Smart hydraulics: van tijdsgebaseerd naar conditiegestuurd onderhoud
Automatische filtratiecyclus verlengt standtijd van olie
Onderhoud aan hydraulische installaties wordt grotendeels uitgevoerd op basis van vaste intervallen, inspecties en storingsmeldingen. Met de ontwikkelingen binnen 'smart hydraulics' komt daar langzaam verandering in: slimme sensoren volgen relevante parameters en vertalen de waarden naar onderhoudsadviezen. Total Hydraulics past dit toe in een filtratiesysteem dat zelf bepaalt wanneer het moet opstarten en dat waarschuwt wanneer filtratie alleen niet meer volstaat.
Smart hydraulics in het kort
Digitalisering en connectiviteit druppelen ook de wereld van de hydraulische aandrijvingen binnen en staan hier inmiddels bekend als 'smart hydraulics'. Centraal staat het verzamelen van relevante data om deze vervolgens slim in te zetten voor enerzijds optimalisatiedoeleinden en anderzijds slim onderhoud of troubleshooting.
Drie doelen
Bij 'smart hydraulics' worden relevante data binnen de hydraulische installatie verzameld door onder andere druktransducers, temperatuursensoren, debietmeters en positiesensoren. Alle meetwaarden worden doorgestuurd naar een centraal punt, waar zij middels slimme software worden geanalyseerd. Deze aanpak dient drie doeleinden.
Alarmeren
Ten eerste kunnen afwijkende waarden direct aanleiding geven tot een 'alarm' dat onmiddellijke actie vereist. Bijvoorbeeld wanneer drukken gevaarlijk hoog oplopen door een verstopping of andersom juist kelderen als gevolg van lekkage.
Optimaliseren
Meer 'smart' is het analyseren van data en hierin proberen trends te ontdekken. Dit kan onder andere helpen bij het optimaliseren van het systeem, met betrekking tot bijvoorbeeld efficiëntie, veiligheid, productiviteit enzovoort.
Een mooi voorbeeld is te vinden bij hydraulische persen, waar gemeten waardes een optimale regeling ondersteunen wat leidt tot het verkorten van cyclustijden en een verbeterde energie-efficiëntie. Bij mobiele toepassingen, zoals bouw- of mijnbouwmachines, kunnen gemeten waardes direct worden gebruikt voor een slimme aansturing onder voortdurend wisselende omgevingsomstandigheden. Denk daarbij aan natte, modderige omstandigheden versus droge terreinen. Een slimme regeling heeft dan vaak een positieve invloed op de productiviteit en de levensduur van de machines.
Slimme regelingen maken het ook mogelijk om energie terug te winnen voor hergebruik. Zo kan remenergie bij kraantoepassingen terugvloeien en ook bij kermisattracties is dit principe bekend.
Voorspellen
Ten derde zijn de data van waarde voor het slim en efficiënt uitvoeren van onderhoud. Trends zijn in dit geval te gebruiken om de onderhoudsbehoefte te voorspellen (predictive maintenance). Dit is een belangrijke ontwikkeling, aangezien traditionele onderhoudsplannen voor hydraulische aandrijvingen veelal gebaseerd zijn op bedrijfsuren of vaste intervallen. Dit is niet geheel onlogisch, maar in de meeste gevallen wordt dit onderhoud dan te vroeg uitgevoerd. Zo kost dit in principe meer geld dan nodig.
Door tijdig onderhoud te plegen, wordt ongeplande stilstand gereduceerd en verlengt de levensduur van componenten
Smart hydraulics ondersteunt dus door het optimale punt van onderhoud vast te stellen op basis van voorspellingen. Geanalyseerde data geven daarbij een prognose van het tijdstip waarop onderhoud noodzakelijk is, wat de mogelijkheid biedt dit tijdig in te plannen. Juist bij het maken van zo’n prognose wordt de term 'smart' belangrijk. Kennis over faalmechanismes stellen technici al langer in staat om bijvoorbeeld te voorspellen wanneer een lager kapot gaat of wanneer een filterelement is verzadigd.
Naarmate computers meer data gelijktijdig kunnen verwerken, worden deze voorspellingen steeds betrouwbaarder. Zo is inmiddels een betrouwbare en tijdige detectie van slijtage in hydraulische pompen, kleppen of actuatoren mogelijk. Door tijdig onderhoud te plegen door bijvoorbeeld te smeren, opnieuw uit te lijnen of onderdelen te vervangen, wordt ongeplande stilstand gereduceerd en verlengt de levensduur van componenten.
Randvoorwaarden
In alle gevallen staat of valt de betrouwbaarheid van 'slimme' oplossingen met de kwaliteit van de data. Dat betekent niet alleen de juiste sensoren gebruiken, maar deze ook op de juiste manier en de juiste plaats installeren. De reinheid van de olie moet bijvoorbeeld worden gemeten op een representatief punt en dat is niet op de bodem van de olietank, maar in een turbulente flow waar de olie een goede afspiegeling is van de werkelijkheid.
Smart hydraulics is dus meer dan alleen een technische vraag rondom data verzamelen en analyseren. Het gaat ook om de inrichting van de data- en communicatiestructuur, een (cyber)veilige opslag van gegevens en de juiste analysesoftware. Bovendien is het belangrijk te beseffen dat smart hydraulics het werk van de onderhoudsdienst niet gaat overnemen. Wel krijgen onderhoudsteams hiermee meer informatie om hun uiteindelijke beslissing te onderbouwen.
Praktisch voorbeeld
Met alle theorie in het achterhoofd, heeft Total Hydraulics de afgelopen jaren gewerkt aan een slim filtersysteem. Jeroen Ligthart is werkzaam binnen de afdeling Projects & Engineering en medeontwikkelaar van deze oplossing.
"Vooreerst is het belangrijk om te begrijpen dat het filtreren van hydraulische olie een essentiële stap is in het onderhoud van een hydraulische installatie. De hydraulische olie is met recht 'het bloed' van de installatie te noemen. Het monitoren en op niveau houden van de optimale samenstelling van de hydraulische olie is echter een thema dat niet bij iedere gebruiker hoog op de prioriteitenlijst staat", stelt Ligthart.
"De resultaten daarvan zien wij bijna dagelijks bij klanten, waar blijkt dat onderhoud eigenlijk te laat is uitgevoerd. Nog steeds komen onderhoudsmedewerkers vaak pas in actie wanneer er een storing is. Dat is in de meeste gevallen geen onwil, maar vooral onwetendheid over de mogelijkheden die smart hydraulics biedt om onderhoud beter te voorspellen en dus tijdig in te grijpen."
Slim filtratiesysteem
Het voorspellen start met het monitoren van de oliereinheid. Dat betekent in eerste instantie het meten van de aanwezigheid van vaste deeltjes, en dan vooral de allerkleinste deeltjes tot ongeveer 4 µm. Daarnaast zeggen parameters als vochtverzadiging, temperatuur, geleidbaarheid en de diëlektrische eigenschappen van de olie veel over de conditie ervan.
"Onze oplossing voorkomt dat de olie 'kapot' wordt gefilterd door uitsluitend te filtreren wanneer dit noodzakelijk is" – Jeroen Ligthart, Total Hydraulics
Deze kennis is verwerkt in een 'smart' filtratiesysteem dat bestaat uit sensoren, IoT-connectiviteit, analysesoftware en terugkoppeling. De sensoren worden opgenomen in de meet- en filtratiekring van een compacte unit, die is opgebouwd uit een aparte manifold inclusief een pomp, motor en fijnfilter. Deze unit is extern aan iedere hydraulische installatie te monteren, waarna hij de olie uit deze installatie kan beoordelen en eventueel filtreren.
De sensoren betreffen in dit geval een deeltjesteller en een conditiemonitoringsensor (figuur 1). De deeltjesteller telt het aantal deeltjes van verschillende groottes in de olie, terwijl de sensor de hierboven genoemde conditieparameters meet. Het 'smart' deel bestaat uit de software die deze data analyseert en vaststelt wanneer bepaalde grenzen worden overschreden, wat aangeeft dat het tijd is om vervuiling uit de olie te filtreren.
Ligthart: "Je kunt natuurlijk de olie voortdurend door een fijnfilter laten stromen, om zo op ieder moment de kleine vaste deeltjes eruit te halen. Echter: dit type filter is ook in staat om additieven uit de olie te filteren, terwijl dit juist bestanddelen zijn die de olie geschikt maakt voor de specifieke applicatie. Kortom, je kunt olie ook 'kapot' filtreren. Onze oplossing voorkomt dit door uitsluitend te filtreren wanneer dit noodzakelijk is."
Werking
De lokale besturing verwerkt de meetgegevens afkomstig van de deeltjesteller en cm-sensor en stuurt deze via het internet naar het THRM-platform. Wanneer de gemeten waarden grenzen overschrijden, start automatisch een filtratiecyclus (figuur 2).
"De intelligentie van het systeem ligt niet alleen in het feit dat het zelfstandig bepaalt wanneer een filtratiecyclus moet starten, maar vooral dat het niet 'blind' doorfiltreert zolang de vereiste waarde niet is behaald. Integendeel: op basis van het systeem en de grootte van de tank wordt een inschatting gemaakt van de tijd die nodig is om het systeem weer binnen de reinheidswaarden te krijgen. Lukt dat niet, of desnoods na twee pogingen niet, dan zal de melding volgen dat er meer nodig is dan een filtratiecyclus om de conditie van het systeem weer op peil te brengen", legt Ligthart uit.
"Dit kan het eenvoudig vervangen van een filter zijn, maar de oorzaak kan ook liggen in overmatige slijtage van bijvoorbeeld een pomp of een openstaande vuldop waardoor ongelimiteerd vuil in het systeem kan komen. Het is dan belangrijk om eerst de oorzaak van de vervuiling op te lossen en niet eindeloos te blijven filtreren met het risico dat uiteindelijk óók de olie kapot gaat."
Dashboard
Elk systeem dat is uitgerust met de slimme filtratie-unit is via een dashboard uit te lezen (figuur 3). Het beeldscherm toont bijvoorbeeld gegevens over de gewenste reinheidsklasse, de reinheidsklasse van het laatst gemeten sample en of een filtercyclus gewenst of gaande is. Wanneer de filtercyclus niet het gewenste resultaat oplevert, wordt de filtratieproces gestopt en wordt er aangegeven dat aanvullende actie nodig is: 'maximum filtering time reached'.
Trendanalyses
Zoals hiervoor is uitgelegd, gaat dit systeem niet alleen voor 'directe actie', maar is het ook in staat trendanalyses te maken. Dit biedt eenvoudig inzicht in het verloop van vervuiling door de tijd heen. In figuur 4 is aan de linkerkant te zien hoe het aantal deeltjes in drie klassen (deeltjesgrootte) afneemt door filtratie. Rechts zijn de waarden van de conditiesensor getoond, evenals het verband tussen de temperatuur van de olie en de aanwezigheid van water. De overige drie waarden zijn laag, maar vooral stabiel: geen veranderingen is een goed teken.
Ligthart: "Significante veranderingen worden direct opgemerkt en wijzen op de eerder genoemde aanwezigheid van water, afname van additieven of toename van slijtagedeeltjes of degradatieproducten."
Tot slot beschikt het systeem over een internetverbinding die nodig is voor het dashboard, de gegevensopslag en beheer op afstand (figuur 5). De lokale meet- en filterregeling kan bij het wegvallen van de verbinding echter wel zelfstandig blijven functioneren, waardoor de filtratiecyclus alsnog opstart wanneer de meetwaarden hiertoe aanleiding geven. Wel zo veilig.
Ligthart besluit: "Natuurlijk is het makkelijker om oneindig te filtreren en zo schone olie te houden, maar met deze oplossing word je eerder gewaarschuwd wanneer er meer aan de hand lijkt te zijn. De inhoud van het filter – het aantal, de grootte en het soort deeltjes – is dan vaak een indicatie voor het onderliggende probleem. Daar zijn weliswaar specialisten voor nodig om dit te beoordelen en een conclusie te trekken; een vastlopend systeem is echter vele malen duurder."