Ganhos de produção na indústria de celulose usando sensores sem fio

A Eldorado Brasil Celulose, empresa com parque industrial localizado no Brasil na cidade de Três Lagoas-MS, é a maior indústria de celulose kraft de linha única do mundo, com capacidade operacional de 1,8 milhão de toneladas de celulose por ano, utilizando a equipamentos e processos mais avançados disponíveis no mercado. A Bently Nevada mantém parceria com a Eldorado em tecnologias de previsão de falhas e proteção de máquinas rotativas.

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Como resultado desta parceria entre as partes, foi realizado entre 11/2019 e 02/2020 um projeto piloto para prova de conceito com o sensor de vibração Bently Nevada Wireless Ranger Pro e o software System 1 Asset Management. A seguir serão apresentados detalhes sobre a arquitetura utilizada, recursos de análise, bem como dois casos de falhas identificadas em equipamentos no período.

O grande diferencial do sistema wireless é a praticidade e agilidade na instalação. Não necessitando de grande infraestrutura para instalação, isso traz um ótimo custo-benefício ao projeto, tornando-o muito atrativo e competitivo.

Os sensores Ranger Pro, especificamente o modelo triaxial com medição de vibração nos 3 eixos X, Y e Z, e temperatura, foram instalados nas máquinas selecionadas para o teste na área de produção e a comunicação ocorreu com o Field Device Access Point ( FDAP) através do protocolo industrial ISA100 (destacado em verde na figura abaixo). O alcance de comunicação deste sistema é de cerca de 150 metros entre o sensor e o FDAP. Todos os sensores Ranger Pro também possuem uma função de repetidor de sinal, que amplia o alcance total de comunicação da rede do sistema. O FDAP é conectado a uma estação de gerenciamento (WDM - Gateway) através de cabo de rede convencional (RJ45). Ressalta-se que cada estação de gerenciamento pode receber vários FDAP, o que aumenta a capacidade do sistema (número total de sensores).

Foram instalados em campo tanto o FDAP quanto a estação de gerenciamento e, devido à falta de estrutura de rede disponível no local, foi utilizado um rádio de comunicação com protocolo padrão IEEE 802.11a/n (destacado em azul na figura abaixo) como ponte entre ambos. redes, neste caso entre a rede de campo e a rede Eldorado TA, onde está localizado o servidor de software do Sistema 1. Este tipo de solução pode, dependendo do modelo de rádio e tipo de antena selecionado, atingir um alcance de comunicação de quilômetros.

Deve-se ressaltar que esta arquitetura de comunicação funcionou perfeitamente durante todo o período em análise e não houve perda de dados.

O acesso aos dados coletados foi feito através do software System 1 instalado nos computadores dos usuários conectados à rede corporativa da Eldorado. Além do acesso local (na planta), você também pode fazer acesso remoto através da VPN da empresa. O acesso remoto via VPN também foi disponibilizado à equipe da Bently Nevada para suporte técnico no período.

Esta arquitetura de rede é apresentada a seguir para melhor compreensão:

O software de monitoramento de condição Sistema 1 foi configurado com todos os principais parâmetros necessários para a previsão adequada de falhas do equipamento monitorado. Basicamente, isso inclui informações de velocidade da máquina, modelos de rolamentos (e as frequências de falha correspondentes), parâmetros de coleta de formas de onda e espectros (Fmax, linhas de resolução, taxa de coleta, etc.) e um plano inteligente de notificação e alarme através do envio automático de e-mails para o pessoas responsáveis pelo equipamento quando uma condição anormal for identificada.

Outro ponto importante foi a integração de outros parâmetros (de processo) já monitorados no mesmo equipamento, como corrente do motor, vazão da bomba, produção, etc. através do protocolo OPC fornecido por um servidor de dados Eldorado. Com uma visão mais holística das informações, foi possível construir telas específicas de interface homem-máquina (IHM) para simplificar a visualização dos dados e a análise de falhas. Um exemplo desta IHM é mostrado na figura a seguir, onde é possível visualizar a bomba trabalhando com polpa entre as etapas de branqueamento, contendo dados de corrente do motor, nível, produção da unidade e dados de vibração do Ranger Pro.

Caso 1 - Folga Mecânica no Mancal do Motor: Motor de Acionamento do Purificador de Polpa Secundário

Motor de acionamento do purificador de polpa secundário

O equipamento tem a função de separar materiais indesejáveis na fibra, e o potencial impacto com a perda de função em casos de falha é o desligamento de uma linha de purga, reduzindo em 110t/h a produção de celulose na planta.

Dados técnicos do motor:

• Potência: 710kW
• Tensão: 660V
• Velocidade: 1938 RPM
• Modelo: HGF 450
• Rolamentos: rolamento de elemento rolante

Em 20/01/2020 o motor apresentou evolução exponencial nos níveis de vibração do mancal NDE (Non-Drive End Bearing) com sintomas de folga mecânica. Ao detectar uma falha em uma inspeção de rotina, foi instalado o sensor sem fio Ranger Pro para monitorar a falha online, com intervalos de coleta bem mais curtos que o habitual.

Já na madrugada do dia 22/01/2020, o sistema de gerenciamento de alarmes Sistema 1 identificou uma condição anormal e enviou automaticamente um e-mail para a equipe de manutenção (às 5h11), avisando que o motor havia atingido níveis críticos de vibração. Veja a imagem abaixo com as informações enviadas por e-mail.

Com essas informações, os gestores puderam antecipar suas ações para a troca do motor, de forma programada, realizando o equilíbrio operacional da área de produção para que o fluxo operacional da planta não fosse muito perturbado.

O gráfico de tendência (à esquerda) apresentado na figura 6 abaixo mostra a evolução dos valores de vibração em velocidade (rms) de forma exponencial. Analisando o espectro (gráfico à direita), podemos observar que o motor possui uma característica de folga mecânica.

O sinal em forma de onda do tempo de aceleração, mostrado na figura 7 abaixo, apresenta picos (impactos) com espaçamento no tempo (ms) na frequência fundamental do motor, característico da folga mecânica.

O gráfico Waterfall (espectro de tempo) da figura 8 abaixo mostra a ausência de picos harmônicos definidos pela falha após a substituição do motor.

Este caso mostra a importância de coletar dados de vibração dinâmica (formas de onda e espectro) para determinar falhas no equipamento.

Durante a manutenção do motor foi confirmada a falha identificada na análise. A tampa de vedação do lubrificante do rolamento tocou o eixo devido ao aumento da folga do motor, causando forte aquecimento.

Com este aquecimento, a tampa de vedação teve que ser quebrada (figura 9) para ser retirada e substituída por uma nova.

Caso a equipe de manutenção da Eldorado não tivesse agido rapidamente, danos ao motor (rotor e demais peças internas) teriam sido prejudiciais, o que teria ocasionado aumento no custo do reparo, bem como no tempo necessário para colocar o motor novamente em operação negativamente impactando o índice de disponibilidade de operação da planta.

Devido a toda disponibilidade de dados, notificação antecipada e diagnóstico do sistema, ações foram tomadas para que a manutenção fosse planejada e executada em tempo hábil. Com isso, foi evitada a perda de 440 toneladas de produção de celulose. Considerando uma média de US$ 684 dólares por tonelada de celulose em janeiro de 2020, a economia foi de cerca de US$ 300 mil dólares. 

Caso 2 - Falha no Rolamento do Motor 

Motor da bomba auxiliar de resfriamento do digestor inferior

A função do equipamento é ajustar a consistência e resfriar a polpa na descarga do digestor. O impacto potencial com a perda da função do ativo por falha é a interrupção da produção do digestor, causando uma perda de 229 t/h na produção de celulose.

Dados técnicos:

• Potência: 670kW
• Tensão: 660V
• Velocidade: 1800 RPM
• Modelo: HGF 450

• Rolamentos: rolamento de elemento rolante

  Em 21/12/2019 o motor apresentou evolução nos níveis de vibração PeakDemod (Peak), com sintomas de falha de BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race) no rolamento do lado oposto do acoplamento (NDE).

  O PeakDemod é um algoritmo presente no sensor wireless Ranger Pro que demodula os sinais de alta frequência de vibração, permitindo a identificação precoce de falhas nos rolamentos.

  A equipe de operação desta unidade tinha paralisação prevista para 09/01/2020, e o desafio da equipe do Centro de Monitoramento de Ativos (AMC) era acompanhar e encontrar formas de mitigar o efeito da falha até a data programada de paralisação. Este é um exemplo clássico de manutenção preditiva de ativos.

  Nos gráficos da figura 11 abaixo, você pode notar o rastreamento da variável PeakDemod desde 22/12/2019 até o dia do desligamento programado em 09/01/2020 (gráfico de tendência - esquerda), bem como o comportamento da variável após substituição do rolamento. O gráfico à direita mostra o espectro no PeakDemod onde indica claramente as amplitudes dominantes na frequência de falha interna da pista (e seus harmônicos) deste rolamento em 25/12/2019.

O sensor Ranger Pro foi utilizado para acompanhar a evolução da falha e tomar decisões sobre ações para mitigar o efeito da falha, como, por exemplo, lubrificação ocasional neste rolamento.

O gráfico da figura 12 abaixo mostra a forma de onda de aceleração, exibindo impactos na frequência de falha do BPFI (Ball Pass Frequency Inner Race). Observe que a diferença de tempo entre os impactos (verde e laranja) é de 7,812 ms o que corresponde a uma frequência de aproximadamente 128 Hz, correspondendo exatamente à falha da pista interna deste rolamento.

O gráfico em cascata da figura 13 mostra a queda de energia dos impactos após a substituição do rolamento do motor.

Após a manutenção do motor, o rolamento foi analisado pela equipe de especialistas em rolamentos da Eldorado, evidenciando a falha na pista interna do rolamento, conforme mostra a figura 14 abaixo.

Essa falha foi rastreada on-line até o dia da manutenção programada, evitando assim a necessidade de manutenção emergencial e a perda de cerca de 2.740 toneladas de produção de celulose. Considerando uma média de US$ 684,00 dólares por tonelada de celulose em janeiro de 2020, a economia foi de cerca de US$ 1.874 mil dólares.

O sistema de monitoramento de condições on-line traz enormes retornos em termos de redução de custos de manutenção e perdas de produção devido a falhas (e paradas) não programadas. O sistema de monitoramento Ranger Pro Wireless utilizado neste projeto mostrou-se uma excelente opção. É fácil e rápido de ser implementado, não requer uma grande infraestrutura de montagem e possui excelentes recursos incluindo dados dinâmicos para diagnóstico de falhas no software do Sistema 1.

Mesmo em pouco tempo foi possível perceber a eficiência do sistema no suporte à equipe de manutenção em momentos críticos com os dois cases bastante significativos apresentados neste artigo.