseviä
rajapintoja, kertoo Moventaksen Jukka Elfström,
Moventas Wind on toimittanut omaa kunnonhallintajärjestelmää (CMaS = Condition Management
System) vuodesta 2006 saakka osana vaihteiden
normaalia varustelua. CMaS-järjestelmän tarkoituksena on kerätä tietoa vaihteen toiminnasta normaalissa käyttöympäristössä ja tuoda palautetta suunnitteluun ja tuotekehitykseen. Järjestelmän hyödyntä-
Langattoman anturin antama tieto jalostetaan ja toimitetaan
esimerkiksi graafisena esityksenä webbikäyttöliittymän käyttäjälle valvontakeskukseen. Kuvassa planeettavaihteiston värähtelymittaus.
20
3/2012
www.automaatiovayla.fi
3 MW tuuliturbiinivaihde rakentuu kahdesta planeettaportaasta ja yhdestä lieriöportaasta.
minen myös takuu- ja reklamaatiotapauksissa sekä
näihin liittyvissä on-site huoltojen toteutuksessa ja
aikatauluksessa on huomattavan tärkeää. CMaSjärjestelmän mukana tarjotaan erityyppisiä analyysipalveluita Moventas Servicen toimesta.
CMaS järjestelmän strateginen merkitys yrityksen
imagolle on korostunut. Se erottelee yrityksen perinteisistä konepajateollisuuden yrityksistä ja tarjoaa
huoltoliiketoiminnalle todellisen mahdollisuuden ennakoivaan tietopohjaiseen huoltotoimintaan. Lisäarvontuotto asiakkaille on selkeä, summaa Elfström.
Planeettaportaan havainnekuva.