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8/3/2019 Sistema Especialista Baseado em Regras de Anlise de
Vibrao para Auxlio Tomada de Deciso na Operao de
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VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECNICAVI NATIONAL CONGRESS
OF MECHANICAL ENGINEERING
18 a 21 de agosto de 2010 Campina Grande Paraba - BrasilAugust
18 21, 2010 Campina Grande Paraba Brazil
SISTEMA ESPECIALISTA BASEADO EM REGRAS DE ANLISE DEVIBRAO PARA
AUXLIO TOMADA DE DECISO NA OPERAO
DE BOMBAS CENTRFUGAS
Antonio Almeida Silva, [email protected] 1Diego Charles da
Silva Basilio, [email protected] 1
Marcos Antonio da Silva Irmo, [email protected] 2
1 Universidade Federal de Campina Grande - UFCG, Av. Aprgio
Veloso, 882, Bloco BJ, Bodocong, 58429-900 Campina GrandePB2
Universidade Federal do Vale do So Francisco UNIVASF, Av. Antonio
Carlos Magalhes, 510, Santo Antnio,48902-300JuazeiroBA
Resumo:Este trabalho tem como objetivo apresentar um Sistema
Especialista (SE) baseado em regras de anlise de
vibrao para auxlio tomada deciso, visando o monitoramento e
diagnstico de falhas, durante a operao emanuteno de bombas
centrfugas. Para o desenvolvimento do SE foi adotada a arquitetura
Cliente/Servidor com a
utilizao de tecnologias para web applications, que o torna de
fcil manuteno e utilizao. Possui uma interface
que pode ser acessada atravs de um navegador de internet, onde o
operador, com um login e uma senha, dispe de
acesso restrito a um conjunto de ferramentas que possibilita, em
tempo real, verificar o estado operacional do
equipamento. Leituras obtidas com o auxlio de um sistema aquisio
de dados acoplado ao SE, permitem a
visualizao grfica dos nveis vibratrios de operao, espectros e
grficos de tendncia, bem como a manuteno de
uma base de dados do histrico de operao e intervenes como
recursos que complementam o processo de tomada
de deciso. O SE possui ainda um motor de inferncia que dispe de
um pacote de regras expansvel sob a forma de
recomendaes, baseadas em critrios de severidade de vibrao em
nveis global (domnio do tempo) e espectral
(domnio da freqncia). As recomendaes podem ser obtidas atravs de
consulta ao histrico de operao, anlise
de arquivos de dados ou de logs gerados pelo sistema de
monitoramento. Para avaliao do SE foram realizadostestes numa
bancada didtica, com os quais foi possvel constatar que este pode
se tornar uma ferramenta til no
auxlio s tarefas de monitoramento e diagnstico de falhas em
sistemas de bombeamento.
Palavras-chave: Sistema Especialista, Monitoramento e diagnstico
de falhas, Anlise de Vibrao, Bombas
Centrfugas.
1. INTRODUO
A anlise da vibrao pode ser utilizada como uma tcnica bastante
confivel para se determinar a condiooperacional de um sistema de
bombeamento. Aps se conhecer os parmetros do sistema atravs de
padres de vibrao(linha de base ou referncia), pode-se monitorar a
taxa de aumento da vibrao (tendncia) para determinar a
estabilidade operacional do sistema de bombeamento. Um aumento
significativo na vibrao significa que o sistemamudou sua condio
operacional, e poder est sujeita a uma interveno visando seu
retorno condio inicial defuncionamento.
O estabelecimento de modelos e regras a partir de parmetros
vibratrios possibilita o diagnstico de operao, e taldiagnstico visa
permitir a previso de panes ou funcionamento precrio da mquina e,
assim, contribuir decisivamentepara a otimizao de novos projetos e
das atividades de manuteno. Atualmente j existem vrias cartas e
grficos deseveridade de vibrao adotados por fabricantes e
especialistas em anlise de vibraes de mquinas rotativas, pormtodo
este conhecimento ainda no se encontra consolidado para
equipamentos e componentes especficos, como ocaso de bombas
centrfugas.
A aplicao de tais modelos e regras em um sistema computacional
que oferea uma interface amigvel,disponibilidade de acesso remoto e
um conjunto de ferramentas para monitoramento e processamento dos
sinais que soobtidos a partir de um sistema de aquisio prprio ou
coletores, pode tornar-se uma ferramenta adequada e prtica noque
diz respeito deteco e o diagnstico de falhas.
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V I Co n g re s s o Na c io n a l d e E n g e n h a r ia Me c n
ic a , 1 8 a 2 1 d e Ag o s to 2 0 1 0 , Ca mp in a Gra n d e - P a
ra b a
2. METODOLOGIA
2.1. Arquitetura do SE
A arquitetura de sistemas Cliente/Servidor possibilita a um
terminal Cliente a obteno de informaes execuo deaplicativos
hospedados em outra mquina o Servidor, desta forma reduz-se a carga
de processamento no Cliente ecentraliza a aplicao em uma nica
mquina facilitando as tarefas instalao e manuteno do aplicativo.
Os
aplicativos web basedso desenvolvidos baseados nesta
arquitetura, onde, se utilizando um navegador de internet, quepor
meio do protocolo HTTP pertencente arquitetura de comunicao TCP/IP,
o usurio acessa aos recursos doaplicativo hospedado em um servidor
web.
O modelo de desenvolvimento de software escolhido foi o de
diviso em camadas, o MVC ( Model ViewController), que permite uma
boa separao entre a lgica, os dados e a interface do sistema,
conforme apresentado naFigura 1.
Figura 1 - Diagrama de interao do SE
Em um esquema convencional de monitoramento o prottipo do SE
receberia dados de um servidor conectado aojoinbox atravs de uma
interface de aquisio desenvolvida utilizando-se a tecnologia da
National Instruments NILabView, conforme apresentado na Figura
2.
Figura 2 - Comunicao do SE com o sistema de monitoramento da
planta.
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2.2. Mdulo Controlador
A tecnologia JEE (Java Enterprise Edition) foi utilizada para a
concepo da lgica do servidor responsvel pelotratamento de
solicitaes do aplicativo cliente e acesso ao banco de dados
(Deitel, 2005). O SE est basicamentedividido em 3 mdulos: o
Controlador, o Monitor e o Diagnstico. Todo o sistema hospedado em
um Servidor WebApache Tomcat, um Container Web para execuo de
aplicaes em JEE. A Figura 1 apresenta um esquema de comoas camadas
do SE interagem entre si.
O mdulo Controlador possui os mtodos para insero e alterao de
informaes no banco de dados pelo usurio
do SE, tais informaes so necessrias para a configurao do
sistema, catlogo de equipamentos, gesto do histricode operao e
administrao de usurios. Para o desenvolvimento do banco de dados
utilizou-se o MySQL um SGDB(Sistema de Gerenciamento de Banco de
Dados).
2.2.1. Cadastro de Equipamentos
Para possibilitar ao SE o reconhecimento de diversos tipos de
bombas centrfugas, este dispe de um gerenciador deequipamentos
responsvel pela manipulao do cadastro de equipamentos.
Alm de possibilitar o reconhecimento do equipamento para
monitoramento e diagnstico, os dados armazenadosfuncionam como um
catlogo de componentes, pois informaes como tipo de rolamento,
rotor e mancal soespecificados durante o cadastramento, desta forma
em caso de falha ou defeito a identificao do componente a
sersubstitudo poder ser feita atravs de uma consulta aos dados do
equipamento.
O SE possui uma interface para cadastro de dois tipos de bombas:
bomba centrfuga vertical e bomba centrfuga
horizontal; atravs desta interface possvel a parametrizao dos
limites de operao nos nveis: normal, alarme edesarme; especificaes
como a freqncia de operao, nmero de elementos rolantes e tipo dos
rolamentos,quantidade de ps do rotor entre outras informaes que
sero utilizadas durante o processo de gerao de diagnstico.
O SE foi concebido inicialmente contendo uma rota bsica de
monitoramento com sensores de vibrao localizadosnos mancais prximo
ao motor (PM) e prximo ao rotor (PR) nas direes horizontal (x) e
vertical (y), bem comosensores de medidas de temperatura do leo no
suporte do mancal e nos rolamentos (PM e PR), temperatura de
entradae sada do fludo e medidas de presso de recalque. Podemos
observar na Figura 3(a) o esquema de monitoramento e naFigura 3(b)
o formulrio para cadastro de equipamentos.
(a) (b)
Figura 3 - Esquema de medio baseado no modelo de monitoramento
do SE (a), Formulrio para Cadastro deEquipamentos (b).
2.2.2. Alterao do Cadastro de Sensores
O SE permite dois modos de entrada de dados para verificao do
estado operacional dos equipamentos: o on-lineque corresponde
leitura em banco de dados alimentado por um sistema de aquisio e o
off-line alimentado porarquivos no padro ASCII, a partir de um
formulrio de dados. Na Figura 4 podemos observar a interface
paraconfigurao dos sensores, no estgio atual o SE ainda no
possibilita alterar as configuraes deste modelo demonitoramento,
apenas por questes de adaptao a planta de simulao e testes, porm o
SE permite a alterao da Tagdo Sensor, e esta Tag utilizada para
identificar o sensor por toda a interface do sistema.
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Figura 4 - Formulrio para gerenciamento dos sensores.
A configurao dos sensores de fundamental importncia, pois atravs
da sua descrio e da Tag o usurio dosistema poder identificar-lo ao
resgatar o histrico, solicitar inferncias e visualizao grfica das
amostras.
2.3. Mdulo de Diagnstico
O mdulo de Diagnstico responsvel pelo gerenciamento das regras
do SE. Para implementao do mdulo dediagnstico utilizou-se o JESS (
Java Expert System Shell) uma linguagem interpretada, caracterizada
por suaextensibilidade, ou seja, possibilidade de adio de recursos
escritos na linguagem Java e por possuir um motor deinferncia que
utiliza um Rete Algorithm (Friedman-Hill, 2003) um algoritmo
eficiente para o desenvolvimento desistemas baseados em regras de
produo.
As regras de diagnstico foram elaboradas a partir de tcnicas
conhecidas de anlise a nvel global e espectral dossinais de vibrao,
e consistem em um conjunto de recomendaes sobre o estado vibratrio
de equipamentos rotativose bombas centrfugas do tipo vertical e
horizontal. Na Tabela apresenta-se um critrio para anlise global de
diversostipos de bombas centrfugas e na Tabela outro critrio para
anlise do espectro de velocidades em vrias faixas defreqncia
(Instronic, 2000).
Tabela 1 - Nveis globais de vibrao de alarme e ateno para
diversos tipos de bombas centrfugas
Tabela 2 - Diviso do espetro de velocidade em faixas de
frequncia (Instronic, 2000).
Atravs da ativao do motor de inferncia este mdulo retorna um
diagnstico em formato de texto sob a forma derecomendaes sobre o
estado de vibrao do equipamento.
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2.4. Mdulo de Monitoramento
Este mdulo atende exclusivamente a solicitaes do painel de
monitoramento, onde a cada solicitao realizada aanlise das amostras
disponveis no Servidor de Dados. O monitoramento age nas camadas 1,
2 e 3 do modelo decamadas apresentados na Figura 5, a seguir, o que
torna o monitoramento parte do processo de diagnstico. Para tornara
aplicao web responsiva, reduzir a latncia e o uso da largura de
banda utilizou-se o AJAX (Assincronous JavaScript and XML), pois
com esta tecnologia possvel transferir via HTTP sob marcao em XML
dados seminformao de apresentao, ou seja, sem marcao HTML e CSS. No
lado cliente estes dados so processados para
apresentao.
3. O DIAGNSTICO
Como dito anteriormente o processo de diagnstico inicia-se ainda
durante o processamento da amostra e este segueo modelo de camadas
apresentado na Figura 5. Este modelo possibilita acoplar o SE a
qualquer meio de aquisio dedados, pois independe da forma de
aquisio por atuar a partir dos valores numricos disponibilizados
pelos coletores/Servidor Dados de aquisio.
Figura 5 - Camadas de diagnstico do SE.
3.1. Processamento da Amostra
Esta camada atua realizando clculos de RMS e valores de pico nas
amostras de vibrao, a partir de informaescomo a taxa de amostragem
e tamanho da amostra. Estes valores so armazenados em uma tabela
especfica do bancode dados para a realizao da monitorao de
condio.
3.2. Monitorao de Condio
A monitorao de condio realizada por meio de comparaes dos
valores de RMS obtidos pelo processamentoda amostra com os
parmetros de operao especficos do equipamento sob monitoramento ou
sob avaliao por meiodo diagnstico off-line, caso sejam
identificados valores acima dos limites normais o monitor de condio
realizar oregistro de um log de operao no banco de dados.
3.3. Avaliao do estado ou condio
Na avaliao do estado do equipamento o log de operao gravado pelo
monitor de condio sinalizado, estasinalizao consiste em uma
classificao numrica das leituras de acordo com os nveis de operao e
so utilizadaspelas interfaces de monitoramento, diagnstico e
consulta ao histrico de operao para escolha do formato deapresentao
dos dados. Na Figura 6 podemos verificar as formas de apresentao
baseadas na sinalizao do log.
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(a) (b)
Figura 6 - Sinalizao das leituras realizada no painel de
monitoramento (a), e na janela de detalhes (b).
3.4. Recomendaes e prognstico
A ltima camada do processo de diagnstico responsvel pela ativao
do JESS. As recomendaes so obtidasatravs do formulrio de diagnstico
apresentado na Figura 7(b), este formulrio pode ser acessado ao
clicar com omouse sobre um log de operao no painel de monitoramento
- Figura 6(a), em uma linha de registro no formulrio deconsulta ao
histrico de operao - Figura 7(a). O formulrio de diagnstico tambm
ser exibido como ltima janela doprocesso de avaliao das amostras em
arquivo ao utilizar o recurso de diagnstico off-line.
As regras especficas ao tipo de equipamento sob avaliao so
carregadas para a memria do JESS juntamentecom os dados armazenados
no log de operao, em seguida realizada a inferncia.
(a) (b)Figura 7 - Formulrio de consulta ao histrico de operao
(a), e formulrio de diagnstico (b).
4. RESULTADOS E DISCUSSO
Para verificao do comportamento do SE foram utilizadas amostras
de sinais de vibrao coletados numa bancadade testes com um coletor
da CSI, em vrias situaes de falhas simuladas (desbalanceamento,
folga na base, falta deleo no mancal, etc.) e submetidas ao
diagnstico off-line. A Figura 8 mostra a bancada de testes
instalada noLaboratrio de Hidrulica da UAEM/UFCG. Nesta utiliza-se
uma bomba centrfuga radial, com acionamento por motoreltrico de 2
CV de potncia, operando a 1750 rpm. O sistema tem uma capacidade de
bombeamento de at 20 m3/hpara uma altura manomtrica de 1 m, podendo
chegar a 20 m de coluna de liquido. O sistema opera bombeando gua
noqual est acoplado a um reservatrio com capacidade de 1.000 litros
em modo contnuo de recirculao (Silva et al,2007). importante
lembrar que o equipamento deve estar previamente cadastrado no
banco de dados e seus nveis deoperao devidamente
parametrizados.
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Figura 8 - Bancada de testes utilizada para simulao de
falhas.
4.1. Estudo de Caso: Desbalanceamento
Uma amostra coletada com o equipamento simulando
desbalanceamento foi submetida ao SE. O resultado daanlise exibido
pelo formulrio de diagnstico encontra-se na Figura 9, onde pode-se
verificar na seo ValoresRegistrados a sinalizao de anormalidades
nos nveis de vibrao medido pelos sensores nos pontos PMx e PMy.
(a) (b)Figura 9 - Formulrios de Diagnstico.
4.1.1. Anlise GlobalAo pressionar o boto Analisar na guia Anlise
Global o mdulo de diagnstico efetua inferncia nos valores
aplicando as regras para anlise global. Conforme destacado na
Figura 9(a) obtem-se a recomendao de paradaimediata devido ao alto
nvel de RMS medido no sensor no ponto PMx do equipamento, onde
observa-se tambm que ovalor RMS calculado foi sinalizado como nvel
crtico mximo representado pela exclamao em vermelho, estasinalizao
estabelecida pela comparao do RMS com os nveis de operao
cadastrados no banco de dados, e esteresultado confirma a coerncia
entre a recomendao dada pelas regras com a avaliao da condio dada
pelosparmetros de operao. O resultado da anlise foi semelhante para
os valores medidos no ponto PMy do equipamento.
4.1.2. Anlise Espectral
Na guia Analise Espectral pode-se solicitar ao SE que utilize
seu banco de regras de anlise de espectro para
verificar o estado de operao registrado, o resultado da anlise
pode ser observado na Figura 9(b). Ao identificar umnvel de perigo
na medida de pico de vibrao na Banda de Freqncia 1 do espectro o SE
executa com sucesso maisuma etapa de identificao da falha.
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4.1.3. Visualizao Grfica
O SE possui um motor grfico que com auxlio de implementaes de
mtodos matemticos computacionais (FFT,Tendncia, AVG), entre outros,
possibilita a visualizao dos dados sob a forma de grficos no domnio
do tempo e nodomnio da freqncia (espectros).
O Formulrio de diagnstico exibido na Figura 9 possui uma barra
de menus com a opo Grficos nestapodemos escolher entre as
visualizaes de Sinal Temporal, Espectro em Frequncia e AVG. Os
grficos do SinalTemporal e Espectro em Frequncia para a amostra so
exibidos na Figura 10.
(a) (b)Figura 10 - Sinal Temporal (a), e Espectro em Frequncia
(b).
Para o caso de desbalanceamento simulado a freqncia
caracterstica (1xfr), onde fr representa a freqncia derotao (Hz)
(Almeida et al., 2003). O motor grfico do SE possibilita inmeras
opes de visualizao e resoluo,
para a exibio do espectro da Figura 10(b), onde foram escolhidas
as opes de visualizao: Bandas de Frequncia,Nvel de Alarme Global e
Mltiplos da Freqncia de Operao.Pode-se observar precisamente uma
marca de grande amplitude que coincide com o mltiplo da freqncia
de
operao que corresponde a 1xfr, e este resultado confirma a
ocorrncia de desbalanceamento da mquina.
5. CONCLUSES
O desenvolvimento de um sistema especialista baseado em regras
de anlise de vibrao para auxlio tomada dedeciso na operao de bombas
centrfugas alcanou seu objetivo inicial de proporcionar uma
ferramenta eficiente nosprocessos de monitoramento, anlise e
recomendao sobre o estado de operao do equipamento. Para os testes
desimulao realizados, e o seu banco de regras e anlise dos grficos
gerados, os resultados se mostraram coerentes comas tcnicas de
anlise de vibrao aplicadas.
A utilizao das tecnologias para desenvolvimento para web
possibilitou o desenvolvimento de uma interface rica e
portvel, capaz de disponibilizar um conjunto de ferramentas de
fcil utilizao e manuteno. Numa fase posteriorpretende-se aplicar o
SE em situaes reais de funcionamento para consolidar as regras j
implementadas e gerar novasregras de diagnsticos e prognsticos.
Os resultados confirmam a potencialidade do sistema em tornar-se
uma ferramenta indispensvel para auxlio tomada de deciso,
especialmente num ambiente onde se faz necessrio acompanhar uma
planta composta de vriasmquinas operando em regime e condies
diferenciadas.
6. AGRADECIMENTOS
Ao apoio financeiro ao projeto de P&D 0007 (Termopernambuco
ANEEL) por meio da Fundao ParqueTecnolgico da Paraba - PaqTcPB
atravs dos auxlios financeiros concedidos para melhoria da
infra-estrutura dosLaboratrios de Mecnica Computacional da Unidade
Acadmica de Engenharia Mecnica UFCG e bolsas depesquisa.
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7. REFERNCIAS
ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas. NBR 10.082, 1985,
Vibrao mecnica de mquinas comvelocidades de operao de 600 a 12000
rpm.
Almeida, M.T.; Vale; F.R., 2003, Anlise de vibraes no conjunto
motor-bomba centrfuga. Instituto MTA.Arato Jr., A., 2004, Manuteno
Preditiva Usando Anlise de Vibraes, Barueri, SP: Manole.Deitel,
H.M.; Paul J., 2005, Java Como programar. 6a edio. So Paulo:
Pearson, p. 1110.Friedman-Hill, E., 2003, Jess in Action:
Rule-based Systems in Java, Manning Publication.
Crane, D.; Pascarello, E.; James, D., 2007, Ajax em Ao, So
Paulo, SP: Pearson Prentice Hall.Instronic, 2000, Apostilha de
Treinamento Avanado - Introduo tecnologia de vibrao. Instrumentos
de TestesLtda.
Silva, A.A., 2007, Desenvolvimento de Sistema Especialista para
o Monitoramento e Diagnstico de Falhas emBombas de gua de Alimentao
de Uma Usina Termoeltrica, Relatrios Tcnicos N 9, 11 e 12,
UFCG.
8. Direitos Autorais
Os autores so os nicos responsveis pelo contedo do material
impresso includo no seu trabalho.
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RULE-BASED EXPERT SYSTEM IN VIBRATION ANALYSIS FORDECISION
SUPPORT ABOUT CENTRIFUGAL PUMPS OPERATION
Antonio Almeida Silva, [email protected] 1Diego Charles da
Silva Basilio, [email protected] 1
Marcos Antonio da Silva Irmo, [email protected] 2
1 Universidade Federal de Campina Grande - UFCG, Av. Aprgio
Veloso, 882, Bloco BJ, Bodocong, 58429-900 Campina GrandePB2
Universidade Federal do Vale do So Francisco UNIVASF, Av. Antonio
Carlos Magalhes, 510, Santo Antnio,48902-300JuazeiroBA
Abstract: The purpose of this work is to present a rule-based
expert system (ES) in vibration analysis for monitoring
and fails diagnose about centrifugal pumps operation. For ES
development went adopted the Client/Server softwarearchitecture
with use of the web applications technologies, that they make
possible the easy maintenance and use, its
interface can be had access through an Internet navigator. Your
tools set access is restricted by login and user
password and making possible to visualize and to analyze the
equipment operation state. Samples gotten acquired with
the aid of a data acquisition system connected to ES, can be
visualized in graphical operation vibratory levels, graphs
of trend, specters and the maintenance of the database operation
description is resources that complement the decision
taking process. The ES has a expandable rules package in
recommendations format about global(time domain) and
spectral (frequency domain) vibrational analysis. To SE
efficiency verify, tests went realized using samples of an
equipment of tests with which it was possible to evidence that
ES it can becomes a useful tool for monitoring and fails
diagnose tasks assistance.
Keywords: Expert System, Monitoring and fails dianogse,
Vibration Analysis, Centrifugal Pumps.
1. RESPONSIBILITY NOTICE
The authors are the only responsible for the printed material
included in this paper.
