Brevet FR2605170A1 — publié le 19880415

La présente invention concerne un procédé et une installation de surveillance de ltévolution de l'usure de machines. L'entretien de machines, notamment de machines tournantes, peut revêtir différentes formes. La première forme, que l'on pourrait appeler "curative", consiste à intervenir sur une machine après qu'une panne se soit produite. Bien entendu, cette solution exige la disponibilité d'un stock de pièces détachées important et d'un personnel d'entretien compétent pouvant intervenir rapidement et en toute circonstance. En outre, les arrêts de machine ne peuvent pas être programmés et se traduisent par des pertes de productivité. Enfin, la rupture d'une pièce bénigne peut entraîner la destruction d'lit système plus important. Pour ces différentes raisons, la solution dite curative est extrêmement coûteuse. L'entretien préventif consiste à prendre des précautions en se fondant sur la durée de vie statistique des différents organes constitutifs d'une machine. En d'autres termes, les arrêts de machines sont planifiés pour le contrôle et le remplacement systématique d'organes. Cette méthode, bien qu'elle soit encore la plus employée, présente deux inconvé- nients - le premier est le risque d'un démontage inutile de la machine occasionnant une perte de temps et de production, ainsi qu'un gaspillage de main-d'oeuvre et de pièces détachées qui sont chanqées avant d'avoir atteint leur usure maximale; - le second est que cette méthode n'exclut de panne pas le risque/ entre deux entretiens, la périodicité des opérations étant calculée statistiquement pour une machine dont l'assemblage est correct.Or, la durée de vie des organes d'une machine varie énormément en fonction de ce paramètre. C'est ainsi, par exemple, qu'un défaut d'alignement ou d'équilibrage écourtera de beaucoup cette durée. Une troisième forme d'entretien consiste à prédire l'évolution de l'usure d'une machine. Cette méthode consiste à déterminer, d'une part, quel organe défaillant devra être remplacé et, d'autre part, la date à laquelle l'intervention s'imposera. Bien entendu, pour faire une telle prédiction, il est nécessaire d'accéder à une bonne compréhension du fonctionnement interne de la machine car il n'est pas possible de prédire l'évolution de son fonctionnement sans connaître son"état de santé" au temps présent. Or, parmi les informations fournies par une machine, les vibrations produites présentent un grand intérêt parce qu'elles sont directement liées aux mouvements de la machine et qu'elles sont localisables. De plus, l'expérience montre que toute modification de la signature vibratoire d'une machine constitue la première manifestation physique d'une anomalie, cause potentielle de dégradations et de pannes, alors que les autres manifestations, telles que des échauffements, des corps étrangers dans les lubrifiants, etc... n apparaissent de manière significative que bien plus tardivement, parfois même juste avant une panne. Les vibrations sont donc le premier indicateur de l'état de fonctionnement d'une machine. C'est ainsi que des mesures de vibrations régulières en des endroits particuliers, tels que par exemple des paliers, permettent d'identifier des défauts dès leur appa rition. Ceci donne un délai qui est souvent de plusieurs mois avant que le défaut ne devienne dangereux et puisse causer des dommages conséquents. Lorsqu'un défaut a été décelé et identifié, des vérifications plus fréquentes permettent d'établir la tendance de la détérioration de l'état et donnent au personnel de surveillance des éléments fiables pour diagnostiquer la cause du défaut et pour juger de l'urgence de la réparation. Les pièces de rechange peuvent être commandées longtemps à l'avance et le personnel de maintenance sera prêt à intervenir lors de l'arrêt planifié. Bien évidemment, un tel entretien prédictif permet de diminuer les frais de personnel de maintenance et de stocks de pièces de rechange, mais également de réduire considérablement les risques de rupture d'organes en cours d'exploitation, cause de pertes financières importantes. De plus, la mise en place d'une politique de maintenance prédictive peut être prise en considération par les compagnies d'assurances et sensiblement alléger le montant des primes "bris de machines" et "pertes d'exploitation". On notera également que la détection de la signature vibratoire d'un organe est non destructive et ne nécessite pas l'arrêt de la machine. En définitive, l'économie réalisée tient principalement au facteur de disponibilité des machines dont les pertes de production se trouvent considérablement réduites. Les installations connues à ce jour susceptibles de mettre en oeuvre une maintenance prédictive comprennent généralement des appareils portatifs de détection et d'enregistrement permettant de recueillir la signature vibratoire d'une machine en différents points de mesure déterminés préalablement. Les signaux recueillis peuvent être affichés directement sur un enregistreur portatif en vue de leur observation et de leur exploitation directement par l'utilisateur du matériel mais, de préférence, ces signaux seront mémorisés dans un enregistreur magnétique portatif en vue de procéder ultérieurement, au moyen d'un analyseur de fréquences, à une analyse spectrale de la signature vibratoire de chaque point de mesure.Un calculateur pourra être associé à l'analyseur de fréquence et à l'enregistreur magnétique afin de stocker l'historique desmesures de vibration de chaque point de mesure, de tracer des courbes de tendance et autres paramètres statistiques, de donner automatiquement l'alarme lorsqu'un défaut est décelé, d'en diagnostiquer la cause, de calculer l'évolution de ce défaut pour prédire une date de panne, etc Par ailleurs, le processus de maintenance au moyen d'une telle installation suppose que l'on ait défini préalablement pour chaque machine les points de mesure où devront être placés les capteurs de vibrations, et que l'on ait, pour tous les points de mesure, mesuré les niveausde vibration, établi le spectre qui constituera la future référence et déterminé les critères sur la base desquels seront effectués les diagnostics de défauts ou de pannes. On comprend aisément que la mise en oeuvre d'un tel processus et l'exploitation du matériel énuméré ci-dessus nécessitent un personnel hautement qualifié. De plus, les matériels de ce type existant à ce jour sont d'un coût élevé. Pour ces différentes raisons, les appareils de maintenance prédictive faisant appel à des appareils portatifs servis par un personnel spécialisé ne sont envisageables que si le nombre de machines à entretenir permet de justifier un tel investissement. Il existe également des installations réalisées à base de moniteurs de surveillance installés de façon permanente et adaptés pour balayer constamment un certain nombre de points de mesure et fournir plusieurs niveaux d'alarme à distance. Toutefois, ce type de moniteur n'assure qu'une mesure globale du niveau des vibrations en chaque point. Il s'agit donc là d'une solution relativement rudimentaire qui ne permet pas, comme celle décrite précédemment,d'effectuer un diagnostic de la cause d'un défaut et de prédire une date de remplacement ou de panne de l'organe concerné. L'invention vise à fournir une installation de surveillance de l'évolution de l'usure de machines qui permette d'assurer des fonctions de maintenance prédictive élaborée au moyen d'un matériel peu coûteux qui ne nécessite pas la présence d'un personnel qualifié et spécialisé pour son exploitation. Suivant l'invention, une telle installation comprend des moyens de détection pour produire une première série de signaux électriques représentatifs de caractéristiques physiques de fonctionnement d'organes de machine,des moyens pour analyser spectralement les signaux électriques de manière à obtenir une deuxième série de signaux, et des moyens de traitement pour comparer la deuxième série de signaux à une série de signaux de référence et engendrer une information représentative d'une évolution significative de cette deuxième série de signaux par rapport à la série de référence, ladite installation étant caractérisée en ce que lesdits moyens de détection comprennent des capteurs à poste fixe associés à divers organes de machine et produisant chacun en continu un signal de ladite première série, les moyens d'analyse comprennent des analyseurs de fréquence à poste fixe connectés chacun à au moins un capteur et adaptés pour échantillonner temporellement la première série de signaux, analyser spectralement lesdits échantillons et transmettre sous forme numérique auxmoyensde traitement les échantillons analysés constituant la deuxième série de signaux, et lesdits moyens de traitement font partie d'un réseau de transmission de données numériques auquel sont connectés lesdits analyseurs de fréquence. Grâce à une telle configuration, les analyseurs de fréquence peuvent revêtir une forme simplifiée conçue autour d'un microprocesseur peu coûteux qui assurera uniquement les fonctions d'échantillonnage et d'analyse spectrale des signaux provenant des capteurs quiisUont associés, tandis que le traitement de ces données sera effectué, soit localement par un micro-ordinateur si l'importance de l'installation le justifie, soit par un ordinateur constituant le centre serveur d'un réseau de transmission de données numériques, soit encore en faisant appel à une combinaison de ces deux moyens. L'invention sera maintenant décrite plus en détails en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels La figure 1 est un schéma-bloc de la configuration de base d'une installation suivant l'invention ; La figure 2 est un schéma-bloc d'une forme particulière de réalisation d'une installation à plusieurs analyseurs de fréquences connectés en parallèle sur une ligne de transmission série La figure 3 est un schéma de communication d'un réseau à centre-serveur dont fait partie ladite installation La figure 4 est un schéma de communication d'une installation selon l'invention organisée sous forme de réseau local. En se reportant à la figure 1, l'installation représentée est destinée à assurer la surveillance de l'évolution de l'usure d'un certain nombre d'organes Di, 02 .... 0 d'une machine MA. p Il est évident que compte tenu de la transmission des vibrations et de la technique utilisée, à savoir l'analyse spectrale, on peut associer un ensemble d'organes à un seul capteur. Ceci n'est pas possible lorsqu'on utilise l'analyse globale du signal. A chacun de ces organes, par exemple des paliers d'éléments en rotation, est associé un capteur de vibrations C1, C2 .... C tel qu'un accé p léromètre. Suivant les phénomènes à surveiller, on peut utiliser d'autres types de capteurs tels que des jauges de contraintes, des capteurs dynamotachymétriques, etc... Ces capteurs fournissent en continu la signature vibratoire de l'organe correspondant à un module d'analyse M à poste fixe associé à la machine MA. Le module d'analyse A M comprend un analyseur de fréquence proprement dit/réalisé à partir d'un microprocesseur.L'analyse de fréquence A peut être constitué par exemple d'un microprocesseur Z80 assisté d'un co-processeur arithmétique et équipé d'une mémoire RAM de 32 koctects, d'une mémoire EPROM de 16 koctects, d'une horloge et d'une unité de sauvegarde par batterie de la mémoire et de l'horloge. L'analyseur de fréquence A est complété par des systèmes d'acquisition de données analogiques et numériques. Le système d'acquisition de données analogiques comprend un certain nombre de pré-amplificateurs analogiques 10 connectés chacun entre un certain nombre d'entrées analogiques EA1, EA2. . . . EA n et certains des capteurs C1 Cp.Dans l'exemple p représenté à la figure 1, quatre préamplificateurs analogiques 10 sont connectés chacun à quatre entrées analogiques permettant de connecter ainsi l'analyseur de fréquence A à un maximum de seize capteurs appartenant ou non à la même machine MA. L'analyseur de fréquence A est complété par des entrées logiques EL1, EL2 ELn lui permettant de recevoir des informan n tions logiques extérieures par l'intermédiaire d'un préamplificateur logique 11. Comme les entrées analogiques, les entrées logiques peuvent être au nombre de seize. Les informations logiques reçues aux entrées EL1 ... EL peuvent provenir de la ou les machines MA et concerner n certains paramètres de fonctionnement de celles-ci (marche ou arrêt, vitesse de rotation, etc...) ou bien être émises par des moyens extérieurs de pilotage de l'installation. L'analyseur de fréquence A est connecté par une sortie série SS à deux bornes 12 de connexion du module M à une ligne 13 de transmission série en boucle de courant sur laquelle d'autres modules M peuvent être connectés en parallèle comme cela sera expliqué dans la suite. La sortie série SS est également connectée par l'intermédiaire d'uneinterface de transmission série 14, par exemple une interface RS232, à un connecteur 15 de liaison du module M à un micrcYo#rdinateur 16. L'interface de transmission série est elle-même connectée par l'intermédiaire d'un modulateur-démodulateur 17 (MODEM) à un connecteur 18 permettant la liaison du module M avec un centre serveur 19 par l'intermédiaire d'une ligne téléphonique 20. L'analyseur de fréquence A pourvu de ses systèmes d'acquisition analogiques et logiques constitue l'équipement de base du module M qui vient d'être décrit. L'interface 14 et le MODEM 17 ne sont nécessaires que si le module M doit être en mesure de communiquer avec les moyens de traitement que constituent le micro ordinateur 16 et le centre-serveur 19. On notera éga lement que si ces moyens de communication sont consti tués uniquement par le micro-ordinateur 16, la présence du MODEM 17 est superflue, seule l'interface de commu nication série 14 étant alors conservée. L'analyseur de fréquence A assure l'échantillon nage temporel des signaux électriques qu'il reçoit du capteur C1 à C sur ses entrées analogiques EAA p à EA. La date et l'heure du démarrage de cet échantillon nage suivi de l'analyse spectrale du signal échan sillonné peuvent être programmées dans la mémoire de l'analyseur A. Cependant, suivant les applications envisagées, un tel démarrage peut être également déclenché par une commande logique provenant de la machine MA ou des moyens extérieurs de pilotage mentionnés précédemment. Ceci peut permettre en particulier à un opérateur de prendre l'initiative d'un cycle d'échantillonnage et d'analyse sur un ou plusieurs organes déterminés d'une machine.A l'inverse, d'autres informations logiques reçues sur les entrées EL1 à EL peuvent être utilisées pour interdire le démarrage n d'un tel cycle : par exemple, cela peut être le cas si l'information logique reçue indique un arrêt de ,la machine, une vitesse de fonctionnement de l'organe concerné inférieure à une limite prédéterminée, etc.. Lorsque le démarrage d'un cycle d'échan tillonnage et d'analyse a éLé validé, l'analyseur déroule un programme d'acquisition et d'analyse du signal présent à l'une de ses entrées analogiques. Les mesures réalisées sont classiques et peuvent consister à effec tuer des sommes par tiers d'octave, des fonctions d'auto corrélation, des moyennes spectrales, des spectres de puissance, des spectres de phase, etc..., cette énumération n'étant pas exhaustive. Le résultat de ces mesures est envoyé par la sortie série SS suivant les cas au micro-ordinateur 16, au centre-serveur 19, ou à chacun de ces deux moyens de traitement. Ces derniers assurent le stockage des mesures effectuées et leur interprétation en vue de l'établissement d'un diagnostic relatif à la cause d'un défaut décelé et au moment où une panne est susceptile de se produire. Pour ce faire, les moyens de traitement comparent les échantillons analysés à des valeurs, signaux ou spectres de référence établis expérimentalement. Ces fonctions de traitement des échantillons analysés peuvent éventuellement être partagées entre un micro-ordinateur et un centre-serveur, le premier se chargeant des calculs nécessitant peu de puissance et le second des calculs les plus complexes. La figure 2 est un schéma simplifié montrant plusieurs modules d'analyse Mg, MA . . . .M n connectés en parallèle à la ligne de transmission série en boucle de courant 13. Cette configuration permet, par des moyens très simples et peu coûteux, de faire communiquer plusieurs modules d'analyse groupés géographiquement sur un même site avec un même micro-ordinateur 16, ou avec un centre-serveur par l'intermédiaire d'un MODEM commun 17. Dans ce cas, seul le module Mo est équipé de l'interface 14,et éventuellement du MODEM 17 si une liaison avec un centre-serveur est prévue, les autres modules étant dépourvus de ces deux équipements et se présentant dans la configuration de base décrite précédemment.Les différents modules sont connectés les uns aux autres deux à deux, entre leur borne 12, par la ligne de transmission 13. Une interface 21 de liaison série avec une imprimante 22 peut également être prévue. Dans le cas d'une interface de communication série et d'un MODEM fonctionnant sur un code à huit bits, la configuration de la figure 2 permet de grouper jusqu'à 255 modules et une imprimante, ou 256 modules en l'absence d'imprimante, dont chacun possède son propre code d'identification à huit bits. La figure 3 montre comment l'installation décrite peut être intégrée à un réseau de transmission de données numériques possédant un centre-serveur 16. Celui-ci est relié aux différents modules M de surveillance de machines par l'intermédiaire du réseau téléphonique commuté. Des terminaux T à écran du type Minitel ou analogues, éventuellement connectés à une imprimante, peuvent être utilisés pour recevoir et visualiser des résultats des traitements effectués par le centre-serveur. En variante, les différentes installations de surveillance de machines peuvent être intégrées à un réseau spécialisé de transmission de données numériques à haut débit. Une autre solution consiste encore à organiser l'installation sous forme d'un réseau local comme représenté à la figure 4. Dans ce cas, chaque machine ou groupe de machines MA est relié, via son module M pourvu de capacités de transmission et des lignes de communication du réseau local, lignes qui peuvent être également celles du réseau téléphonique commuté, à un micro-ordinateur ou autre calculateur 16 spécialisé ou non appartenant en propre à l'utilisateur et assurant la gestion de l'ensemble de son installation de surveillance de l'évolution d'usure de ses machines. Il résulte de ce qui précède que l'installation décrite, une fois implantée, ne nécessite l'intervention que de peu ou pas de personnel spécialisé, la mesure de la signature vibratoire des machines, son échantillonnage, son analyse, son traitement et le diagnostic étant effectués automatiquement. Bien entendu, dans un certain nombre de cas, les machines pourront être équipées directement par le constructeur des capteurs et modules d'analyse nécessaires qui n'auront plus qu'à être connectés aux moyens de traitement, centre-serveur ou autres, lors de la mise en place de la machine. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invent ion. REVENDICATIONS 1. Installation de surveillance de l'évolution de l'usure de machines, comprenant - des moyens de détection pour produire une première série de signaux électriques représentatifs de caractéristiques physiques de fonctionnement d'organes de machines, - des moyens pour analyser spectralement lesdits signaux électriques de manière à obtenir une deuxième série de signaux, et - des moyens de traitement pour comparer la deuxième série de signaux à une série de signaux de référence et engendrer une information représentative d'une évolution significative de cette deuxième série de signaux par rapport à la série de référence, caractérisée en ce que - lesdits moyens de détection comprennent des capteurs (C1, C2 Cp) à poste fixe associés à divers organes (01 ,02~~~~0p) de machines et produisant chacun en continu un signal de ladite première série, - les moyens d'analyse (M) comprennent des analyseurs de fréquence (A) à poste fixe connectés chacun à au moins un capteur (C1, C2 Cp) et adaptés pour échantillonner temporellement la première série de signaux, analyser spectralement lesdits échantillons, et transmettre sous forme numérique, aux moyens de traitement, les échantillons analysés constituant la deuxième série de signaux, et - lesdits moyens de traitement (16, 19) font partie d'un réseau de transmission de données numériques auquel sont connectés lesdits analyseurs de fréquence (A). 2. Installation selon la revendication 1,caractérisée en ce que plusieurs analyseurs de fréquence (MoS M1 M1 Mn) M ) groupés géographiquement sur un même site sont connectés en parallèle à une ligne de transmission série (13). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de traitement comprennent un micro-ordinateur (16) connecté à ladite ligne de transmission (13) par l'intermédiaire d'une interface de liaison série (14). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de traitement (19) comprennent un ordinateur constituant un centre-serveur dudit réseau de transmission. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est organisée sous forme de réseau local. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que lesdits analyseurs de fréquence (A) sont connectés au cen-t r e - serveur (16) par l'intermédiaire d'un modulateurdémodulateur (17) et d'un réseau téléphonique. 7. Installation selon la revendication 6 lorsqu'elle dépend de la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce qu'une ligne de transmission série (13) est connectée à un modulateur-démodulateur (17) par l'intermédiaire d'une interface de liaison série (14). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque analyseur de fréquence (A) comprend un microprocesseur comportant des entrées analogiques parallèles (EA1, EA2 EAn) pour sa connexion à un groupe de capteurs, des entrées logiques parallèles (EL1, EL2.. ELn) pour sa connexion à au moins une machine sous surveillance (MA), et une sortie série (SS) pour la transmission desdits échantillons analysés. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit microprocesseur est programmé pour exécuter à des intervalles de temps prédéterminés des cycles d'échantillonnage, d'analyse spectral et de transmission du signal délivré par un capteur associé. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le microprocesseur reçoit sur ses entrées logiques des informations logiques représentatives de conditions de fonctionnement de la machine (MA) et conditionnant le démarrage desdits cycles. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le microprocesseur est associé à un co-processeur arithmétique. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que lesdits capteurs (C1, C2 C ) sont des accéléromètres. n 13. Procédé d'obtention d'un signal représentatif de l'évolution de l'usure d'une machine caractérisé en ce que - on produit d'une manière continue une première série de signaux représentatifs de caractéristiques physiques du fonctionnement de la machine, - on échantillonne temporellement la première série de signaux, - on analyse spectralement lesdits échantillons de la première série de manière à obtenir une deuxième série de signaux, - on compare la deuxième série de signaux à une série de signaux de référence, - on émet un signal représentatif d'une évolution significative de cette deuxième série de signaux par rapport à la série de référence.