ES2305277T3 - Dispositivo y procedimiento para el diagnostico precoz y la prediccion de defectos en unidades de funcionamiento. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en los grupos funcionales de una instalación de maquinaria, el cual comprende: - Por lo menos un sensor (1) para registrar el sonido corporal de la instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada, así como para la emisión de una señal de medición; - Un dispositivo convertidor excitador Analógico/Digital (7) para convertir la señal de medición en una señal digital de medición; - Un procesador digital de señales (DSP) con un dispositivo de transformación rápida de Fourier (FFT) para llevar a efecto la transformación de la señal digital de medición del ámbito de las frecuencias. Dispositivo de diagnóstico precoz éste que está caracterizado porque: - Dentro del procesador digital de señales (DSP) está previsto, además, un dispositivo de análisis del cepstro para generar de la señal digital de medición, una vez transformada la misma por la transformación rápida de Fourier, unos datos de referencia de los impulsos de choque individuales dentro del ámbito del tiempo; y - dentro de una unidad de memoria (8) están memorizados el cepstro-madre de una nueva instalación de maquinaria para distintas condiciones de funcionamiento; la matriz de unos valores de experiencia, relativos a los grupos funcionales y las partes componentes de éstos con los defectos; así como la probable vida útil restante de los mismos; en este caso, el procesador digital de señales (DSP) efectúa una comparación entre el cepstro actual y un cepstro-madre de una instalación de maquinaria nueva, el que es leído de la unidad de memoria (8) y el cual está asignado a esta condición del funcionamiento, siendo el mismo elegido como respuesta a las informaciones sobre el número de revoluciones y sobre la carga de la máquina; - un dispositivo de vigilancia y control (10) está previsto para vigilar el resultado de la comparación - entre el cepstro actual y el correspondiente cepstro-madre - con respecto a ser sobrepasados los valores límite así como para informar, en su caso, el procesador digital de señales (DSP) sobre este exceso en relación con los valores límite; así como - el procesador digital de señales (DSP) determina - como respuesta a la información de parte del dispositivo de vigilancia y control (10) y del cepstro actual así como por medio de los valores de experiencia, guardados en ta matriz de valores de experiencia, y a través de los defectos presentados - un grupo funcional defectuoso o una parte componente defectuosa de éste como asimismo determina la probable vida útil restante del mismo para luego emitir a una unidad central (9), a efectos de su ulterior procesamiento, una señal de diagnosis en la cual están contenidas informaciones sobre los grupos funcionales defectuosos y sobre la probable vida útil restante de éstos.

Description

Dispositivo y procedimiento para el diagnóstico precoz y la predicción de defectos en unidades de funcionamiento.

La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para el diagnóstico precoz y la predicción de defectos en unos grupos funcionales, conforme a lo indicado en el preámbulo de las reivindicaciones de patente 1), 10) y 11), respectivamente.

Para la determinación de los momentos del mantenimiento y del servicio de cuidados de los vehículos automóviles ya es conocida, según el estado de la técnica, una multitud de procedimientos y de dispositivos.

A título de ejemplo, la Patente Alemana Núm. DE 3110774 A1 revela un procedimiento para la determinación de los intervalos del mantenimiento y del servicio de cuidados, según el cual está siendo determinado constantemente - en función del estado del desgaste de las unidades de funcionamiento o grupos funcionales, que han de ser mantenidos - el momento preciso de su mantenimiento. A este efecto, o es controlada solamente una variable de guía - como, por ejemplo, la capacidad de lubricación del aceite del motor o el estado de los forros del freno - o bien son registrados los estados del desgaste de otras variables del funcionamiento como son, por ejemplo, el embrague, el reglaje del carburador, las bujías, el momento del encendido, etc., etc., para también ser tenidos en cuenta en el cálculo del momento de mantenimiento. El extrapolado momento del mantenimiento es comunicado al conductor del vehículo a través de una visualización.

Además, a través de la Patente Alemana Núm. DE 43 06 270 C1 es conocido un procedimiento para la determinación y la prolongación de un intervalo de cambio de una unidad de funcionamiento por medio de por lo menos un valor o variable de funcionamiento, que representa el estado de la calidad de la materia para el funcionamiento y el cual puede ser registrado de forma directa o indirecta. Además, la evaluación así como el cálculo continuo del intervalo para el cambio de por lo menos una variable del funcionamiento son efectuados - teniendo en consideración otros datos de unos sensores, los que representan los valores del funcionamiento como son el número de los arranques del motor, el número de revoluciones del eje del cigüeñal, la temperatura del motor, la presión del aceite del motor, etc. - por medio de una unidad de cálculo y control, y estos datos son puestos en relación con un intervalo de mantenimiento previamente establecido para los grupos funcionales.

Finalmente, a través de la Patente Europea Núm. EP 0 489 261 A2 se conoce un dispositivo para calcular el intervalo para el mantenimiento del vehículo automóvil por medio de distintas variables del funcionamiento, registradas y determinadas, respectivamente, tales como son el número de los arranques del motor, el número de revoluciones del eje de cigüeñal, los tiempos de conducción y de estacionamiento, la temperatura del motor, la presión del aceite del motor, la presión de los neumáticos con carga, el consumo de aceite, el consumo de combustible y otros datos similares. El resultado de los cálculos es emitido de forma acústica y/u óptica como indicación o como orden para el mantenimiento. El proceso de la puesta a nivel del aceite del motor es registrado por su cantidad y, como consecuencia, el intervalo del mantenimiento es prolongado cada vez por un lapso de tiempo o por un kilometraje, previamente definidos.

Además, la Patente Europea Núm. 0 601 365 B1 revela un procedimiento y un dispositivo para la determinación del momento del servicio de cuidar un sistema de freno de un vehículo automóvil. A este efecto, para cada rueda son determinados el número de revoluciones y la velocidad del vehículo; mediante estos datos es calculado el resbalamiento de la rueda para ser memorizado. Al ser la diferencia entre el resbalamiento de distintas ruedas mayor que un valor previamente determinado, se produce una señal que representa un problema con el freno y en base a la misma se indica la correspondiente necesidad de un mantenimiento.

Por consiguiente, según estos procedimientos convencionales resulta que, en el mejor de los casos, en un punto de control electrónico son evaluados los datos obtenidos por un sistema de sensores y los que, en cuanto a su funcionalidad, son asignados a la causa de un posible defecto para lo cual es determinado de forma correspondiente el momento de un servicio de mantenimiento.

En estos procedimientos convencionales, sin embargo, no existe la posibilidad de efectuar un diagnóstico de predicción. El momento de efectuar el mantenimiento o servicio de cuidados es determinado solamente en base a unos ya existentes defectos comunicados con los datos de un sensor, es decir, cuando ya existe un defecto. Se produce, por consiguiente, solamente un diagnóstico de defectos.

Se conocen, no obstante, también unos procedimientos en los cuales un intervalo del servicio de mantenimiento es determinado de un modo previsor y de manera flexible. A título de ejemplo, a través de la Patente Internacional Núm. WO 99/24699 son conocidos un procedimiento así como un dispositivo para el control y/o la determinación de la calidad del aceite dentro del motor; procedimiento éste según el cual son determinadas y evaluadas las variaciones en la viscosidad del aceite; en función de la temperatura y del momento de rozamiento del motor. Para esta finalidad están previstas por lo menos una unidad de memoria así como una unidad de control para el procesamiento y la transformación de los datos registrados; en este caso, en la unidad de memoria o bien en cada unidad de memoria están memorizadas las líneas características necesarias para la determinación de la viscosidad. En función de estos datos de viscosidad, el momento de cambiar el aceite del motor queda determinado de tal manera, que no se pueda producir ningún defecto en el motor debido a una lubricación y refrigeración insuficientes.

Además, la Patente Europea Núm. EP 1 101 971 A1 revela una diagnosis del estado de las partes componentes que se encuentran sometidas a un desgaste continuo, por ejemplo, los forros de freno. A este efecto, el estado del desgaste es registrado mediante unos sensores, y es emitida una señal de alarma al no ser alcanzado un valor previamente determinado.

A través de la Patente Europea Núm. EP 0 764 244 B1 es conocido un sistema medidor del desgaste en los forros de freno según el cual el desgaste es registrado por medio de un sensor de desplazamientos. En este sistema es registrada la colocación de un nuevo forro de freno sin usar, y entonces es generado un correspondiente valor nuevo de referencia para las mediciones del desgaste. A continuación, y correspondiente al nuevo valor de referencia, es generado y memorizado un límite de desgaste, que representa un aceptable espesor mínimo del forro del freno, el cual se ha obtenido por restar del nuevo valor de referencia el conocido espesor de los nuevos forros sin usar. De esta manera, el sistema tiene en consideración - para determinar el límite del desgaste - el decreciente grosor del disco o del tambor en el progresivo uso del freno. A través del desarrollo del desgaste en el pasado y del espesor residual del forro es pronosticada la vida útil restante, que se hace constar mediante un sistema de diagnóstico de mantenimiento.

También estos procedimientos facilitan, en el mejor de los casos, sólo una predicción sobre el estado del envejecimiento de los lubricantes, que han de ser cambiados, así como de las partes componentes sometidas a un desgaste como, por ejemplo, de los forros del freno y de la guarnición del embrague.

Sin embargo, el estado de las partes componentes netamente mecánicas de un grupo funcional puede ser determinado mediante estos procedimientos convencionales sólo en parte y de una manera insuficiente.

Se conocen, en cambio, procedimientos para el diagnóstico precoz de defectos, por ejemplo, dentro del sector de la técnica de las centrales energéticas y para el control de las máquinas de grandes plantas.

En base a la necesidad de tener que evitar en las centrales energéticas los tiempos de parada fuera del programa y debido al fallo repentino de unas partes componentes, se habían desarrollado unos procedimientos que permiten un diagnóstico precoz de defectos en las partes componentes de los grupos funcionales, sin que para ello ya tenga que evidenciar la parte componente una manifiesta perturbación en su funcionamiento. Sobre la base de los resultados conseguidos con estos procedimientos puede ser derivada luego la decisión si una determinada parte componente tiene que ser sustituida durante la próxima parada planificada de la maquinaria para la realización del mantenimiento, o si esta pieza puede seguir siendo usada.

La Patente Alemana Núm. DE 195 45 008 C2 revela un procedimiento para la vigilancia de unas máquinas de trabajo periódico para detectar a tiempo unas variaciones en la maquinaria. A este efecto y por medio de un sensor de vigilancia son registradas unas señales de medición, específicas de cada máquina, las cuales son procesadas dentro de una unidad de análisis con una referencia, es decir, con unas señales de medición que representan el comportamiento de partida de la máquina nueva. De las señales de tiempo, aportadas por el sensor, se prepara sobre todo para el ciclo de la maquinaria - mediante una transformación Fourier - un espectro de frecuencias, y de las señales de frecuencia de por lo menos dos, preferentemente diez espectros de frecuencias, se calculan unos valores medios de las individuales ordenaciones de frecuencias, los cuales constituyen la base del procedimiento para la vigilancia. Una detectada variación puede ser la señal de una irregularidad dentro de un proceso de fabricación, la cual tiene por consecuencia una variación en el comportamiento de la máquina, y/o la misma puede indicar la existencia de un defecto en la máquina. Esta variación en la máquina es visualizada.

A través de la Patente Europea Núm. EP 0 413 845 B1 es conocido un procedimiento para el diagnóstico precoz de defectos en partes componentes de máquinas, sobre todo en los rodamientos. Según este procedimiento, las vibraciones forzadas de una máquina, a causa de un daño en un rodamiento, son registradas por medio de un oscilógrafo. De la señal medida - por ejemplo, de la medida aceleración - es generada una señal digitalizada, que es descompuesta en unas partes proporcionales de repetición periódica, con una amplitud estocástica, así como en unas partes proporcionales generalmente estocásticas. A continuación, estas partes proporcionales de las señales son analizadas - en función de la frecuencia - a los efectos de determinar unas magnitudes características para la solicitación, a la que está sometida la parte de la máquina. Para ello es determinado el espectro de frecuencia, de forma preferente como la densidad espectral del rendimiento. Por medio de unos análisis de frecuencias y para ciertas gamas de frecuencias quedan establecidas las intensidades determinadas del daño, siendo fijados así la magnitud, el alcance y la forma de la distribución de las frecuencias de incidencias. El enlace entre la gama de frecuencias y la distribución de las frecuencias de incidencias da como resultado un factor de solicitación o de esfuerzo para el rodamiento. Las magnitudes características, determinadas para la solicitación, son empleadas para determinar el tipo de defecto y/o para determinar el grado del daño, y las mismas son comparadas con los valores característicos de una solicitación que es tolerable para la parte componente de la máquina.

A través de la Patente Alemana Núm. DD-A-214709 - que es considerada como el estado de técnica más estrechamente relacionado con la presente invención - es conocido un análisis del cepstro para la vigilancia de los mecanismos impulsores de unos elementos de regulación en los reactores nucleares. Por medio de un acelerómetro piezo-eléctrico son registrados los ruidos del movimiento de los mecanismos impulsores de la regulación, los cuales son pasados por un filtro de banda estrecha y en base a los mismos se calculan luego el espectro de densidad del rendimiento así como el cepstro. A continuación, los valores de la función, tanto del espectro como del cepstro, son analizados a unas típicas frecuencias y "quefrencias", respectivamente, que se producen durante el accionamiento de los mecanismos impulsores de elementos de regulación, para ser comparados con los datos de partida de unas distribuciones estadísticas. De esta comparación se sacan las conclusiones sobre el comportamiento del mecanismo impulsor de la regulación. Este procedimiento, revelado en la Patente Alemana Núm. DD-A-214709, tiene la ventaja de que los mecanismos impulsores de los elementos de regulación comprenden, principalmente, sólo los dos estados, activo e inactivo, con lo cual se encuentra muy limitado el número de las posibles frecuencias características. Por la simple presentación de las frecuencias características ya puede ser deducido el estado activo. Esta es, desde luego, la información más importante en relación con los mecanismos impulsores de la regulación en las centrales nucleares. Aquí no está prevista ninguna diferenciación más exacta en cuanto al grado de la dinámica de los mecanismos de la regulación por no ser necesaria. Al variar fuertemente el grado de la dinámica de los mecanismos impulsores de los elementos de regulación, esto también podría ejercer una influencia sobre las frecuencias que normalmente se producen. Con unos distintos grados de la dinámica puede ser supuesto que también variarían las frecuencias típicas, que son necesarias para un análisis. La Patente Alemana Núm. DD-A-214709 no revela ninguna indicación de cómo tendría que ser tratado un problema de este tipo. Por consiguiente, el procedimiento no está apropiado para los vehículos automóviles.

Hasta la presente, sin embargo, no se conocen ningún dispositivo ni ningún procedimiento por medio de los cuales podrían ser efectuados un diagnóstico precoz y una predicción en cuanto a defectos en grupos funcionales o en unidades de funcionamiento no estacionarios, es decir, de tipo móvil. Sobre todo es así que los anteriormente descritos dispositivos y procedimientos convencionales no están previstos para ser empleados en unas unidades de funcionamiento, que son explotadas de forma móvil y que se encuentran sometidas a unos procesos de carga dinámica.

Por consiguiente, la presente invención tiene el objeto de proporcionar un dispositivo y un procedimiento para el diagnóstico precoz así como para la predicción de defectos en las unidades de funcionamiento, los cuales puedan ser empleados también para las unidades de funcionamiento que son de tipo móvil y que están sometidas a los procesos de una carga dinámica.

De acuerdo con la presente invención, este objeto se consigue por medio de un dispositivo y de un procedimiento, respectivamente, con las características de las reivindicaciones de patente 1), 10) y 11).

En las reivindicaciones secundarias se indican unas convenientes ampliaciones de la forma de realización de la presente invención.

Gracias al dispositivo de la presente invención y al procedimiento de la misma, se hacen posibles un diagnóstico precoz así como una predicción de los defectos en unos grupos funcionales, también de las unidades de funcionamiento que son explotadas de forma móvil y que están sometidas a los procesos de cargas dinámicas.

Estos aspectos así como las demás características y ventajas de la presente invención pueden ser apreciadas en la descripción, relacionada a continuación para un preferido ejemplo de realización, en relación con los planos adjuntos en los cuales:

La Figura 1 muestra el esquema de bloques de un dispositivo según la presente invención, previsto para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en la maquinaria de unas instalaciones de máquina, explotadas de forma tanto estacionaria como móvil;

Las Figuras 2a y 2b indican un respectivo diagrama para el desarrollo del procedimiento de la presente invención para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en las unidades de funcionamiento, mientras que

Las Figuras 3a y 3b representan, respectivamente, las curvas del espectro y del cepstro de un engranaje de ruedas dentadas, estando insertada la primera marcha o velocidad; con y sin daños en la unidad de funcionamiento.

A continuación se describe, haciendo referencia a la Figura 1, un dispositivo para el pronóstico precoz y para la predicción de daños o defectos en los grupos funcionales, el cual puede ser empleado sobre todo en tas instalaciones de maquinaria que son explotadas de forma móvil como, por ejemplo, los grupos del accionamiento de los vehículos automóviles. Pueden ser detectados los defectos en el grupo de accionamiento o en partes componentes de este grupo como, por ejemplo, de la dirección, del motor, de la caja de cambio, del eje de cigüeñal, del sistema de freno, el conjunto ratardador, etc.

Dentro del dispositivo de la presente invención para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en las unidades de funcionamiento está dispuesto un sensor 1 - como puede ser, por ejemplo, un acelerómetro - en la instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada. Este sensor está previsto para registrar el sonido corporal, y la salida del mismo se encuentra conectada a un amplificador 2. La salida de este amplificador 2 está en comunicación tanto con un elemento generador de envolventes 3, como con un elemento de filtro de paso bajo 3'. La salida del elemento generador de envolventes 3 está conectada a la primera posición de cambio de una unidad de cambio 6, mientras que la salida del elemento de filtro de paso bajo 3' se encuentra conectada a una segunda posición de cambio de esta unidad de cambio. La salida de la unidad de cambio 6 se encuentra en comunicación, a su vez, con la entrada de un dispositivo convertidor excitador 7, que comprende - entre otros componentes más - un elemento convertidor I/O (entrada/salida) de manejo A/D (Analógico/Digital) así como los pasos excitadores para el control de una unidad de funcionamiento. Las otras entradas del dispositivo convertidor excitador 7 están conectadas a los sensores y elementos actuadores de la unidad de funcionamiento, los cuales no están representados aquí. Una salida del dispositivo convertidor excitador 7 está en comunicación con un procesador digital de señales (DSP) para la aportación de una señal del sensor, la cual es digitalizada por el elemento convertidor I/O de manejo A/D del dispositivo convertidor excitador 7. El procesador digital de señales DSP comprende un dispositivo de transformación rápida tipo Fourier (dispositivo FFT) así como un dispositivo de análisis de cepstros para la generación de datos de resonancia de los impulsos de choque individuales dentro del ámbito del tiempo. A este efecto, el dispositivo de análisis de cepstros comprende una unidad de logaritmación para tomar el logaritmo de los datos individuales, como asimismo comprende un dispositivo de transformación rápida inversa tipo Fourier (dispositivo IFFT). Una conexión del procesador digital de señales DSP está comunicada con una unidad de memoria 8. Dentro de esta unidad de memoria 8 - que puede comprender, por ejemplo, una memoria EEPROM - están guardados datos de referencia que comprenden un cepstro-madre así como las informaciones sobre los excesos de amplitud dentro del cepstro, los cuales representan un daño en un grupo funcional de una unidad de funcionamiento, y ésta unidad de memoria puede estar integrada en el dispositivo de memoria 11, previsto para el control de la unidad de funcionamiento. Mediante otra entrada, el procesador digital de señales DSP se encuentra unido con una unidad central 9 o unidad central de procesamiento CPU del sistema electrónico del grupo funcional, a efectos de la aportación de unas informaciones actuales sobre el número de revoluciones y sobre la carga.

Tanto el procesador digital de señales DSP como la unidad central 9 están unidos con un dispositivo de vigilancia y control 10 para la lectura de datos, procedentes del procesador digital de señales y/o de la unidad central 9, y para evaluar si son sobrepasados unos valores críticos, es decir, si se presentan unas señales que se encuentran fuera de la gama de tolerancia previamente determinada, así como para la emisión de un resultado de esta valoración. Además, otra salida del procesador digital de señales está prevista para emitir - conjuntamente con la unidad central 9 - los datos del diagnóstico, es decir, los datos referentes a inminentes daños en la unidad de funcionamiento.

A continuación, se comenta ahora - por medio del diagrama de desarrollo, indicado en la Figura 2 - el modo de funcionamiento del anteriormente descrito dispositivo para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en las unidades de funcionamiento.

En primer lugar, por lo menos un sensor 1 registra el sonido corporal de una instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada, y el primero emite una señal de medición como, por ejemplo, una señal de aceleración (SI). La señal de medición, procedente del sensor 1, es aportada luego al amplificador 2 para aquí ser amplificada de tal manera, que dentro de las siguientes unidades del procesamiento puedan ser efectuados sin problema los siguientes procesos. Sin embargo, en el transcurso de esta amplificación no solamente es amplificada la deseada señal de la instalación de maquinaria a vigilar, sino también las señales de humo que, entre otras causas, se pueden producir debido al movimiento de la instalación de maquinaria de tipo móvil como, por ejemplo, por unas irregularidades en el suelo, por unos procesos de aceleración y deceleración, etc., etc., de un vehículo, así como las señales de oscilación o vibración que se producen dentro del grupo de accionamiento de un vehículo automóvil; señales éstas que, al ser analizadas directamente, influirían de forma negativa en los resultados de evaluación del procesador digital de señales DSP.

Por consiguiente, la amplificada señal de medición, emitida por el amplificador 2, es aportada seguidamente a un elemento generador de envolventes 3, que sobre la señal de medición genera una envolvente para alisar la señal de medición de alta frecuencia a efectos de su ulterior procesamiento. A este efecto, la envolvente se extiende a lo largo de los valores de amplitud máxima de la señal de medición. A continuación, la señal de salida del elemento generador de envolventes 3 es aportada al dispositivo convertidor excitador 7.

Como alternativa, y respondiendo a una señal del procesador digital de señales DSP, la señal de medición también puede ser aportada a un elemento de paso de filtro bajo 3', en el cual son eliminadas - mediante filtración - las partes proporcionales de alta frecuencia de la señal del sensor como, por ejemplo, también las indeseadas partes proporcionales de ruidos, que son de alta frecuencia. A diferencia de la señal alisada del sensor - la cual es generada por el elemento generador de envolventes 3 - la señal de medición, que ha atravesado el filtro de paso bajo, representa el valor medio alisado de una señal de medición de alta frecuencia.

Esta señal de salida, pasada por el filtro de paso bajo, o bien la alisada señal de medición es aportada seguidamente - dentro de un elemento convertidor I/O de manejo A/D del dispositivo convertidor excitador 7 y en conjunto con las señales del número de revoluciones y de la carga, registradas por otros sensores del grupo funcional así como aportadas a otra entrada del dispositivo convertidor excitador 7 - a un elemento convertidor Analógico/Digital, que también está previsto dentro de este dispositivo convertidor excitador 7, para dentro del mismo ser convertida en una señal digital (S2).

A continuación, las señales de salida digitales del elemento convertidor Analógico/Digital del dispositivo convertidor excitador 7 son aportadas al procesador digital de señales DSP. Este procesador digital de señales DSP lleva a efecto un análisis de la señal en el cual se hace - en base a unas bandas de oscilación - la predicción sobre características o acontecimientos del estado de la máquina. Esto puede ser efectuado para todas las partes componentes de la máquina, cuyo sonido corporal puede ser transmitido desde la estructura de la máquina hasta el sensor 1.

En primer lugar, las señales de salida digitales del elemento convertidor Analógico/Digital del dispositivo convertidor excitador 7, las cuales han sido aportadas al procesador digital de señales DSP, son transformadas - dentro de un dispositivo de transformación rápida tipo Fourier (FFT) y a través de una transformación rápida de Fourier - al ámbito de frecuencias (S3). De esta manera, es generado un juego de datos mediante el cual pueden ser efectuados unos análisis gráficos. A unas condiciones exactamente definidas para la medición, las individuales líneas de frecuencias así como lo pronunciado de las harmónicas pueden formar las condiciones para unas informaciones sobre los grupos funcionales, las cuales están basadas en causas. Debido a un daño, las líneas de frecuencias se incrementan cada vez más. Sin embargo, a causa del empleo móvil de la instalación de maquinaria, existe un elevado número de líneas de frecuencias de las perturbaciones que complican un ulterior
análisis.

Por consiguiente, por medio del dispositivo de análisis de cepstros, que está realizado dentro del procesador digital de señales DSP, es llevado a efecto un análisis de frecuencias (S4), que es independiente del número de revoluciones, y el mismo hace referencia a las causas. Para esta finalidad, la unidad de logaritmación, que está prevista dentro del dispositivo de análisis del cepstro, realiza - después de efectuar la transformación rápida de Fourier FFT dentro del dispositivo de transformación rápida Fourier FFT - la logaritmación de los datos individuales dentro del ámbito de las frecuencias. A continuación, estos datos individuales logaritmados son otra vez transformados, por medio de una transformación rápida de Fourier inversa (IFFT), al ámbito del tiempo, y aquí los mismos se encuentran entonces - como datos de resonancia de los impulsos de choque individuales - disponibles en el eje de "quefrencias", es decir, en el eje de frecuencias invertido, y en las unidades ms. En las Figuras 3a y 3b, se indican las representaciones del espectro y del cepstro de un engranaje de ruedas dentadas, con la primera marcha insertada y con daños en la unidad de funcionamiento (Figura 3a) así como sin estos daños (Figura 3b). Por el lado izquierdo de las Figuras 3a y 3b, respectivamente, está indicado el detectado espectro, mientras que por el lado derecho de las Figuras se indica el respectivo cepstro. De ello puede ser apreciado que, en base al cepstro, pueden ser determinados - de una manera sencilla y de forma inequívoca - los daños o deterioros; aquí, por ejemplo, a través de los impulsos de choque individuales a 28,1 ms (35,6 Hz) y 95,9 ms (10,4 Hz). A través de los datos de referencia memorizados, existe ahora la posibilidad de sacar, en base a la posición de los impulsos de choque individuales, unas conclusiones sobre la dañada parte componente de la unidad de funcionamiento.

La ventaja del análisis del cepstro consiste en el hecho de que las repeticiones dentro del espectro - por ejemplo, a causa de las harmónicas o de unas bandas laterales - producen en el cepstro solamente una línea al existir sólo una distancia de la banda lateral. Por consiguiente, dentro del espectro están esencialmente reducidas muchas líneas, que solamente se basan en pocas causas. Esto es especialmente conveniente en el caso de espectros, por ejemplo, de un defectuoso rodamiento, de daños en los dientes de engranajes, etc., habida cuenta de que en estos casos se producen muchas líneas espectrales, cuyas individuales distancias ya no pueden ser reconocidas de una manera sencilla y originan un engorroso análisis; por medio del análisis del cepstro, estas informaciones quedan reducidas a lo esencial.

El procesador digital de señales DSP se sirve - en función de las informaciones sobre el número de revoluciones y sobre ta carga, que le son aportadas desde la unidad central 9 - de los datos de referencia, que en la unidad de memoria 8 están guardados para el estado actual del funcionamiento, el primeo lee estos datos y efectúa una comparación entre los guardados datos de referencia - es decir, el cepstro-madre, que ha sido determinado para una instalación de maquinaria sin daños y para tos distintos estados del funcionamiento - y el cepstro actual (55). En un dispositivo de vigilancia y control 10, que se encuentra unido con el procesador digital de señales DSP y el cual está también en comunicación con la unidad central 9, es determinado si en el resultado de la comparación han sido sobrepasados unos valores críticos, es decir, si se presentan unas señales que, dentro del actual estado del funcionamiento, se encuentran fuera de una gama de tolerancias previamente determinada y, en et caso de ser sobrepasados estos valores, este dispositivo emite una señal correspondiente al procesador digital de señales DSP (S6). Sin embargo, en el momento en el que queda detectado que ha sido sobrepasada la gama de tolerancias, la sustitución de ta parte componente afectada no es, en la mayoría de los casos, necesaria si bien ya puede ser observado un incipiente grado de deterioro.

A continuación, en base a los valores de experiencia, depositados en la unidad de memoria 8 - los cuales han sido obtenidos por la determinación de cepstros para toda la vida útil de una instalación de maquinaria y por asignar unas variaciones dentro del cepstro a determinados deterioros, producidos en un grupo funcional o en una parte componente del mismo, así como para la vida útil restante hasta el fallo total - y en base a los excesos de la gama de tolerancias, los cuales se producen dentro del cepstro, así como a la magnitud de estos excesos, por el procesador digital de señales DSP son ahora determinados tanto et grupo funcional o la parte componente del mismo y el grado de su deterioro, como asimismo la probable vida útil restante es tenido en consideración - adicionalmente a los conocidos valores de experiencia - también el histórico de la instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada, como puede ser, por ejemplo, la carga extrema durante solamente una breve vida útil, una carga moderada por un prolongado lapso de tiempo, y otros detalles similares teniendo en cuenta que, a causa de este histórico, se podría reducir probablemente aún más la vida útil restante. A continuación, por el procesador digital de señales DSP es emitida una señal de diagnosis a la unidad central 9, la cual contiene información sobre qué grupo funcional tiene qué tipo de daño y con el grado de deterioro del mismo como puede ser, por ejemplo, la indicación del grado de deterioro en una determinada rueda dentada dentro del engranaje y para cuándo debe ser efectuada, como más tarde, una sustitución de la rueda para evitar un fallo completo (S7).

En respuesta a la señal de diagnosis (a los datos del diagnóstico), la unidad central 9 hace iniciar un funcionamiento de emergencias (S12), y son emitidos avisos (S8) a un dispositivo indicador y de manejo, que aquí no está representado. Sobre todo es emitido - respondiendo a los datos del diagnóstico - un aviso al conductor del vehículo (S8) y/o por telemetría al taller correspondiente y a la empresa de transporte (S9). Este aviso contiene una representación - comprensible para el conductor - del defecto que ha sido detectado o pronosticado, al igual que comprende la predicción del tiempo hasta que se pueda producir el fallo completo o un deterioro mayor de la unidad de funcionamiento correspondiente.

No obstante, también puede presentarse el caso de que no se produzca ningún aviso y de que tampoco exista la posibilidad de un funcionamiento de emergencia; en este supuesto, tos datos correspondientes solamente serían memorizados dentro de una unidad de memoria de defectos - que puede estar prevista, por ejemplo, dentro del dispositivo de memoria 11 para el control de la unidad de funcionamiento - para luego ser recuperados con ocasión de la próxima visita al taller, a efectos del servicio de mantenimiento.

El funcionamiento de emergencia - que, en respuesta a las determinadas informaciones del diagnóstico, es generado por la unidad central 9 - es iniciado para impedir o reducir un ulterior deterioro del grupo funcional, cuyo daño ha sido diagnosticado, y para asegurar, no obstante, simultáneamente la disponibilidad del vehículo. Un tal funcionamiento de emergencia puede consistir, por ejemplo, en saltarse la marcha correspondiente, al tratarse de un daño en la caja de cambio, o en una reducción de la potencia del motor o del número de revoluciones del mismo. Para esta finalidad, se encuentran memorizados - por ejemplo, dentro del dispositivo de memoria 11 para el control de la unidad de funcionamiento - ciertos algoritmos de emergencia que, en este supuesto, puedan ser llamados de forma correspondiente por la unidad central 9.

Si se disponen de varias posibilidades para un funcionamiento de emergencia y con distintas repercusiones (S10) como, por ejemplo, una mayor o menor disponibilidad del vehículo, estas posibilidades son visualizadas (S11) por la unidad central 9 - a efectos de su elección - en el dispositivo indicador y de manejo, que aquí no ha sido indicado. En este caso, el conductor puede elegir un modo de funcionamiento de emergencia en función de la situación como, por ejemplo, de la distancia al taller próximo o del lapso de tiempo/recorrido para el cual se necesita el vehículo todavía.

A título de ejemplo, al tratarse de un detectado fallo en el conjunto retardador, éste puede ser desconectado y el sistema de freno puede ser activado de tal manera, que el mismo supla la función del conjunto retardador. A la inversa, en el caso de fallar el freno, a través de una modificación en el sistema de control, la función del freno puede ser realizada por el conjunto retardador.

Además, los preparados datos de diagnosis, por ejemplo, del conjunto de accionamiento del vehículo están disponibles - a través de una interfase en el conjunto de accionamiento - para su ulterior uso o procesamiento.

La inversión para el dispositivo en su conjunto puede ser reducida de una manera considerable a través de una comunicación con los dispositivos ya existentes en la instalación de maquinaria como, por ejemplo, con la unidad central 9 y, relacionado con ello, por aprovecharse las estructuras de comunicación específicas de la instalación de maquinaria como pueden ser - en el caso de un vehículo automóvil, por ejemplo, - los elementos de construcción de tipo CAN (car area network o red local del vehículo).

Por medio del dispositivo de la presente invención y del correspondiente procedimiento para el diagnóstico precoz y para la predicción de deterioros en las unidades de funcionamiento está incrementada la disponibilidad de las instalaciones de maquinaria gracias a un mantenimiento de las mismas, el cual está en función de su estado. Son sustituidas solamente las partes componentes que evidencian un deterioro. Queda suprimida la posibilidad de una sustitución preventiva con el riesgo de que algo se pueda romper con ella. La mayor parte de los tiempos de reparación pueden ser trasladados a los tiempos de parada, normalmente previstos para la máquina.

De acuerdo con la presente invención, y como alternativa al dispositivo de análisis del cepstro, también puede ser empleado un dispositivo de análisis "wavelet" u onda rizada. A este efecto, una señal, que ha de ser comparada, lleva sobrepuesta una onda rizada - es decir, una función senoidal interferida por una función Gauss - y de estas interferidas extensiones de onda rizada es efectuada, a continuación, una transformación rápida Fourier (FFT). De esta señal, transformada de Fourier, pueden ser obtenidos unos datos característicos que facilitan una buena descomposición en componentes individuales y, por consiguiente, una asignación directa a un defecto.

Como resumen, se hace constar que la presente invención proporciona un dispositivo y un procedimiento para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos o deterioros en los grupos funcionales de instalaciones de maquinaria, especialmente también de las instalaciones de una máquina móvil. Para esta finalidad, el sonido corporal de la instalación de maquinaria es registrado por medio de un sensor para ser emitido en forma de una señal de aceleración, que luego es analizada dentro de un procesador digital de señales. En este caso - y al objeto de evitar las influencias negativas de las vibraciones o las ondas del sonido corporal, las cuales no están relacionadas con el estado de la instalación de maquinaria - la señal de aceleración en primer lugar es transformada, mediante una transformación rápida de Fourier (FFT), al ámbito de las frecuencias t, a continuación, los datos, obtenidos de este modo, son transformados de nuevo, mediante el análisis del cepstro, al ámbito del tiempo, de tal manera que se puedan obtener los datos de resonancia de los impulsos de choque individuales (un cepstro) dentro del ámbito del tiempo. A continuación, este cepstro es comparado con un cepstro de comparación que - en función de las señales de la carga así como del número de revoluciones para el actual estado de funcionamiento de una nueva instalación de maquinaria - está disponible dentro de una unidad de memoria. Al ser sobrepasados unos valores límite, la señal de diagnosis - que sobre todo consiste en informaciones sobre el grupo funcional, diagnosticado como dañado, así como en la duración de vida útil restante del mismo - es indicada al usuario, y queda iniciado un funcionamiento de emergencia.

Claims (18)

1. Dispositivo para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en los grupos funcionales de una instalación de maquinaria, el cual comprende:

- Por lo menos un sensor (1) para registrar el sonido corporal de la instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada, así como para la emisión de una señal de medición;

- Un dispositivo convertidor excitador Analógico/Digital (7) para convertir la señal de medición en una señal digital de medición;

- Un procesador digital de señales (DSP) con un dispositivo de transformación rápida de Fourier (FFT) para llevar a efecto la transformación de la señal digital de medición del ámbito de las frecuencias.

Dispositivo de diagnóstico precoz éste que está caracterizado porque:

- Dentro del procesador digital de señales (DSP) está previsto, además, un dispositivo de análisis del cepstro para generar de la señal digital de medición, una vez transformada la misma por la transformación rápida de Fourier, unos datos de referencia de los impulsos de choque individuales dentro del ámbito del tiempo; y

- dentro de una unidad de memoria (8) están memorizados el cepstro-madre de una nueva instalación de maquinaria para distintas condiciones de funcionamiento; la matriz de unos valores de experiencia, relativos a los grupos funcionales y las partes componentes de éstos con los defectos; así como la probable vida útil restante de los mismos; en este caso, el procesador digital de señales (DSP) efectúa una comparación entre el cepstro actual y un cepstro-madre de una instalación de maquinaria nueva, el que es leído de la unidad de memoria (8) y el cual está asignado a esta condición del funcionamiento, siendo el mismo elegido como respuesta a las informaciones sobre el número de revoluciones y sobre la carga de la máquina;

- un dispositivo de vigilancia y control (10) está previsto para vigilar el resultado de la comparación - entre el cepstro actual y el correspondiente cepstro-madre - con respecto a ser sobrepasados los valores límite así como para informar, en su caso, el procesador digital de señales (DSP) sobre este exceso en relación con los valores límite; así como

- el procesador digital de señales (DSP) determina - como respuesta a la información de parte del dispositivo de vigilancia y control (10) y del cepstro actual así como por medio de los valores de experiencia, guardados en ta matriz de valores de experiencia, y a través de los defectos presentados - un grupo funcional defectuoso o una parte componente defectuosa de éste como asimismo determina la probable vida útil restante del mismo para luego emitir a una unidad central (9), a efectos de su ulterior procesamiento, una señal de diagnosis en la cual están contenidas informaciones sobre los grupos funcionales defectuosos y sobre la probable vida útil restante de éstos.

2. Dispositivo conforme a la reivindicación 1) y caracterizado porque para la determinación de la probable vida útil restante de un grupo funcional o de ta parte componente del mismo, tos que han sido detectados como defectuosos, el procesador digital de señales (DSP) tiene en consideración las informaciones guardadas en un dispositivo de memoria (11) y relacionadas con et histórico de la instalación de
maquinaria.

3. Dispositivo conforme a las reivindicaciones 1) o 2) y caracterizado porque la unidad central (9) indica las informaciones - contenidas en ta señal de diagnosis y relacionadas con los grupos funcionales defectuosos y con la probable vida útil restante de los mismos - en un dispositivo visualizador para el usuario y/o las transmite por telemetría a un taller correspondiente y/o a la entidad explotadora de la instalación de maquinaria.

4. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 3) y caracterizado porque, como respuesta a la señal de diagnosis, la unidad central (9) genera un funcionamiento de emergencia para los grupos funcionales, diagnosticados como defectuosos, con el fin de evitar o de reducir un ulterior daño del grupo funcional, considerado como defectuoso, así como para asegurar al mismo tiempo una más prolongada disponibilidad de la instalación de maquinaria.

5. Dispositivo conforme a la reivindicación 4) y caracterizado porque, para el caso de que existan varias posibilidades para un funcionamiento de emergencia, la unidad central (9) le indica éstas al usuario a efectos de una elección para que el usuario pueda elegir un modo de emergencia correspondiente a la alternativa, que más se ajusta a los deseos del
mismo.

6. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 4) y caracterizado porque la instalación de maquinaria representa el conjunto de accionamiento o el conjunto de salida de fuerza o la dirección de un vehículo automóvil.

7. Dispositivo conforme a la reivindicación 6) y caracterizado porque, al ser diagnosticado un defecto en la caja de cambio, durante el funcionamiento de emergencia se salta la marcha o velocidad correspondiente al defecto o bien se reduce la potencia del motor y el número de revoluciones del mismo.

8. Dispositivo conforme a la reivindicación 6) y caracterizado porque, al ser diagnosticado un defecto en el conjunto retardador como parte componente del conjunto de accionamiento, durante el funcionamiento de emergencia es desconectado el conjunto retardador y el sistema de freno realiza la función del mismo.

9. Dispositivo conforme a la reivindicación 6) y caracterizado porque, al ser diagnosticado un defecto en el freno como parte componente del conjunto de accionamiento, durante el funcionamiento de emergencia es realizada la función del freno también por el conjunto retardador.

10. Dispositivo conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 9) y caracterizado porque para la detección de un grupo funcional defectuoso es empleado, en lugar del dispositivo de análisis del cepstro, un dispositivo de análisis de "wavelet" u onda rizada.

11. Procedimiento para el diagnóstico precoz y para la predicción de defectos en los grupos funcionales de una instalación de maquinaria, el cual comprende los pasos siguientes:

Registro del sonido corporal de la instalación de maquinaria, que ha de ser vigilada, y emisión de una señal de medición (S1);

Conversión de la señal de medición en una señal digital de medición (S2);

Aplicación de una transformación rápida de Fourier (FFT) sobre la señal digital de medición y, de este modo, transformación de la señal al ámbito de frecuencia (S3);

Procedimiento éste que está caracterizado por los pasos siguientes:

Generación de datos de resonancia de tos impulsos de choque individuales dentro del ámbito del tiempo y a través de un análisis del cepstro (S4);

Comparación - por parte del procesador digital de señales (DSP) - entre el cepstro actual y un cepstro de comparación de una instalación de maquinaria nueva, el que es leído de una unidad de memoria (8) y el cual está asignado a la condición de funcionamiento en cuestión; cepstro comparativo éste que es elegido en consonancia con las informaciones sobre el número de revoluciones y sobre la carga (S5);

Control del resultado de la comparación entre el cepstro actual y et correspondiente cepstro-madre en cuanto a ser sobrepasados unos valores límite e información del procesador digital de señales (DSP) sobre el hecho de haber sido sobrepasados los valores límite (S6); y,

En respuesta a esta información, la determinación de un grupo funcional dañado o de una parte componente dañada de éste así como de la probable vida útil restante de los mismos en base al cepstro actual y por medio de unos valores de experiencia, memorizados en una matriz de valores de experiencia, y de los defectos presentados y memorizados (S7); así como la emisión de una señal de diagnosis (S8) a una unidad central para su ulterior procesamiento; señal ésta que comprende la información sobre los grupos funcionales defectuosos y sobre la probable vida útil restante de los mismos.

12. Procedimiento conforme a la reivindicación 11) y caracterizado porque - durante la determinación de la probable vida útil restante (S7) de un grupo funcional o de una parte componente de éste, los cuales han sido detectados como defectuosos - se tienen en consideración las informaciones guardadas en un dispositivo de memoria (11) y relacionadas con el histórico de la instalación de maquinaria.

13. Procedimiento conforme a las reivindicaciones 11) o 12), el cual comprende el siguiente paso adicional: Indicación de la información - contenida en la señal de diagnosis y sobre los grupos funcionales defectuosos y sobre la probable vida útil restante de los mismos - para el usuario (59) y/o la transmisión de esta información por telemetría a un taller correspondiente y/o a la entidad explotadora de la instalación de maquinaria (S10).

14. Procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 11) hasta 13), el cual comprende el siguiente paso adicional: Generación de un funcionamiento de emergencia (S13) - como respuesta a la señal de diagnosis y para los grupos funcionales diagnosticados como defectuosos - con el fin de evitar o de reducir un daño mayor en los grupos funcionales, considerados como defectuosos, así como para asegurar al mismo tiempo una más prolongada disponibilidad de la instalación de maquinaria.

15. Procedimiento conforme a la reivindicación 14), el cual comprende - para el caso de que existan varias posibilidades para un funcionamiento de emergencia - el siguiente paso adicional (511): Indicación de esta posibilidad de elección para el usuario para que éste pueda elegir el modo de emergencia correspondiente a la alternativa que más se ajuste a sus deseos (512).

16. Procedimiento conforme a la reivindicación 14) y caracterizado porque - en el caso de ser la instalación de maquinaria un conjunto de accionamiento y al haber sido diagnosticado un defecto en la caja de cambio - como funcionamiento de emergencia es saltada la marcha o velocidad, correspondiente al defecto, o se reducen la potencia del motor y et número de revoluciones del mismo, respectivamente.

17. Procedimiento conforme a la reivindicación 14) y caracterizado porque - en el caso de ser la instalación de maquinaria un conjunto de accionamiento y al haber sido diagnosticado un defecto en el conjunto retardador - como funcionamiento de emergencia es desconectado el conjunto retardador, y el sistema de frenos realiza también la función de éste.

18. Procedimiento conforme a la reivindicación 14) y caracterizado porque - en el caso de ser la instalación de maquinaria un conjunto de accionamiento y al haber sido diagnosticado un defecto en el freno como parte componente del conjunto de accionamiento - como funcionamiento de emergencia resulta que la función del freno también es realizada por el conjunto retardador.