Dans la page supervision, l'opérateur peut constater l'état global de la machine en se basant sur des indicateurs de défauts.

L a maintenance conditionnelle (MC) des machines électriques est presque aussi ancienne que l'émergence des actionneurs dans l'industrie. Cette technique d'entretien consiste à se baser sur certaines grandeurs physiques comme les vibrations de la machine ou la température des enroulements, pour pouvoir se prononcer sur l'état de santé global de la machine et prédire l'apparition d'une panne.

Dans le cadre deson développement technique, la société Lorelec, spécialisée dans la maintenance industrielle, voulait équiper son banc d'essai de machines électriques, d'un système de détection et de diagnostic de défauts pour pouvoir vérifier le bon état de santé d'une machine lors de sa révision, localiser ses éventuels défauts et aussi s'assurer qu'une machine venue en réparation, est à nouveau prête à fonctionner après une série d'opérations de maintenance.

Les techniques de la maintenance conditionnelle des machines

Les techniques et les moyens utilisés pour la maintenance conditionnelle des machines électriques ont beaucoup évolué au fil des ans. Aujourd'hui, parmi les méthodes les plus utilisées dans l'industrie, on peut notamment citer l'analyse vibratoire et l'analyse de courant. Grâce à ces analyses, il est possible de diagnostiquer et/ou de prédire des défauts qui peuvent survenir dans une machine électrique comme, par exemple, un problème de balourd, une excentricité, un court-circuit entre spires ou bien encore des barres rotoriques abîmées.

Pour le système de détection et de diagnostic de défauts mis en place ici,le choix s'est porté sur les analyses vibratoires, de courant et de température pour la première phase du projet. Environ un mois a été consacré à l'étude technico-commerciale et à la présentation des différentes solutions envisageables pour le système à mettre en œuvre. Pour la partie dédiée à l'acquisition de données, plus d'une dizaine de fournisseurs et de constructeurs de cartes d'acquisition et d'analyseurs numériques ont été consultés pour arriver au choix définitif, à savoir le matériel d'acquisition CompactDAQ de National Instruments. Cette solution, en plus de satisfaire au mieux le cahier des charges en termes d'acquisition multivoie synchrone, de fréquence d'échantillonnage et de support d'entrées variées (tension, IEPE, RDT,TTL), a permis l'obtention d'un système modulaire et évolutif qu'il était possible de développer dans les prochaines phases du projet, et cela à un prix acceptable.

Système mis en œuvre

Le système réalisé est composé de deux parties, l'une matérielle, l'autre logicielle. Au niveau matériel, le dispositif comprend deux accéléromètres triaxiaux et deux mono-axiaux, les quatre IEPE ( Integrated Electronic PiezoElectric ), trois pinces ampérométriques, deux pyromètres, une sonde de tension équipée des broches capacitives pour la mesure de la tension d'arbre, un détecteur infrarouge pour mesurer la vitesse de rotation de la machine et le matériel nécessaire pour se connecter à des capteurs de température de type PT100 qui sont courants sur le type de machines à diagnostiquer. Le conditionnement et l'acquisition des signaux analogiques sont faits avec deux cartes NI 9234 pour les voies IEPE, une carte NI 9220 pour les entrées tension, deux cartes NI 9217 pour les entrées PT100 et une carte NI 9423 pour la vitesse de rotation.

Cette photo représente le banc d'essai de Lorelec, avec, à droite, l'IHM, au milieu, le module d'acquisition avec les capteurs, rangés dans un châssis mobile, et, à, gauche, les capteurs placés sur une machine.

Au niveau logiciel, deux contraintes principales devaient être respectées. D'une part, l'opérateur devait pouvoir effectuer le diagnostic de manière efficace. D'autre part, l'aspect esthétique de l'interface logicielle devait être assuré pour les clients qui assisteraient aux essais de leurs machines. Ayant pris connaissance des possibilités qu'offrait le logiciel LabVIEW, cet environnement de développement a été choisi, accompagné de la suite Sound & Vibratio n et du toolkit Report Generation . Ce choix a été judicieux pour atteindre le but fixé et mettre en place une interface homme-machine (IHM) efficace et conviviale dans un délai court. En effet, seulement quatre mois environ furent nécessaires pour réaliser les deux parties matérielle et logicielle.Avec son approche simple et ergonomique, LabVIEW a permis la réalisation d'un travail de développement informatique professionnel sans nécessiter de compétences avancées en programmation. De plus, grâce à une grande communauté d'utilisateurs, il était aisé de trouver rapidement sur Internet les réponses aux questions posées dans le cadre du développement de cette application.

Caractéristiques du système

Le système final permet de diagnostiquer des défauts typiques dans les machines électriques comme le balourd, l'excentricité, le jeu mécanique, les défauts de roulement et le défaut de court-circuit entre spires dans son état primitif. L'interface réalisée offre à l'opérateur la possibilité de voir l'état de santé global de la machine en se basant sur des indicateurs comme les vibrations globales ou des facteurs de type Kurtosis. Si l'opérateur constate une anomalie parmi ces indicateurs ou s'il veut avoir une analyse plus détaillée de la machine, il a à sa disposition des onglets dédiés à l'analyse vibratoire et de courant statorique où il peut s'appuyer sur des moyens d'analyse temporelle et fréquentielle.L'opérateur peut en l'occurrence placer des curseurs à des fréquences caractéristiques des défauts qui sont calculées en temps réel pour voir si la machine présente ou non un défaut. De même, il est possible d'examiner l'évolution des grandeurs caractéristiques de la machine lors des accélérations et des décélérations dans un onglet dédié ou de suivre les grandeurs électriques des centrales de mesure du banc d'essai qui sont visualisées depuis l'IHM à l'aide de la bibliothèque Modbus pour LabVIEW.Enfin, l'opérateur peut enregistrer les spectres de fréquence et comparer plusieurs spectres entre eux.

Le diagnostic de défauts des roulements de la machine est effectué en utilisant la transformée de Hilbert. Les fréquences de défauts sont calculées en recherchant les références DIN des roulements dans une base de données.

Pour ce projet, le toolkit Report Generation a également été utilisé pour générer les procès-verbaux d'essai des machines. Ce toolkit a permis d'interagir facilement avec des fichiersWord créés avec le logiciel de GRC de Lorelec, de lire les données nécessaires sur ces fichiers et de compléter ces fiches comme souhaité au départ par la société.

Poursuite du projet

Compte tenu des résultats satisfaisants de la première phase du projet, il a été décidé d'intégrer davantage de techniques de diagnostic au système développé ici, notamment l'analyse d'orbite pour les machines à paliers lisses. La société envisage, en outre, d'ajouter des analyses de type temps-fré-quenceetdel'analyse d'ordre pour les mesures de vibrations et de courant.

Au départ ce projet était uniquement destiné à la plate-forme d'essai de Lorelec. Toutefois, après les retours très positifs de ses clients, il a été décidé de proposer ce système de détection et de diagnostic à d'autres entreprises.

Article adapté par Pascal Coutance à partir d'une note d'application de Hamidreza Zandi de l'Ensem (Ecole nationale supérieure d'électricité et de mécanique) et d'Emmanuel Fabvre de Lorelec destinée à l'édition 2015 du concours des meilleures applications de National Instruments