1998 TÜBİTAK-TTGV-TÜSİAD WINNER OF THE TECHNOLOGY AWARD

1. 1998 TÜBİTAK-TTGV-TÜSİAD WINNER OF THE TECHNOLOGY AWARD MCM Motor Condition Monitor Winner 2007 Institute of Eng. & Tech. Patent No :US6014598 TR1998/02541B

2. MCM، تکنولوژی پايش بدون سنسور M. Sadeghlou Stock Engineering Services info@stock-eng.com Professor Dr. A. Duyar ARTESIS A.S. www.artesis.com

3. THE TECHNOLOGY AND HOW IT WORKS MCM Technology

4. Model Based Fault Detection • MCM يک سيستم پايش و عيب يابی بر پاية مدلسازی است که از اساس با سيستمهای پايش رايج متفاوت است. • تکنولوژی پايش برپاية مدلسازی بدواً توسط NASA برای موتور اصلی شاتل فضائی در دهه 90 توسعه يافته است. سرپرست تيم تحقيقات اين پروژه دکتر Duyar در دانشگاه فلوريدا بوده که متعاقباً سيستم MCM را معرفی و و به عنوان يک محصول تجاری در کشورهای مختلف جهان به ثبت رسانده است. • MCM برای پايش و عيب يابی ماشين های سه فاز، شامل گردنده و گرداننده، توسعه يافته و بدين منظور تنها نياز به دريافت سيگنالهای ولتاژ و آمپر ماشين الکتريکی اعم از موتور يا ژنراتور دارد.

5. Principals of Model Based Fault Detection u Model Θ y • اساس کار در اين تکنولوژی ساخت مدلی رياضی از ماشين مورد نظر و سپس مقايسه عملکرد ماشين واقعی با مدل است. • ساخت مدل نياز به معرفی پارامترهای ورودی و خروجی و استخراج روابط رياضی بين آنها دارد. در بلک باکس فوق خروجی تابع ورودی و يک ست مجموعه پارامترهای تأثير گذار ذيربط در سيستم دارد. • Y=f(Θ,u) • برای ماشين های الکتريکی پارامترهای ورودی ولتاژها، خروجی آمپرها و ست پارامترهای تأثيرگذار در رابطه خروجی با ورودی شرائط داخلی ماشين، يا عمدتاً عيوب آن است.

6. اگر بتوانيم مدل رياضی ماشين را با کمک داده های ورودی و خروجی واقعی خيلی خوب بسازيم عملاً صاحب يک ماشين مجازی خواهيم شد که رونوشتی از ماشين اصلی است. در اين بلوک دياگرام با اعمال ورودی های ماشين اصلی به مدل تا زمانيکه رفتار مدل و ماشين اصلی يکی باشد خروجی واقعی با خروجی محاسبه شده توسط مدل يکی ودر نتيجه اختلافشان صفر خواهد بود. در غير اينصورت اختلاف اين دو بيانگر تغيير در عملکرد ماشين اصلی است. Principals of Model Based Fault Detection System (Motor) e = ys - ym u Σ Model Θ

7. MCM Technology - MCM طی يک دورة فراگيری يا Learning Period ولتاژهای ورودی سه فاز و سيگنالهای آمپر موتور را بطور پيوسته اندازه گيری و با کمک آنها در يک پروسه پيچيده مدل رياضی ماشين را ميسازد. - پس از تکميل ساخت مدل، که در حالت پيش فرض حدود يک هفته کاری ماشين بطول ميانجامد، کار پايش ماشين آغاز ميشود. - در مرحله پايش MCM ورودی های موتور، ولتاژ سه فاز، را به طور پيوسته به مدل رياضی تغذيه و خروجی های مدل (سيگنالهای آمپر) را با آمپر واقعی موتور مقايسه ميکند. بديهی است اگر ماشين تغيير رفتار نداده باشد اختلاف اين دو نزديک به صفر خواهد بود و در غير اينصورت رفتار ماشين واقعی تغيير کرده که سيستم از روی ميزان و شکل تغييرات در مورد سلامت ماشين و عيوب آن هم قضاوت خواهد کرد.

8. نصب MCM

9. ساخت مدل-پارامترهای اندازه گيری • MCM جمعاً، و در حال حاضر، 44 پارامتر مختلف را اندازه گيری و پايش ميکند. از اين تعداد 22 مورد پارامترهای مدل Model parameters به شرح زير هستند: -Electrical Parameters (8) -Mechanical Parameters (12) -Fit Parameters (2) 2. گروه دوم پارامترهای فيزيکی موتور است. -Physical Parameters (20) (Vrms, Irms (R,S,T), Voltage & Current Imbalance, Gain, powerfactor, power, THD, etc.) 3. دو پارامتر هم پارامترهای ترکيبی از پارامترهای مدل هستند که با توجه به مقادير آنها وضعيت سلامت ماشين روی دستگاه MCM از طريق 5 چراغ LED با عناوين زير منعکس ميشود OK, Watch Line, Watch Load, Examine Machine 1, Examine Machine 2

10. پارامترهای مدل • 12 پارامتر مکانيکیپارامترهای مکانيکی از روی طيف شدت جريان (آمپر) استخراج ميشوندطيف به 12 باند فرکانسی تقسيم و اختلاف قدرت هر باند با باند نظير در مدل مورد قضاوت قرار ميگيرد. پارامترهای مکانيکی از M1 تا M12 نامگذاری ميشوند.

11. پارامترهای مدل - الکتريکی • 8 پارامتر الکتريکی 4 پارامتر از روی سيگنالهای ولتاژ ورودی و 4 پارامتر از روی سيگنالهای آمپر استخراج ميشوند. اين پارامترها در دو گروه E1 و E2 طبقه بندی ميشوند. تغييرات پارامترهای گروه ولتاژ بيانگر تغيير در برق ورودی از شبکه (مثل لقی يا خرابی کانکتورها، Harmonic Distortion, Imbalance، عايق کابلها) و تغييرات در گروه دوم بيانگر بروز اشکال در اجزای داخلی موتور مثل Rotor Bar, Air Gap, Insulation ميباشد.

12. پارامترهای فيزيکی • پارامترهای فيزيکی اگرچه اکثراً در سايتها با وسائل سنتی هم اندازه گيری ميشوند ولی اهميت اندازه گيری آنها توسط MCM عمدتاً در اعلام آلارم و روند گيری آنها با زمان است که در هر زمان دلخواه در PC قابل مشاهده خواهند بود.

13. پريود قرائت و محاسبه پارامترها ONE ITERATION (1.5 minutes) Modelling, Parameter Calculations V-I DAQ (6 sec) Front Panel Update

14. شروع کار MCM • MCM به شکلی طراحی شده که همة عمليات را تا حد امکان به صورت اتوماتيک انجام دهد. • حتی نصب MCM هم به جز اتصال کابلهای ولتاژ و آمپر، و کابل شبکه/کامپيوتر، به کاری فراتر از اعلام مشخصات Name Plate ماشين که آنهم از طريق منوی دستگاه به راحتی ظرف دقايقی انجام ميشود ندارد. • پس از ارائه مشخصات اصلی موتور فقط لازم است جهت اطمينان از تطابق مشخصات داده شده با مشخصات واقعی فرمان Check Motor را صادر کرد. دستگاه اگر مشکلی ببيند اعلام آلارم ميکند.

15. شروع کار MCM MCM Parameters 1) Device Address 2) Nominal Voltage (L-N) 3) Nominal Current 4) Frequency 5) Motor Speed 6) Connection Type 7) Voltage and Current Calibration Values MCM Default Password is ‘m’ • تنها اطلاعاتی که در زمان نصب بايد به MCM منتقل شود

16. ساخت مدل و شروع پايش • پس از اعلام مشخصات اصلی موتور با صدور فرمان RUN از پانل دستگاه MCM بطور خودکار وارد فاز فراگيری Learning Period جهت ساخت مدل ماشين ميشود. • فاز فراگيری به صورت پيش فرض 4000سيکل قرائت را که هر سيکل 1 تا 1.5 دقيقه طول می کشد، حدود 4 روز کار ماشين، را در بر ميگيرد. • با پايان فاز فراگيری مدل ساخته و کار پايش به صورت اتوماتيک آغاز ميشود ولی همزمان فاز ديگری به نام Improve برای ارتقای کيفيت مدل برای همخوانی هر چه بيشتر با شرائط عملياتی مختلف ماشين با 8000 روند قرائت ديگر آغاز ميشود. • تمام عمليات اتوماتيک بدون دخالت نيروی انسانی است.

17. پايش روتين Alarm Level Measured Output 3-Phase Motor NORMAL WATCH LİNE ? Input Comparison WATCH LOAD ? EXAMINE -1 Mathematical Model EXAMINE -2 Estimated Output

18. MCM’s Front Panel Warning LED’s OK WATCH LINE (Abnormal changes in supply voltage) تغييردر ولتاژ ورودی، پارامترهای مدل گروه E2. در صورت تداوم آلارم بايد موارد زير چک شود: harmonic levels – capacitor - isolation of cables- motor connector or terminal slackness-contacts of the contactor WATCH LOAD Changes in process is observed اگر تغيير بار بدون آگاهی اپراتور باشد check; leakages – valve & vane misadjustments – filters getting dirty (fans, compressors) اگر تغيير بار با خواست اپراتور باشد با فرمان Update دستگاه شرائط بار شديد را در مدل محلوظ ميکند. PERFORM MAINTENANCE (Examine 1) Fist level alarm عيبی در ماشين رخ داده. Check imbalance – misalignment – bearing/ bearing hausing – motor shaft - broken rotor bar - isolation of stator windings- over lubrication and lubrication leakages through oil belt Driven equipment mechanical problems (gear box,compressor,fan,pump, press,conveyor..etc) - friction and breakdown of fan blades - breakdown of pump sealing – incorrect conveyor chain tension problem -.....etc STOP (Examine 2) Second level alarm تغيير وضعيت ماشين نسبت به مدل بسيار شديد است. آناليز تفصيلی و خاموش کردن ماشين توصيه ميشود

19. MCM Clustering Algorithm Power Factor C2 C1 C3 Frequency Gain (A/V) • During the learning period MCM treats each operating point of the motor as a cluster in the three dimensional space (powerfactor, gain, supply frequency. Therefore, each cluster has a seperate statistical model. • During the monitoring mode each data is compared with the closest cluster.

20. MCMاشکالات مکانيکی را چگونه تشخيص ميدهد؟ اشکالات مکانيکی ايجاد ارتعاشات در رتور ميکنند که اين ارتعاشات به Air Gap و ميدانهای مغناطيسی منتقل و در نهايت باعث تغيير شکل سيگنالهای آمپر با توجه به فرکانس و دامنة ارتعاش ميشوند. به عبارت ديگر سيگنالهای آمپر با ارتعاشات ناشي از عيوب ماشين مدوله ميشوند. تغيير شکل فوق در طيف شدت جريان منعکس و در نتيجه در آناليز طيف عامل ايجاد تغيير شناسائی ميشود.

21. Learning Period Developed fault Relearn Fault After Maintenance Learning Period Learning Period Actual Learning point Suggested Learning point Fault Detection point

22. يک نمونه طيف شدت جريان

23. SOME OF MCM REFERENCES برخی از مشتريان نامدار جديد: نيروی دريائی آمريکا US NAVY نفت و پتروشيمی چين Sinopec، Cherry Inc. Automotive PetrochemicalIron&Steel EnergyWaterFood&Beverage Metal Procesing Unimar National Power

24. Petrochemical Iron&Steel Energy Water Airways Universities

25. نرم افزار MCMScada+Diagnostics On OK 15.612 308.356 0.89 5.8909 4.5687 10.1843 0.5679 1.4893 دسترسی به امکانات تشخيص عيب و روند گيری کلية پارامترها

26. نرم افزار MCMScada with Diagnostics پارامترهای مکانيکی پارامترهای الکتريکی وضعيت آلارمها

27. Case Histories • چند نمونه case history

28. Steam Turbine Generator (95 MW) Unbalance and Misalignment Problem

29. Belt Problem– ANAM Semiconductor co., Korea

30. شناسائی و رفع اشکال گيربکس رادار

31. Iron and Steel: Coupling Problem

32. Iron and Steel: Coupling Problem

33. FAN Unbalance Problem

34. FAN Unbalance Problem Tighten loose bolt

35. Stator Insulation Problem

36. Internal Electrical Problem

37. PUMP: Bearing and Bent Shaft Phosphate Pump Second bearing change and replacement of bent shaft Increase in 10th and 12th mechanical parameters Bearings changed

38. Bearing Housing

39. Gear Box Radar

40. Pump: Misalignment

41. MCM Monitors Energy Quality Voltage Balance THD Current Balance

42. MCM Monitors Energy Consumption 26thApril 1st May Current Voltagex0,05 Power factor x 10 Active Power

43. MCM Connection Diagram

44. MCM Communication Terminating Resistors

45. MCM Communication

46. MCM Communication

47. MCM Communication

48. MCM Communication MCM Motor Condition Monitor VIA LAN MOXA NPort DE-311 TCP/IP-RS232/RS422/RS485 Converter

49. MCM Communication ETHERNET SWITCH TCP/IP RS422/RS485 TO TCP/IP CONVERTER RS422/RS485 CABLING ETHERNET SWITCH VIRTUAL COM PORT COMPUTER

50. MCM Remote Monitoring