Aspects of structural health and condition monitoring of offshore wind turbines

Wind power has expanded significantly over the past years, although reliability of wind turbine systems, especially of offshore wind turbines, has been many times unsatisfactory in the past. Wind turbine failures are equivalent to crucial financial losses. Therefore, creating and applying strategies that improve the reliability of their components is important for a successful implementation of such systems. Structural health monitoring (SHM) addresses these problems through the monitoring of parameters indicative of the state of the structure examined. Condition monitoring (CM), on the other hand, can be seen as a specialized area of the SHM community that aims at damage detection of, particularly, rotating machinery. The paper is divided into two parts: in the first part, advanced signal processing and machine learning methods are discussed for SHM and CM on wind turbine gearbox and blade damage detection examples. In the second part, an initial exploration of supervisor control and data acquisition systems data of an offshore wind farm is presented, and data-driven approaches are proposed for detecting abnormal behaviour of wind turbines. It is shown that the advanced signal processing methods discussed are effective and that it is important to adopt these SHM strategies in the wind energy sector

Internet of Things for Sustainable Mining

The sustainable mining Internet of Things deals with the applications of IoT technology to the coupled needs of sustainable recovery of metals and a healthy environment for a thriving planet. In this chapter, the IoT architecture and technology is presented to support development of a digital mining platform emphasizing the exploration of rock–fluid–environment interactions to develop extraction methods with maximum economic benefit, while maintaining and preserving both water quantity and quality, soil, and, ultimately, human health. New perspectives are provided for IoT applications in developing new mineral resources, improved management of tailings, monitoring and mitigating contamination from mining. Moreover, tools to assess the environmental and social impacts of mining including the demands on dwindling freshwater resources. The cutting-edge technologies that could be leveraged to develop the state-of-the-art sustainable mining IoT paradigm are also discussed

Rola wstępnego przetwarzania sygnałów w detekcji uszkodzenia lokalnego w maszynach górniczych

Local damage - a very important form of change of condition in gearboxes and bearings - is asociated with local change of stiffness/mass. In vibration signal it is manifested by appearance of periodic (at least cyclic) impulses and this properties of signal is used as a basis for damage detection. Unfortunately, especially at early stage, local damage "produces" weak signature that is completely masked by other sources of vibration. It means that one may not see any impulses in signal. A crucial problem in local damage detection is to eliminate non-informative parts of signal, improve signal to noise ratio or - in other words - to extract signal of interest (SOI). This paper shows results of application different pre-processing techniques to vibration signals captured from mining machines during normal operation.Uszkodzenie lokalne jest bardzo ważną formą zmiany stanu w przekładniach i łożyskach. Zwykle wiąże się z lokalną zmianą sztywności i/lub ubytkiem masy. W sygnale drganiowym uszkodzenie lokalne powoduje chwilowe zaburzenie sygnału o impulsowym, cyklicznym charakterze. W praktyce sygnał informacyjny jest niskoenergetyczny i jest maskowany przez inne źródła drgań w maszynie, co oznacza brak możliwości wykrycia impulsów w sygnale zarejestrowanym na obiekcie. Fundamentalne znaczenie w detekcji uszkodzeń lokalnych ma odpowiednie wstępne przetworzenie sygnału eliminujące zakłócenia lub innymi słowy wyodrębniające sygnał informacyjny. W pracy pokazano wyniki zastosowania wybranych procedur przetwarzania sygnałów jako przetwarzanie wstępne mające na celu wyodrębnienie informacji o uszkodzeniu lokalnym. Wykorzystane sygnały zostały zarejestrowane na obudowie przekładni i łożyska w czasie normalnej eksploatacji w warunkach kopalni odkrywkowej

Application of wavelet analysis diagnostics of local faults in driving units of mining machines

W pracy przedstawiono wyniki prac dotyczących zastosowania analizy falkowej w diagnostyce uszkodzeń lokalnych układów napędowych maszyn górniczych. Wykazano możliwości i celowość stosowania tego typu analizy w diagnostyce maszyn górniczych, na podstawie studiów literaturowych określono główne kierunki zastosowań, sformułowano problemy związane z analizą falkową i wreszcie zaproponowano wstępny szkielet procedury diagnostycznej z wykorzystaniem metod falkowych na etapie wstępnego przetwarzania sygnałów (filtracji-dekompozycji, odszumiania), wstępnej analizy na podstawie obserwacji skalogramu, ekstrakcji cech diagnostycznych oraz poprawy ich jakości. Jako przykłady zastosowań pokazano wyniki analiz dla sygnałów z łożysk, przekładni stożkowo-walcowych i planetarnych.Results of application of wavelet analysis for local damage detection in driving units used in mining machines have been presented in this paper. Based on literature survey and own study a directions of application oriented research have been defined, crucial problems and limitation were recalled and preliminary diagnostic procedure has been proposed. Wavelet analysis was used for signal preprocessing (filtering, decomposition) preliminary time-frequency structure analysis via scalogram, feature extraction and feature enhancement. The Procedure has been applied to pulley's bearing, 2-stage gearbox and planetary gearbox used in mining machines

Modelling of vibration signals generated by planetary gearbox under time varying load conditions

W pracy przedstawiono uproszczony model sygnału generowanego przez przekładnie planetarną pracującą w warunkach zmiennego obciążenia. Model bazuje na zjawiskach modulacji: amplitudowej (której przyczyną jest okresowa zmienność obciążenia a także nieprawidłowa praca jarzma) oraz modulacji częstotliwościowej (spowodowanej cyklicznymi zmianami obciążenia, a co za tym idzie zmianami prędkości obrotowej na wejściu przekładni). Zastosowanie modelu pozwala na identyfikację struktury częstotliwościowej, testowanie procedury normalizacyjnej zaproponowanej przez Standera oraz ocenę przydatności analiz sygnałowych stosowanych na potrzeby diagnozowania przekładni planetarnej.A model of signal generated by planetary gearbox working under time varying load conditions is presented. Model based on modulation phenomena. Both, amplitude and frequency modulation is considered. AM modulation is related to time varying load condition and improper arm behaviour and FM is connected to variation of load that causes variation of rotational speed on the input of planetary gearbox. Proposed model can be used for identification of frequency structure of signal testing normalization procedure proposed by Stander and assessment of signal processing techniques that are using for diagnostics purposes

A proposal of computerized maintenance management system for integrated technical data related to operation of belt conveyors system

Praca porusza zagadnienia dotyczące aktualnych możliwości informatycznego wsparcia podejmowania decyzji w procesach eksploatacji przenośników taśmowych. Przedstawiono dotychczas stosowane rozwiązania systemów zarządzania eksploatacją maszyn w polskim górnictwie, a następnie zaprezentowano idee prototypu systemu zarządzania eksploatacją przenośników taśmowych budowanego w oparciu o narzędzia klasy Business Inteligence, wspierającego podejmowanie decyzji na dowolnym szczeblu zarządzania i umożliwiającego szybki dostęp do zaawansowanych, wielowymiarowych analiz. Przedstawiono koncepcję budowy systemu oraz przedstawiono zalety przyjętej technologii informatycznej, uwzględniającej także przestrzenny opis infrastruktury technicznej. Ponadto przedstawiono przykładową strukturę danych opisowych zawierającą warstwy systemu dotyczące elementów infrastruktury, zdarzeń jak również reguł zarządzania, które stanowią wytyczne strategii racjonalnego utrzymania przenośników taśmowych.The paper deals with the latest developments in the field of computerized maintenance management system for a belt conveyors system. Some of existing in mining industry computer based systems are presented and discussed. It is showed that there is a need to build a comprehensive computerized tool for example based on a Business Intelligence software that will be able to store, process and quickly analyse data and use extracted information for decision making. A concept of such system is presented in the paper, moreover several advantages of the proposed approach is discussed. The crucial part of the system are data stored in data base - proposals of data structure organized in layers and some examples of decision using these data are also shown

Optimal frequency range for amplitude demodulation for local fault detection

W pracy podjęto problematykę wykrywania uszkodzeń lokalnych z wykorzystaniem procedury demodulacyjnej. Wykazano istotność doboru pasma użytego w demodulacji zarówno w sensie jego położenia jak i szerokości. Zaproponowano obiektywne kryterium oparte na kurtozie umożliwiające porównanie wyników demodulacji dla różnych zakresów częstotliwości. Zaproponowano procedurę wykorzystującą opracowane kryterium do wyszukiwania optymalnego (w sensie maksymalnej kurtozy) zakresu częstotliwościowego. Wykazano na przykładach użyteczność zaproponowanej metody.In the paper is undertaken the problem of local faults detection when using demodulation procedures. It has been shown that the choice of a signal filtration frequency scope and its place is crucial for demodulation process. It has been suggested the objective criteria of the scope and place choice of signal filtration frequency. The criterion is based on filtered signal kurtosis value comparison. It has been given the procedure for optimised frequency scope and place for signal demodulation in the sense of maximum kurtosis value. Case studies have been presented to show usefulness of the proposed procedure for local fault detection

Adaptive vibration condition monitoring technology for local tooth damage in gearboxes.

An adaptive approach was applied for local tooth damage diagnostics in gearboxes. The expediency of adaptation was proved experimentally for the new diagnostic feature, the sum of normalized sideband amplitudes. The positive correlation between mesh amplitudes and their sideband amplitudes was found experimentally for the first time. Novel adaptive vibration condition monitoring technology for local tooth damage in gearboxes was developed and experimentally validated. The experimental results showed an increase in effectiveness of the diagnostics when the adaptive technology was used

Wady i zalety analiz: cepstrum, widmo obwiedni i bispectrum w diagnostyce wielostopniowych przekładni zębatych

Zastosowanie modelowania matematycznego i symulacji komputerowej zjawisk dynamicznych w przekładniach zębatych poz.wala wygenerować sygnały i wykonywać na nich analizy podobnie jak dla sygnałów drganiowych z przekładni w czasie jej eksploatacji. Uzyskane sygnały poddawane są analizie w celu określenia diagnostycznych własności sygnału i relacji pomiędzy sygnałem a stanem tech-nicznym. Stan techniczny przekładni zębatej można opisać za pomocą wielu czynników pogrupowa-nych następująco: czynniki konstrukcyjne, czynniki technologiczne, czynniki eksploatacyjne, zmiana stanu. Dotychczasowe publikacje autorów wykazują, że takie sformułowanie problemu prowadzi do wyodrębnienia informacji diagnostycznej zawartej w sygnale drganiowym, co poz.wala ocenić stan techniczny przekładni Do oceny stanu technicznego na podstawie drga n można wykorzystać wiele metod analizy sygnałów. W pracy przegląd i porównanie najpopularniejszych metod stosowanych diagnostyce zorientowanej uszkodzeniowo. Podkreślono problemy z interpretacją wyników analiz cepstrum i widmo obwiedni dla sygnałów drganiowych z przekładni badanych przez autorów. Wy-eksponowano zalety analizy bispektralnej w procesie identyfikacji struktury częstotliwościowej sy-gnału drganiowego, lokalizacji uszkodzeń (nieprawidłowa praca wałów, uszkodzenia lokalne oraz zu-życie) i w wykrywaniu wczesnych faz niesprawności.Using mathematical modelling and computer simulation we can generate vibration signals and made complex and complete investigation on diagnostic signal properties and on relation between vibration and gearbox condition. Many publications presented by the authors and another investigators proved that it is a truthful way. Gearbox condition should be divided into four groups of factors videlicet: de-sign factors (DF), production technology factors (PTF), operational factors (OF) condition change factors (CCF) collectively DPTOCCF. Publications given by the authors show that using collectively DPTOCCF leads to inferring diagnostic information of gearing system condition. For signal assess-ment may be used signal analysis. A review and comparison of most popular vibration signal analysis method used for fault detection and localisation in gearbox condition assessment problem are pre-sented in this paper. Some disadvantages of cepstrum and envelope spectrum methods are underlines. Bispectrum analysis is recommended for identification of signal structure (as well modulation, defect detection), fault localisation (for example unstable shaft work, local tooth failure, distributed failures) and early stage fault detection

Estymacja zmiennego obciążenia i prędkości obrotowej na podstawie analizy sygnałów drganiowych na potrzeby diagnostyki przekładni planetarnej w układzie napędowym koła czerpakowego

In this paper we attempt to retrieve information about the time varying load/speed condition of a planetary gearbox used in mining excavator system from the vibration measurement. We first define the Instantaneous Power (IP) of the signal, which reflects the global amplitude modulation. For the Instantaneous Speed (IS) an original approach is proposed based on the estimation of a local time-scaling factor, which is well adapted to systems submitted to higher speed variations. Both approaches are applied to two gearboxes, one being in a presumably faulty condition and a new one after replacement. The study of the IS showed that, contrary to the new gearbox, the higher frequency speed variation is highly dependent on the load for the used gearbox, thus indicating a backlash due to wear in the gear/bearing mechanism. Our results also show that IS estimation technique is more reliable than IP approach for outer load estimation. We conclude that while a fault could be detected from the strong amplitude modulation at the arm frequency observed for the used gearbox, the study of the instantaneous speed and outer load variation helped us to refine the diagnosis of this fault.W artykule przedstawiono metody przetwarzania sygnału drganiowego w celu ekstrakcji informacji o zmienności obciążenia zewnętrznego w przekładni planetarnej w układzie napędowym koła czerpakowego. Zastosowane metody to analiza mocy chwilowej i analiza chwilowej prędkości. Ze względu na duży zakres zmienności obciążeń metoda proponowana przez Bonnardot'a nie może być zastosowana, zatem zaproponowano nowy algorytm wyznaczania prędkości chwilowej. Przeanalizowano dwie przekładnie: w złym stanie technicznym oraz nową, po wymianie uszkodzonej. Wyniki analizy prędkości chwilowej dla przekładni nowej pokazują: niewielką amplitudę i małą zmienność dla częstotliwości drugiej harmonicznej jarzma, dla przekładni uszkodzonej składowe silnie zależą od chwilowej wartości obciążenia, co wskazuje na przekroczoną wartość luzu w przekładni/łożyskach. Wykazano zalety wynikające z analizy chwilowej prędkości w porównaniu do chwilowej mocy. Zauważono również, że o ile nieprawidłową pracę jarzma można wykryć przy użyciu analizy modulacji AM to zastosowanie dodatkowo analizy chwilowej prędkości może zwiększyć wiarygodność diagnozy