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Instrumentacion para captura y transmision de senales de vibracion Instrumentation for capture and transmission of vibration signals.

1. Introduccion

El mantenimiento preventivo tradicional busca maximizar la operacion apropiada del equipo a traves de una serie de rutinas de inspeccion realizadas en ciertos intervalos de tiempo. Una forma de mantenimiento preventivo es el Mantenimiento Basado en la Condicion (CBM) [1], que es un programa de mantenimiento que recomienda acciones de mantenimiento (decisiones) basadas en la informacion recolectada a traves del proceso de monitoreo de condiciones [2]. Para el proceso de recoleccion de informacion para realizar CBM, las senales de vibracion son generalmente las mas utilizadas ya que contienen informacion relevante sobre el estado del mecanismo [3]. Generalmente, las senales de vibracion son adquiridas por acelerometros piezoelectricos conectados a un sistema de monitoreo. Sin embargo, la mayoria de los sistemas para la recoleccion de senales de vibracion que actualmente se ofrecen requieren herramientas costosas de calculo y no son automaticos o inalambricos. Ademas, en algunos casos especificos, los sensores con cable son inseguros o imposibles de instalar en la maquina [4-6]. Para solucionar este problema, se han desarrollado multiples redes inalambricas de sensores (WSNs por sus siglas en ingles). Actualmente, en aplicaciones industriales, especialmente en el monitoreo de maquinaria rotativa, la tecnologia WSN es lo suficientemente madura para ser considerada como la alternativa mas apropiada a los sistemas tradicionales por cable debido a restricciones especificas relacionadas con el arte en si. WSN se basa en multiples nodos de sensores ubicados en puntos estructuralmente criticos (recolectar aceleracion, deformacion, desplazamiento o mediciones ambientales) y transferir los datos adquiridos de forma inalambrica a una estacion base [7]. Recientemente, las WSN se han utilizado para casi cualquier tipo de monitoreo, tales como aplicaciones aeroespaciales [8], transporte de gas a traves de tuberias [9], variacion de temperatura, humedad y deformacion [10]. Ademas, las aplicaciones se han desarrollado en la vigilancia de la vibracion de las estructuras civiles [7] [11], pero cabe mencionar que todos los dispositivos antes mencionados no superan las frecuencias de muestreo superiores a 2 kHz [12]. Mas especificamente, para monitorizar las senales de vibracion de las maquinas giratorias se han desarrollado WSN, basado en Compuertas Programables en Campo (Field Programmable Gate Array FPGA) [6] o Sistemas Microelectromecanicos (Microelectromechanical Systems MEMs) [13], aunque con frecuencias de muestreo maximo de 20 kHz. Sin embargo lo anterior representa un problema, ya que muchas fallas que se quieren analizar al monitorear maquinas rotativas estan presentes en frecuencias de hasta 12 kHz [14]. De acuerdo con el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo para el monitoreo de maquinas rotativas debe ser de al menos 25 kHz. Otro problema radica en el hecho de que las WSN actuales estan disenadas para realizar adquisicion y comunicaciones de senal en tiempo real. Sin embargo, esto conduce a problemas de sincronizacion y por lo tanto un gran numero de metodos se han desarrollado para mejorar la sincronizacion, como la Broadcast Synchronization (RBS) [15], MultiLayer Medium Access Control (ML-MAC) [16-17], Deployed Relay Nodes (RNS), Acceso a Medios-Muchos portadores de sentido Multiple Acceso-Control de tiempo de acceso multiple por division (MAC CSMA-TDMA) [18]; cabe senalar que la mayoria de estos metodos implican mas procesamiento informatico y consumo de energia. Ademas, estudios recientes [19-20] concluyen que los errores de sincronizacion en la deteccion, identificacion y localizacion de danos o fallas conducen a distorsion en los resultados. En este trabajo se propone un sistema embebido remoto para la adquisicion, acondicionamiento y transmision de senales de maquinas rotatorias. Dos senales de vibracion y una de velocidad se obtienen de forma sincrona y automatica desde una tarjeta central. La adquisicion de senales se lleva a cabo automaticamente mediante un simple protocolo de planificacion y finalmente se envia a un servidor FTP mediante una conexion inalambrica. Debe tenerse en cuenta que el sistema de instrumentacion propuesto es parte de un prototipo que adquiere y analiza senales de vibracion con el fin de identificar roturas fallas de maquina a traves de diferentes procesos de caracterizacion y clasificacion. El prototipo completo permite identificar los fallos presentes en una maquina rotativa, sin tener que realizar exhaustivos procedimientos de busqueda o hacer paradas innecesarias. El resto del articulo esta organizado de la siguiente manera. La seccion 2 contiene el diseno del sistema y la descripcion de cada parte que se compone. Los resultados para la validacion de su funcionamiento se presentan en la seccion 3. Finalmente, la seccion 4 muestra las conclusiones.

2. Sistema de adquisicion

Usualmente, CBM se realiza a traves del procesamiento de senales de vibracion, obtenidos por acelerometros posicionados magneticamente sobre el sistema analizados. Sin embargo, los acelerometros usados para este proposito requieren complejos dispositivos para suplirlos en potencia y acondicionarlos. Debido a lo anterior, los sistemas disponibles comercialmente para realizar la adquisicion y procesamiento de senales de vibracion provenientes de sensores necesitan avanzadas y sofisticadas herramientas computacionales.

Para resolver el anterior problema, se diseno un sistema para la Adquisicion, Almacenamiento y Transmision de Senales de Vibracion (ASTV por sus siglas en ingles). ASTV esta dividido en cinco diferentes modulos; modulo adquisicion y acondicionamiento, modulo de control, modulo de almacenamiento, modulo de transmision y modulo de poder. El diagrama de bloques del ASTV se puede visualizar en la Figura 1.

Especificamente, los sensores son acondicionados mediante tarjetas disenadas para suplir la potencia y transformar la senal de vibracion en una senal alterna. Dicha senal de salida es modificada en amplitud y se le anade un nivel offset por un circuito de acondicionamiento, con el proposito de ser apta para adquirirse por la tarjeta central. La tarjeta central realiza adquisiciones y las almacena en forma de ficheros hasta que son enviadas a un servidor FTP a traves de una red inalambrica. Por ultimo, las senales pueden ser analizadas y procesadas sin restricciones, puesto que son almacenadas sin ningun tipo de encriptacion.

2.1. Modulo de adquisicion y acondicionamiento

Comunmente, los acelerometros piezoelectricos que se utilizan como sensores de vibracion para CBM son mono axiales y la senal de vibracion analogica se suministra de 4 a 20 mA. Estos acelerometros necesitan circuitos de acondicionamiento para energizar y extraer la senal capturada. Es por ello que se utilizan primero tarjetas de adquisicion para alimentar los sensores y entregan a su salida una senal en voltaje alterna de 12 voltios de amplitud, equivalente a la suministrada por el sensor. Por lo tanto, se implementa un circuito de adaptacion que modifica la amplitud de la senal y anade un desplazamiento de nivel. Ahora, la senal de velocidad representa las revoluciones por minuto de la maquinaria en una senal con 12 voltios de amplitud y variante frecuencia.

El circuito de condicion registra la senal y modifica su amplitud, lo que da una senal cuadrada de 0 a 1,8 voltios con la misma frecuencia que el original. Todos los procesos anteriores se realizan con el fin de que las senales sean apropiadas para ser capturadas por el ADC de la tarjeta central. El diagrama de bloques del circuito de condicion se muestra en la Figura 2.

2.2. Modulo de Control

El modulo de control esta montado sobre una tarjeta central, la cual trabaja con un sistema operativo Debian. La tarjeta central tiene un procesador de 1GHz, la cual es responsable de la adquisicion y almacenamiento de las senales de vibracion. El procesador tiene siete canales de conversion analoga a digital (ADC), cada uno posee 12 bits de resolucion y 200KHz de frecuencia de muestreo. Adicionalmente, la tarjeta central tiene un puerto USB de proposito general, el cual se utiliza en este caso para acondicionar el dispositivo que realiza la comunicacion inalambrica. Por ultimo, el modulo de control tiene un reloj en tiempo real (RTC), conectado por I2C, cuyo objetivo es mantener la hora y fecha actualizada con la real. La Figura 3 muestra la tarjeta central con todos sus dispositivos.

El modulo de control esta configurado para adquirir diferentes senales dos de vibracion y uno de velocidad, lo cual es un novedoso aporte, ya que dispositivos similares en el estado de los son solo permiten la captura de una senal [13] [6]. Este proceso se realiza de forma automatica o programable, ya que el tiempo de adquisicion de la senal y las caracteristicas del mismo se pueden escribir en un archivo de configuracion. Debe tenerse en cuenta que el proceso de adquisicion es completamente automatico y no requiere la intervencion de un usuario externo. Es por eso que se adquiere la senal de velocidad, ya que sera inutil capturar las senales de vibracion procedentes de una maquina giratoria que no esta en funcionamiento. Por lo tanto, el proceso de adquisicion comienza cuando tanto el tiempo del RTC como el tiempo de ranura programado son iguales y la senal de velocidad excede un umbral establecido. A continuacion, el modulo de control guarda en un archivo toda la informacion relevante de la adquisicion (fecha, duracion y frecuencia de muestreo) seguidas por las senales.

La programacion de la tarjeta central se realizo en codigo fuente abierta. El sistema carga el archivo de configuracion con adquisicion diaria y empieza a comparar el tiempo real hasta que coincide. La adquisicion se realiza con una frecuencia de muestreo de 40KHz, que segun el estado del arte [14] es apropiada para la deteccion de fallos de senales de vibracion. Despues de realizar la adquisicion diaria, el sistema establece la comunicacion con el servidor FTP. Posteriormente, los archivos se transfieren al servidor y se realiza un chequeo cruzado de la informacion para asegurarse de que los archivos se han registrado bien en el servidor. Finalmente, todos los eventos relevantes se registran en un fichero de informacion y se envian al servidor FTP con los ficheros de adquisicion.

2.3. Modulo de poder

ASTV es alimentado mediante una bateria de litio recargable de 24 voltios (9Ah) y puede ser recargada a traves de un circuito conectado directamente a la red electrica (110VAC). La senal de la bateria pasa por un circuito de alimentacion y proteccion construido para suplir las necesidades de los diferentes dispositivos que componen el sistema. El circuito tiene una salida de 5VDC para la tarjeta central, dos de 24VDC para las tarjetas de adquisicion y por ultimo una salida de 24VDC para el circuito de acondicionamiento. Cabe resaltar que, para cada salida se escogio especificamente un fusible con el fin de proteger el dispositivo que alimenta. La bateria de litio para alimentar el ASTV se puede visualizar en la Figura 4.

A lo largo de todo el proceso realizado, se realizaron mediciones de consumo de energia. Los resultados estan organizados en la Tabla 1, donde se puede concluir que casi toda la energia es consumida por la tarjeta central. Sin embargo, ASTV puede mantener todos sus sistemas en funcionamiento durante mas de 18 horas seguidas.

3. Resultados experimentales

Se han desarrollado multiples experimentos con el objetivo de verificar la efectividad y precision del ASTV. Para llevar a cabo dicha verificacion el estado del arte [13] propone dos diferentes pruebas. La primera consiste en la adquisicion de una senal sinusoidal a diferentes amplitudes y frecuencias, con el objetivo de comparar la establecida en el generador y la adquirida por el sistema. Luego, la segunda prueba consiste en la adquisicion sincrona y simultanea de diferentes senales de vibracion, mediante el ASTV y la tarjeta comercial NI9234 proveniente de la National Instruments, con el objetivo de comprobar las diferencias entre el ASTV y una tarjeta comercial.

3.1. Prueba amplitud y frecuencia

Los WSNs se han convertido en una herramienta muy util para la CBM. Pero la mala sincronizacion de estos dispositivos puede alterar en gran medida el resultado de la supervision. Es por ello que una buena sincronizacion en el momento de la adquisicion es critica y debe mantenerse en tiempos diferentes. Para evaluar la adquisicion sincrona del ASTV, las senales sinusoidales se capturan con frecuencias que varian de 500 a 15000 Hz y con amplitudes de 0,5 a 1,8 V. Las ondas sinusoidales proceden de un generador de senal con refraccion 4017A y la Figura 5 muestra la adquisicion, adecuacion y almacenamiento de senales sinusoidales. A continuacion, utilizando el MatLab, se realiza una comparacion en terminos de amplitud y frecuencia entre las senales generadas y almacenadas. La Tabla 2 muestra los resultados de las comparaciones de las senales.

3.2. Prueba de monitoreo de vibraciones mecanicas

ASTV esta disenado para realizar automaticamente la adquisicion, almacenamiento y transmision de senales de vibracion, con el fin de realizar el analisis de las senales y efectuar un correcto CBM. Para realizar una correcta prueba del ASTV, se realizaron adquisiciones provenientes de una unidad motora en operacion. La Figura 6 muestra la prueba realizada, la cual comienza con la localizacion de dos acelerometros PCB (RN102A) sobre el motor. La senal del primer acelerometro es adquirida por el ASTV y sincronamente la senal del segundo acelerometro es adquirida por el modulo de la National Instruments (NI) NI9234. Las adquisiciones se obtuvieron con el motor trabajando a 2000 revoluciones por minuto y tienen una duracion de 5 segundos.

En la Tabla 3, se muestran los resultados de los analisis de las diferentes senales de vibracion. El resultado refleja la precision del sistema ASTV cuando se compara con la tarjeta comercial NI9234. Ambas senales son consistentes, pero con pequenas diferencias de amplitud y frecuencia. Las diferencias se pueden explicar por la resolucion de la tarjeta NI9234 (24bits), la cual es mayor que la del modulo de control (12bits). Otra explicacion se radica en la incertidumbre del marco experimental, puesto que los sensores son localizados exactamente en la misma posicion y la vibracion puede ser adquirida con pequenas diferencias. Sin embargo, los resultados muestran claramente que el ASTV puede ser usado para la adquisicion de senales de vibracion provenientes de unidades motoras. En la figura 6 se puede ver como se realizo la prueba y en la Figura 7 muestra una senal vibracion en tiempo y frecuencia.

4. Conclusiones

En este trabajo se describe el diseno e implementacion de un nuevo sistema remoto electronico incorporado para la adquisicion, acondicionamiento y transmision de senales de vibracion. Este dispositivo cumple con todos los requisitos de frecuencia de muestreo y precision en la adquisicion de senales de vibracion de unidades de motor para realizar el mantenimiento preventivo basado en WSN. La principal contribucion de esta investigacion es la adquisicion de dos senales de vibracion y una de velocidad, que junto con una configuracion le hace un sistema totalmente automatico. En la propuesta ASTV, el modulo de control esta configurado para adquirir senales de vibracion en tiempos establecidos y enviarlos a un servidor FTP, todo automaticamente durante casi 24 horas. ASTV tiene una alta frecuencia de muestreo de 40 kHz por canal y con un error relativo maximo de 1% en frecuencia y de 1,5% en amplitud. ASTV fue validada por diferentes pruebas de adquisicion de senales de vibracion, los resultados muestran que el sistema propuesto es efectivo para el monitoreo de maquinas vibratorias. Como trabajo futuro se propone mejorar el prototipo, en sus dimensiones, especificamente en el modulo de potencia. Luego, se propone explorar las capacidades del modulo de control proporcionando un diagnostico preliminar de las senales adquiridas. Finalmente, se espera poder probar el prototipo en diferentes motores de trabajos para conocer sus limitaciones y asi mejorarlas.

Reconocimientos

Los autores agradecen al Master en Ingenieria Electrica y Mecanica de la Universidad Tecnologica de Pereira por su apoyo a lo largo de la investigacion. Ademas, queremos agradecer a COLCIENCIAS por apoyar el proyecto titulado: "Diseno y desarrollo de un sistema prototipo en linea para el diagnostico de motores de combustion interna diesel en servicio con base en vibraciones mecanicas. Aplicacion a los sistemas de transporte publico masivo" con el codigo 1110 -669-46074, a traves del cual se desarrollo la investigacion descrita en este articulo.

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Juan Camilo Mejia Hernandez (1), Julian David Echeverry Correa (2), Andres Mauricio Alvarez Mesa (3), Alvaro Angel Orozco Gutierrez (4)

Para citar este articulo: J. C. Mejia, J. D. Echeverry, A. M. Alvarez, A. A. Orozco, "Instrumentacion para captura y transmision de senales de vibracion". Vision Electronica, vol. 12, no 2, julio-diciembre de 2018, pp. XX-XX. DOI: https://doi.org/10.14483/22484728.14069

(1) Ingeniero electronico, Universidad del Quindio, Colombia. Investigador: Universidad Tecnologica de Pereira, Colombia. j.mejia1@utp.edu.co ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7798-2688

(2) Ingeniero electrico, Universidad Tecnologica de Pereira, Colombia. Doctorado en Ingenieria de Sistemas Electronicos, Universidad Politecnica De Madrid, Espana. Profesor Asociado: Universidad Tecnologica de Pereira, Colombia. jde@utp.edu.co ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0956-6161

(3) Ingeniero electrico, Universidad Nacional De Colombia sede Manizales, Colombia. Doctorado en Ingenieria Automatica, Universidad Nacional De Colombia sede Manizales, Colombia. Profesor Asistente: Universidad Nacional De Colombia sede Manizales, Colombia. amalvarezme@unal.edu.co ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0308-9576

(4) Ingeniero electrico, Universidad Tecnologica de Pereira, Colombia. Doctorado en Bioingenieria, Universidad Politecnica de Valencia, Espana. Profesor Asociado: Universidad Tecnologica de Pereira, Colombia. aaog@utp.edu.co ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1167-1446
Tabla 1. Consumo de poder del ASTV

Modo de operacion       Corriente (A)  Voltaje (V)  Tiempo de vida (h)

Todo operando           0.485          24           18.55
Solo Modulo de Control  0.382          5            23.56

Fuente: elaboracion propia.

Tabla 2. Resultados de la prueba de amplitud y frecuencia

             Frecuencia (Hz)
Establecida  Medida           Error realitvo (%)  Establecida


  500.000      500.048          0.009              0.500
 1000.000     1005.548          0.554              1.000

 2000.000     2017.211         0.860               1.000
 3000.000     3004.019         0.133               1.500
 5000.000     5019.531         0.390               1.500
10000.000    10008.544         0.085               1.800
 1500.000    15029.296         0.195               1.800

             Amplitud (V)
Establecida  Medida        Error realitvo
                           (%)

500.000      0.501         0.107
1000.000     0.996         0.371

2000.000     1.004         0.312
3000.000     1.497         0.156
5000.000     1.509         0.469
10000.000    1.792         0.796
1500.000     1.794         0.629

Fuente: elaboracion propia.

Tabla 3. Comparacion de los resultados entre el ASTV y la National
Instruments NI

Prueba  ASTV                     NI                       Error
        Frecuencia Central (Hz)  Frecuencia Central (Hz)  Relativo (%)

1        247.121                   247.365                 0.098
2        431.963                   427.936                 0.941
3        724.521                   724.725                 0.028
4        977.736                  1143.936                 0.843
5       1146.236                  1143.936                 0.227
6       1658.325                  1660.366                 0.122

Fuente: elaboracion propia.
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Author:Hernandez, Juan Camilo Mejia; Correa, Julian David Echeverry; Mesa, Andres Mauricio Alvarez; Gutierr
Publication:Vision Electronica
Date:Jul 1, 2018
Words:4262
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