Sistema Especialista Baseado em Regras de Estados Vibratórios para o Monitoramento e Diagnóstico...

8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECÂNICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA ESPECIALISTA BASEADO EM REGRAS DE ESTADOS VIBRATÓRIOS PARA O MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO DE

FALHAS EM BOMBAS CENTRÍFUGAS

Silva, A. A.; Araújo, A. B. B.; Maribondo, J. F.; Lima, A. J. F.; Basílio, D. C. S.

Universidade Federal de Campina Grande, Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica, Av. Aprígio Veloso, 882, Bloco BJ, Bodocongó, 58109-970 – Campina Grande - PB.

[email protected], [email protected], [email protected]; [email protected]; [email protected]

RESUMO O trabalho visa o desenvolvimento de um Sistema Especialista (SE) para a facilitação de tarefas de monitoramento e diagnóstico de falhas em bombas centrífugas, a partir da aplicação de regras baseadas em parâmetros do processo como pressão, vazão, temperatura e vibrações mecânicas. A concepção do SE baseia-se numa arquitetura de sistemas nativamente distribuído como a Internet que é baseado em uma interface padronizada e bastante conhecida como a World Wide Web (WWW) permitindo uma facilidade de acesso e independência de plataforma e atribuindo ao sistema um alto grau de liberdade. Algumas telas são apresentadas ilustrando as funcionalidades e potencial de aplicação do SE em relação aos estados vibratórios previamente simulados em condições de referência. A pesquisa envolveu uma revisão do estado atual de conhecimentos na área de análise dinâmica, identificando os problemas mais comuns nos ambientes de operação a que estes equipamentos estão submetidos, e elaboração de regras baseadas em estados vibratórios desses equipamentos, implementadas a partir de consultas realizadas na literatura especializada através de tabelas, gráficos de severidade e validação de testes experimentais realizados numa bancada didática construída em laboratório. Para aquisição de dados utilizou-se um coletor de vibrações que alimenta o SE para a tomada de decisões sobre alarmes e anormalidades, tais como problemas de folgas, desalinhamento, desbalanceamento, rolamentos defeituosos, etc. PALAVRAS-CHAVE: Sistema Especialista, Monitoramento de Falhas, Análise de Sinais Vibratórios.

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INTRODUÇÃO

Em todas as instalações em que há como objetivo a captação, abastecimento, distribuição de um determinado fluido, as bombas hidráulicas apresentam-se de forma indispensável para o funcionamento de tais instalações. É, então, óbvia a necessidade de manter nas melhores condições de funcionamento tais equipamentos.

As máquinas em geral quando estão em funcionamento são passíveis de falhas que provocam a redução de seu desempenho e confiabilidade. Estas falhas normalmente são precedidas pelo desenvolvimento de pequenos defeitos em componentes cuja detecção e diagnóstico podem ser realizados através do monitoramento de grandezas físicas tais como pressão, temperatura e vibração. A partir das mudanças observadas nos padrões característicos dos sinais medidos é possível prever comportamentos anormais ou falhos do sistema.

Com a crescente exigência de se atingir grandes produções com índices de produtividade cada vez maiores, o setor industrial impôs um novo paradigma para seu serviço de manutenção: manter os níveis de disponibilidade de seus equipamentos o mais próximo possível da utilização plena durante todas as horas do ano. Dentro desse contexto, as técnicas de manutenção condicional, nas quais o equipamento é monitorado durante o seu funcionamento e as paradas são realizadas somente se identificada a presença de algum defeito a ser corrigido, tornaram–se absolutamente necessárias [1].

Dentre as várias técnicas usadas no processo de manutenção condicional, conhecida no Brasil como Preditiva, destaca-se a manutenção baseada na análise de vibrações. Esta é a mais amplamente utilizada, devido a grande variedade de defeitos que podem ser detectados com sua utilização. A sua aplicação prioritária é voltada às máquinas rotativas, sendo as bombas centrífugas passíveis de controle por análise vibratória, utilizando-se de processamento de sinais [2].

Como objeto de trabalho, apresenta-se o estágio atual de desenvolvimento de um Sistema Especialista que usa lógica simbólica e heurística para encontrar soluções de problemas em bombas centrífugas. No caso, será utilizada parte dos conhecimentos obtidos junto a fabricantes e consultores, para fins de desenvolvimento de regras que poderão ser incorporadas na análise e diagnóstico de falhas destes sistemas. MATERIAIS E MÉTODOS Monitoramento e diagnóstico de falhas em bombas centrífugas por análise de vibrações

Bombas centrífugas são máquinas hidráulicas que recebem energia desenvolvida através de um motor ou turbina, e transformam parte desta potência em energia cinética e energia de pressão, cedendo estas duas energias ao fluído bombeado, de forma a transportá-lo de um ponto a outro, ou seja, o seu uso ocorre sempre que há a necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de uma substância líquida contida em um sistema, a velocidade de escoamento ou ambas [3].

O princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga consiste na movimentação no fluido através da ação de forças que se desenvolvem na mesma, em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado um rotor dotado de pás (palhetas, hélices), o qual recebe o fluído pelo seu centro e o expulsa pela periferia, pela ação da força centrífuga.

Diversos problemas podem ser monitorados por análise de vibrações, tendo no caso de bombas centrífugas como principais: Desbalanceamento de massas dos rotores, desalinhamento de eixos e acoplamentos, danos nos mancais de rolamentos, folgas mecânicas, ressonâncias estruturais, cavitação, recirculação do fluido, entre outros.

O uso de coletores de vibrações aliado às técnicas modernas de análise de sinais apresenta atualmente grande potencial para aplicações, principalmente na redução de custos de parada de máquinas – um dos objetivos da manutenção preditiva. Resultados recentes de trabalhos neste tema confirmam o constante interesse no domínio das técnicas aplicadas em componentes diversos [2] e mancais de rolamentos [4], [5]. Métodos de processamento e análise de sinais Nível global de vibrações

Esse método é bastante utilizado e baseia-se na análise da evolução de parâmetros no domínio do tempo (severidade de vibração em RMS ou PICO). Nesse método, sinais particulares de cada máquina (vibrações e ruídos, audíveis e/ou ultra-sônicos) são buscados, e seus níveis de amplitudes são analisados como critério de qualidade e condições mecânicas atuais do equipamento. Analisando através do critério de velocidade eficaz de vibração ou nível RMS, existem várias tabelas e normas que recomendam níveis RMS mais adequados para uma série de máquinas e componentes mecânicos. No Brasil uma classificação de níveis aceitáveis de severidade de vibração para máquinas de aplicação mais geral, foi publicada pela NBR 10.082 (baseada nas Normas ISO 2372 e 3945).

A Figura 1 apresenta um gráfico de severidade de vibrações, utilizado para a definição de um dos conjuntos de regras do SE, indicado para máquinas rotativas tais como motores elétricos, bombas, ventiladores, exaustores, compressores rotativos, turbinas, etc., classificadas em cinco níveis ou graus de severidade [2]:

Nível A – Máquinas novas – Sem defeito; Nível B – Máquinas com pequenos problemas; Nível C – Máquinas com defeito – Corrigir; Nível D – A falha está próxima - Corrigir com urgência; Nível E – Perigo – Parada imediata.

Figura 1: Gráfico de severidade de vibrações para máquinas rotativas excitadas por desbalanceamentos e/ou desalinhamentos [2].

Espectro de vibração

Outro método bastante utilizado no processamento de sinais vibratórios é a análise espectral, quando se busca uma análise mais detalhada do problema, pois permite diagnosticar os danos e defeitos relacionados à origem da vibração nos equipamentos. O espectro de um sinal de vibração é uma representação gráfica de sua distribuição de amplitudes em função das freqüências que compõem o sinal, representadas em escala linear ou logarítmica, permitindo um diagnóstico mais preciso das freqüências características de defeitos e suas causas [1].

Dentre os vários métodos existentes para a obtenção do espectro de vibração o uso do algoritmo FFT é o mais interessante pois o resultado será um diagrama contendo, no eixo das abscissas, um determinado número n finito de freqüências e nas ordenadas, os valores de amplitudes relativas a estas freqüências (Figura 2).

2x Freqüência de Passagem das Pás



Figura 2: Espectro típico de uma bomba centrífuga operando a 1770 RPM excedendo os limites por bandas de freqüências [2].

Normalmente, é feita uma análise detalhada do equipamento a ser monitorado, no qual se procura identificar previamente quais as fontes de vibração existentes devidas ao seu funcionamento normal, e quais as fontes devidas a prováveis defeitos. Essa é a fase mais importante do processo, pois com base nessa identificação será feito o planejamento da medição e processo de monitoramento e diagnóstico. Definição das regras para estados vibratórios

A Figura 3 apresenta o diagrama esquemático de um conjunto de regras aplicadas para os estados vibratórios durante a realização do diagnóstico. Para fins de implementação das regras adotadas no SE, inicialmente, os dados vibratórios são avaliados sob o ponto de vista do nível global de vibração e/ou baseado nas classes dos equipamentos rotativos, onde são verificados os níveis de vibração RMS ou PICO e sua faixa de freqüência de operação. Estas regras são aplicadas a equipamentos rotativos que operam na faixa de 1 a 1000 Hz, conforme definidas por [2] e [6].

Numa segunda fase de desenvolvimento do SE está prevista a implementação de um conjunto de regras mais específicas que utiliza a análise espectral baseada em bandas de freqüências ou variação das amplitudes nas faixas que irão melhor diagnosticar a origem do problema.

Figura 3: Conjunto de regras baseadas nos estados vibratórios, onde o SE retorna com um diagnóstico

que irá compor o diagnóstico final. * Expansão das regras em desenvolvimento [7]. Metodologia e desenvolvimento da bancada experimental

A construção de uma bancada para testes em laboratório é de fundamental importância para o estudo e análise dos parâmetros do processo, pois se podem avaliar, entre outros aspectos, o seu funcionamento, sua operação, curvas de desempenho, além da possibilidade de estudar as falhas envolvidas nesse tipo de equipamento.

Assim sendo, foi construída uma bancada de testes composta de um conjunto moto-bomba com acionamento em circuito fechado que visa levantar dados que simulam várias condições de operação envolvendo o uso de bombas centrífugas para serem comparados com a literatura especializada, objetivando o desenvolvimento das regras de produção e testes de validação para o SE proposto no projeto.

Para o desenvolvimento da bancada de testes, dividiu-se o conjunto em quatro subsistemas, indicados abaixo: Subsistema hidráulico; Subsistema moto-bomba; Subsistema de aquisição de dados de vibração; Subsistema auxiliar e estrutural.

Subsistema hidráulico

Tal subsistema é composto de conexões, tubos, válvulas e registros que visam comunicar e interligar o fluído (a

água) com os demais itens do sistema. Subsistema moto-bomba

É composto de um motor WEG® com potência de acionamento 736 W (2 CV) acoplado a uma bomba fabricada pela KSB modelo 40-20, vazão de 15 m³/h, altura manométrica de 15 m.c.a., velocidade de rotação 1750 rpm e freqüência de excitação do motor 60 Hz em regime, destinado a impelir e fornecer pressão ao sistema em estudo. Subsistema de aquisição de dados de vibração

O subsistema de aquisição de dados de vibração é composto de um Coletor e analisador de vibrações VIB-42, com os seguintes assessórios: unidade estreboscópica, acelerômetro piezoelétrico, cabos tipo BNC-BNC e de comunicação serial RS-232 tipo DB-9, software de análise e manuais para o processamento dos sinais. Subsistema auxiliar e estrutural

É composto de uma base metálica e de uma caixa d´água de 1.000 litros. Para fins de planejamento das medidas de vibração, apresenta-se um esboço do conjunto motor-bomba, projetado em CAD (Figura 4), onde os pontos de aquisição dos sinais vibratórios ocorrem nas direções Horizontais (H) e Verticais (V) como pontos HA1, VA1, HB2, VB2 localizados no corpo da bomba e pontos HC3, VC3, HD4, VD4 na carcaça do motor.

Figura 4: Esquema ilustrativo dos pontos de medições na bancada de testes [8].

DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DO SISTEMA ESPECIALISTA

Para a concepção do aplicativo responsável pelo processamento e monitoramento dos dados foram utilizadas tecnologias de acesso distribuído que possibilitam o acesso às informações através da WEB utilizando um navegador com os dados sendo transportados por meio do protocolo HTTP sob TCP/IP. Utilizou-se a tecnologia J2EE (Java 2 Enterprise Edition) para a concepção da lógica do servidor responsável pelo tratamento de solicitações do aplicativo cliente, solicitação de diagnósticos e acesso ao banco de dados [9].

Para a construção do banco de dados utilizou-se o MySQL um SGDB (Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados) responsável pelo armazenamento das leituras obtidas dos sensores, dos parâmetros operacionais do equipamento e do histórico de falhas (logs) registrado pelo sistema durante o monitoramento.

No desenvolvimento da interface utilizou-se o DHTML, caracterizada por possibilitar a utilização de dados de texto e imagens. Para controle da interface utilizou-se o Ajax (Asynchronous JavaScript and XML) responsável pela manipulação dos elementos visuais, tratamento dos eventos do navegador e solicitação a recursos do servidor.

Na construção do módulo diagnóstico utiliza-se o JESS (Java Expert System Shell) uma linguagem interpretada, caracterizada por sua extensibilidade, ou seja, possibilidade de adição de recursos escritos na linguagem Java [10].

O SE está basicamente dividido em 3 módulos: o Controlador responsável pela administração da tabelas de dados que armazenam os parâmetros do equipamento e que condicionam os estados de funcionamento normal, alarme e desarme; o Monitor responsável pela leitura, verificação e sinalização do estado das leituras dos sensores obtidas a partir de uma tabela do banco de dados e o módulo Diagnóstico que é acionado através da solicitação do operador ao clicar em uma linha do painel de logs do sistema, carregando os dados do log do BD e informações sobre o

equipamento, para o motor de inferência que avalia os dados fornecendo um diagnóstico que é então enviado ao aplicativo cliente responsável pela apresentação dos resultados. Para hospedagem do sistema utilizou-se o Apache Tomcat 5.x. A Figura 5 apresenta um esquema de como as partes do SE interagem entre si [7].

Figura 5: Esquema de interação do SE.

Telas principais e funcionalidades do SE

O aplicativo cliente possui uma interface intuitiva que fornece os recursos necessários à administração do banco de dados do equipamento, ao monitoramento e ao diagnóstico. A seguir são apresentadas as principais telas do SE.

Figura 6: Tela principal do SE com menu de ferramentas diagrama de processo do monitoramento e um painel de

O cadastramento é realizado numa janela onde d m ser informados dados referentes à identificação, esp

,

logs de falhas registrados com base nos parâmetros de operação do equipamento cadastrado. eve

ecificações técnicas e limites para os parâmetros de operação do equipamento. A tela de diagnóstico é uma janela contendo informações de identificação do equipamento e dados sobre a ocorrência (Figura 7). Neste caso, simula-se uma condição de severidade de vibração moderada medida nos mancais, onde é possível observar que dependendo

do conjunto de regras previamente estabelecido, é possível haver superposição de diagnósticos (CORRIGIR no critério de máquinas em geral, e TOLERÁVEL no critério específico de bombas hidráulicas).

Figura 7: Tela do sistema fornecendo informações d equipamento e diagnóstico do estado de operação.

DISC

rea, foram elaborados três conjuntos de regras de severidade de ibração as quais estão sendo incorporadas ao SE em desenvolvimento. O primeiro conjunto de regras teve como

bas

Hz) e aplicados com

sanado e os níveis de vibração voltaram a se apr

e magnitude considerável para esse tipo de equipamento, mostrando que a máquina apr

o

USSÕES DOS RESULTADOS OBTIDOS

Dentre as diversas pesquisas realizadas nessa áv

e a carta de severidade apresentada na Figura 1, voltada para equipamentos rotativos em geral [2]. O segundo conjunto de regras foi obtido através de recomendações contidas na referência [6], em tabelas específicas de severidade para bombas centrífugas de diversos tipos e alturas manométricas analisando valores de níveis de vibração global em PICO e RMS, respectivamente. Um terceiro conjunto de regras já está em fase de implementação, e servirá para melhor diagnosticar as causas das falhas, através da análise espectral.

Algumas coletas de dados de vibração foram realizadas na bancada construída visando levantar padrões vibratórios típicos nas condições de referência (normal) operando na rotação de 1725 RPM (28,75

o teste no SE. Como exemplo, nas primeiras medições coletadas nos mancais da bomba (nível global e espectro de velocidade de vibração RMS na direção vertical), pode-se visualizar na tela do SE (Figura 8) que a máquina apresentava algum problema, especialmente no mancal direito próximo ao rotor da bomba. Tal estado foi diagnosticado pelo primeiro conjunto de regras, destinado para qualquer tipo de máquina rotativa, onde o SE diagnostica que “A máquina está com defeitos – CORRIGIR”.

Fazendo-se uma verificação “in locu”, observou-se que uma das bases do motor apresentava folgas na sua fixação. Após um simples reaperto dos parafusos o problema foi

esentar como normais. Pelos espectros de velocidade e aceleração (Figura 8), podemos visualizar um pico na freqüência de rotação

(1725 rpm – 28,75 Hz) desentava algum tipo de defeito (folgas mecânicas, ou outros defeitos que se manifestam em baixas freqüências). A

presença do defeito foi confirmada com a existência de altos níveis de vibração, tanto para valores RMS como valores de PICO, nos demais espectros coletados em outros pontos.

Figura 8: Espectros obtidos em Veloci

CONCLUSÕES

definem os limites de vibração global, em RMS e PICO, para o quipamento em estudo foi alcançado com sucesso, apresentando resultados coerentes para as diferentes regras

imp

se tipo de equipamento (desalinhamentos, desbalanceamento, falhas em ma

representa um avanço bastante significativo no que se refere às múltiplas possibilidades de interface grá

o auxílio financeiro concedido pelo P&D 0007 (Termopernambuco/ANEEL) na melhoria a infra-estrutura dos Laboratórios de Mecânica Computacional e de Vibração e Instrumentação da UFCG, ao

Pro

anutenção Preditiva Usando Análise de Vibrações, Ed. Manole, Barueri- SP, 2004. . M. T. Almeida, Análise de Vibrações no Conjunto Motor-Bomba Centrífuga. Apostilla Instituto MTA, 2003.

de Janeiro:

sertação (Mestrado), UNESP, Guaratinguetá-SP, 2005.

ação de Uma Usina Termoelétrica, Relatório Técnico Nº 12, UFCG, 2007.

Vel

ocid

ade

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Ace

lera

ção

(m/s

2 )

dade e Aceleração (mancal direito – vertical).

O objetivo de estabelecer regras no SE quee

lementadas até o momento. Tais regras mostraram-se bastante eficientes ao diagnosticar a presença de um problema de montagem na bancada de testes (folgas na base de fixação do motor), com base nos dados coletados em vários pontos como indicados na Figura 8.

Para a próxima fase do projeto pretende-se ampliar os testes da eficiência dessas regras, realizando simulações de outros tipos de falhas características des

ncais de rolamentos, etc). Além disso, pretende-se implementar novas regras que sejam capazes de descrever o comportamento vibratório do equipamento por análise espectral, separando-o por faixas de freqüências, e então, relacionar o aumento das amplitudes de vibração com as falhas características que estão sendo verificadas no equipamento.

Ressaltam-se dois aspectos da tecnologia empregada no SE: a programação orientada a objetos, baseada em Java/Jess, que

fica e facilidade de comunicação com os usuários, uma vez que adotado o modelo de múltiplas camadas o sistema apresenta poucas interdependências, bem como a utilização de linguagens extensíveis e interpretadas (Jess e Ajax), e linguagens de comunicação (XML) portada por sistemas como dispositivos móveis Palms e celulares. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecemd

grama PIBIC/CNPq na concessão de bolsa de Iniciação Científica e a UAEM/UFCG por fornecer materiais e espaço físico para montagem da bancada de testes. REFERÊNCIAS 1. A. Arato Jr, M23. A. L. O. Amaral, Equipamentos Mecânicos: Análise de Falhas e Solução de Problemas. Rio

Qualitymark, Petrobrás, 2002. 4. R. J. G. Oliveira, Implementação de Técnicas de Processamento de Sinais para o Monitoramento da Condição

de Mancais de Rolamentos, Dis5. A. A. Silva, Detecção e Analise Dinâmica de Falhas em Rolamentos, Tese (Doutorado), Universidade de São

Paulo - Escola de Engenharia de São Carlos, s586d, 1999. 6. INSTRONIC. Apostilha de Treinamento Avançado - Introdução à Tecnologia de Vibração. Instrumentos de

Testes Ltda. Julho de 2000. 7. A. A. Silva, Desenvolvimento de Sistema Especialista para o Monitoramento e Diagnóstico de Falhas em

Bombas de Água de Aliment8. A. B. B. Araújo, Projeto em AUTOCAD de Bancada Didática para Conjunto Moto-Bomba Centrífuga, UFCG-

UAEM, 2006. 9. H. M. Deitel e P. J. Deitel, Java™ Como programar. 6a edição. São Paulo: Pearson, p. 1110, 2005.

E. Friedman-Hi10. ll, Jess in Action: Rule-based Systems in Java, Manning Publication, 2003.

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