1. Sistema de Diagnóstico de Falhas em Máquinas Rotativas: Aplicação do Método de Análise de Órbitas.

Neste trabalho, após a introdução e exposição dos primeiros conceitos teóricos gerais, partiu-se para o estudo da análise de órbita, seu significado, como é construída, a informação vital que ela contém para o reforço do diagnóstico de falhas. O passo seguinte consistiu num conjunto de ensaios, em que foram estudados alguns tipos de defeito no funcionamento das máquinas rotativas, como desequilíbrio, desalinhamento, fricção ou contato metal-metal e folgas, utilizando uma bancada de testes, que foi desenvolvida no Laboratório de Máquinas – ADMEEE (Fig. 1). Por último, foram aplicados os conhecimentos adquiridos e experimentados, num caso de estudo real de um grupo turbo compressor da indústria.

Figura 1. Bancada de testes para estudo de vibrações.

2. Criando um Ambiente de Laboratório Compatível com o Conceito de Industria 4.0 - Para Demonstrar a Conectividade entre o Chão de Fábrica e os Níveis de TI de uma Empresa Moderna.

Neste trabalho, após a introdução e exposição dos primeiros conceitos teóricos gerais sobre IoT (Internet das Coisas), partiu-se para o estudo dos conceitos da  Industria 4.0, que são caracterizados por garantirem uma conectividade entre sistemas de produção, fluxo de dados contínuo, entre os dados operacionais da fábrica, em tempo real, com as informações provenientes dos sistemas de gestão (TI – Informática). O passo seguinte consistiu em projetar um ambiente de laboratório para desenvolvimento de um conjunto de ensaios de conectividade entre componentes físicos da indústria (CLPs, instrumentação, sensores RFID), ambiente de chão-de-fábrica, com um sistema ERP (instalado numa Nuvem – Big data) e uma ferramenta de simulação localizada no nível de TI da empresa, para melhorar o planejamento da produção. Os testes foram desenvolvidos numa Célula de Manufatura didática, no Laboratório de redes de CLP, no IFSP - Campus São Paulo (Fig. 2). Por último, foram aplicados os conhecimentos adquiridos e experimentados, um caso de estudo real de uma indústria.

Figura 2. Célula de Manufatura Didática.

3. Estudo da implantação de rastreabilidade automática de produtos ou processos em células de manufatura utilizando a Tecnologia RFID.

Este trabalho é continuação do trabalho “Criando um Ambiente de Laboratório Compatível com o Conceito de Indústria 4.0 - Para Demonstrar a Conectividade entre o Chão de Fábrica e os Níveis de TI de uma Empresa Moderna”. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de identificação eletrônica, baseado em tecnologia RFID, para aplicação em rastreabilidade automática de produtos ou processos, em células de manufatura, integrando o conceito de Indústria 4.0 (Fig.3). Os testes experimentais foram realizados no laboratório de redes de CLPs, no IFSP - Campus São Paulo.

Figura 3. Rastreabilidade em Célula de Manufatura.

4. Projeto de Sistema de Diagnóstico e Prognóstico de Falhas em Equipamentos Eletromecânicos Baseado em Sistema Embarcado em FPGA.

A demanda por motores cada vez mais modernos e eficientes torna a pesquisa pela manutenção preditiva cada vez mais relevante no cenário industrial. As falhas em máquinas rotativas ocorrem devido a grande gama de possíveis defeitos, como: desbalanceamento de rotores, desalinhamento entre equipamentos acionador e acionado, deformações na carcaça do equipamento, roçamentos, falhas de lubrificação, falhas de rolamento, curto-circuito entre espiras, desequilíbrio de fase e falhas de barras quebradas do rotor. Visando auxiliar no diagnóstico antecipado de algumas dessas falhas, o presente trabalho teve como objetivo propor o projeto e implementação de um sistema automático de diagnóstico de falhas em máquinas rotativas de indução, baseado em Análise Espectral da corrente de estator, utilizando hardware embarcado em dispositivo FPGA e sistema de decisão baseado em redes neurais perceptron multicamadas, que possa a partir da aquisição de dados de corrente do motor de indução da máquina, detectar falhas incipientes de barras quebradas de rotor e falhas de pista interna e externa em mancal de rolamento (Fig.4).

Figura 4 - Visão geral da bancada de testes de motores. Motor com carga (a). Rotores com defeitos (b).

5. Sistema Embarcado de Tempo Real para Detecção e Transmissão de Falhas Automática, Via Tecnologia 4G, em Manutenção de Motores de Indução em Ambiente Remoto.

A pesquisa desenvolveu um sistema para diagnóstico de falhas em motores de indução em localidades remotas, via tecnologia 4G, embarcado em FPGA. O sistema desenvolvido permitiu o monitoramento e diagnóstico de falhas de rolamentos, engrenagens e motores elétricos, redutores industriais utilizados no setor da indústria de mineração, petroquímica e tratamento de águas e esgotos. Para atingir os objetivos foi utilizada uma bancada de testes, oriunda do Edital 92-2014 – Pro Equipamentos para pesquisas (Fig. 5). O projeto também objetivou atender a demanda de mercado no desenvolvimento de soluções inovadoras na área de monitoração e prognóstico de operação de máquinas e equipamentos industriais.

Figura 5 - Bancada de Testes de Motores - Edital 92-2014 – Pro Equipamentos para pesquisas

6. Aplicação de Servo Drives em juntas rotativas de Robôs Industriais.

Este trabalho desenvolveu um Kit didático de Servo drive, para o ensino de acionamento de juntas robóticas e aplicações em Servo acionamento (robôs e máquinas CNC). O Kit didático deverá ser utilizado na disciplina de Servoacionamento, aulas práticas, nos cursos de Engenharia Eletrônica e Engenharia de Controle e Automação. Os testes para validar a pesquisa foram realizados no Laboratório do Grupo de Máquinas Elétricas do IFSP, Campus São Paulo Fig. 6).

Figura 6 – Kit didático de Servo drive.

7. Inteligência Artificial no Diagnostico de Máquinas Rotativas com Armazenamento de Dados em Nuvem.

A contribuição deste trabalho foi a utilização de inteligência Artificial (Redes Neurais), para detecção de múltiplas barras rompidas em motores de indução,automaticamente.

Outra contribuição é a implementação de um processador FPGA baseado em inteligência Artificial, para o diagnóstico automático e on-line de falhas de barras rompidas do rotor, em tempo real. Os testes para validar a pesquisa foram desenvolvidas no Laboratório do Grupo de Máquinas Elétricas do IFSP, Campus São Paulo, bancada de ensaios de máquinas rotativas.

Figura 7- Bancada de ensaios de máquinas rotativas.

8. Técnicas de Aprendizagem de Máquina em Diagnóstico de Falhas em Máquinas Rotativas

A abordagem deste projeto inclui três etapas. Primeiramente, o modelo de aquisição de dados foi desenvolvido para obtenção de sinais (amostras de falhas). Os sinais de vibração do rotor em condições de rotação estacionária foram obtidos por dois sensores de proximidade indutivos com saída analógica (Fig. 8), e os dados foram coletados por um dispositivo de aquisição de dados. Então, para gerar as amostras de treinamento defeituosas, cada sinal de aquisição de dados é transformado no domínio da frequência usando a Transformada Rápida de Fourier (FFT).

Por fim, utilizando as amostras obtidas através das técnicas de seleção de recursos foram avaliados os algoritmos de aprendizado de máquina Random Forest, Naïve Bayes e SVM, resultando em classificações com diferentes eficiências. Os resultados mostraram que o algoritmo SVM superou em eficiência os algoritmos Naïve Bayes e Random Forest, quando o mesmo número de características é usado. A abordagem de diagnóstico personalizada proposta foi aplicada para detectar falhas de desalinhamento de máquinas elétricas rotativas.

Figura 8 - Sensores de proximidade indutivos com saída analógica.

9. Quantificação e Análise de Incertezas em Parâmetros de Rotores Suportados por Mancais de Rolamentos

O desbalanceamento rotativo é um dos parâmetros críticos mais importantes, que causam falhas operacionais em máquinas rotativas de indução. A distribuição desigual de massa na estrutura dos rotores cria pontos críticos, que devem ser eliminados para evitar a geração de tensões excessivas nos mancais do rotor. O objetivo principal deste trabalho é realizar a análise de incerteza em sistemas de máquinas rotativas apoiadas em mancais de rolamentos.

Neste trabalho foi utilizado para obter médias e desvios-padrão das respostas do sistema, a partir das médias e desvios-padrão das entradas. A simulação de Monte Carlo foi utilizada como um solucionador estocástico de referência para avaliar a variabilidade das respostas dinâmicas de diversas configurações de mancais. Por exemplo, rotor com disco centrado representado pelo gráfico da Figura 9. Os testes e simulações para validar a pesquisa, de forma teórica, foram realizadas no software MATLAB/Simulink no Laboratório do Grupo de Máquinas Elétricas do IFSP, Campus São Paulo.

Figura 9 - Curva de carga (vermelho) e curva do limite de estabilidade (azul) para parâmetros estocásticos de um rotor com disco centrado.

10. Protótipo de Controlador Digital com Estratégia DTC Aplicada a Motores de Indução Usando Linguagem VHDL

Este trabalho desenvolveu um protótipo (hardware e software) de um sistema de controle de velocidade para motor de indução trifásico, utilizando a técnica denominada de Controle Direto de Torque (Direct Torque Control - DTC). O controlador foi implementado em um dispositivo lógico programável tipo FPGA (Field Programable Gate Array). A simulação foi realizada usando-se dois programas: O MATLAB/Simulink e o Model Sim, sendo que estes dois programas trabalham em modo de co-simulação provida pela ferramenta toolbox ModelSim do Simulink. O algoritmo de acionamento DTC foi escrito em linguagem de descrição de hardware VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language – VHSIC HDL) e embarcado no processador FPGA (Fig. 10). O trabalho mostra uma nova forma de simulação de processos dinâmicos, que contenham partes de algoritmos que são escritos em linguagem de descrição de hardware. Geralmente tais códigos são implementados em dispositivos lógicos programáveis, como por exemplo, ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) e principalmente em FPGAs.

Figura 10 - Kit de desenvolvimento com FPGA existente no Laboratório de ADMEEE.

1. Modernização da Automação de uma Célula de Furação Efetuando o Acesso Remoto pela Computação em Nuvem no Contexto da Indústria 4.0

Esta pesquisa tratou da modernização da automação de uma célula de furação didática, localizada no Instituto Federal de São Paulo, célula esta que estava inserida no contexto da indústria 3.0 e em conformidade com a norma ISA-95. Foi implantado um novo controlador lógico programável que possibilitou a aquisição dos dados por intermédio de um sistema SCADA, armazenando as informações intrínsecas ao processo produtivo na computação em nuvem, disponibilizando o acesso remoto por meio de dispositivos eletrônicos conectados à internet e instalando um circuito de emergência que atende as exigências da norma NR-12.

A célula de furação (Fig. 1) obteve como resultado uma maior conectividade, uma melhoria significativa no armazenamento das informações do processo produtivo e uma adequação às normas de segurança vigentes. Portanto, foi possível modernizar uma célula didática que apresentava obsolescência tecnológica tornando-a atual, conectada e moderna, compatível com um sistema inserido no contexto da Indústria 4.0.

Figura 1 - Tela de processo do SCADA

2. Desenvolvimento de uma Bancada Experimental para Detecção de Desbalanceamento em Máquinas Rotativas Utilizando O Método de Análise Orbital.

Em épocas de acirrada competitividade por participação de mercado, gestores buscam no aumento de produtividade e eficácia dos processos formas de diferenciação competitiva. Os departamentos de manutenção, fomentados pelos avanços tecnológicos dos últimos tempos, vem ganhando crescente atenção dos gestores que passaram a vê-los como uma importante ferramenta neste processo, e dentre as modernas técnicas surgidas, a análise de vibrações é um dos destaques, por ser, dentre todas as técnicas, a que possibilita a predição de uma falha com maior antecedência, e a análise orbital, por possibilitar o monitoramento em tempo real, é uma das técnicas mais utilizadas no monitoramento de máquinas elétricas rotativas.

O objetivo desta pesquisa foi desenvolver uma bancada de testes (Fig. 2), para estudar e testar a técnica de análise de órbitas, usando métodos analíticos, numéricos e experimentais. Apresentou-se um estudo teórico experimental sobre o conceito de análise de órbitas, que pode ser aplicado para diagnosticar falhas em máquinas rotativas de indução, como turbinas e turbocompressores dentro das indústrias petroquímicas. Os resultados atingiram os objetivos propostos.

Figura 2 – Bancada de Teste desenvolvida neste trabalho de Mestrado.

3. Desenvolvimento de um Sistema de Detecção de Falhas de Desbalanceamento On Line Baseado em FPGA para Aplicação em Máquinas Rotativas de Indução

Durante os últimos anos tem ocorrido uma grande evolução tecnológica na área de processamento digital de sinais, eletrônica, microeletrônica e instrumentação, abrangendo inovações tanto em hardware como em software. Tais inovações permitiram o desenvolvimento de novas metodologias de detecção e diagnósticos de falhas em máquinas rotativas. Com base nessas inovações, esta dissertação teve como objetivo implementar em FPGA um algoritmo de análise, baseado em espectro de frequências, possibilitando detectar, de maneira on-line, falhas de desbalanceamento em motores de indução.

Este trabalho apresenta um estudo sobre análise de vibrações a partir de gráficos (espectros de frequência) e o desenvolvimento de uma bancada experimental de testes (Fig.3), que em conjunto, permitem que um maior número de pessoas treinadas, independente da larga experiência no diagnóstico de falhas, possam analisar e determinar perfeitamente o diagnóstico sobre as condições de funcionamento da máquina rotativa. Os objetivos propostos neste trabalho foram atingidos, ensaios apresentaram redução do nível de vibração na máquina na ordem de 8 vezes (máquina desbalanceada) em relação ao balanceamento da máquina indicado pelo sistema desenvolvido nesta pesquisa.

Figura 3 - Bancada experimental de testes.

4. Desenvolvimento de um dispositivo para estimação indireta da rotação de produtos Automotivos com motor CC

Os avanços tecnológicos dos veículos unem-se a propósitos maiores para a humanidade, com foco na redução das emissões de poluentes e a preocupação com o aumento da temperatura mundial, normas mais rígidas estão sendo criadas para fiscalizar e apoiar financeiramente a busca por soluções tecnológicas no setor automotivo. A fabricação de produtos mais eficientes energeticamente é essencial nesse cenário, ou mesmo soluções que reduzam cargas desnecessárias acopladas ao motor de combustão ou futuramente ao motor de tração elétrico. Um elemento importante nessa tarefa é o motor de corrente contínua, no caso estudado aqui, o motor de corrente contínua com escovas e imã permanente (MCC), seu uso nos veículos é bem difundido por sua facilidade de controle, baixo custo e tempo reduzido de uso para determinadas finalidades.

O trabalho aqui proposto, visa estudar e implementar uma técnica de medição indireta para mensurar a rotação de produtos automotivos que contêm MCC com escova, sendo que o estudo irá se basear em artigos disponíveis no meio acadêmico que irão auxiliaram na resolução do problema. Com a medição da velocidade será possível verificar e até mesmo redimensionar o produto para trabalhar no ponto de máxima eficiência do motor, e a medição da rotação poderá servir como parâmetro para avaliação de problemas na linha de produção automotiva, devido a ser uma técnica de fácil aplicação.

Figura 4 - Máquina de teste para Bomba de Vácuo Elétrica

5. Desenvolvimento de Algoritmo Embarcado para Controle de Torque de Motor de Indução Trifásico

Na indústria, grande parte dos processos de fabricação utilizam motores de indução trifásicos (MITs), e necessitam de controle de rotação. A solução mais eficiente para controlar o torque e a rotação dos MITs é o controle vetorial. Uma das técnicas de controle vetorial, atualmente utilizadas em inversores de frequência, é o controle indireto orientado a campo (Indirect Field Oriented Control - IFOC). Esta técnica apresenta características relevantes para implementação em ambiente industrial, por exemplo: rapidez de resposta às solicitações de torque eletromagnético do motor; controle de vários tipos de motores elétricos; pode ser embarcada em diversos tipos de processadores; pode ser utilizada com diversos tipos de acionamentos; possibilidade de implementação sem sensores (sensorless).

Neste trabalho, é proposto o desenvolvimento de um sistema de controle de rotação e torque, baseado na técnica IFOC, sem a utilização de sensores (sensorless), embarcado em dispositivo microprocessado, tipo DSP (Digital Signal Processor – DSP), para aplicação em motor de indução trifásico (Figura 5). Para a realização de ensaios e a validação do sistema de controle de torque e rotação, desenvolveu-se uma bancada de ensaios. Apresentam-se os resultados dos ensaios, com os valores medidos, e os valores estimados pelo sistema de controle. Faz-se uma comparação entre estes valores.

Figura 5 - MIT da marca EMsynergy® com suporte e acopladores.

6. Implantação de um Sistema Inteligente de Rastreabilidade Automática para Indústria 4.0 Baseado em Tecnologia RFID

Com a atualidade evidenciando a Indústria 4.0 (manufatura avançada), a nomeada Quarta Revolução Industrial, que tem como um dos princípios a fusão do mundo físico ao mundo virtual, vem a necessidade de aplicação de tecnologias que ocuparão, cada vez mais, a atuação digital nas organizações. O projeto, aqui apresentado, é baseado em um dos elementos da Indústria 4.0, Internet das Coisas, com a aplicação da tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification) à célula didática de manufatura do laboratório de rede de controlador lógico programável (CLP) do Instituto Federal de São Paulo (Figura 6).

A finalidade, devido ao aumento da complexidade dos processos industriais e da quantidade de dados necessários a serem coletados em chão de fábrica, é a identificação automática de produtos e processos, em uma cadeia de produção, para uma coleta de dados em tempo real, que proporciona um sistema de rastreabilidade e um controle descentralizado, para adoção de medidas variadas de decisão em situações de imprevisto, com capacidade de adaptar-se às mudanças não planejadas na produção.

Figura 6 - Esteira transportadora e sensores.

7. Análise de Rendimento em Redes de Abastecimento de Água

No Brasil, os setores de saneamento, na função de abastecimento de água, têm avançado de forma precária e desestruturada, devido à falta de manutenções e de recursos para atualização do sistema, bem como, a troca de peças e equipamentos antigos e de baixo rendimento. Ao longo da história os sistemas de abastecimento têm apontado consideráveis desperdícios no volume de água, perdas de cargas hidráulicas e elevado consumo de energia elétrica.

Este trabalho apresenta um estudo de uma planta didática de abastecimento de água, que permite analisar o seu comportamento energético por meio de variáveis elétricas e hidráulicas para dois métodos de partida. Na primeira etapa foi analisado o método de partida direta da moto bomba e estrangulamento da válvula de vazão, (Figura 7) onde foi registrado o consumo energético em função do ajuste de uma determinada faixa de vazão. Na segunda etapa foi analisado o método de variação da rotação na bomba em função do inversor de frequência, onde foi mensurado o consumo energético para as vazões determinadas. Posteriormente foi realizado a simulação de um modelo dinâmico de abastecimento de água para comparação dos resultados com os registros do sistema físico. Concluiu-se que o método de variação da rotação obteve uma economia de energia superior a 50%, pois a redução da rotação possibilitou quedas de ordem quadrática nas perdas de carga e de ordem cúbica no consumo de energia elétrica.

Figura 7 - Fluxograma do sistema hidráulico.

8. Comissionamento Virtual de Sistema Naval Controlado por CLP: Compensação Longitudinal de um Submarino

O maquinário naval é projetado para assegurar o funcionamento adequado de um navio e inclui bombas, compressores, tanques, tubulações e outros equipamentos. Nas embarcações modernas, a operação desses equipamentos é automatizada por meio de Controladores Lógicos Programáveis (CLP). De forma geral, o desenvolvimento do software de controle dos CLP’s acontece em paralelo com a construção mecânica das embarcações, fazendo com que testes de integração sejam realizados somente no momento do comissionamento.

Visando reduzir os riscos associados à integração, os testes são realizados confrontando o software de controle frente a um simulador de tempo real da planta a ser controlada. Este trabalho apresenta uma solução de comissionamento virtual para o sistema de compensação longitudinal de um submarino, sendo a simulação dos equipamentos eletromecânicos desenvolvida em ambiente NI LabVIEW e a programação do CLP e SCADA desenvolvida com o Siemens TIA Portal (Figura 8). Os resultados demonstraram que a plataforma de testes contribuiu com a identificação antecipada de erros no software do CLP, testes de diferentes estratégias de controle e finalmente a possibilidade da utilização para fins de treinamento de operadores.

Figura 8 - Painel Frontal do Simulador do Sistema de Compensação Longitudinal.

9. Sistema de Aquisição de Dados para Monitoramento e Predição de Falhas em Máquinas de Indução Trifásicas

Atualmente, existe uma grande exigência com relação à confiabilidade de processos produtivos, aumento de produtividade e redução de custos de manutenção. A utilização de técnicas de manutenção preditiva torna-se uma ferramenta essencial para aumentar a eficiência dos processos produtivos. O diagnóstico antecipado de falhas e o monitoramento contínuo dos motores de indução trifásico, também conhecidos pela sigla MIT, possibilitam o aumento da vida útil das máquinas elétricas de indução, reduzindo o seu tempo de parada para manutenção.

Esse trabalho tem como objetivo estudar e desenvolver uma aplicação no Software LabVIEW, para detecção em tempo real de barras quebradas e/ou trincadas em motor de indução trifásico (Figura 9), utilizando o método de análise de assinatura da corrente do motor (MCSA-Motor Corrente Signature Analysis) baseada em processamento de sinais FFT (Fast Fourier Transform). A instalação do sistema proposto deverá ser invasiva, a partir da leitura da corrente de uma fase do motor, utilizando-se um sensor de corrente por efeito hall, que permitirá a aquisição de dados do motor em operação. Nesse trabalho serão realizados diversos testes experimentais, simulando em bancada de testes, diversas condições de motor com falhas como: uma barra quebrada, duas barras quebradas e três barras quebradas, com carga e sem carga.

Figura 9 - Rotor com uma barra rompida