Projekti / Programi
Razvoj MEMS sensorskih omrežij za prediktivno vzdrževanje mehanskih pogonov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.02 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Specialna konstrukcijska znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T125 |
Tehnološke vede |
Avtomatizacija, robotika, nadzorno inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.11 |
Tehniške in tehnološke vede |
Druge tehniške in tehnološke vede |
nadzor stanja, MEMS, detekcija poškodb, lokalizacija poškodb, tribologija, prognostika, obdelava signalov
Raziskovalci (15)
Organizacije (3)
Povzetek
Mehanski pogoni so daleč najpogostejše naprave v industriji. Obraba, prevelike obratovalne obremenitve ali montažne napake pri sestavljanju lahko povzročijo prezgodnjo odpoved, kar lahko vodi v delni ali popolni zastoj proizvodne linije, poškodbe na opremi ali celo ćloveške žrtve. Primerno vzdrževanje opreme je zato izrednega pomena.
Po ocenah ARTEMIS-a je neposredni strošek vzdrževanja v EU enak štirim do osmim odstotkom celotnih prihodkov od prodaje. Trideset do petdeset odstotkov vseh teh stroškov pa nastane zaradi neučinkovitega vodenja procesa vzdrževanja. Problem predstavljata trenutno prevladujoča in povsem zastarela pristopa reaktivnega in preventivnega vzdrževanja. Le-te bi bilo potrebno nadomestiti s ekonomsko učinkovitejšim prediktivnim vzdrževanjem, ki temelji na naprednih postopkih diagnostike, prognostike in upravljanja stanja (angl. prognostics and health management, PHM). Diagnostika ima namen ugotoviti trenutno stanje komponente, prognostika pa napoveduje razpoložljivo življenjsko dobo naprave. Upravljanje stanja se nanaša na sposobnost generiranja inteligentnih odločitev o vzdrževalskih posegih. Razloge za previdnost podjetij pri investicijah v PHM sisteme gre iskati predvsem v visokih kapitalskih vložkih, zahtevni namestitvi in splošni kompleksnosti trenutno obstoječih nadzornih sistemov.
Cilj projekta je najti rešitve za omenjene izzive in izdelati prototip zmogljive, enostavno uporabne in nizkocenovne platforme za prognostiko in upravljanje stanja (PHM) elektromehanskih pogonov, imenovane MEMS-PHM, ki bo združevala najbolj napredne tehnologije MEMS (mikroelektromehanski senzorji). Razlogi za za predlog takšnega projekta so naslednji:
· PHM sistemi šele prihajajo na tržišče, izključno kot sestavni del specialne (npr. vojaška letala). Kaže se očitna potrena po "splošno-namenskih" PHM rešitvah, ki bi bile uporabne na širšrm naboru trenutno delujočih pogonov.
· Skoraj 40 odstotkov vseh strojev spada v močnostni razred 5-100 kW, kar pomeni relativno dragoceno opremo. Po neki raziskavi je v ZDA le en odstotek le-te pod neprekinjenim avtomatskim nadzorom. Ostalo pa je slabo ali kvečjemu periodično nadzorovano
· Na trgu so se v zadnjem času pojavile napredne generacije mikrosenzorjev, kot so MEMS merilniki pospeškov, temperature in drugih. Odlikuje jih izjemno nizka cena, majhni gabariti in zanesljivo delovanje. Pri tem ohranjajo natančnost, pasovno širino in robustnosti, ki je značilna za tradicionalne senzorje.
Glede na to, da bo projekt vključeval temeljne in aplikativne raziskave, pričakujemo naslednje rezultate:
- Več različic platform MEMS-PHM, ki bodo zmožne opravljeti diagnostične in prognostične funkcije. Avtonomna oskrba z energijo preko lovilcev energije (ang: energy harvester), odsotnost ožičenja in brezžična komunikacija predstavljajo osnovo za zmogljivo PHM funkcionalnost ob stroških, ki bodo po oceni znašali le eno desetino trenutnih investicijskih stroškov.
- Inovativno orodje za avtomatsko generiranje kode in razvoj uporabniške programske opreme sistema MEMS-PHM, ki bo skrajšalo čas, potreben za razvoj in konfiguriranje.
- Novi algoritmi za spremljanje stanja in prognostiko, ki temeljijo na konceptu zlivanja informacij in omogočajo pridobivanje informacij iz več različnih senzorjev, kot so merilniki pospeškov, termočleni, merilniki lastnosti olja idr.
- Robustni algoritmi za zaznavanje in lokalizacijo poškodb v spremenljivih, negotovih obratovalnih pogojih in neodvisno od zunanjih motenj.
Različice prototipov sistema bodo preizkušene na laboratorijskem sistemu motor-generator za in zbranem demonstracijskem objektu. Ob tem so podjetja, ki podpirajo projekt, že potrdila sodelovanje s praktičnimi implementacijami sistema, ki bodo služile tudi kot predstavitev projekta širšemu krogu uporabnikov.
Pomen za razvoj znanosti
Čeprav je projekt bil osredotočen na aplikativne raziskave, precej napora je bilo potrebno vložiti v temeljne raziskave. Le-te so temeljile na teoretičnih rezultatih pridobljenih iz prejšnjih projektov, predvsem s področja generiranja značil z novimi entropijskimi indeksi, valčno paketno transformacijo in uporabe nelinearne identifikacije za potrebe napovedovanja napak. Kot opazne prispevke k znanosti lahko navedemo naslednje: 1.Novi postopek za detekcijo poškodb ležajev na podlagi Poissonovega modela trkov med gibljivim delom ležaja in poškodovanim mestom. Naključne čase med dvema zaporednima trkoma opišemo z inverzno Gaussovo mešanico. 2.Novi postopek za napovedovanje preostale življenjske dobe na podlagi statističnega modela, ki ga naučimo s pomočjo rezultatov dobljenih na preizkusih na življenjsko dobo. Gre za algoritem, ki se je izkazal za vrhunskega pri reševanju tim. benchmark problema na mednarodni PHM konferenci leta 2012. Na tem modelu sloni nadaljnji razvoj na področju diagnostike in prognostike rotacijskih strojev. 3.Novi postopek za detekcijo porazdeljenih poškodb ležaja, ki temelji na enostavnih cenilkah in odločitvenimi pravili do katerih smo prišli z uporabo poenostavljenega dinamičnega modela ležaja.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagani projekt ima velik potencial za vpliv na prihodnji razvoj v industriji, zlasti z vidika oblikovanja učinkovitejših strategij vzdrževanja. Večina slovenskih podjetih, žal še vedno uporablja neučinkovite in drage strategije, kot sta preventivno vzdrževanje in vzdrževanje po odpovedi. Od teh pristopov v smislu višine stroškov vzdrževanja ni mogoče pričakovati nobenih izboljšav več. Za rešitev tega problema moramo uvesti naprednejše strategije vzdrževanja, ki temeljijo na metodi spremljanja stanja in samodejni tehnični diagnostiki. Glavni prispevek projekta je nizkocenovna, kompaktno in integrativno platform imenovano MEMS-PHM, ki bo sposobna izvajati večino nalog povezanih s spremljanjem stanja. Platforma bistveno povečuje možnosti za izvajanje strategije prediktivnega vzdrževanja na večjem številu industrijskih naprav. Uvedba prediktivnega vzdrževanja ponuja možnost za znižanje tako neposrednih kot posrednih stroškov vzdrževanja kateregakoli podjetja. S spodbujanjem bolj učinkovitih strategij vzdrževanja, pričakujemo splošno pozitivne učinke in izboljšanje stanja na tem segment v slovenski industriji, kjer so postopki vzdrževanja na izrazito nizki ravni. Projekt se je osredotočil na razvoj strojne in programske opreme, ki bo pripravljena za neposredno implementacijo v industrijsko prakso. Konkretni uporabni rezultati so: 1. Nizkocenovna avtonomna platforma MEMS-PHM, ki deluje kot stičišče fizikalnih senzorjev različnega tipa; 2. MIMOSA podatkovna baza za shranjevanje podatkov omogoča urejen dostop in povezivanje z informacijskimi sistemi v podjetju. 3. Prenašanje znanja in prirejanje izobraževalnih seminarjev za vzdrževalno osebje, zaposleno v industrijskem sektorju. Te osebe bodo nepogrešljive pri uvajanju novih, na tehnologiji MEMS-PHM temelječih strategij vzdrževanja. Podjetje Domel, ki je sofinanciralo projekt, bo imelo neposredne koristi od dobljenih rezultatov. Največja pridobitev je uspešno implementirano preizkuševališče za trajnostne teste EC motorjev. Osnova je izvirni sistem s porazdeljenim senzorskim omrežjem za sprotno spremljanje stanja in napoved preostale življenjske dobe. V prvotni verziji se je sistem sestojil iz 2 pametnih vozlišč na katerih so priključeni senzorji vibracij ohišja ležaja in temperature. Vozlišči komunicirata preko Ethernet komunikacije s strežnikom. Merilne sekcije se opravljajo enkrat na uro, rezultati pa se pošiljajo na strežnik in tam naprej obdelujejo. Pomemben korak v aplikaciji rezultatov za uporabnika predstavlja urejeno shranjevanje podatkov in rezultatov obdelav v skladu z MIMOSA OSACBM standardom. Aplikacija je izvedena v MySQL bazi in predstavlja gotovo prvo tovrstno aplikacijo pri nas. Sistem omogoča krmiljenje motorjev na daljavo in spremljanje trenutnega statusa. Na srednjem strežniku je nameščena programska oprema za obdelavo zbranih podatkov, računanje in evalvacijo značilk ter za ocenjevanje preostale življenjske dobe ležajev. Preizkuševališče predstavlja pomemben razvojni korak za Domel in prispevek k dolgoročnemu utrjevanju pozicije Domela na globalnem trgu motorjev z elektronsko komutacijo. Prav ta hip sodelavci Domela skupaj s člani projektnega tima zaključujejo razširitev preizkuševališča z dveh na 6 preizkusni mesti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
