BR102019010492A2

BR102019010492A2 - Dispositivo iot para monitoramento de vibração e temperatura de equipamentos eletromecânicos, integrado a uma plataforma de monitoramento online inteligente capaz de predizer falhas via aprendizado de máquina

Info

Publication number: BR102019010492A2
Application number: BR102019010492-9A
Authority: BR
Inventors: Felipe Augusto Vitoriano
Original assignee: Felipe Augusto Vitoriano 09541727603
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-12-01

Abstract

dispositivo iot para monitoramento de vibração e temperatura de equipamentos eletromecânicos, integrado a uma plataforma de monitoramento online inteligente capaz de predizer falhas via aprendizado de máquina trata-se de um sistema de monitoramento inteligente da saúde de equipamentos eletromecânicos, capaz de predizer falhas por meio de um modelo de aprendizado de máquina. o sistema consiste em uma rede de sensores iot (internet of things) capazes de medir a vibração mecânica tridimensional e a temperatura do equipamento no qual é instalado. os sensores enviam os dados, em tempo-real, sem-fio, via protocolo específico, para uma plataforma online na nuvem, que possui uma interface web acessível em qualquer navegador. a plataforma possui um modelo de aprendizado de máquina por regras nebulosas que é capaz de aprender o estado normal de funcionamento do equipamento e disparar alarmes (via e-mail, sms, interface web, ou outros) em caso de desvios significativos, que podem indicar falhas. a interface também exibe uma série de gráficos relevantes, como histórico de temperatura, valores médios quadráticos dos sinais vibração, transformada de fourier da vibração, horímetro de funcionamento do equipamento, relatório de indicadores de manutenção (kpis) e de saúde do equipamento. o sistema é, portanto, uma potencial ferramenta para o auxílio na manutenção preditiva de equipamentos eletromecânicos.

Description

DISPOSITIVO IOT PARA MONITORAMENTO DE VIBRAÇÃO E TEMPERATURA DE EQUIPAMENTOS ELETROMECÂNICOS, INTEGRADO A UMA PLATAFORMA DE MONITORAMENTO ONLINE INTELIGENTE CAPAZ DE PREDIZER FALHAS VIA APRENDIZADO DE MÁQUINA

CAMPO DA INVENÇÃO

[01] O monitoramento de vibração e temperatura de equipamentos eletromecânicos - muito comuns em indústrias em geral (motores elétricos, caixas de redução, rolamentos, mancais, etc) - é de extrema importância para a manutenção adequada destes ativos.

[02] Através da vibração e temperatura, é possível identificar, por exemplo, problemas como desbalanceamento de carga, desalinhamento de eixo, desgaste de elementos mecânicos, estresse elétrico (no caso de motores) e demais fatores críticos à saúde dos equipamentos. Esta invenção corresponde a um dispositivo-sensor no âmbito da Internet das Coisas, para monitoramento constante de equipamentos eletromecânicos, associado a uma plataforma online inteligente para predição de falhas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO E TÉCNICA ANTERIOR

[03] Existem patentes/pedidos existentes relacionadas(os), conforme listagem a seguir:

• Pedido: BR 20 2017 015546 9 U2 (DISPOSITIVO DE MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES PARA O MONITORAMENTO DE UMA MÁQUINA ELÉTRICA)
• Pedido: BR 10 2017 013980 8 A2 (SENSOR DE VIBRAÇÃO E SISTEMA IMPLEMENTADO PARA MANUTENÇÃO PREDITIVA EM MAQUINÁRIOS)
• Pedido: BR 10 2016 019038 0 A2 (SISTEMA EMBARCADO SEM FIO INTELIGENTE PARA DIAGNÓSTICO DE FALHAS EM VEÍCULOS AUTOMOTIVOS POR MEIO DE ANÁLISE SONORA)
• Pedido: BR 10 2015 027862 4 A8 (SISTEMA PARA A MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES PARA O MONITORAMENTO CONTINUADO DOS NÍVEIS DE VIBRAÇÃO DE UMA MÁQUINA, E MÉTODO PARA O MONITORAMENTO CONTÍNUO DOS NÍVEIS DE VIBRAÇÕES EM UM OU MAIS LOCAIS DE UMA MÁQUINA USANDO UM SISTEMA PARA A MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES TENDO MÚLTIPLOS CANAIS DE MEDIÇÃO)
• Pedido: BR 11 2016 012999 7 A2 (MÁQUINA VIBRATÓRIA COM UM DISPOSITIVO DE MONITORAMENTO DE CONDIÇÕES)
• Pedido: BR 10 2013 014557 2 A2 (SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO DE DEFEITOS NOS TRILHOS ATRAVÉS DE ANÁLISE DE VIBRAÇÃO)
• Pedido: BR 11 2015 016569 9 A2 (SISTEMA DE MONITORAMENTO DE VIBRAÇÃO PARA UM APARELHO DE PRODUÇÃO DE ALIMENTO LÍQUIDO)
• Pedido: PI 1104949-9 A2 (DISPOSITIVO MEDIDOR E MONITORADOR DE SINAIS DE VIBRAÇÃO ON-LINE E PROCESSO DE DETECÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE SINAIS DE VIBRAÇÃO)
• Pedido: PI 0907901-7 A2 (SISTEMA DE MONITORAMENTO DE DESGASTE DE FERRAMENTAS DE CORTE PARA USINAGEM)
• Pedido: PI 0902235-0 A2 (SISTEMA REMOTO PARA MONITORAMENTO E MANUTENÇÃO PREDITIVA DE MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS)

[04] Além disso, é comum nas indústrias o monitoramento manual de vibração de equipamentos, utilizando equipes de inspeção que periodicamente utilizam sondas manuais para coleta de dados.

[05] Considerando o histórico levantado, o dispositivo objeto deste pedido possui diferenciais com relação às patentes e práticas mencionadas, conforme listagem a seguir:

• Monitoramento contínuo e automatizado, sem necessidade de inspeção manual;
• Arquitetura simplificada: Comunicação por rede sem fio, utilizando rede Wi-Fi convencional, sem necessidade de gateways intermediários para comunicação;
• Sistema completo: O sistema contempla tanto hardware (sensores) quanto o software - Plataforma Online (servidor de processamento, armazenamento e visualização dos dados);
• Cálculo de valores RMS e de Fourier (FFT) dos sinais de vibração, exibindo-os em uma diagrama simplificado;
• Algoritmo de aprendizado de padrões baseado em dados, utilizando técnicas de classificação por regra fuzzy (nebulosa) - O sistema é capaz de aprender o padrão normal de funcionamento do ativo monitorado, e indicar o nível de saúde atual do mesmo. Este modelo é simples e versátil, baseado em dados, e não envolve modelos matemáticos/físicos do equipamento, apresentando uma assertividade de 96% na classificação dos padrões medidos, e possui uma fácil interação com o usuário;
• Cálculo de horímetro: O sistema é capaz, a partir dos resultados do algoritmo de classificação, calcular as horas de operação do equipamento, e gerar estatísticas mensais/diárias;
• Exibição de estado: O sistema é capaz de exibir o estado atual da máquina (ligado, desligado, etc), com um nível de certeza associado (0 a 100%)
• Cálculo de indicadores: O sistema é capaz de calcular indicadores relevantes de manutenção (KPIs), como MTBF(mean time between failures), MTTR(mean time to repair) e disponibilidade(Availability), importantes na gestão da manutenção do ativo;
• O sistema permite a configuração de alarmes (por estado de equipamento, por desvio do padrão normal, por indicativo de falha, por nível de certeza da classificação, por horas de funcionamento, por limite de temperatura, por indisponibilidade do sensor, etc), sendo capaz de enviar notificações ao usuário por e-mail, SMS, APIs ou outra interface;
• O sistema é versátil e é preparado para incluir outros sensores para medição (sensor de corrente elétrica, sensor de campo magnético, sensor de ruído sonoro, etc);
• O sistema permite a gestão da manutenção do ativo, registrando ordens de manutenção, dados de operações de manutenção anteriores, etc.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[06] A seguir, legendas e breves descrições das figuras:
(a) Figura 1: Visão Geral da invenção Legenda:

1. Equipamento eletromecânico monitorado (motor elétrico, conjunto mecânico, caixa de engrenagens, rolamento, mancal, etc);
2. Dispositivo-sensor: Dispositivo Eletrônico objeto desta invenção
3. Servidor na nuvem: Servidor para armazenamento e processamento dos dados coletados pelos sensores
4. Plataforma Online: Sistema web para visualização e interação com os dados coletados/processados (gráficos, relatórios, indicadores, etc)
5. Usuário/operador: usuário responsável por monitorar o equipamento

(b) Figura 2: Diagrama Macro do Sistema Legenda:

1. Sensor de vibração (acelerômetro): Sensor para medição de aceleração tridimensional com interface de comunicação I2C ou outra compatível com o microcontrolador. Exemplo: MPU6050 (fabricante InvenSense), ou equivalente;
2. Sensor de temperatura: Sensor para medição de temperatura (termopar, termístor, circuito integrado, etc), com interface de comunicação serial ou analógica;
3. Microcontrolador ESP32S (fabricante Espressif), ou equivalente com comunicação sem fio compatível;
4. Camada de comunicação via sockets TCP através de rede Wireless 802.11;
5. Servidor: Responsável por receber os dados; realizar cálculos (FFT, classificação dos dados via algoritmo fuzzy, cálculo de horas de operação e cálculo de indicadores); salvar as informações no banco de dados; transmitir dados para a plataforma online (web server); hospedar a plataforma online;
6. Interface Web: Plataforma online para interação e visualização das informações coletadas/calculadas.

(c) Figura 3: Diagrama Esquemático do Hardware Legenda:

1. Sensor de vibração (acelerômetro): Sensor para medição de aceleração tridimensional (MPU6050), com interface de comunicação I2C;
2. Sensor de temperatura: Sensor para medição de temperatura (termopar, termístor, circuito integrado, etc), com interface de comunicação serial ou analógica;
3. Interface: Constituída por um LED indicador de operação e um botão para ativar o modo de configuração;
4. Microcontrolador ESP32S (fabricante Espressif)
5. Alimentação (5V): Via bateria ou fonte externa

(d) Figura 4: Ilustração esquemática do dispositivo IoT sem sonda de temperatura (termopar), com alimentação externa
(e) Figura 5: Ilustração do dispositivo IoT com sonda de temperatura (termopar), com alimentação por bateria
(f) Figura 6: Ilustração da interface web - Plataforma Online DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[07] A FIGURA 1 mostra uma visão geral da invenção: O dispositivo-sensor é acoplado ao equipamento eletromecânico monitorado (motores elétricos, caixas de redução, rolamentos, mancais, etc) e coleta constantemente os dados de vibração e temperatura do mesmo. Os dados são enviados via rede wi-fi para um servidor online na nuvem (máquina Linux com código majoritariamente desenvolvido em Python 3). O servidor realiza os cálculos e armazena as informações em um banco de dados. A partir disso, os dados e os cálculos podem ser acessados via plataforma online, conforme ilustra a FIGURA 6.

[08] O sensor corresponde a um sistema embarcado que utiliza o microprocessador ESP32, da ESPRESSIF SYSTEMS (SHANGHAI) CO., LTD (ou outro microprocessador equivalente). Ao sensor está conectado um sensor acelerômetro MPU6050, da InvenSense Inc. (ou outro sensor equivalente), e um sensor de temperatura (que pode ser um termopar, um circuito-integrado sensor de temperatura, termístor, etc). A alimentação (5V) do sensor pode ser feita via bateria ou fonte externa. A FIGURA 3 mostra o Diagrama Esquemático do Hardware.

[09] O sensor coleta os dados de vibração (nos eixos X, Y e Z) e temperatura do equipamento monitorado, e de tempos em tempos, envia os dados para o servidor através de um arquivo .csv, transferido via socket TCP. O servidor recebe os dados, realiza os cálculos e salva as informações no banco de dados. Os dados então ficam disponíveis na plataforma on line. A FIGURA 2 mostra um diagrama macro do sistema.

[10] As FIGURAS 4 e 5 ilustram o dispositivo montado.

[11] Todos os dados medidos e calculados são exibidos em diagramas e gráficos, conforme ilustrado na FIGURA 6. Os resultados da medição incluem: valores RMS dos sinais de vibração medidos, valores de pico dos sinais de vibração medidos, Transformada de Fourier dos três eixos do sinal de vibração medido. Valores históricos também são exibidos na plataforma: histórico de temperatura, tendência de temperatura, valor médio diário de RMS dos sinais de vibração, estado do equipamento ao longo do dia, etc.

[12] O sistema possui um modelo de classificação de aprendizado de máquina por regra fuzzy (nebulosa), que, a partir do treinamento do modelo via plataforma online (feito uma única vez pelo usuário do sistema), é capaz de identificar o estado atual do equipamento, associado a um nível de certeza de cada padrão medido. Este resultado pode ser utilizado para a predição de falhas na medida em que, na presença de anomalias, o modelo indica o desvio do padrão normal.

[13] Além disso, o sistema é capaz, a partir dos resultados do algoritmo de classificação, calcular as horas de operação do equipamento, e gerar estatísticas mensais/diárias. O sistema também é capaz de calcular indicadores relevantes de manutenção (KPIs), como MTBF (mean time between failures), MTTR (mean time to repair) e disponibilidade (availability), importantes na gestão da manutenção do ativo.

[14] O sistema permite a configuração de alarmes (por estado de equipamento, por desvio do padrão normal, por indicativo de falha, por nível de certeza da classificação, por horas de funcionamento, por limite de temperatura, por indisponibilidade do sensor, etc), sendo capaz de enviar notificações ao usuário por e-mail e SMS.

[15] Além disso, o sistema permite a gestão da manutenção do ativo, registrando ordens de manutenção, dados de operações de manutenção anteriores, etc.

[16] Este sistema corresponde, portanto, a uma ferramenta integrada, no âmbito da Internet das Coisas, online, em tempo real, para o auxílio na manutenção de equipamentos eletromecânicos em indústrias, prédios e demais aplicações que envolvam máquinas eletro-mecânicos.

Claims

Dispositivo eletrônico caracterizado por integrar um sistema embarcado com sensores de temperatura e acelerômetro, aplicado a monitoramento de temperatura e vibração tridimensional de equipamentos eletromecânicos;
Dispositivo eletrônico caracterizado de acordo com a reivindicação 1 capaz de enviar os dados coletados em tempo real, via rede Wi-Fi 802.11;
Dispositivo eletrônico caracterizado de acordo com a reivindicação 2 capaz de conectar-se a uma plataforma online, para armazenamento e processamento de dados, via protocolo de comunicação por sockets de rede;
Dispositivo eletrônico caracterizado de acordo com a reivindicação 3 capaz de conectar-se de forma segura a uma plataforma online para armazenamento e processamento de dados utilizando tokens de autenticação;
Plataforma Online no âmbito IoT (Internet of Things) caracterizada por receber dados dos dispositivos conforme reivindicação 3;
Plataforma Online caracterizada por gerar gráficos dos dados coletados pelos dispositivos conforme reivindicação 5, incluindo histórico de temperatura, tendência de temperatura, valor médio quadrático dos sinais vibração, valor de pico dos sinais de vibração, histórico diário do valor médio quadrático dos sinais vibração;
Plataforma Online caracterizada por calcular e exibir a Transformada de Fourier dos sinais de vibração coletados pelos dispositivos conforme reivindicação 1;
Plataforma Online caracterizada por processar os sinais da Transformada de Fourier, conforme reivindicação 7, em um algoritmo treinável de classificação por regras nebulosas, sendo capaz de indicar o estado do equipamento monitorado pelo dispositivo eletrônico, conforme seu padrão de funcionamento;
Plataforma Online caracterizada por processar os dados recebidos e gerar relatórios de funcionamento dos equipamentos monitorados pelo dispositivo eletrônico conforme reivindicação 1;
Plataforma Online caracterizada por calcular as horas de funcionamento e operação (horímetro) dos equipamentos monitorados pelo dispositivo eletrônico, conforme cálculos do algoritmo de aprendizado de máquina, de acordo com reivindicação 8;
Plataforma Online caracterizada por calcular indicadores de manutenção (Disponibilidade, Mean Time Between Failure e Mean Time To Repair) dos equipamentos monitorados pelo dispositivo eletrônico, conforme cálculos do algoritmo de aprendizado de máquina, de acordo com reivindicação 8;
Plataforma Online caracterizada por fornecer um sistema online para gestão da manutenção dos equipamentos monitorados pelo dispositivo eletrônico, com registros de ordens de manutenção e indicadores da gestão e do estado do equipamento monitorado.