I sensori IoT industriali sono i dispositivi di misura che si applicano a macchine e utilities perché il loro stato arrivi a un software senza che qualcuno debba girare per il reparto con carta e penna. Sceglierli significa far combaciare tre aspetti: quale guasto si vuole intercettare, come la lettura esce dalla macchina e che cosa tiene alimentato il sensore per anni.

Di solito un ingegnere di stabilimento affronta questa domanda con un elenco di macchine e un budget, e i sensori tendono a essere la voce più piccola. È la scelta sbagliata della rete o della fonte di alimentazione a trasformare un progetto pilota in un peso per la manutenzione, quindi questa guida dedica a quegli aspetti tanto spazio quanto ai sensori.

In breve

  • Si parte dal guasto che si vuole intercettare e poi si sceglie la misura: vibrazione per cuscinetti e squilibri, temperatura per il surriscaldamento, corrente per il carico e lo stato di marcia, pressione per i problemi di flusso.
  • Le macchine più vecchie si possono monitorare con sensori a pinza e a montaggio magnetico, senza toccare il controllore della macchina.
  • Le reti wireless a lungo raggio e a basso consumo sono adatte a letture che cambiano lentamente su un intero sito; i collegamenti cablati sono adatti ai dati ad alta velocità e alle macchine che hanno già alimentazione e cablaggi nelle vicinanze.
  • L’autonomia della batteria dipende soprattutto da quanto spesso un sensore trasmette, quindi l’intervallo di trasmissione è una decisione che riguarda l’alimentazione tanto quanto il monitoraggio.

Tipi di sensori per il condition monitoring

I sensori per il condition monitoring misurano un segnale fisico dello stato di salute di una macchina. I tipi più comuni coprono la maggior parte delle apparecchiature di uno stabilimento:

Tipo di sensore Cosa misura Problemi che rivela di solito Montaggio tipico
Vibrazione (accelerometro) Accelerazione, spesso espressa come velocità RMS e valori di picco Squilibrio, disallineamento, allentamenti, usura dei cuscinetti Prigioniero filettato, base adesiva o magnete sulla sede del cuscinetto
Temperatura Temperatura di una superficie o di un fluido Motori surriscaldati, raffreddamento difettoso, attrito Sonda a contatto, sensore a fascetta o infrarosso senza contatto
Corrente Corrente elettrica nell’alimentazione di un motore Stato di marcia, sovraccarico, macchina bloccata o senza materiale Pinza apribile attorno a un conduttore di fase
Pressione Pressione di linea o differenziale Filtri intasati, perdite, problemi alle pompe Attacco di processo filettato
Ultrasuoni Suoni ad alta frequenza Danni iniziali ai cuscinetti, perdite di aria compressa, scariche elettriche Sonda a contatto o microfono per ultrasuoni in aria
Qualità dell’olio Contenuto d’acqua, particelle, viscosità Lubrificante contaminato o degradato Sensore in linea nel circuito di lubrificazione

Ci sono due aspetti pratici che una tabella non mostra. Primo, molti sensori di vibrazione wireless non inviano la forma d’onda completa. Calcolano a bordo valori di sintesi, come la velocità RMS e l’accelerazione di picco, e trasmettono quelli, perché una forma d’onda grezza è una quantità di dati di gran lunga eccessiva per una radio a basso consumo. I valori di sintesi sono ottimi per l’analisi dei trend e per gli avvisi; una diagnosi dettagliata dei guasti richiede un sensore o un dispositivo edge in grado di acquisire la forma d’onda.

Secondo, una misura vale quanto il punto in cui viene presa. Un sensore di vibrazione va montato su una parte rigida vicina al cuscinetto, non sul copriventola o su un carter sottile. Una sonda di temperatura sulla carcassa di un motore legge un valore più basso di quello degli avvolgimenti interni, quindi la sua soglia di allarme deve tenere conto di quella differenza.

Conviene ragionare partendo da una macchina anziché dal catalogo dei sensori. Prendiamo una pompa centrifuga azionata da un motore elettrico tramite un giunto. Il motore ha due cuscinetti, lato comando e lato opposto, e la pompa ne ha altri due. Un insieme iniziale sensato è un sensore di vibrazione sul cuscinetto lato comando del motore, uno sul cuscinetto lato comando della pompa, una lettura di temperatura su ciascuna di quelle sedi (molti sensori di vibrazione misurano anche la temperatura) e una pinza amperometrica sull’alimentazione del motore. Sono tre dispositivi, e insieme coprono squilibrio, disallineamento, usura dei cuscinetti, surriscaldamento e il semplice fatto che la pompa sia in funzione o meno.

Sensori per il monitoraggio delle macchine più vecchie

La maggior parte delle fabbriche usa macchine costruite molto prima che qualcuno pensasse alla connettività. La buona notizia è che i sensori per il monitoraggio delle macchine si possono installare in retrofit senza aprire il quadro elettrico né modificare il programma del PLC, il che lascia intatte garanzie e certificazioni di sicurezza.

Il kit di retrofit abituale si presenta così. Una pinza amperometrica apribile attorno a una fase indica se una macchina sta lavorando, gira a vuoto o è in sovraccarico, e questo risponde già alle domande sul grado di utilizzo. Un accelerometro a montaggio magnetico su ogni sede dei cuscinetti di un motore e di una pompa critici fornisce un trend delle vibrazioni. Un sensore di temperatura a fascetta su un riduttore o su un serbatoio idraulico fornisce un trend termico. Nessuno di questi richiede forature, e tutti si possono spostare se la prima posizione si rivela quella sbagliata.

Nel confrontare l’hardware per il monitoraggio delle macchine, conviene verificare questi punti rispetto all’ambiente reale anziché alla brochure:

  • campo di misura e precisione per il segnale effettivo, per esempio un campo di vibrazione che copra la velocità della macchina;
  • grado di protezione contro lavaggi, refrigerante e polvere;
  • temperatura di esercizio, compresa la superficie più calda con cui il sensore è a contatto;
  • certificazione per atmosfere esplosive dove applicabile, come l’omologazione ATEX delle apparecchiature nell’UE;
  • come si configura il sensore dopo l’installazione, per esempio se il suo intervallo di trasmissione si può modificare via radio.

I sensori per la manutenzione predittiva non sono una categoria di hardware a parte. Gli stessi accelerometri e sensori di temperatura diventano “predittivi” quando le loro letture vengono seguite nel tempo per mesi e confrontate con soglie che lasciano il tempo di pianificare una riparazione.

Reti di sensori wireless per il monitoraggio in fabbrica

Le reti di sensori wireless per il monitoraggio in fabbrica eliminano la parte più costosa di un retrofit: posare cavi in uno stabilimento in funzione. Ogni opzione si adatta a dati diversi.

Opzione Portata tipica in uno stabilimento Alimentazione Dati per messaggio Adatta per
Cablato 4–20 mA o IO-Link Lunghezza del cavo (IO-Link fino a 20 m per porta) Dal quadro Continui Segnali veloci, macchine con quadri vicini
LoRaWAN Da centinaia di metri a qualche chilometro per gateway Batteria, spesso per anni Da pochi byte a qualche decina Letture periodiche su un intero sito
mioty Simile a LoRaWAN Batteria, spesso per anni Payload piccoli Numero molto elevato di sensori, siti con molti disturbi radio
Wi-Fi Qualche decina di metri per access point Rete elettrica o batteria ricaricabile Elevati Forme d’onda, dati ad alta frequenza
Zigbee o Bluetooth mesh Qualche decina di metri per salto Batteria Da pochi a moderati Ambienti interni affollati di dispositivi, brevi distanze

I capannoni industriali sono un ambiente difficile per la radio. Scaffalature in acciaio, macchine e pareti in cemento riflettono e bloccano i segnali, e motori e saldatrici aggiungono disturbi elettrici. Le tecnologie LPWAN a lungo raggio come LoRaWAN e mioty se la cavano bene perché sacrificano velocità di trasmissione in cambio di robustezza, così un messaggio piccolo passa dove un collegamento Wi-Fi faticherebbe. Prima di acquistare in quantità, conviene posizionare un gateway in alto e in posizione centrale, portare un sensore di prova negli angoli più difficili del capannone e verificare la qualità del segnale in ogni punto. Il giro va ripetuto con le macchine in funzione, perché un capannone a piena produzione è elettricamente più rumoroso dello stesso capannone in una domenica tranquilla, e un punto al limite può perdere il collegamento sotto carico.

Anche le regole radio determinano quanto spesso un sensore può trasmettere. In Europa, LoRaWAN usa la banda a 868 MHz, dove la maggior parte delle sottobande consente a un dispositivo di trasmettere solo per l’1% del tempo. Per un sensore che invia un breve messaggio ogni pochi minuti non è affatto un limite, ma esclude l’uso di LoRaWAN per tutto ciò che richiede una lettura al secondo. I progetti che hanno bisogno di dati veloci vanno impostati fin dall’inizio su un collegamento cablato o Wi-Fi.

Su Kilo, il network server LoRaWAN fa parte della piattaforma, quindi a una fabbrica servono solo gateway che supportino il protocollo LoRa Basics Station. Le stazioni base mioty si collegano a mioty integrato in Kilo Cloud oppure al Kilo mioty Service Center open source da ospitare sui propri server. In entrambi i casi, le letture dei sensori per la manutenzione predittiva su pompe e motori arrivano nelle stesse dashboard, con il trend di vibrazione e temperatura di ogni macchina visualizzato accanto a quello delle altre.

Alimentazione continua dei sensori di monitoraggio in fabbrica

L’alimentazione continua dei sensori di monitoraggio in fabbrica proviene da quattro fonti, e di solito è la posizione di ciascun sensore a decidere.

Le batterie sono la scelta predefinita per i retrofit wireless. I sensori industriali a lunga durata usano spesso celle al litio-cloruro di tionile, che mantengono la carica per anni ma perdono capacità a temperature molto basse. L’autonomia della batteria dipende soprattutto dalle trasmissioni. Supponiamo che la scheda tecnica di un sensore prometta otto anni con una trasmissione all’ora, e che a quel ritmo le trasmissioni consumino il 70% dell’energia e lo stato di riposo il 30%. Passando a una trasmissione ogni dieci minuti, la quota delle trasmissioni diventa sei volte maggiore: 0,3 + 0,7 × 6 = 4,5 volte l’energia giornaliera, quindi la batteria dura circa 8 ÷ 4,5 ≈ 1,8 anni. I numeri sono inventati, ma l’andamento vale per la maggior parte dei sensori a basso consumo.

L’alimentazione da rete o a 24 V DC ha senso dove il sensore si trova accanto a un quadro elettrico che ha già un’alimentazione, e per i sensori che campionano velocemente o trasmettono dati in streaming. I 24 V DC industriali sono l’alimentazione standard per i dispositivi di campo, quindi un sensore o un gateway in un quadro di solito può condividerla.

Il Power over Ethernet (PoE) porta alimentazione e dati su un unico cavo. Lo standard IEEE 802.3af fornisce fino a 15,4 W alla porta dello switch, sufficienti per la maggior parte dei sensori, dei dispositivi edge e dei gateway, e le versioni successive ne forniscono di più. Il limite è il cavo stesso: ogni dispositivo PoE ha bisogno di una propria linea fino a uno switch, quindi il PoE conviene per un gateway o una telecamera sul soffitto del capannone, molto meno per venti sensori sparsi tra le macchine.

L’energy harvesting alimenta un sensore con l’energia dell’ambiente circostante: vibrazioni, differenze di temperatura o luce. È adatto alle macchine che funzionano di continuo, ma un sensore che dipende dalle vibrazioni della macchina smette di trasmettere quando la macchina si ferma, quindi conviene verificare se servono letture anche durante i fermi.

Le sostituzioni delle batterie sono più facili da gestire come attività di manutenzione pianificata. Si registrano la data di installazione e l’intervallo di trasmissione di ogni sensore, e si programmano le sostituzioni per area quando i primi sensori si avvicinano alla durata prevista. Un sensore in un punto caldo, per esempio sopra un forno o un compressore, può scaricarsi prima di quanto indichi la scheda tecnica, perché la chimica delle batterie è sensibile alla temperatura in entrambe le direzioni.

Domande frequenti sui sensori IoT industriali

Che cosa significa IP67 per i sensori IoT industriali?

IP67 è un grado di protezione definito dalla norma IEC 60529. Il 6 indica che l’involucro è totalmente protetto contro la polvere, e il 7 che resiste all’immersione temporanea in acqua fino a 1 m di profondità per 30 minuti. Non copre i lavaggi ad alta pressione, di cui si occupa il grado IP69K.

I sensori IoT industriali hanno bisogno di un gateway?

Quelli wireless, nella maggior parte dei casi, sì. I sensori LoRaWAN comunicano con un gateway LoRaWAN e i sensori mioty con una stazione base, che inoltrano i messaggi a un network server tramite Ethernet, Wi-Fi o un altro backhaul. Un solo gateway può servire centinaia di sensori, quindi a un singolo capannone raramente ne servono più di uno o due.

I sensori IoT industriali si possono collegare a un PLC esistente?

Sì, se il PLC ha ingressi liberi. Un sensore cablato con uscita 4–20 mA si può collegare direttamente a una scheda di ingressi analogici, e il PLC condivide poi quel valore con lo SCADA o con un gateway edge come qualsiasi altro segnale. I sensori wireless di solito scavalcano il PLC e trasmettono invece alla propria rete.

Si sceglie la pompa o il motore i cui guasti fanno più danni e gli si applica l’insieme iniziale di tre dispositivi dell’esempio della pompa, poi si aggiungono due sensori di vibrazione sulla macchina successiva della linea e si visualizzano entrambe le macchine su un’unica dashboard. Quei cinque sensori rientrano nel piano gratuito di Kilo. Kilo Electronics offre sensori di accelerazione per questo tipo di retrofit, e funzionano anche i sensori di altri fornitori, purché usino una connessione supportata.