BR112014026187B1 - Sistema acionador e método de predizer uma falha no referido sistema - Google Patents

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Abstract

sistema preditivo de acionador. um sistema acionador inclui um arranjo pistão-cilindro incluindo um pistão que é móvel com relação a um cilindro. um primeiro caminho de fluxo está em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro e um segundo caminho de fluxo está em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro. um sistema de controle é operável para conectar de forma fluídica o primeiro caminho de fluxo a uma fonte de fluido de alta pressão e para conectar o segundo caminho de fluxo a uma drenagem para deslocar o pistão em uma primeira direção. um sensor de pressão é conectado de forma fluídica ao primeiro caminho de fluxo e é operável para medir dados de pressão suficientes durante o movimento do pistão para gerar uma curva de pressão versus tempo. o sistema de controle é operável para comparar a curva de pressão versus tempo gerada a uma curva de pressão versus tempo padrão conhecida armazenada no sistema de controle para determinar a condição do arranjo pistão-cilindro.

Description

DADOS DE PEDIDO RELACIONADO
[001] Este pedido reivindica prioridade para o pedido provisório US 61/636.431 depositado em 20 de abril de 2012, cujo conteúdo total está incorporado a este documento pela referência.
ANTECEDENTES
[002] A presente invenção diz respeito a sistema e método para predizer a condição de um cilindro. Mais especificamente, a invenção diz respeito a um sistema e método que usa pressão ou um outro parâmetro para determinar a condição de um cilindro pneumático ou hidráulico.
[003] Cilindros pneumáticos e hidráulicos são usados por toda a indústria para operar equipamento em linhas de fabricação e para fornecer uma força motriz para vários componentes. Ao longo do tempo, a operação destes cilindros pode degradar. Entretanto, frequentemente, a degradação em desempenho não é detectada até que ocorra uma falha final do cilindro. Se um usuário não estiver preparado para a falha, ela pode resultar em tempo de parada ou custos substanciais.
SUMÁRIO
[004] Em uma modalidade, a invenção fornece um sistema que usa um ou mais sensores de pressão para monitorar a condição de um cilindro. O sistema inclui um microprocessador/controlador que compara dados de pressão medidos a uma linha de base conhecida para um cilindro particular executando uma função conhecida para determinar se a operação é aceitável. O sistema pode ser autônomo ou parte de um sistema de controle distribuído. Em algumas construções, o sistema pode incluir sensores de posição que detectam a posição real de um pistão dentro do cilindro.
[005] Em uma outra construção, a invenção fornece um sistema acionador que inclui um arranjo pistão-cilindro incluindo um pistão que é móvel com relação a um cilindro. Um primeiro caminho de fluxo está em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro e um segundo caminho de fluxo está em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro. Um sistema de controle é operável para conectar de forma fluídica o primeiro caminho de fluxo a uma fonte de fluido de alta pressão e para conectar o segundo caminho de fluxo a uma drenagem para deslocar o pistão em uma primeira direção. Um sensor de pressão é conectado de forma fluídica ao primeiro caminho de fluxo e é operável para medir dados de pressão suficientes durante o movimento do pistão para gerar uma curva de pressão versus tempo. O sistema de controle é operável para comparar a curva de pressão versus tempo gerada a uma curva de pressão versus tempo padrão conhecida armazenada no sistema de controle para determinar a condição do arranjo pistão-cilindro.
[006] Em uma outra construção, a invenção fornece um sistema acionador que inclui um cilindro definindo um espaço interno e incluindo uma primeira porta de fluido disposta adjacente a uma primeira extremidade do espaço e uma segunda porta de fluido adjacente a segunda extremidade do espaço. Um pistão é disposto dentro do espaço interno e é operável para dividir o espaço em um primeiro lado e um segundo lado, o primeiro lado em comunicação de fluido com a primeira porta de fluido e o segundo lado em comunicação de fluido com a segunda porta de fluido. Um elemento de trabalho é acoplado ao pistão e é operável para executar trabalho em resposta ao movimento do pistão e um sistema de controle é operável para seletivamente conectar de forma fluídica a primeira porta de fluido a uma de uma fonte de pressão e uma drenagem e para conectar a segunda porta de fluido à outra de a drenagem e a fonte de pressão para seletivamente deslocar o pistão para longe da primeira porta e na direção da primeira porta. Um sensor de pressão está em comunicação de fluido com o primeiro lado e é operável para medir dados de pressão durante movimento do pistão. O sistema de controle é operável para comparar os dados de pressão medidos a um padrão conhecido para determinar a condição do sistema.
[007] Também em uma outra construção, a invenção fornece um método de predizer uma falha em um sistema acionador. O método inclui levar um fluido de alta pressão para um primeiro lado de um arranjo pistão-cilindro, drenar um fluido de baixa pressão de um segundo lado do arranjo pistão- cilindro para permitir que o pistão desloque com relação ao cilindro na direção do segundo lado, e obter uma pluralidade de medições de pressão do fluido adjacente ao primeiro lado durante o movimento do pistão. O método também inclui comparar a pluralidade de medições de pressão a um conjunto conhecido de valores de pressão e determinar se uma falha é provável com base na comparação da pluralidade de medições de pressão ao conjunto conhecido de valores de pressão.
[008] Outros aspectos da invenção se tornarão aparentes por meio da consideração da descrição detalhada e desenhos anexos.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
[009] A figura 1 é uma ilustração esquemática de um arranjo possível de um sistema incorporando a invenção.
[010] A figura 2 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador novo na posição horizontal sem carga e sem amortecimento.
[011] A figura 3 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador no mesmo arranjo que aquele da figura 2, em que é conhecido que o acionador está danificado.
[012] A figura 4 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador novo na posição horizontal sem carga, mas com amortecimento.
[013] A figura 5 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador no mesmo arranjo que aquele da figura 4, em que é conhecido que o acionador está danificado.
[014] A figura 6 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador novo que tem um diâmetro maior que o do acionador das figuras 2-5 arranjado na posição horizontal sem carga, mas com amortecimento.
[015] A figura 7 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador no mesmo arranjo que aquele da figura 6, em que é conhecido que o acionador está danificado.
[016] A figura 8 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador novo na posição vertical com uma carga e com amortecimento.
[017] A figura 9 é um gráfico ilustrando valores de pressão medida versus tempo para um acionador no mesmo arranjo que aquele da figura 8, em que é conhecido que o acionador está danificado.
[018] A figura 10 é uma ilustração esquemática do arranjo da figura 1 e incluindo adicionalmente um sistema de medição de posição.
[019] A figura 11 é uma ilustração esquemática de um sistema de múltiplos acionadores incluindo um sistema de controle distribuído.
[020] A figura 12 é uma imagem de tela de um sistema de monitoramento para uso ao monitorar o desempenho e condição de um ou mais acionadores.
[021] A figura 13 é uma outra imagem de tela do sistema de monitoramento da figura 12 para uso ao monitorar o desempenho e condição de um ou mais acionadores.
[022] A figura 14 é uma imagem de resultados de teste de linha de base para um acionador conhecido.
[023] A figura 15 é uma imagem de resultados de teste para o acionador conhecido da figura 14 com uma vedação de eixo ou haste defeituosa.
[024] A figura 16 é uma imagem de resultados de teste para o acionador conhecido da figura 14 com uma vedação de pistão de lado de haste defeituosa.
[025] A figura 17 é uma imagem de resultados de teste para o acionador conhecido da figura 14 com uma vedação de pistão de lado de topo (oposta à haste) defeituosa.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[026] Antes de quaisquer modalidades da invenção serem explicadas detalhadamente, é para ser entendido que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e do arranjo de componentes expostos na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos a seguir. A invenção é suscetível de outras modalidades e de ser praticada ou de ser executada em vários modos.
[027] A figura 1 ilustra um sistema 10 que é adequado para uso ao predizer ou avaliar a condição de um acionador 15 (por exemplo, pneumático, hidráulico, etc.) ou válvula. O sistema 10 inclui um cilindro 17, um primeiro sensor de pressão 20, um segundo sensor de pressão 25 e um microprocessador 30. O acionador ilustrado 15 é um acionador de dupla ação típico 15 tendo uma porta 35 em uma e outra extremidade de um cilindro 17, um pistão 40 disposto entre as portas 35 e uma haste 45 se estendendo do pistão 40 e para fora de uma extremidade do cilindro 17. O pistão 40 divide o cilindro 17 em uma primeira câmara 50 e uma segunda câmara 55. Cada uma das câmaras 50, 55 fornece um volume variável que permite movimento do pistão 40. Tal como uma pessoa de conhecimento comum na técnica constatará, o sistema 10 descrito neste documento pode ser aplicado para diferentes tipos de acionadores (por exemplo, sem haste) e pode ser usado com acionadores alimentados com diferentes fluidos de trabalho (por exemplo, fluido hidráulico, óleos, água, combustível, ar, outros gases, outros líquidos, etc.). Além do mais, embora o acionador ilustrado não seja predisposto em qualquer direção, este sistema também pode ser aplicado para acionadores com retorno por mola. De fato, o projeto real do acionador ou válvula é amplamente irrelevante já que a invenção pode ser adaptada para muitos projetos.
[028] O fluido de trabalho é admitido em uma porta 35 e é permitido que seja drenado ou escape pela outra porta 35 para deslocar o pistão 40 e a haste 45 para longe da porta 35 pela qual fluido está sendo admitido. Por causa de existir um grande diferencial de pressão durante movimento do pistão 40, uma vedação 60 é fornecida entre o pistão 40 e o cilindro 17. Após alguma quantidade de uso, esta vedação 60 pode desgastar ou degradar de outro modo e criar um ponto onde falha pode ocorrer. Uma segunda vedação 65 é fornecida na extremidade do cilindro 17 através da qual a haste 45 se estende. Esta segunda vedação 65 reduz a quantidade de fluido de trabalho que escapa na abertura para haste. Pelo uso, esta vedação 65 pode desgastar ou degradar de outro modo e criar um segundo ponto de possível falha.
[029] Tipicamente, uma ou mais válvulas 70 são usadas para direcionar o fluido de trabalho para as portas 35 e a partir delas tal como exigido para produzir o movimento desejado. Em um arranjo preferido, uma válvula de três vias 70 permite que a primeira porta 35 seja aberta para um fornecimento de pressão 75 e a segunda porta 35 seja aberta para uma drenagem 80 em uma primeira posição. Em uma segunda posição, as portas 35 são invertidas de tal maneira que a primeira porta 35 é aberta para a drenagem 80 e a segunda porta 35 é aberta para o fornecimento de pressão 75. A primeira posição e a segunda posição produzem movimento do pistão 40 e da haste 45 em direções opostas. A válvula 70 também fornece uma terceira posição de operação em que ambas as portas 35 estão fechadas, prendendo desse modo o fluido de trabalho em ambos os lados do pistão 40. A terceira posição permite que o pistão 40 e a haste 45 sejam posicionados e retidos em algum ponto intermediário dos dois extremos. Além do mais, válvulas de taxa de fluxo variável ou outros dispositivos de controle de fluxo podem ser empregados para controlar a taxa de fluxo de fluido para dentro ou para fora das portas 35 para controlar a velocidade, aceleração e posição exata do pistão 40 e da haste 45 à medida que eles são deslocados.
[030] Continuando com referência para a figura 1, o primeiro sensor de pressão 20 é posicionado para medir uma pressão dentro da primeira câmara 50 e o segundo sensor 25 é posicionado para medir uma pressão dentro da segunda câmara 55. Na construção ilustrada, o primeiro sensor 20 está posicionado dentro de uma primeira porta para sensor 85 que fica espaçada ao lado da porta de fluido 35 já fornecida na primeira câmara 50 do cilindro 17. De forma similar, o segundo sensor 25 está posicionado dentro de uma segunda porta para sensor 90 que fica espaçada ao lado da porta de fluido 35 já fornecida na segunda câmara 55 do cilindro 17. Em outras construções, o sensor de pressão 25 pode ser conectado em linha com as linhas de fluido que são conectadas ao cilindro 17 e à válvula 70 ou pode ser conectado a uma linha derivação que se estende da linha de alimentação ou das câmaras de cilindro 50, 55 tal como pode ser desejado.
[031] Os sensores de pressão 20, 25 preferivelmente têm uma faixa de pressões detectadas que excede 150 psi (1.034,21 kPa) com uma precisão de cerca de 0,01 psi (68,95 Pa) com sensores mais ou menos precisos também sendo possível. Certamente, sensores operando em 250 psi (1.723,69 kPa) ou mais também são possíveis. Adicionalmente, o sensor 20, 25 preferivelmente é dimensionado para fornecer um tempo de resposta que permite aquisição de dados em uma taxa de cerca de 1.000 pontos de dados por segundo. Certamente outros sensores de pressão podem ser empregados se desejado. Por exemplo, em uma construção, sensores de pressão de som, sensores de áudio ou outros sensores de vibração são empregados para medir as características de operação desejadas do acionador 15.
[032] Em construções preferidas, os sensores de pressão 20, 25 são conectados de modo removível ao acionador 15 de tal maneira que eles podem ser reutilizados com acionadores 15 subsequentes. Alternativamente, os sensores de pressão 20, 25 podem ser fabricados como parte do acionador 15 e substituídos com o acionador 15.
[033] Os sensores de pressão 20, 25 convertem as pressões medidas dentro de suas respectivas câmaras para um sinal de pressão que é transmitido para o microprocessador/controlador 30. Em construções preferidas, o microprocessador/controlador 30 é dedicado para capturar dados, dados de fluxo e/ou analisar falhas ou valores de controle. Também, uma função de registrador de dados pode ser fornecida para capturar o número de ciclos de operação, temperaturas mínimas e máximas, pressões máximas, etc. Cada microprocessador/controlador 30 pode incluir um ID exclusivo. Na construção ilustrada na figura 1, uma conexão com fio está ilustrada. Entretanto, conexões sem fio tais como infravermelho, radiofrequência e outras mais também são possíveis. O microprocessador/controlador 30 recebe os sinais de pressão e compara os sinais com sinais conhecidos para os acionadores 15 para tomar decisões com relação ao desempenho e condição do acionador 15 ao qual ele está conectado. O microprocessador/controlador 30 pode incluir indicadores tais como luzes ou dispositivos de áudio que podem ser acionados quando uma condição particular é detectada. Por exemplo, uma luz vermelha pode ser fornecida e acesa quando desgaste excessivo ou dano para o acionador 15 é detectado. O microprocessador/controlador 30 pode ter entradas adicionais (por exemplo, temperatura ambiente, pressão, sinais de controle, etc.) e ser provido com múltiplas opções de saída (por exemplo, Ethernet, RS485/422, RS-232, USB, RF, IR, código de cintilação de LED, etc.). Tal como observado o microprocessador/controlador 30 pode executar as comparações necessárias e tomar decisões com relação à operação, manutenção ou condição do acionador 15 ou pode transferir os dados brutos ou informação de decisão para um computador central que então exibe a informação com relação a um ou mais acionadores 15 para um usuário. Adicionalmente, o microprocessador/controlador pode executar funções de registro de dados e armazenar dados se relacionando virtualmente com qualquer parâmetro medido tal como, mas não limitado a isto, o número de ciclos, pressões ou temperaturas máximas e mínimas, número de falhas, etc.
[034] Em operação, o presente sistema 10 pode ser aplicado virtualmente para qualquer acionador 15 executando qualquer operação. Entretanto, tal como uma pessoa de conhecimento comum na técnica constatará, o desempenho de qualquer dado acionador 15 variará com a carga aplicada, o posicionamento do acionador 15 e da carga, o tamanho do acionador 15, a distância a partir da fonte de pressão 75 e qualquer número de outras variáveis. Como tal, a abordagem preferida é para medir o desempenho de um acionador conhecido 15 na aplicação particular e usar esses dados medidos como uma linha de base. A linha de base representa um perfil de movimento aceitável e é comparada aos perfis medidos pelo microprocessador/controlador 30. Esta comparação é então usada para determinar condição e reportação de falha.
[035] A figura 2 ilustra um exemplo de uma medição de linha de base como esta que é exemplar e inclui pressão medida e representada graficamente versus tempo. Tal como pode ser visto, a pressão variou entre cerca de 10 psi (68,95 kPa) e 95 psi (655,00 kPa) com outras faixas de pressões sendo possíveis. Além do mais, o deslocamento pelo curso total do pistão 40 em uma primeira direção gastou cerca de 100 ms com deslocamentos mais rápidos ou mais lentos sendo possíveis. Além do mais, o deslocamento em uma direção pode ser mais rápido que o deslocamento na direção oposta por causa da área de pistão reduzida causada pela haste 45.
[036] Continuando com referência para a figura 2, existem as duas curvas 95, 100 onde cada curva 95, 100 representa dados de um dos sensores de pressão 20, 25. O primeiro sensor de pressão 20 está medindo uma pressão ligeiramente maior que 10 psi (68,95 kPa) e por esta razão está conectado à drenagem 80. O segundo sensor de pressão 25 está medindo ligeiramente acima de 90 psi (650,53 kPa) e está conectado à fonte de alta pressão 75. Assim, o pistão 40 é deslocado para uma extremidade mais próxima ao primeiro sensor de pressão 20. Em um primeiro tempo, a válvula de controle 70 é deslocada para a segunda posição de tal maneira que a primeira câmara 50 e por esta razão o primeiro sensor de pressão 20 ficam expostos ao fluido de alta pressão 75 e a segunda câmara 55 e por esta razão o segundo sensor de pressão 25 são abertos para a drenagem 80. A pressão dentro da segunda câmara 55 imediatamente começa a cair, seguindo uma curva substancialmente exponencial. Simultaneamente, a pressão dentro da primeira câmara 50 aumenta substancialmente de forma linear para um primeiro nível de pressão. Ao alcançar o primeiro nível de pressão, a força produzida pelo fluido de alta pressão sobre o pistão 40 supera a inércia mecânica do pistão e qualquer atrito de aderência e o pistão 40 começa a se deslocar na direção do segundo sensor de pressão 25. O movimento do pistão 40 aumenta o volume na primeira câmara 50, causando desse modo uma queda em pressão para um nível abaixo da primeira pressão. Simultaneamente, o volume dentro da segunda câmara 55 é reduzido e a pressão cai para um nível mais baixo em uma taxa acelerada. Uma vez que o pistão 40 alcança seu final de deslocamento, a pressão dentro da primeira câmara 50 aumenta para um nível aproximadamente igual à pressão da fonte de alta pressão 75 e a pressão dentro da segunda câmara 55 cai para um nível aproximadamente igual à pressão de drenagem 80.
[037] Tal como ilustrado na figura 2, movimento na direção oposta produz curvas similares com valores e durações de pressões ligeiramente diferentes. As variações nas pressões e nas durações são principalmente por causa da configuração não simétrica das câmaras 50, 55. Por exemplo, a primeira pressão exigida para superar inércia e atrito de aderência é menor na direção da figura 2 por causa de a área de pistão ser ligeiramente maior por causa da inexistência da haste 45 no lado de segunda câmara do pistão 40. A força total no pistão 40 é aproximadamente a mesma em ambas as direções. Certamente, se uma carga for aplicada, esta relação e os valores mudarão com base pelo menos em parte nessa carga.
[038] A figura 3 ilustra o mesmo tipo de acionador 15 executando a mesma operação do acionador 15 da figura 2. Entretanto, é conhecido que o acionador 15 da figura 3 está defeituoso. Uma comparação das curvas 110, 115 da figura 3 que correspondem às curvas 95, 100 da figura 2 ilustra diversas diferenças. Por exemplo, a magnitude 120 da primeira pressão exigida para iniciar movimento do pistão 40 é notavelmente maior na figura 3 do que ela é na figura 2. Além do mais, uma vez que movimento de pistão começa, a pressão dentro da primeira câmara 50 cai mais significativamente do que ela cai com o acionador 15 da figura 2. Assim, a variação de pressão dentro da primeira câmara 50 durante movimento de pistão é maior com o acionador 15 danificado da figura 3 quando comparada com a do acionador 15 bom da figura 2.
[039] A curva representando os dados medidos pelo sensor de pressão oposto também é diferente entre a figura 2 e a figura 3. Por exemplo, o alto valor de pressão 125 que é mantido antes de deslocar a válvula 70 é menor na figura 3 do que ele é na figura 2. Além do mais, quando aberta para a drenagem, a pressão dentro da segunda câmara 55 cai mais rapidamente no cilindro da figura 3 quando comparada com a do cilindro da figura 2.
[040] As diferenças entre as duas curvas 110, 115 também podem ser ilustrativas de possíveis problemas com o cilindro. Por exemplo, a diferença entre a pressão máxima dentro da segunda câmara 55 antes de comutar a válvula 70 e a primeira pressão exigida para iniciar movimento 120 do pistão 40 é significativamente diferente entre a figura 2 e a figura 3. Adicionalmente, a diferença de pressão entre as duas câmaras 50, 55 durante movimento do pistão 40 e no final do curso do pistão é muito menor para o acionador 15 da figura 3 quando comparada à do acionador 15 da figura 2.
[041] Tal como observado, o carregamento e o posicionamento do acionador 15, juntamente com muitos outros fatores, afetam muito os dados de pressão coletados pelos sensores de pressão 20, 25. As figuras 4 e 5 ilustram acionadores 15 similares aos acionadores 15 das figuras 2 e 3 respectivamente, mas com a adição de amortecimento para diminuir o movimento do pistão 40. De novo, existem diferenças nas curvas que são identificáveis e que podem ser usadas para avaliar a condição dos acionadores 15; entretanto as curvas são muito diferentes daquelas das figuras 2 e 3.
[042] As figuras 6 e 7 ilustram o mesmo acionador 15 durante operação horizontal sem carga e sem amortecimento. O acionador 15 tem um diâmetro maior que o do acionador 15 usado para produzir as figuras 2-5. A figura 6 representa dados de um acionador 15 novo com a figura 7 ilustrando dados de um acionador 15 que é conhecido como estando danificado.
[043] As figuras 8 e 9 ilustram um acionador 15 montado verticalmente com uma carga e com amortecimento. A figura 8 representa dados de um acionador novo 15 com a figura 9 ilustrando dados de um acionador que é conhecido como estando danificado.
[044] Além de medir a pressão na primeira câmara 50 e na segunda câmara 55, o sistema 10 também é capaz de medir a duração de tempo total do curso e contar os ciclos ou cursos totais do pistão 40. Estes dois valores podem ser usados para propósitos de ciclo de manutenção ou para avaliar a condição do acionador 15. Por exemplo, o microprocessador/controlador 30 pode acender uma luz colorida para indicar que ocorreu um número predeterminado de ciclos e manutenção de rotina deve ser executada ou o acionador 15 deve ser substituído. O sistema 10 também pode medir e monitorar a pressões de operação máximas e disparar um alarme se uma ou mais das pressões de operação forem excedidas.
[045] Outros parâmetros podem ser monitorados usando o primeiro sensor 20 e o segundo sensor 25 ou sensores adicionais podem ser fornecidos para monitorar outros parâmetros. Por exemplo, um sensor de temperatura pode ser acoplado ao acionador 15 para monitorar temperatura de fluido de trabalho, temperatura de metal de cilindro, ou qualquer outra temperatura desejada. Os dados de temperatura podem ser usados para compensar os efeitos de temperatura na pressão de operação.
[046] Além das funções de monitoração descritas anteriormente, o sistema 10 também pode ser usado para controlar mais diretamente a operação do acionador 15. Por exemplo, o microprocessador/controlador 30 pode fornecer sinais de controle para a válvula 70 ou para válvulas controlando o fluxo de fluido para o acionador 15 para controlar a velocidade na qual o pistão 40 é deslocado ou a força total gerada pelo pistão 40. Além do mais, o presente sistema 10 é capaz de detectar o final de deslocamento e parar o pistão 40 neste ponto ou antes deste ponto se desejado.
[047] Uma outra construção de um sistema 150 inclui um sistema de medição de posição 155 que é capaz de determinar a posição real do pistão 40 dentro do cilindro 17. O cilindro 17 ilustrado esquematicamente na figura 10 é idêntico àquele da figura 1, mas inclui o sistema de medição de posição 155. O sistema de medição de posição 155 inclui uma pluralidade dos sensores magnéticos 160 espaçados ao longo do comprimento do cilindro 17. Cada sensor 160 é capaz de medir exatamente o ângulo 165 entre ele e um outro ímã 170 tal como um ímã 170 colocado dentro do pistão 40 ou acoplado a ele. Um sinal indicativo do ângulo 165 é enviado de cada sensor 160 para o microprocessador / controlador 30. O microprocessador / controlador 30 usa os vários ângulos para triangular e calcular a posição precisa do pistão 40. Estes dados posicionais podem então ser usados para controlar as válvulas 70 para controlar exatamente a posição do pistão 40 a qualquer hora. Esta informação de posição também pode ser usada independentemente ou além de outros sensores para propósitos de controle e/ou de monitoramento.
[048] Os sistemas 10, 150 descritos neste documento podem ser usados sozinhos para monitorar e controlar a operação de um único acionador 15. O sistema pode sinalizar quando a condição do acionador 15 muda significativamente, pode sinalizar quando manutenção é exigida e pode sinalizar quando uma substituição do acionador 15 ou vedação é exigida. Além do mais, o sistema pode ser usado para controlar a operação do acionador individual 15.
[049] Em um outro arranjo, os vários microprocessadores/controladores 30 se comunicam com um computador central 170 tal como ilustrado na figura 11. O computador central 170 é parte de um sistema de controle distribuído (DCS) que pode monitorar e controlar os acionadores individuais 15 a partir de uma localização tal como pode ser exigido.
[050] As figuras 14-17 ilustram resultados de testes reais para um acionador conhecido em boas condições e para o mesmo acionador com três defeitos conhecidos diferentes. As figuras 14-17 ilustram um possível modo no qual o presente sistema pode ser empregado. Outros tipos de acionadores podem ter modos de falhas diferentes e por esta razão podem exigir análise ligeiramente diferente. Além do mais, as pressões absolutas, tempos e ciclos revelados neste documento são exemplares e podem variar dependendo de muitos fatores incluindo a aplicação ou acionador sendo usado. Entretanto, as figuras 14-17 são exemplares de um possível uso para o sistema.
[051] A figura 14 ilustra uma medição de linha de base de um acionador conhecido que é considerado como estando em uma condição boa ou aceitável. O acionador inclui uma vedação de eixo ou haste, uma vedação de pistão de lado de haste e uma vedação de pistão de lado de topo posicionada no lado oposto do pistão com a vedação de lado de haste. Qualquer uma destas vedações pode falhar durante uso do acionador e o presente sistema é capaz de detectar essa falha antes de o acionador se tornar não utilizável. Tal como pode ser visto, o sistema gera formas de onda (ou curvas) com base em medições de pressão feitas em ambos os lados do pistão. Tal como ilustrado, os três pontos de dados específicos 301, 302 e 303 estão identificados. Estes três pontos de dados serão discutidos com referência para as figuras 15-17 já que estes pontos se deslocam em resposta a falhas particulares. Além do mais, deve ser notado que a pressão máxima de cada lado do cilindro é substancialmente igual. Isto é típico de um cilindro bom, mas é uma função de qualquer regulador de pressão ou de fluxo que pode ser posicionado a montante das portas de fluido. Adicionalmente, a pressão baixa de cada forma de onda é aproximadamente igual à pressão atmosférica tal como é típico em um acionador bom.
[052] A figura 15 ilustra formas de onda similares para um acionador idêntico àquele da figura 14, mas com um defeito conhecido. Especificamente, é conhecido que a vedação de haste está danificada. Tal como pode ser visto, as duas formas de onda não mais cruzam no primeiro ponto de dados 301. Particularmente, existe agora uma diferença de 2 psi (13,79 kPa) entre os dois pontos 301a e 301b e eles foram deslocados para cima a partir do valor original de 57 psi (393,00 kPa). Além do mais, o segundo ponto 302 foi deslocado para baixo de 62 psi (427,47 kPa) para 53 psi (365,42 kPa) e o terceiro ponto 303 foi deslocado para baixo de 55 psi (379,21 kPa) para 48 psi (330,95 kPa). Além do mais, as pressões máximas das duas formas de onda são diferentes como resultado do defeito. Qualquer uma ou todas estas diferenças podem ser usadas para determinar não somente que o acionador está operando de forma anormal, mas que a causa da operação anormal provavelmente é uma vedação de haste defeituosa.
[053] A figura 16 ilustra formas de onda similares para um acionador idêntico àquele da figura 14, mas com um defeito conhecido. Especificamente, é conhecido que a vedação de pistão de lado de haste está danificada. Tal como pode ser visto, as duas formas de onda agora incluem muitas diferenças. Por exemplo, o primeiro ponto 301 foi deslocado para cima por cerca de 3 psi (20,68 kPa). Além do mais, o segundo ponto 302 foi deslocado para baixo de 62 psi (427,47 kPa) para 55 psi (379,21 kPa) e o terceiro ponto 303 foi deslocado para baixo de 55 psi (379,21 kPa) para 49 psi (337,84 kPa). Estas mudanças são similares àquelas discutidas com referência às formas de onda da figura 15. Entretanto, a pressão máxima das duas formas de onda agora tem uma diferença de cerca de 3,5 psi (24,13 kPa). Esta é uma diferença maior que aquela vista como resultado da vedação de haste danificada. Além disso, de modo diferente daquele com a vedação de haste danificada, as formas de onda da figura 16 também mostram uma diferença de pressão entre as pressões mínimas. Especificamente, uma diferença de 1,5 psi (10,34 kPa) está visível claramente. Esta diferença não estava presente como resultado da vedação de haste defeituosa. Assim, estas diferenças podem ser usadas para determinar não somente que o acionador está operando de forma anormal, mas que a causa da operação anormal provavelmente é uma vedação de pistão de lado haste defeituosa.
[054] A figura 17 ilustra formas de onda similares para um acionador idêntico àquele da figura 14, mas com um defeito conhecido. Especificamente, é conhecido que a vedação de pistão de lado de topo está danificada. Tal como pode ser visto, as duas formas de onda agora incluem muitas diferenças quando comparadas às formas de onda da figura 14 assim como às formas de onda das figuras 15 e 16. Por exemplo, o primeiro ponto 301 não foi deslocado quando comparado ao das formas de onda da figura 14. Isto é diferente do que é visto nas figuras 15 e 16. De forma similar, o segundo ponto 302 e o terceiro ponto 303 permaneceram amplamente inalterados quando comparados aos das formas de onda da figura 14. Assim, olhando somente para estes três pontos uma pessoa pode concluir que o acionador da figura 17 está em uma condição boa. Entretanto, a pressão máxima das duas formas de onda agora tem uma diferença maior que 3 psi (20,68 kPa). Esta diferença é similar em magnitude àquela da figura 16, mas a direção está invertida (isto é, o sensor oposto é maior).
[055] Além disso, tal como as formas de onda da figura 16, as formas de onda da figura 17 mostram uma diferença de pressão entre as pressões mínimas. Especificamente, uma diferença de cerca de 2 psi (13,79 kPa) está visível claramente. Tal como a diferença de pressão máxima, esta diferença estava presente nas formas de onda da figura 16, mas de novo a direção está invertida (isto é, o sensor oposto está baixo). Assim, estas diferenças podem ser usadas para determinar não somente que o acionador está operando de forma anormal, mas que a causa da operação anormal provavelmente é uma vedação de pistão de lado de topo defeituosa.
[056] Deve ser notado que os acionadores usados para gerar as formas de onda das figuras 14-17 estavam descarregados. Como tal, existiu muito pouca variação nos tempos de ciclo (no eixo X) como resultado dos defeitos. Entretanto, em cilindros carregados, os defeitos discutidos anteriormente também causam variações mensuráveis nos tempos de ciclo. Estas variações podem ser medidas e reportadas e também podem ser usadas para avaliar o status do acionador. Além de usar variações de tempo para determinar se potenciais problemas ocorreram, algumas construções utilizam a área sob a curva para avaliar se problemas estão ocorrendo. Mais especificamente, a área entre as curvas pode ser usada em situações onde o acionador é operado com pressões que variam ou com taxas que variam. Nestas situações, constatou-se que a área total sob a curva permanece substancialmente uniforme. Assim, um aumento nesta área é indicativo de vazamento não desejado ou de outras falhas de desempenho. Em outras aplicações, variações na área entre as curvas podem ser indicativas de um modo particular de falha sozinha ou em combinação com outros parâmetros medidos.
[057] Além disso, o início e o final de um ciclo podem ser facilmente detectados e reportados para uso tanto para controlar um processo quanto para acessar a condição do acionador. Além do mais, se um tempo de ciclo for determinado como estando mais rápido que o necessário, ou mais lento que o necessário, a pressão pode ser ajustada para alcançar o tempo de ciclo desejado, aprimorando desse modo a qualidade do processo e possivelmente reduzindo a quantidade de ar ou de fluido comprimido usado pelo acionador.
[058] As figuras 12 e 13 ilustram imagens de um possível sistema de monitoramento para uso com os sistemas discutidos neste documento. A figura 12 ilustra uma página de status para o sistema de monitoramento. Embora a página de status inclua o status de um acionador, múltiplos acionadores podem ser agrupados e ilustrados conjuntamente tal como desejado. A imagem ilustrada inclui três indicadores de desempenho com o primeiro indicador fornecendo um status vermelho, amarelo ou verde com base na análise de forma de onda discutida anteriormente. O segundo indicador fornece uma indicação de que o final do curso foi alcançado. O terceiro indicador conta ciclos de acionador e fornece uma indicação da vida de acionador com base no número de ciclos. A vida pode ser a vida útil real do acionador ou pode ser estabelecida para espelhar intervalos de manutenção recomendados para um sensor particular.
[059] A segunda área da página de status fornece dados numéricos para vários parâmetros de operação do acionador. Outros parâmetros podem ser medidos e exibidos tal como desejado. A terceira área da página de status fornece uma análise de eficiência. Neste exemplo, a eficiência é baseada em tempo de ciclo. Os dados exibidos são uma comparação do tempo de ciclo real versus o tempo de ciclo desejado com um espaço fornecido para indicar a ação corretiva recomendada com base no resultado. Neste exemplo, o acionador está se deslocando mais rápido que o desejado. Assim, a pressão do fluido pode ser reduzida para diminuir a velocidade do acionador e potencialmente reduzir o custo de operação.
[060] A figura 13 ilustra uma possível página de configuração que fornece dados específicos para o acionador sendo analisado. Neste exemplo, o tamanho de furo, o comprimento de curso e a contagem total de ciclos podem ser adicionados, armazenados e exibidos. Além do mais, as etapas exigidas para gerar as formas de onda de linha de base (figura 14) podem ser iniciadas desta página. Finalmente, pontos de referência de alarme para quaisquer parâmetros medidos podem ser definidos com cada um tendo um alarme alto, um alarme baixo e um seletor para ativar ou desativar o alarme. Finalmente, um status de atualização de Firmware é fornecido para alertar o usuário quando uma atualização de firmware é exigida.
[061] Deve ser notado que a invenção foi descrita como sendo usada com um acionador (algumas vezes referido como um cilindro, um cilindro pneumático ou um cilindro hidráulico). Entretanto, em outras aplicações, a invenção é aplicada para uma válvula ou qualquer outro dispositivo de fluxo. Um dispositivo de fluxo é qualquer dispositivo que controla o fluxo de um fluido ou opera em resposta a um fluxo de fluido sendo direcionado para ele. Como tal, a invenção não deve ser limitada apenas para acionadores.
[062] Assim, a invenção fornece um sistema 10, 150 para medir e controlar a operação de um acionador 15. O sistema 10, 150 inclui os sensores de pressão 20, 25 que são capazes de coletar dados e um microprocessador/controlador 30 capaz de analisar os dados para determinar a condição do acionador 15.

Claims (13)

1. Sistema acionador compreendendo: um arranjo pistão-cilindro incluindo um pistão (40) que é móvel com relação a um cilindro (17); um primeiro caminho de fluxo em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro; um segundo caminho de fluxo em comunicação de fluido com o arranjo pistão-cilindro; um sistema de controle (30) operável para conectar de forma fluídica o primeiro caminho de fluxo a uma fonte de fluido de alta pressão e para conectar o segundo caminho de fluxo a uma drenagem para deslocar o pistão (40) em uma primeira direção; um sensor de pressão (20) conectado de forma fluídica ao primeiro caminho de fluxo e operável para medir dados de pressão suficientes durante o movimento do pistão (40) para gerar uma curva de pressão versus tempo, o sistema de controle (30) operável para comparar a curva de pressão versus tempo gerada a uma curva de pressão versus tempo padrão conhecida armazenada no sistema de controle para determinar a condição do arranjo pistão-cilindro, caracterizado por o sistema atuador ainda compreender um segundo sensor de pressão (25) em comunicação de fluido com o segundo caminho de fluxo e operável para medir um segundo conjunto de dados de pressão durante movimento do pistão (40), e o sistema de controle (30) sendo operável para comparar o segundo conjunto de dados de pressão medidos a um segundo padrão conhecido para determinar a condição do sistema.
2. Sistema acionador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma vedação (60) de pistão acoplada ao pistão (40) para inibir fluxo de fluido entre o pistão (40) e o cilindro (17), o sistema de controle (30) operável para predizer uma falha da vedação (60) de pistão com base na comparação da curva de pressão versus tempo gerada à curva de pressão versus tempo padrão conhecida armazenada no sistema de controle (30).
3. Sistema acionador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um eixo (45) acoplado ao pistão (40) e incluindo uma vedação (65) de eixo que inibe fluxo de fluido entre o eixo (45) e o cilindro (17), o sistema de controle (30) operável para predizer uma falha da vedação (65) de eixo com base na comparação da curva de pressão versus tempo gerada à curva de pressão versus tempo padrão conhecida armazenada no sistema de controle (30).
4. Sistema acionador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: um cilindro (17) definindo um espaço interno e incluindo uma primeira porta (35) de fluido disposta adjacente a uma primeira extremidade do espaço e uma segunda porta (35) de fluido adjacente à segunda extremidade do espaço; um pistão (40) disposto dentro do espaço interno e operável para dividir o espaço em um primeiro lado (50) e um segundo lado (55), o primeiro lado (50) em comunicação de fluido com a primeira porta (35) de fluido e definindo o primeiro caminho de fluido e o segundo lado (55) em comunicação de fluido com a segunda porta (35) de fluido e definindo o segundo caminho de fluido; um elemento de trabalho acoplado ao pistão (40) e operável para executar trabalho em resposta ao movimento do pistão (40); um sistema de controle (30) operável para seletivamente conectar de forma fluídica a primeira porta (35) de fluido a uma de uma fonte de pressão (75) e uma drenagem (80) e para conectar a segunda porta de fluido (35) à outra de a drenagem (80) e a fonte de pressão (75) para seletivamente deslocar o pistão (40) para longe da primeira porta (35) e na direção da primeira porta (35); e um sensor de pressão (20) em comunicação de fluido com o primeiro lado (50) e operável para medir dados de pressão durante movimento do pistão (40).
5. Sistema acionador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma vedação (60) de pistão acoplada ao pistão (40) para inibir fluxo de fluido entre o pistão (40) e o cilindro (17), o sistema de controle (30) operável para predizer uma falha da vedação (60)de pistão com base na comparação dos dados de pressão medidos ao padrão conhecido.
6. Sistema acionador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o elemento de trabalho inclui um eixo (45) que se estende através do cilindro (17) e uma vedação (65) de eixo que inibe fluxo de fluido entre o eixo (45) e o cilindro (17), o sistema de controle (30) operável para predizer uma falha da vedação (65) de eixo com base na comparação dos dados de pressão medidos ao padrão conhecido.
7. Sistema acionador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sensor de pressão (20) é operável para medir dados em uma taxa de pelo menos 1.000 pontos de dados por segundo.
8. Sistema acionador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sensor de pressão (20) é operável para medir dados de pressão com uma precisão de mais ou menos 0,01 psi (68,95 Pa).
9. Sistema acionador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o pistão (40) e cilindro (17) definem um arranjo pistão-cilindro pneumático.
10. Sistema acionador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle (30) inclui um microprocessador (30) e um dispositivo de memória, e em que o padrão conhecido é gerado durante um ou mais ciclos de operação iniciais e é armazenado no dispositivo de memória.
11. Método de predizer uma falha em um sistema acionador, o método caracterizado por compreender: levar um fluido de alta pressão para um primeiro lado (50) de um arranjo pistão-cilindro; drenar um fluido de baixa pressão de um segundo lado (55) do arranjo pistão-cilindro para permitir que o pistão (40) desloque com relação ao cilindro (17) na direção do segundo lado (55); obter uma pluralidade de medições de pressão do fluido adjacente ao primeiro lado durante o movimento do pistão (40); obter uma pluralidade de medições do fluido adjacente ao segundo lado durante o movimento do pistão (40); comparar a pluralidade de medições de pressão a um conjunto conhecido de valores de pressão; e determinar se uma falha é provável com base na comparação da pluralidade de medições de pressão ao conjunto conhecido de valores de pressão.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente gerar o conjunto conhecido de valores de pressão durante um ou mais ciclos de operação iniciais do sistema acionador e armazenar o conjunto conhecido de valores de pressão em um sistema de controle (30).
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente obter a pluralidade de medições de pressão em uma frequência de pelo menos 1.000 pontos de dados por segundo.
BR112014026187-3A 2012-04-20 2013-04-19 Sistema acionador e método de predizer uma falha no referido sistema BR112014026187B1 (pt)

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