Sensores IoT industriais são os dispositivos de medição que você instala em máquinas e utilidades para que o estado delas chegue a um software sem que ninguém precise percorrer o chão de fábrica com uma prancheta na mão. Escolhê-los significa combinar três coisas: qual falha você quer detectar, como a leitura sai da máquina e o que mantém o sensor alimentado por anos.

Um engenheiro de planta normalmente chega a essa questão com uma lista de máquinas e um orçamento, e os sensores tendem a ser a menor linha desse orçamento. Escolher a rede errada ou a fonte de energia errada é o que transforma um piloto em um fardo de manutenção, então este guia dedica tanto tempo a essas escolhas quanto aos próprios sensores.

O essencial

  • Comece pela falha que você quer detectar e depois escolha a medição: vibração para rolamentos e desbalanceamento, temperatura para superaquecimento, corrente para carga e estado de funcionamento, pressão para problemas de vazão.
  • Máquinas mais antigas podem ser monitoradas com sensores tipo alicate e de fixação magnética, sem mexer no controlador da máquina.
  • Redes sem fio de longo alcance e baixo consumo servem para leituras que mudam devagar em toda a planta; conexões cabeadas servem para dados de alta velocidade e para máquinas que já têm energia e cabeamento por perto.
  • A duração da bateria depende principalmente da frequência com que o sensor transmite, então o intervalo de envio é uma decisão de energia tanto quanto de monitoramento.

Tipos de sensores de monitoramento de condição

Os sensores de monitoramento de condição medem um sinal físico da saúde de uma máquina. Os tipos mais comuns cobrem a maior parte dos equipamentos de uma planta:

Tipo de sensor O que mede Problemas que costuma revelar Fixação típica
Vibração (acelerômetro) Aceleração, muitas vezes informada como velocidade RMS e valores de pico Desbalanceamento, desalinhamento, folgas, desgaste de rolamentos Prisioneiro, base adesiva ou ímã na caixa do mancal
Temperatura Temperatura de superfície ou de fluido Motores superaquecendo, falha no resfriamento, atrito Sonda de contato, sensor com cinta ou infravermelho sem contato
Corrente Corrente elétrica na alimentação de um motor Estado de funcionamento, sobrecarga, máquina travada ou sem material TC de núcleo dividido em volta de um condutor de fase
Pressão Pressão de linha ou diferencial Filtros entupidos, vazamentos, problemas na bomba Conexão de processo rosqueada
Ultrassom Som de alta frequência Danos iniciais em rolamentos, vazamentos de ar comprimido, descargas elétricas Sonda de contato ou microfone para ultrassom aéreo
Qualidade do óleo Teor de água, partículas, viscosidade Lubrificante contaminado ou degradado Sensor em linha no circuito de lubrificação

Dois pontos práticos não aparecem em uma tabela. Primeiro, muitos sensores de vibração sem fio não enviam a forma de onda completa. Eles calculam valores-resumo no próprio sensor, como velocidade RMS e aceleração de pico, e transmitem esses valores, porque uma forma de onda bruta é dado demais para um rádio de baixo consumo. Os valores-resumo são excelentes para tendências e alertas; o diagnóstico detalhado de falhas precisa de um sensor ou dispositivo de borda capaz de capturar a forma de onda.

Segundo, uma medição só é tão boa quanto o ponto onde é feita. Um sensor de vibração deve ficar em uma parte rígida perto do rolamento, não em uma grade de ventilador nem em uma tampa fina. Uma sonda de temperatura na carcaça de um motor lê menos do que os enrolamentos lá dentro, então o limite de alarme dela precisa levar essa diferença em conta.

Ajuda partir de uma máquina, e não do catálogo de sensores. Pense em uma bomba centrífuga acionada por um motor elétrico por meio de um acoplamento. O motor tem dois rolamentos, no lado acoplado e no lado oposto ao acoplamento, e a bomba tem mais dois. Um bom conjunto inicial é um sensor de vibração no rolamento do lado acoplado do motor, outro no rolamento do lado acoplado da bomba, uma leitura de temperatura em cada uma dessas caixas de mancal (muitos sensores de vibração também medem temperatura) e um TC tipo alicate na alimentação do motor. São três dispositivos, e juntos eles cobrem desbalanceamento, desalinhamento, desgaste de rolamentos, superaquecimento e se a bomba está funcionando ou não.

Sensores de monitoramento para máquinas antigas

A maioria das fábricas opera máquinas construídas muito antes de alguém pensar em conectividade. A boa notícia é que dá para instalar sensores de monitoramento de máquinas em retrofit sem abrir o painel de comando nem alterar o programa do CLP, o que mantém intactas as garantias e as aprovações de segurança.

O kit típico de retrofit é o seguinte. Um TC de núcleo dividido em volta de uma fase diz se a máquina está funcionando, ociosa ou em sobrecarga, o que já responde a perguntas sobre utilização. Um acelerômetro de fixação magnética em cada caixa de mancal de um motor e de uma bomba críticos dá uma tendência de vibração. Um sensor de temperatura com cinta em um redutor ou em um tanque hidráulico dá uma tendência térmica. Nenhum deles exige furação, e todos podem ser mudados de lugar se o primeiro ponto se mostrar errado.

Ao comparar hardware de monitoramento de máquinas, confira estes pontos contra o ambiente real, e não contra o catálogo:

  • faixa de medição e precisão para o sinal real, por exemplo uma faixa de vibração que cubra a rotação da máquina;
  • grau de proteção contra lavagem, fluido refrigerante e poeira;
  • temperatura de operação, incluindo a superfície mais quente que o sensor toca;
  • certificação para atmosferas explosivas quando se aplica, como a aprovação de equipamentos ATEX na UE;
  • como o sensor é configurado depois da instalação, por exemplo se o intervalo de envio pode ser alterado remotamente, pelo rádio.

Sensores de manutenção preditiva não são uma categoria separada de hardware. Os mesmos acelerômetros e sensores de temperatura se tornam "preditivos" quando as leituras deles são acompanhadas como tendência ao longo de meses e comparadas com limites que deixam tempo para planejar um reparo.

Redes de sensores sem fio para monitoramento de fábricas

As redes de sensores sem fio para monitoramento de fábricas eliminam a parte mais cara de um retrofit: passar cabos por uma planta em operação. Cada opção serve para um tipo de dado.

Opção Alcance típico em uma planta Energia Dados por mensagem Indicado para
4–20 mA ou IO-Link cabeado Comprimento do cabo (IO-Link até 20 m por porta) Do painel Contínuo Sinais rápidos, máquinas com painéis por perto
LoRaWAN De centenas de metros a alguns quilômetros por gateway Bateria, muitas vezes por anos De alguns a algumas dezenas de bytes Leituras periódicas em toda a planta
mioty Semelhante ao LoRaWAN Bateria, muitas vezes por anos Payloads pequenos Quantidades muito grandes de sensores, plantas com muito ruído de rádio
Wi-Fi Dezenas de metros por ponto de acesso Rede elétrica ou bateria recarregável Alto Formas de onda, dados em alta taxa
Zigbee ou Bluetooth mesh Dezenas de metros por salto Bateria De pequeno a moderado Áreas internas densas, distâncias curtas

Os galpões industriais são difíceis para o rádio. Racks de aço, máquinas e paredes de concreto refletem e bloqueiam os sinais, e motores e equipamentos de solda acrescentam ruído elétrico. As tecnologias LPWAN de longo alcance, como LoRaWAN e mioty, lidam bem com isso porque trocam taxa de dados por robustez, então uma mensagem pequena passa onde um link Wi-Fi teria dificuldade. Antes de comprar em volume, coloque um gateway no alto e em posição central, leve um sensor de teste até os piores cantos do galpão e confira a qualidade do sinal em cada ponto. Repita o percurso com as máquinas funcionando, porque um galpão em plena produção tem mais ruído elétrico do que o mesmo galpão num domingo tranquilo, e um ponto no limite pode cair quando a planta está em carga.

As regras de rádio também definem com que frequência um sensor pode reportar. Na Europa, o LoRaWAN usa a faixa de 868 MHz, em que a maioria das sub-bandas só permite que um dispositivo transmita durante 1% do tempo. Para um sensor que envia uma mensagem curta a cada poucos minutos, isso não é restrição nenhuma, mas descarta o LoRaWAN para qualquer coisa que precise de uma leitura por segundo. Projetos que precisam de dados rápidos devem usar uma conexão cabeada ou Wi-Fi desde o início.

No Kilo, o servidor de rede LoRaWAN faz parte da plataforma, então uma fábrica só precisa de gateways compatíveis com o protocolo LoRa Basics Station. As estações base mioty se conectam ao mioty integrado ao Kilo Cloud ou ao Kilo mioty Service Center open-source, que você mesmo hospeda. Em qualquer dos casos, as leituras dos sensores de manutenção preditiva em bombas e motores chegam aos mesmos dashboards, com a tendência de vibração e de temperatura de cada máquina em gráfico ao lado das outras.

Alimentação contínua para sensores de monitoramento industrial

A alimentação contínua dos sensores de monitoramento industrial vem de quatro fontes, e normalmente o próprio local de cada sensor faz a escolha por você.

As baterias são o padrão nos retrofits sem fio. Sensores industriais de longa duração costumam usar células de lítio-cloreto de tionila, que mantêm a carga por anos, mas perdem capacidade no frio intenso. A duração da bateria depende principalmente das transmissões. Suponha que a ficha técnica de um sensor prometa oito anos com um envio por hora e que, nesse ritmo, as transmissões consumam 70% da energia e o modo de repouso, 30%. Passe para um envio a cada dez minutos e a parcela das transmissões fica seis vezes maior: 0,3 + 0,7 × 6 = 4,5 vezes a energia diária, então a bateria dura cerca de 8 ÷ 4,5 ≈ 1,8 ano. Os números são inventados, mas o padrão se mantém para a maioria dos sensores de baixo consumo.

A alimentação da rede elétrica ou em 24 V CC faz sentido quando o sensor fica ao lado de um painel elétrico que já tem uma fonte, e para sensores que fazem amostragem rápida ou enviam dados em fluxo contínuo. O 24 V CC industrial é a alimentação padrão dos dispositivos de campo, então um sensor ou gateway dentro de um painel geralmente pode compartilhá-la.

O Power over Ethernet (PoE) leva energia e dados em um único cabo. O padrão IEEE 802.3af fornece até 15,4 W na porta do switch, o suficiente para a maioria dos sensores, dispositivos de borda e gateways, e as versões posteriores fornecem mais. O porém é o próprio cabo: cada dispositivo PoE precisa de um lance de cabo próprio até um switch, então o PoE compensa para um gateway ou uma câmera no teto do galpão, e muito menos para vinte sensores espalhados pelas máquinas.

A coleta de energia (energy harvesting) alimenta o sensor a partir do ambiente: vibração, diferenças de temperatura ou luz. Ela serve para máquinas que funcionam o tempo todo, mas um sensor que depende da vibração da máquina para de reportar quando a máquina para, então verifique se você precisa de leituras durante as paradas.

As trocas de bateria ficam mais fáceis quando tratadas como manutenção planejada. Registre a data de instalação e o intervalo de envio de cada sensor e programe as trocas por área quando os primeiros sensores se aproximarem da vida útil esperada. Um sensor em um ponto quente, como em cima de um forno ou de um compressor, pode descarregar antes do que a ficha técnica indica, porque a química da bateria é sensível à temperatura nos dois sentidos.

Perguntas frequentes sobre sensores IoT industriais

O que significa IP67 em sensores IoT industriais?

IP67 é uma classificação definida na IEC 60529. O 6 significa que o invólucro é totalmente protegido contra poeira, e o 7 significa que ele resiste à imersão temporária em água até 1 m de profundidade por 30 minutos. Ela não cobre a lavagem com jato de alta pressão, que é tratada pela IP69K.

Sensores IoT industriais precisam de gateway?

A maioria dos sem fio, sim. Os sensores LoRaWAN se comunicam com um gateway LoRaWAN e os sensores mioty com uma estação base, que encaminham as mensagens a um servidor de rede por Ethernet, Wi-Fi ou outro backhaul. Um gateway pode atender centenas de sensores, então um único galpão raramente precisa de mais de um ou dois.

Sensores IoT industriais podem ser ligados a um CLP existente?

Sim, se o CLP tiver entradas livres. Um sensor cabeado com saída de 4–20 mA pode ir direto para um módulo de entradas analógicas, e o CLP então compartilha esse valor com o SCADA ou com um gateway de borda como qualquer outro sinal. Os sensores sem fio normalmente não passam pelo CLP e reportam à sua própria rede.

Escolha a bomba ou o motor cujas quebras mais pesam e instale nele o conjunto inicial de três dispositivos do exemplo da bomba, depois adicione dois sensores de vibração na próxima máquina da lista e coloque as duas máquinas em gráficos em um único dashboard. Esses cinco sensores cabem no plano gratuito do Kilo. A Kilo Electronics tem sensores de aceleração para esse tipo de retrofit, e sensores de outros fornecedores também funcionam, desde que usem uma conexão compatível.