Diagnóstico de avarias em máquinas rotativas utilizando a análise de órbitas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Perfil Manutenção e Produção

Metodologia para otimização da manutenção

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia da Manutenção

On-line system for faults detection in induction motors based on PCA

Dissertation to obtain the degree of Master in Electrical and Computer Engineering

Sistema de predição de avarias em máquinas de unidades fabris globalmente dispersas

Tese de Doutoramento Ramo Engenharia Industrial e de Sistemas

Evaluation of a Bridge Constructed using High Performance Steel, May 2006

Of the approximately 25,000 bridges in Iowa, 28% are classified as structurally deficient, functionally obsolete, or both. Because many Iowa bridges require repair or replacement with a relatively limited funding base, there is a need to develop new bridge materials that may lead to longer life spans and reduced life-cycle costs. In addition, new and effective methods for determining the condition of structures are needed to identify when the useful life has expired or other maintenance is needed. Due to its unique alloy blend, high-performance steel (HPS) has been shown to have improved weldability, weathering capabilities, and fracture toughness than conventional structural steels. Since the development of HPS in the mid-1990s, numerous bridges using HPS girders have been constructed, and many have been economically built. The East 12th Street Bridge, which replaced a deteriorated box girder bridge, is Iowa’s first bridge constructed using HPS girders. The new structure is a two-span bridge that crosses I-235 in Des Moines, Iowa, providing one lane of traffic in each direction. A remote, continuous, fiber-optic based structural health monitoring (SHM) system for the bridge was developed using off-the-shelf technologies. In the system, sensors strategically located on the bridge collect raw strain data and then transfer the data via wireless communication to a gateway system at a nearby secure facility. The data are integrated and converted to text files before being uploaded automatically to a website that provides live strain data and a live video stream. A data storage/processing system at the Bridge Engineering Center in Ames, Iowa, permanently stores and processes the data files. Several processes are performed to check the overall system’s operation, eliminate temperature effects from the complete strain record, compute the global behavior of the bridge, and count strain cycles at the various sensor locations.

Automaattisen pakkauskoneen käyttövarmuuden varmentaminen

Työn tavoitteena oli selvittää ja varmistaa uuden pakkauskoneen riittävä käyttövarmuus. Käyttövarmuuden selvittämistä varten tutustuttiin käyttövarmuuden käsitteisiin jatunnuslukuihin, sekä selvitettiin kunnossapidon merkitystä käyttövarmuuteen. Pakkauskoneen käyttövarmuutta analysoitiin vikapuumallin avulla. Analysointia varten laadittu vikapuumalli koostuu 391 perustapahtumasta ja yhteensä 629 tapahtumasta. Käyttövarmuusanalyysi suoritettiin kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti. Analysointi painottuu kuitenkin kvantitatiiviseen simulointiin. Käyttövarmuusanalysoinnin apuna käytettiin simulointiohjelmaa. Käyttövarmuusvaatimukseksi asetettiin 99 % käytettävyys vuoden käyttöjakson aikana. Vikapuuanalyysin tuloksena saatiin arvio pakkauskoneen kokonaiskäytettävyydestä. Kokonaiskäytettävyydeksi muodostui 96,44 %, joka ei täytä käyttövarmuusvaatimusta. Yksittäisistä komponenttityypeistä epäluotettavimpia olivat liimalaitteiston ja paineilmajärjestelmän komponentit. Analysointityökalun avulla voitiin osoittaa käyttövarmuutta parantavien osatekijöiden vaikutukset saatuun kokonaiskäytettävyyteen. Käyttövarmuuteen voitiin vaikuttaa kunnossapidon avulla, lyhentämällä korjausaikaa ja varmentamalla komponentteja. Esitettyjen keinojen avulla käytettävyyttä on mahdollista nostaa n. 2,18 prosenttiyksikköä. Toimenpidesuositukset esitettiin saatujen tulosten ja työssä havainnoitujen asioiden perusteella. Käytettävyyden parantamiseksi ja varmistamiseksi suositetaan oikeanlaisia kunnossapitotoimenpiteitä, tehokkaan vikadiagnostiikan rakentamista sekä antureiden varmentamista. Käyttökunnonvalvonta suositetaan suoritettavaksi määräaikaistarkastuksina. Käyttökuntoa on aloitettava seuraamaan pidemmällä aikavälillä tapahtuvina häiriöraportointeina. Lisäksi tulevaisuudessa on vaadittava käyttövarmuustakuut toimittajilta laitehankintojen yhteydessä.

Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmissä esiintyvien dynaamisten ongelmien ratkaiseminen

Diplomityön tehtävänä oli tutkia paalinmuodostajassa esiintyvien vikojen aiheuttajia ja antaa mahdollinen korjausehdotus vian aiheuttajan poistamiseksi. Tämä työ jakaantuu kolmeen osa-alueeseen: 1. hydraulisen toiminnan selvittäminen, 2. mittausten tekeminen, tulosten tulkinta ja vikahistoriatietojen tarkasteleminen, 3. ongelmakohtien selvittäminen ja parannusehdotuksien esittäminen ongelmien ratkaisemiseksi. Diplomityön pohjana käytettiinpiirustuksia sekä CMT-Solutionin ja Metson tekemiä kunnonvalvontamittauksia. Patruunatekniikalla toteutetun hydraulijärjestelmän vian perussyytä etsittäessä onselvitettävä komponenttien ja järjestelmän toiminta kunnonvalvontamittausten avulla. Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmien tulisi olla toimivia, luotettaviaja taloudellisia. Hydraulijärjestelmässa käytettävien komponenttien tulisi ollamyös keskenään yhteensopivia, turvallisia ja luotettavia toiminnaltaan, helposti huollettavia sekä vaivattomasti saatavilla olevia. Komponenttien, joita mahdollisesti vaihdetaan on oltava yhteensopivia M-realin jo varastossa olevien komponenttien kanssa. Näin vältetään varastoon muodostumasta useita erilaisia komponenttiyhdistelmiä, jotka turhaan kuormittavat varastomääriä ja lisäävät sitoutuneenpääoman määrää. Työssäni pyrin myös parannusehdotuksia antaessani mahdollisimman yksinkertaiseen ja taloudelliseen ratkaisuun M-realin kannalta. Diplomityön tulosten pohjalta kokeiltiin muutamia muutoksia eri kohtiin hydraulijärjestelmässä. Osa alustavista muutoksista toteutettiin Metson ja STH-Service/Simo Suppasen toimesta. Nähtäväksi jää onko näillä toimenpiteillä ollut vaikutusta hydraulijärjestelmän luotettavuuteen.

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.

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.

Power line communication in motor cables of variable-speed electric drives − analysis and

Data transmission between an electric motor and a frequency converter is required in variablespeed electric drives because of sensors installed at the motor. Sensor information can be used for various useful applications to improve the system reliability and its properties. Traditionally, the communication medium is implemented by an additional cabling. However, the costs of the traditional method may be an obstacle to the wider application of data transmission between a motor and a frequency converter. In any case, a power cable is always installed between a motor and a frequency converter for power supply, and hence it may be applied as a communication medium for sensor level data. This thesis considers power line communication (PLC) in inverter-fed motor power cables. The motor cable is studied as a communication channel in the frequency band of 100 kHz−30 MHz. The communication channel and noise characteristics are described. All the individual components included in a variable-speed electric drive are presented in detail. A channel model is developed, and it is verified by measurements. A theoretical channel information capacity analysis is carried out to estimate the opportunities of a communication medium. Suitable communication and forward error correction (FEC) methods are suggested. A general method to implement a broadband and Ethernet-based communication medium between a motor and a frequency converter is proposed. A coupling interface is also developed that allows to install the communication device safely to a three-phase inverter-fed motor power cable. Practical tests are carried out, and the results are analyzed. Possible applications for the proposed method are presented. A speed feedback motor control application is verified in detail by simulations and laboratory tests because of restrictions for the delay in the feedback loop caused by PLC. Other possible applications are discussed at a more general level.

Kunnonvalvonnan uudelleen organisointi

Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella nykyinen kunnonvalvonnan toimintomalli Eforan kunnossapitopaikkakunnilla. Tarkastelun pohjalta tutkimuksessa organisoidaan kunnonvalvonta uudelleen näissä kohteissa. Kohteena ovat Eforan paikkakunnat Heinola, Imatra, Oulu, Varkaus, Veitsiluoto is Uimaharju. Teoriaosiossa käsitellään strategista johtamista yrityksen perustamisen näkökulmasta, Perustamista lähestytään myös analyysien kautta, sekä organisaation liiketoimintamallien ja prosessien kautta. Empiirisessä osiossa tehtiin organisaation hahmottamisen kautta portfolio-analyysi, markkinatarkastelu is toimintasuunnitelma. Ne loivat perustan uudelleen organisoitumiselle. Osioon sisältyvät myös toiminnan käynnistämiseen, järjestäytymiseen, mittaamiseen, seurantaan ja raportointiin liittyvät toimet.

Painelaitteiden kunnonvalvonta ja kemikaaliputkistojen rakennuttaminen

Painelaitteet ja kemikaaliputkistot ovat yleisiä varsinkin kemian alan yrityksissä. Omista-jan ja haltijan on tiedettävä niihin liittyvä lainsäädäntö, ja osattava soveltaa niitä käytän-töön. Työssä on selvitetty painelaitteisiin ja kemikaaliputkistoihin liittyvän lainsäädännön olen-naisin sisältö. Nykyisin painelaitteiden määräaikaistarkastuksia voidaan korvata painelait-teen seurannalla ja kunnonvalvontajärjestelmällä. Mitä se käytännössä tarkoittaa, ja onko Suomessa mahdollisuutta kuinka laajasti hyödynnetty? On tärkeää tuntea painelaitteiden ja kemikaaliputkistojen vikaantumismekanismit ja kunnonvalvontamenetelmät, jotta yritys voi luoda omaan toimintaympäristöön soveltuvan kunnonvalvontajärjestelmän tai paine-laitteiden seurannan. On pyrittävä siihen, että ongelmat havaitaan, ennen kuin vaurio syn-tyy. Kunnonvalvontajärjestelmän luomiseen ja ylläpitoon voidaan hyödyntää painelaittei-den riskiperusteiseen kunnossapitoon ja tarkastukseen tarkoitettua menettelyä. Työssä on tarkemmin käyty läpi menettelyn sisältö. Kustannustehokkuus ja tuotantolaitteiden käytettävyys ovat nousseet tärkeiksi osa-alueiksi kilpailukyvyn takaamiseksi. Painelaitteiden tarkastuksista ja muista painelaitteisiin ja ke-mikaaliputkistoihin liittyvistä ennakkohuolloista syntyvät kustannukset ovat merkittäviä. Näihin kohdistuvia kustannussäästöjä voidaan saavuttaa monin keinoin huonontamatta kuitenkaan turvallisuutta. Työssä on selvitetty kohdeyrityksen painelaitteet ja kemikaali-putkistot. Lisäksi on käyty läpi nykyinen tarkastusjaksotus, keskeisimmät viat ja tarkastuk-siin liittyvää kustannushistoriaa. Lopputuloksena on syntynyt esiselvitys ja kemikaaliputkistojen hankkimista helpottavaa tietoa. Esiselvityksen avulla kohdeyritys voi yhdessä kunnossapitoyrityksen kanssa laatia strategian painelaitteiden kunnossapidolle ja tarkastuksille. Merkittäviä kustannussäästöjä on saavutettavissa ehdotetuilla jatkotoimenpiteillä, vaikka päädyttäisiin edelleen painelait-teiden tarkastuksien osalta noudattamaan olemassa olevaa käytäntöä.

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.

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.

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.