BR102013008643A2 - Sistema inteligente não invasivo para monitoramento e controle de máquinas elétricas - Google Patents

Abstract

SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS. Que consiste em um sistema computacional dedicado ao monitoramento e controle de MÁQUINAS ELÉTRICAS de forma não invasiva, autônoma e com capacidade de comunicação com estações de controle e monitoramento remotas. O sistema é capaz de disponibilizar várias informações sobre a máquina no qual está instalado (ex: torque no eixo, velocidade de rotação, eficiência energética, consumo elétrico, fator de potência, fluxo magnético, corrente elétrica, perdas elétricas e mecânicas), utilizando sensores naõ invasivos e por meio de técnicas de estimação e inteligência artificial. Essas informações podem ser transmitidas para estações de monitoramento remotas ou podem ser utilizadas para realização de controle, permitindo otimizar vários aspectos na operação dos máquinas elétricas. Todo o processo de aquisição, estimação e controle é feito de forma autônoma pelo sistema. Esse sistema pode ser utilizado para a formação de um sistema distribuído para monitoramento e controle de máquinas elétricas ou ser aplicado individualmente no diagnóstico e avaliação de máquinas elétricas em industriais ou linhas de produção. A partir da utilização do sistema, pode-se monitorar a operação de máquinas elétricas em tempo real, evitar ou detectar avarias, bem como aumentar a eficiência energética das mesmas.

Description

SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS A presente invenção se refere a um sistema computacional inteligente para monitoramento e controle de máquinas elétricas. O sistema é composto por sensores não invasivos, unidades de processamento, atuadores e transceptores, os quais possibilitam a aquisição de dados, o processamento para estimação de informações úteis sobre a operação de máquinas elétricas(ex: torque no eixo, velocidade de rotação, eficiência energética, consumo elétrico, fator de potência, fluxo magnético, corrente elétrica, perdas elétricas e mecânicas), a realização de controle para correção de falhas e otimização de vários aspectos na operação das máquinas elétricas e a transmissão de informações para sistemas remotos de monitoramento e controle. O sistema pode ser utilizado de forma isolada, sendo instalado em máquinas elétricas presentes em indústrias, em bancadas experimentais, bem como em linhas de produção de máquinas elétricas para avaliação da qualidade desses equipamentos produzidos. Também existe a possibilidade de integração de vários sistemas, formando um sistema distribuído para monitoramento remoto e controle de diversas máquinas em simultâneo e em tempo real.

Todo o processo de aquisição, estimação e controle é feito de forma autônoma pelo sistema. Devido à característica não invasiva do sistema, ele pode ser instalado em máquinas elétricas com intervenção mínima à operação dos mesmos. A partir da utilização do sistema, pode-se monitorar a operação de máquinas elétricas em tempo real, evitar ou detectar avarias, bem como aumentar a eficiência energética das mesmas.

Em ambientes industriais, sistemas mecânicos que utilizam máquinas elétricas são utilizados na maioria dos processos de produção e consomem boa parte da energia utilizada nesse setor. Entre as grandezas que podem ser monitoradas em máquinas elétricas, torque é uma das principais. Em vários setores industriais medidas de torque permitem identificar falhas em equipamentos, o que torna seu monitoramento essencial para evitar desastres em processos de produção críticos, como ocorre, por exemplo, em indústrias de óleo e gás, e álcool.

Outra grandeza de grande importância é a eficiência de operação. Como as máquinas elétricas são responsáveis por boa parte do consumo de energia no setor industrial, obter dados sobre a sua eficiência permite identificar aquelas que estão consumindo mais energia que o necessário para realizar determinada operação; ou seja, estão operando com baixa eficiência. Dessa forma, pode-se realizar a substituição dessas máquinas, diminuindo o consumo ou aumentando a eficiência de geração de energia, e com um rápido retorno de investimento.

Outros métodos de diagnóstico de falhas em máquinas elétricas podem também ser empregados, como métodos baseados em análise de assinatura do sinal da corrente (no caso dos motores), os quais verificam variações em sinais de tensão e corrente, com o objetivo de relacionar as características da assinatura com condições mecânicas e elétricas, além de métodos baseados na análise de vibração, utilizando acelerômetros, os quais são baseados em parâmetros como deslocamento, velocidade e aceleração para detecção de falhas.

No estado da arte e no estado da técnica existem diversas soluções para monitoramento de torque, medição de velocidade e diagnóstico de falhas em máquinas elétricas. No entanto, a maioria dos métodos são baseados em técnicas de medição invasivas, considerando que é necessário acoplar o instrumento de medição entre a máquina e a carga. Além disso, algumas dessas técnicas ainda apresentam sérios desafios operacionais. A originalidade do presente pedido pode ser analisada por meio da comparação entre tecnologias fruto de pesquisas acadêmicas (estado da arte) e a comparação com o que existe no mercado. A seguir são citadas algumas das características do sistema descrito nesse documento que não estão presentes como um todo em produtos/sistemas oferecidos no mercado e na literatura, a. Não-invasividade (possibilidade de instalação com a máquina em operação); b. sistema com capacidade de comunicação cabeada e sem fio, formando um sistema distribuído inteligente, capaz de monitorar dezenas de máquinas simultaneamente, sem a necessidade de uma estação central de processamento; c. Medida de torque dinâmico (a grande maioria dos torquímetros disponíveis medem apenas o torque de estado estacionário, negligenciando falhas devido a surtos); d. Medida da eficiência sob variação de carga (transiente); e. Informações obtidas em tempo real; f. Diagnóstico de falhas, surtos de torque e estimativa da eficiência.; g. aplicação de técnicas de estimação inteligentes, as quais combinam medidas provenientes de diversos sensores para otimizar a estimação dos parâmetros e o diagnóstico de falhas. Os itens (a), (b) e (e) geralmente são encontrados em produtos oferecidos no mercado para medida do consumo e alguns diagnósticos energéticos, porém não contemplam os demais itens. As medidas da eficiência e do torque e o diagnóstico de falhas em tempo real, com máquinas elétricas em operação e formando um sistema distribuído (com possibilidade de comunicação sem fio), são temas de uma complexidade maior e exigem uma aplicação imediata de pesquisas recentes realizadas nestas áreas.

Como já mencionado, o sistema descrito nesse pedido de patente faz uso de sensores não invasivos para estimação de informações importantes de máquinas. Por exemplo, pode-se realizar medições de corrente e tensão, utilizando sensores não invasivos, bem como medidas de vibrações, por meio de acelerômetros. Outros sensores podem ser empregados, como sensores não invasivos para medição de velocidade. No entanto, apenas utilizando dados de corrente, tensão e vibração, o sistema deve ser capaz de estimar diversos valores de interesse, como torque, eficiência, velocidade e realizar o diagnóstico de falhas. Além disso, visando otimizar o diagnóstico de falhas e o controle para otimização na operação, todas as medições podem ser combinadas, de modo a realizar um amplo diagnóstico do motor, empregando técnicas de inteligência artificial.

Graças à realização local de todo o processo de estimação e controle pelo sistema, ele é capaz de funcionar sem o intermédio de qualquer estação central de monitoramento e controle. Caso seja de interesse realizar a transmissão de dados de monitoramento e controle entre o sistema e alguma estação central de monitoramento, pode-se utilizar as interfaces de comunicação (cabeada ou sem fio) do sistema. No entanto, é importante notar que, mesmo que haja falha no meio de comunicação ou falha na central de monitoramento, o sistema é capaz de continuar a operar normalmente de forma autônoma realizando o monitoramento e controle de máquinas elétricas. A capacidade de estimar localmente todos os parâmetros de interesse também ajuda a mitigar problemas de falta de confiabilidade e restrições de recursos das redes de comunicação. Isso é especialmente importante quando se trata de redes sem fio, principalmente em ambientes que apresentam alto nível de interferência, como o industrial. A invenção é mais bem visualizada nos desenhos que acompanham e integram o presente relatório mostrando sua realização preferida de modo meramente ilustrativo sem nenhum caráter restritivo, nas quais: A figura 1 é uma representação em diagrama de blocos do sistema inteligente de monitoramento e controle de máquinas elétricas (SIMCM). A figura 2 ilustra a formação de um sistema distribuído formado por vários SIMCM conectados a uma estação central de monitoramento e controle.

Na figura 1, podemos observar os sensores(l) e atuadores(2) instalados de forma não invasiva na máquina. A instalação de sensores e atuadores deve acontecer preferencialmente sem necessitar realizar a parada na operação da máquina. Os sensores(l) e atuadores(2) são conectados à interface de entrada/saída do SIMCM(3), a qual vai conter os componentes de hardware necessários para ajustar os sinais de entrada e saída de modo que eles possam ser lidos corretamente pelo módulo de aquisição e estimação(4) e pelos atuadores(2), no caso da realização de controle.

Ainda na figura 1, o módulo de aquisição e estimação(3) realiza a aquisição dos dados provenientes dos sensores e executa os algoritmos necessários para estimar os parâmetros de interesse (ex: torque no eixo, velocidade de rotação, eficiência energética, consumo elétrico, fator de potência, fluxo magnético, corrente elétrica, perdas elétricas e mecânicas) e para realizar o diagnóstico de falhas elétricas e mecânicas. Todos as informações e diagnósticos podem ser obtidos a partir do módulo, utilizando dados lidos a partir de sensores não invasivos de corrente, tensão e acelerômetros. No entanto, outros sensores auxiliares podem ser eventualmente incluídos. O SIMCM pode tanto funcionar apenas para fins de monitoramento, como também pode-se realizar controle por meio do mesmo. No caso da realização de controle, na figura 1 podemos ver o módulo de controle(5), o qual recebe informações 4 do módulo de aquisição e estimação e, baseados nas informações recebidas, pode atuar no motor, por meio dos atuadores(2). Ainda na figura 1 podemos ver o módulo de transmissão(ó). Esse módulo é composto por componentes de hardware e software que permitem a comunicação do SIMCM com outros sistemas, como um sistema central de monitoramento e controle. O módulo de comunicação é híbrido, permitindo comunicação por meio de redes cabcadas e/ou por meio de redes sem fio. Por meio do módulo de transmissão, informações podem ser transmitidas e comandos de controle podem ser recebidos pelo SIMCM. O SIMCM pode ser instalado individualmente em bancadas experimentais para avaliação de máquinas elétricas ou pode ser incluído na linha de montagem dessas máquinas, para permitir uma avaliação em tempo real, durante a fabricação, melhorando o controle de qualidade das máquinas produzidas. Isso apenas é possível devido à característica não invasiva do sistema. A figura 2 mostra um segundo exemplo de utilização do SIMCM. No caso, um conjunto de sistemas são instalados em máquinas(7) em um mesmo ambiente, para monitoramento em tempo real e em simultâneo das diversas máquinas. Todos os SIMCM utilizam uma infraestrutura de comunicação para realização da comunicação com uma unidade central de monitoramento e controle(2). No caso de utilização de redes sem fio, todos os sistemas SIMCM podem compartilhar o mesmo meio físico de comunicação e podem formar uma rede de sensores/atuadores sem fio, trabalhando de forma colaborativa, permitindo a comunicação a grandes distâncias, por meio de roteamento, no caso de algum dos SIMCM não possuir alcance de comunicação direto com a estação central(2).

Claims (5)

1 - SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS , utilizando para tal fim sensores(l) e técnicas de estimação não invasivos, de monitoramento de máquinas elétricas, CARACTERIZADO POR realizar o monitoramento de diversas grandezas e diagnóstico de falhas de máquinas elétricas por meio de um módulo de aquisição e estimação(4) que implementa técnicas de estimação não invasivas ou parcialmente não invasivas e/ou de inteligência artificial, por meio de valores adquiridos de sensores não invasivos(2) instalados nas máquinas elétricas, onde as informações podem ser transmitidas para estações remotas utilizando um módulo de transmissão(ó) que permite a transmissão dos dados utilizando redes cabeadas ou sem fio.

2 - SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser capaz de utilizar as informações geradas pelo módulo de aquisição e estimação(4) para realização de controle, por meio de um módulo de controle(5), o qual é capaz de gerar comandos para atuadores instalados nas máquinas, visando otimizar a operação das mesmas ou fazer com que a máquina opere com parâmetros definidos pelo usuário.

3 - SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de poder ser instalado em bancadas experimentais e em linhas de produção de máquinas elétricas de maneira não invasiva ou parcialmente não invasiva.

4 - SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS, de acordo com a reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de poder ser implantado como um sistema distribuído colaborativo(7) para monitoramento e controle de diversas máquinas elétricas em tempo real e em simultâneo, com possibilidade de comunicação sem fio ou cabeada com unidades centrais de monitoramento e controle(8).

5 - SISTEMA INTELIGENTE NÃO INVASIVO PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE MÁQUINAS ELÉTRICAS, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de poder ser incorporado a máquinas elétricas, ainda no processo de fabricação das mesmas, permitindo a sua integração a uma central de monitoramento e controle(2) por comunicação sem fio ou cabeada.