Desenvolvimento de um sistema em chip de processamento online para manutenção inteligente

Estratégias de monitoramento, baseadas na análise da condição de equipamentos utilizando ferramentas de processamento digital de sinais, inteligência artificial e tolerância a falhas, tornam-se cada vez mais necessárias nos processos industriais. As técnicas de manutenção inteligente conferem confiabilidade, disponibilidade e eficácia, e são estudadas, neste trabalho, no atual estado da arte. Porém, grande parte delas utiliza medidas com estados e parâmetros do processo que são dispendiosas e envolvem elevado tempo de amostragem e análise. O objetivo deste trabalho é desenvolver um novo sistema capaz de estimar a condição de saúde de um equipamento a partir das leituras de vibração e torque de sensores, e assim, viabilizar a detecção, predição e identificação de falhas online em atuadores elétricos utilizados em linhas de transporte de petróleo e/ou derivados. Para isso, foi desenvolvida uma técnica que, por meio de um dispositivo computacional, possibilita monitorar, considerando ruído e, de forma interativa, as variações dos parâmetros de um processo físico, tais como: falhas abruptas, incipientes e intermitentes. Isso corresponde às atividades de detecção, identificação de falhas e previsões sobre possíveis problemas que venham a surgir em consequência de pequenos desvios do comportamento normal do sistema. A metodologia empregada é baseada na estrutura do modelo Open Systems Architecture for Condition-Based Maintenance (OSA-CBM), que permite atuar nas seguintes camadas: 1) Aquisição de dados; 2) Manipulação de dados; 3) Monitoramento das condições; 4) Avaliação da saúde O sistema compreende a análise simultânea das propriedades de tempo e frequência do sinal, extração de características e filtragem adaptativa. Uma bancada de testes foi utilizada para reproduzir algumas falhas típicas que podem causar degradação na operação de atuadores fabricados no mercado. O sistema foi denominado Fault Detection System (FDS) e é baseado em técnicas de processamento de sinais que tem como saída um sinal de resíduo ou erro quando na ocorrência de uma falha correspondente nos equipamentos monitorados. A versão em software do sistema foi registrada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) no "BR 51 2016 000863-6". Uma nova versão para prototipagem em hardware do FDS em conjunto com um bloco auxiliar denominado Fault Detection Index (FDI), que também é proposto neste trabalho, foi desenvolvido na linguagem Verilog e implementado utilizando uma biblioteca Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) de 90 nm visando baixo consumo de energia ( 654 μW), baixa utilização de área em silício ( 0, 14 mm2) e processamento em tempo real. Os resultados demonstram a eficácia do método de detecção, diagnóstico e identificação de falhas apresentadas em atuadores elétricos empregados para controle de válvulas.Monitoring strategies based on the analysis of equipment condition with information derived from digital signal processing, artificial intelligence and fault tolerance tools become increasingly necessary in industrial process. In this context, intelligent maintenance techniques provide reliability, availability and are being increasingly studied in the current state of the art researches. However, most of them are based on measurements with states and process parameters that are costly and involve high sampling and analysis time. In order to avoid this problem, this work presents a new system capable of estimating the health condition of an equipment from the vibration and torque measurements of sensors, thus enabling online detection, prediction and identification of faults in electric actuators. The developed system represents a technique that, by means of a computational device, allows to monitor the variations of the parameters of a physical process such as abrupt, incipient and intermittent failures. This corresponds to the activities of fault detection, identification and prediction of possible problems that may arise due to minor deviations of the normal behavior state of the system. The methodology is based on the Open Systems Architecture for Condition-Based Maintenance (OSA-CBM) framework, which allows to act in the following layers: 1) Data acquisition; 2) Data manipulation; 3) Condition monitoring; 4) Health assessment. The system comprises the simultaneous analysis of signal time and frequency properties, feature extraction and adaptive filtering A testbench structure has been used to reproduce some typical faults that can cause degradation in the operation of the available commercial actuators. The results show the effectiveness of the method of detection, diagnosis and identification of faults that may occur in electric valves. The system is denominated Fault Detection System (FDS) and it is based on digital signal processing techniques producing a residue signal or error in the occurrence of a corresponding fault in the monitored equipment. A software version of the system was registered with the Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) no "BR 51 2016 000863-6". A new version for hardware prototyping of FDS together with the Fault Detection Index (FDI), which is also proposed in this work, was using Ver- ilog language and implemented in a 90 nm Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) library for low power consumption ( 654 μW), low silicon area utilization ( 0.14 mm2) and real time processing. The results demonstrate the effectiveness of the method of detection, diagnosis and identification of faults present in electric actuators used for controling fluidic valves

Design of an integrated system for on-line test and diagnosis of rotary actuators

In this paper, the design of an on-chip Fault Detection and Diagnosis System for Condition Based Maintenance of electromechanical actuators is presented. The proposed system is based on signal processing algorithms integrated in a customized Application Specific Integrated Circuit (ASIC). The design was synthesized using a 90nm CMOS standard cell library. As a case study, post-synthesis simulations were performed using signals acquired from a real electromechanical valve, using torque and vibration sensors considering both fault-free and defective situations for the actuator. Results show the effectiveness of the system in performing real-time fault detection and identification, with low power consumption and low silicon area utilization

Solu??es h?bridas de hardware/software para a detec??o de erros em systems-on-chip (SoC) de tempo real

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:56:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 385283.pdf: 3365473 bytes, checksum: 6d08f2f5bffa95bda247cae13c41e5d7 (MD5) Previous issue date: 2006-08-29Nos ?ltimos anos, o crescente aumento do n?mero de aplica??es cr?ticas envolvendo sistemas de tempo real aliado ao aumento da densidade dos circuitos integrados e a redu??o progressiva da tens?o de alimenta??o, tornou os sistemas embarcados cada vez mais suscept?veis ? ocorr?ncia de falhas transientes. T?cnicas que exploram o aumento da robustez de sistemas em componentes integrados (SoC) atrav?s do aumento do ciclo de trabalho do sinal de rel?gio gerado por um bloco PLL para acomodar eventuais atrasos indesejados da l?gica [1] s?o poss?veis solu??es para aumentar a confiabilidade de sistemas eletr?nicos. Diz-se que estes sistemas utilizam t?cnicas de error avoidance. Outras t?cnicas cujo objetivo n?o ? o de evitar falhas, mas sim o de detect?-las, s?o ditas t?cnicas de error detection. Este trabalho aborda esse segundo tipo de t?cnica para aumentar a confiabilidade de sistemas eletr?nicos; ou seja, aborda o desenvolvimento de t?cnicas que realizam a detec??o de erros em tempo de execu??o do sistema. Sistemas de tempo real n?o dependem somente do resultado l?gico de computa??o, mas tamb?m no tempo em que os resultados s?o produzidos. Neste cen?rio, diversas tarefas s?o executadas e o escalonamento destas em fun??o de restri??es temporais ? um tema de grande import?ncia. Durante o funcionamento destes sistemas em ambientes expostos ? interfer?ncia eletromagn?tica (EMI), existe a enorme probabilidade de ocorrerem falhas transientes. Assim, a utiliza??o de t?cnicas capazes de detectar erros evita que dados err?neos se propaguem pelo sistema at? atingir as sa?das e portanto, produzindo um defeito e/ou comprometendo a caracter?stica temporal do sistema. Basicamente, as t?cnicas de detec??o s?o classificadas em duas categorias: solu??es baseadas em software e solu??es baseadas em hardware. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho ? especificar e implementar uma solu??o baseada em software (descrito em linguagem C e inserida no n?cleo do Sistema Operacional de Tempo Real - RTOS) ou baseada em hardware (descrito em linguagem VHDL e conectada no barramento do processador) capaz de detectar em tempo de execu??o eventuais erros devido a falhas ocorridas no sistema. As falhas consideradas neste trabalho s?o aquelas que afetam a execu??o correta do fluxo de controle do programa. A solu??o proposta ? inovadora no sentido de se ter como alvo sistemas SoC com RTOS multitarefa em ambiente preemptivo. A solu??o proposta associa a estes sistemas, t?cnicas h?bridas de detec??o de erros: baseadas em software (YACCA [2,3]) e em hardware (WDT [4,5], OSLC [6,7] e SEIS [8,9,10]). Diferentes vers?es do sistema proposto foram implementadas. Em seguida, foram validadas em um ambiente de interfer?ncia eletromagn?tica (EMI) segundo a norma IEC 62132-2 [11] que define regras para os testes de circuitos integrados expostos ? EMI irradiada. A an?lise dos resultados obtidos demonstra que a metodologia proposta ? bastante eficiente, pois apresenta uma alta cobertura de falhas e supera os principais problemas presentes nas solu??es propostas na literatura. Ou seja, associa uma menor degrada??o de desempenho com um menor consumo de mem?ria e uma maior cobertura de falhas