Remote Condition Monitoring and Asset Management in Offshore Power Systems

Condition monitoring systems for physical assets are constantly becoming more and more common in the industrial sector. At the same time an increasing portion of asset monitoring systems are being remotely supported. As global competitors are actively developing solutions for condition monitoring and condition-based maintenance, which it enables, Wärtsilä too feels the pressure to provide customers with more sophisticated condition-based maintenance solutions. The main aim of this thesis study is to consider Wärtsilä remote condition monitoring solutions and how they relate to similar solutions from other suppliers and end customers’ needs, in the context of offshore assets. A theoretical study is also included in the thesis, where the concepts of condition monitoring, condition-based maintenance, maintenance management and physical asset management are introduced.

On the Condition Monitoring of Induction machines

The research of condition monitoring of electric motors has been wide for several decades. The research and development at universities and in industry has provided means for the predictive condition monitoring. Many different devices and systems are developed and are widely used in industry, transportation and in civil engineering. In addition, many methods are developed and reported in scientific arenas in order to improve existing methods for the automatic analysis of faults. The methods, however, are not widely used as a part of condition monitoring systems. The main reasons are, firstly, that many methods are presented in scientific papers but their performance in different conditions is not evaluated, secondly, the methods include parameters that are so case specific that the implementation of a systemusing such methods would be far from straightforward. In this thesis, some of these methods are evaluated theoretically and tested with simulations and with a drive in a laboratory. A new automatic analysis method for the bearing fault detection is introduced. In the first part of this work the generation of the bearing fault originating signal is explained and its influence into the stator current is concerned with qualitative and quantitative estimation. The verification of the feasibility of the stator current measurement as a bearing fault indicatoris experimentally tested with the running 15 kW induction motor. The second part of this work concentrates on the bearing fault analysis using the vibration measurement signal. The performance of the micromachined silicon accelerometer chip in conjunction with the envelope spectrum analysis of the cyclic bearing faultis experimentally tested. Furthermore, different methods for the creation of feature extractors for the bearing fault classification are researched and an automatic fault classifier using multivariate statistical discrimination and fuzzy logic is introduced. It is often important that the on-line condition monitoring system is integrated with the industrial communications infrastructure. Two types of a sensor solutions are tested in the thesis: the first one is a sensor withcalculation capacity for example for the production of the envelope spectra; the other one can collect the measurement data in memory and another device can read the data via field bus. The data communications requirements highly depend onthe type of the sensor solution selected. If the data is already analysed in the sensor the data communications are needed only for the results but in the other case, all measurement data need to be transferred. The complexity of the classification method can be great if the data is analysed at the management level computer, but if the analysis is made in sensor itself, the analyses must be simple due to the restricted calculation and memory capacity.

Control hardware and Condition Monitoring System for Intersector Weld/Cut Robot

Työ sisältää ohjaislaitteiston vertailun ja valinnan rinnakkaisrakenteista robottia varten sekä kunnonvalvontajärjestelmän periaatteiden laadinnan kyseistä robottia varten. Ohjauslaitteisto sisältää teollisuustietokoneen sekä kenttäväylän. Sekä tietokoneesta että väylästä on teoriaosuus ja yksityiskohtaisempi valintaosuus. Teoriaosuudessa selitetään tarkemmin laitteiden toimintaperiaatteista. Valintaosuudessa kerrotaanmiksi jokin tietty laite on valittu käytettäväksi robotin ohjauksessa. Kunnonvalvontateoria ja rinnakkaisrakenteisen robotin kunnonvalvonnan keinot ovat työn toinen osa. Teoriaosa sisältää yleisluonteisen selvityksen vikaantumisesta ja valvonnasta. Erikoisrobotin kunnonvalvonnan keinot esitetään työssä tietyssä järjestyksessä. Ensin esitetään mahdolliset vikatilanteet. Toisessa kohdassa havainnollistetaan vikojen havaitseminen.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Techno-Economic Feasibility of Novel On-Line Condition Monitoring Methods in Low Voltage Distribution Networks

The focus in this thesis is to study both technical and economical possibilities of novel on-line condition monitoring techniques in underground low voltage distribution cable networks. This thesis consists of literature study about fault progression mechanisms in modern low voltage cables, laboratory measurements to determine the base and restrictions of novel on-line condition monitoring methods, and economic evaluation, based on fault statistics and information gathered from Finnish distribution system operators. This thesis is closely related to master’s thesis “Channel Estimation and On-line Diagnosis of LV Distribution Cabling”, which focuses more on the actual condition monitoring methods and signal theory behind them.

Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Voimalaitoksen tasemallinnus kunnonvalvonnassa

Diplomityössä mallinnettiin Vattenfallin Myllykosken vastapainevoimalaitos staattisella voimalaitossimulaattoriohjelmalla. Mallinnuksessa käytettiin PROSIM simulaattorioh-jelmaa, jolla on mahdollista suorittaa taselaskentaa sekä online että offline tilassa. Laaditun mallin avulla suoritettiin voimalaitoksen offline simulointia erilaisissa ajotilanteissa. Simulointitulosten avulla suoritettiin voimalaitoksen kokonaishyötysuhteen ja höyryn tuotantokustannusten tarkastelua. Tarkastelun avulla pyrittiin saavuttamaan voimalaitoksen taloudellisin ajotapa kaikissa tarkastelutilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin laadittuun voimalaitosmalliin perustuvan kunnonvalvontajärjestelmän laajuus. Järjestelmä hyödyntää PROSIM:n online simulointia sekä automaatiojärjestelmän reaaliaikaisia prosessimittauksia. Kunnonvalvontajärjestelmän (CMS Condition Monitoring System) avulla voidaan suorittaa prosessin optimointia reaaliajassa. Lisäksi järjestelmän avulla voidaan suorittaa voimalaitostaseen raportointia ja seurata voimalaitoskomponenttien toiminnan heikkenemistä. Kunnonvalvontajärjestelmän laajuuden määrittämiseksi rajattiin järjestelmään syötettävät kustannustekijät, kunnonseurantaan asetettavat komponentit ja taselaskennassa käytettävät mittaukset.

Elintarviketehtaan tuotantolinjan kunnonvalvonnan kehittäminen

Tutkimuksen tavoitteena oli kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen nykyaikaiselle elintarviketeollisuuden tuotantolinjalle. Työssä etsittiin olemassa olevia kunnonvalvontamenetelmiä ja -sovelluksia erityisesti jäätelötuotantolaitteiden tarpeisiin. Kirjallisuudesta löydettiin sovelluksia lähinnä yksittäisille komponenteille ja kone-elimille. Tutkimuksen kohteena oleva tuotantolinja käytiin läpi toimintojen ja komponenttien osalta. Tehtaan laitekantaa ja valmiutta kunnonvalvonnan käyttöönotolle käsiteltiin yleisellä tasolla. Kunnonvalvontajärjestelmää kehitettäessä käytettiin hyväksi kirjallisuudesta löytyneitä menetelmiä, joista soveltuvimpia käytettiin kunnonvalvontametodien kartoittamiseen. Kunnonvalvontametodit muodostettiin toiminnanohjausjärjestelmästä ja linjan käyttöönotosta saatujen tietojen avulla. Tietoja käytettiin vika-vaikutusanalyysissä, joka oli pohjana komponentti- ja menetelmäkohtaisessa analyysissa. Kriittisiä ja tuotannon tehokkuuteen vaikuttavia koneenosia ja kokonaisuuksia tarkasteltiin kunnonvalvontamenetelmien soveltuvuuden avulla. Tutkimuksen edetessä kehitettiin kokonaisvaltaiset toiminnanohjausjärjestelmän avulla toimivat eritasoiset kunnonvalvontahypoteesit, joiden avulla linjan yksittäisten komponenttien kuntoa voidaan valvoa. Lisäksi tutkimuksessa kehitettiin uusia kunnonvalvontasovelluksia, joita on mahdollista käyttää myös tehtaan muilla linjoilla. Kunnonvalvontahypoteeseja käytettiin kokonaisen kunnonvalvontajärjestelmän luomiseen. Tehtaalla on mahdollisuus valita käyttöönotettavan kunnonvalvonnan taso hypoteesien sekä kunnossapitostrategian avulla.

Upgrading of thethird generation of the Remote Diagnostic Systems for ABB Marine Propulsion Systems

Remote diagnostics has become very popular in marine industry. Diagnostic systems are improved all the time and the newest monitoring systems are constantly taken into operation. Most vessels are, however, rigged up by outmoded facilities, which should be updated. In this work the principles of operating of such a remote diagnostic system as the ABB's third generation remote diagnostic system (RDS) and the newest Propulsion Condition Management System (PCMS) are studied. As a result of the thesis the ways of upgrading the old systems of RDS are presented. Specifically, the work focuses on the establishment of the connection between Advant controller AC-110 from the old system and PCMS server, and in other words how to get Modbus data by OPC server.

Methods of Design and Testing of Real Time Systems

Teollusuussovelluksissa vaaditaan nykyisin yhä useammin reaaliaikaista tiedon käsittelyä. Luotettavuus on yksi tärkeimmistä reaaliaikaiseen tiedonkäsittelyyn kykenevän järjestelmän ominaisuuksista. Sen saavuttamiseksi on sekä laitteisto, että ohjelmisto testattava. Tämän työn päätavoitteena on laitteiston testaaminen ja laitteiston testattavuus, koska luotettava laitteistoalusta on perusta tulevaisuuden reaaliaikajärjestelmille. Diplomityössä esitetään digitaaliseen signaalinkäsittelyyn soveltuvan prosessorikortin suunnittelu. Prosessorikortti on tarkoitettu sähkökoneiden ennakoivaa kunnonvalvontaa varten. Uusimmat DFT (Desing for Testability) menetelmät esitellään ja niitä sovelletaan prosessorikortin sunnittelussa yhdessä vanhempien menetelmien kanssa. Kokemukset ja huomiot menetelmien soveltuvuudesta raportoidaan työn lopussa. Työn tavoitteena on kehittää osakomponentti web -pohjaiseen valvontajärjestelmään, jota on kehitetty Sähkötekniikan osastolla Lappeenrannan teknillisellä korkeakoululla.

Variable speed drive in fan system monitoring

Fan systems are responsible for approximately 10% of the electricity consumption in industrial and municipal sectors, and it has been found that there is energy-saving potential in these systems. To this end, variable speed drives (VSDs) are used to enhance the efficiency of fan systems. Usually, fan system operation is optimized based on measurements of the system, but there are seldom readily installed meters in the system that can be used for the purpose. Thus, sensorless methods are needed for the optimization of fan system operation. In this thesis, methods for the fan operating point estimation with a variable speed drive are studied and discussed. These methods can be used for the energy efficient control of the fan system without additional measurements. The operation of these methods is validated by laboratory measurements and data from an industrial fan system. In addition to their energy consumption, condition monitoring of fan systems is a key issue as fans are an integral part of various production processes. Fan system condition monitoring is usually carried out with vibration measurements, which again increase the system complexity. However, variable speed drives can already be used for pumping system condition monitoring. Therefore, it would add to the usability of a variablespeed- driven fan system if the variable speed drive could be used as a condition monitoring device. In this thesis, sensorless detection methods for three lifetime-reducing phenomena are suggested: these are detection of the fan contamination build-up, the correct rotational direction, and the fan surge. The methods use the variable speed drive monitoring and control options for the detection along with simple signal processing methods, such as power spectrum density estimates. The methods have been validated by laboratory measurements. The key finding of this doctoral thesis is that a variable speed drive can be used on its own as a monitoring and control device for the fan system energy efficiency, and it can also be used in the detection of certain lifetime-reducing phenomena.

Monitoring of centrifugal pump operation by a frequency converter

Centrifugal pumps are widely used in industrial and municipal applications, and they are an important end-use application of electric energy. However, in many cases centrifugal pumps operate with a significantly lower energy efficiency than they actually could, which typically has an increasing effect on the pump energy consumption and the resulting energy costs. Typical reasons for this are the incorrect dimensioning of the pumping system components and inefficiency of the applied pump control method. Besides the increase in energy costs, an inefficient operation may increase the risk of a pump failure and thereby the maintenance costs. In the worst case, a pump failure may lead to a process shutdown accruing additional costs. Nowadays, centrifugal pumps are often controlled by adjusting their rotational speed, which affects the resulting flow rate and output pressure of the pumped fluid. Typically, the speed control is realised with a frequency converter that allows the control of the rotational speed of an induction motor. Since a frequency converter can estimate the motor rotational speed and shaft torque without external measurement sensors on the motor shaft, it also allows the development and use of sensorless methods for the estimation of the pump operation. Still today, the monitoring of pump operation is based on additional measurements and visual check-ups, which may not be applicable to determine the energy efficiency of the pump operation. This doctoral thesis concentrates on the methods that allow the use of a frequency converter as a monitoring and analysis device for a centrifugal pump. Firstly, the determination of energy-efficiency- and reliability-based limits for the recommendable operating region of a variable-speed-driven centrifugal pump is discussed with a case study for the laboratory pumping system. Then, three model-based estimation methods for the pump operating location are studied, and their accuracy is determined by laboratory tests. In addition, a novel method to detect the occurrence of cavitation or flow recirculation in a centrifugal pump by a frequency converter is introduced. Its sensitivity compared with known cavitation detection methods is evaluated, and its applicability is verified by laboratory measurements for three different pumps and by using two different frequency converters. The main focus of this thesis is on the radial flow end-suction centrifugal pumps, but the studied methods can also be feasible with mixed and axial flow centrifugal pumps, if allowed by their characteristics.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Radio-frequency-based measurement methods for bearing current analysis in induction motors

The most common reason for a low-voltage induction motor breakdown is a bearing failure. Along with the increasing popularity of modern frequency converters, bearing failures have become the most important motor fault type. Conditions in which bearing currents are likely to occur are generated as a side effect of fast du/dt switching transients. Once present, different types of bearing currents can accelerate the mechanical wear of bearings by causing deformation of metal parts in the bearing and degradation of the lubricating oil properties.The bearing current phenomena are well known, and several bearing current measurement and mitigation methods have been proposed. Nevertheless, in order to develop more feasible methods to measure and mitigate bearing currents, better knowledge of the phenomena is required. When mechanical wear is caused by bearing currents, the resulting aging impact has to be monitored and dealt with. Moreover, because of the stepwise aging mechanism, periodically executed condition monitoring measurements have been found ineffective. Thus, there is a need for feasible bearing current measurement methods that can be applied in parallel with the normal operation of series production drive systems. In order to reach the objectives of feasibility and applicability, nonintrusive measurement methods are preferred. In this doctoral dissertation, the characteristics and conditions of bearings that are related to the occurrence of different kinds of bearing currents are studied. Further, the study introduces some nonintrusive radio-frequency-signal-based approaches to detect and measure parameters that are associated with the accelerated bearing wear caused by bearing currents.