El trabajo de investigación aquí descrito presenta la metodología aplicada y los resultados obtenidos en la realización del análisis de falla de un árbol de levas de bomba de inyección de combustible reparada por soldadura. El árbol de levas tuvo una reparación (recuperación) por soldadura un mes antes de que se produjera la fractura del componente, la empresa que realizó el trabajo de recuperación no proporcionó información sobre el procedimiento seguido para la recuperación. Se ejecutaron diversos ensayos cuya finalidad fue la de establecer la causa más probable de falla. En la inspección visual y el ensayo de fractografía, se determin óque la fractura del árbol de levas se produce por un mecanismo de fatiga mecánica de baja carga. La caracterización del material del árbol de levas determinó que se trata de un acero de bajo carbono y baja aleación al cromo que posee un tratamiento térmico de endurecimiento superficial. Del análisis macrográfico realizado se identificaron las zonas de reparación por soldadura que coincide con el inicio de fractura del árbol de levas. Del análisis metalográfico se encontró la existencia de dos ciclos de aporte de calor, así como también se identificó la presencia de una capa superficial producto de un tratamiento térmico de cementado. Mediante el ensayo de análisis químico por microscopía electrónica de barrido EDS se determinó que el material de aporte utilizado en el proceso de reparación por soldadura es compatible con un acero inoxidable 14,12% Cr y 7,47% Ni. Del ensayo de dureza se concluyó que existe un cambio significativo en propiedades mecánicas entre la zona recuperada por soldadura y el cuerpo del árbol de levas. De lo anterior se concluyó que la fractura del árbol de levas se inicia en la zona afectada por el calor, en una de las zonas reparadas por soldadura, y la propagación de la misma se ve favorecida por la presencia de zonas de elevada dureza (814 HV) y cargas cíclicas (fenómeno de fatiga mecánica) hasta producir la fractura del árbol de levas. / Tesis

The recent development of technological systems implies a high complexity of behaviors for today’s systems. An answer to the increased systems’ complexity is to look at them as a multitude of heterogeneous subsystems and develop distributed techniques to control and manage them. This raises a number of problems. Firstly, as the size and number of components increase, so does the number of fault occurrences that may drive the system to undergo critical failures. Fault detection and isolation (FDI), maintenance and repair are an increasing part of the operational every day’s tasks and they impact drastically the total cost of final products. This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the so-called parity space approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory but another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. The goal of this thesis is to develop effective techniques based on structural analysis for diagnosis of distributed continuous systems. In this framework, the system is decomposed into a set of subsystems according to functional, geographical or privacy constraints. The thesis is organized in two parts, highlighting the redundancies that are built into the global structural model and that can be used to generate diagnosis tests starting from the redundancies existing in the subsystem’s models and formulating and solving the optimization problem linked to the choice of a subset of diagnosis tests at the subsystems level that can lead to a set of diagnosis tests achieving maximum diagnosability for the global system. The first part takes benefit of the concept of Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set (FMSO set) that is introduced in the thesis. An FMSO set determines a subset of equations of the model with minimal redundancy from which an ARR sensitive to a set of faults can be obtained. Two solutions for generating FMSOs for the global system are presented, in a decentralized framework with supervisors at each level of a hierarchy and in a totally distributed framework. These are based on the properties of the FMSO sets for the subsystems in relation to those of the global system derived in the thesis. The second part formulates the optimization problem in a heuristic search framework and proposes three solutions based on iterating an A* algorithm combined with a function able to assess whether a global FMSO set can be achieved from the selected local FMSO sets. The concepts introduced in the thesis and the results are applied to the case study of a Reverse Osmosis Desalination Plant and a Spacecraft Attitude Determination and Control System of a Low Earth-Orbit Satellite.

La presente tesis considera las principales actividades llevadas a cabo durante el análisis de falla de un cable metálico de 7/16” de diámetro de arreglo 6 x 36 con alma de acero, cuya fractura se dio durante el izaje de una carga de 1 tonelada como parte del proceso de triturado de mineral de una empresa minera, en un puente grúa de 10 toneladas de capacidad nominal. Las muestras del cable recogidas llegaron al Laboratorio de Materiales de la PUCP con señales de desgaste y exceso de grasa. Este estudio describe la falla y las circunstancias que la rodean, examina la naturaleza de la rotura, evalúa la composición química y propiedades mecánicas del cable para comprobar que sus características cumplan las que se indican en las normas. Además, centra su atención, en las principales actividades llevadas a cabo durante el análisis de falla del cable de acero: inspección visual, análisis fractográfico, análisis metalográfico, ensayos de tracción y de análisis químico. Finalmente, los resultados indican que la causa más probable de falla es sobrecarga. Esto debido a las fracturas de tipo dúctil, encontradas en las superficies de fractura de los alambres, de los cuales está compuesto el cable. Esta sobrecarga indica que la falla es por el izaje de una carga de mucho mayor peso que la que indica el usuario. Asimismo, se plantean conclusiones y recomendaciones.

En el presente trabajo se hace el uso de las herramientas del procesamiento de imágenes para poder verificar las fallas de los componentes internos de una turbina de gas. Específicamente el estudio se enfoca en uno de los problemas principales del mantenimiento de estas turbinas el cual es la medición de las fallas internas que se producen en estas máquinas complejas. En nuestro medio local no se cuentan con proveedores capaces de poder aplicar las herramientas de visión por computadora a las organizaciones que tienen turbinas de gas como uno de sus principales activos y por ende no pueden brindar la solución para que estas empresas demandan con un estándar alto de calidad a bajo costo, haciendo que el mantenimiento de las turbinas sea muy costoso y en especial en sectores como el de aviación militar y civil, energético y de transmisión de gas, los cuales son los sectores que más emplean este tipo de tecnología. Las turbinas de gas, desde el punto de vista económico, son activos muy costosos. Según su tamaño y potencia generada, pueden llegar a tener costos en millones de dólares y mientras más continuo sea el monitoreo de su desgaste externo e interno, sea a través de inspecciones físicas directas o de parámetros medidos, mejor se podrá monitorear su deterioro y se evitarán fallas prematuras y por consiguiente se reducen sus costos de mantenimiento a largo plazo. Con el trascurso de los años se han desarrollado diversas técnicas de mantenimiento para turbinas a gas, que han permitido incrementar su disponibilidad y confiabilidad. Una de las técnicas más importantes ha sido el monitoreo con el equipo fuera de línea u off-line de los componentes internos de estas turbinas, esta técnica es la boroscopia, el cual consiste de un sistema de inspección visual remota que unido a un procesamiento de imágenes brinda una herramienta potente para la detección y diagnóstico de fallas internas. Esta técnica es la más fiable para verificar la condición física interna de las turbinas ya que anteriormente se tenían que retirar y, en caso de no tener los medios, enviar la turbina a fábrica para su inspección y reparación correspondiente. Es por ello que en el presente trabajo se buscará diseñar un sistema de boroscopia para las turbinas a gas, el cual podrá emplearse para cumplir las funciones de inspeccionar, grabar y medir los daños internos de las turbinas a gas del mismo modo que ofrecen las soluciones comerciales, pero a un costo mucho menor. En la parte experimental de este trabajo se pone énfasis en el problema de la medición y la solución propuesta muestra que se puede obtener un error promedio de entre -0.16 a 0.028 mm para un objetivo de 5 mm., esto demuestra que la técnica obtiene resultados muy satisfactorios ya que un equipo comercial de una marca referente, que cuenta con tecnología de la medición, logra a tener un error de entre 0.025 y 0.03 mm de error para un objetivo de 5.33 mm. / Tesis

Water desalination is one approach to force water scarcity. One of the processes used for desalination is reverse osmosis. Like other systems, a reverse osmosis plant is susceptible to faults. A fault can lead to a loss of efficiency, or if the fault is severe to a total breakdown. Appropriate measures can minimize the impact of faults, but this requires in time fault detection. The following thesis shows a proposal for an online fault diagnosis system of a reverse osmosis plant. For the model-based approach, a mathematical model of a reverse osmosis plant has been developed. The model contains a new approach for modeling the interaction between the high-pressure pump, the brine valve, and the membrane module. Furthermore, six faults considered for fault diagnosis have been modeled. Two of the faults are plant faults: The leakage of the feed stream and membrane fouling. The other four faults are sensor or actuator malfunctions. The fault diagnosis system is developed via structural analysis, a graph-based approach to determine a mathematical model’s overdetermined systems of equations. With the structural analysis, 73 fault-driven minimal structurally overdetermined (FMSO) sets have been determined. The results show that all six faults are detectable. However, two faults are not isolable. Five of the FMSO sets have been chosen to deduce the residuals used for online fault detection and isolation. The simulations demonstrate that the calculated residuals are appropriate to detect and isolate the faults. If one assumes that only the considered faults occur, it is possible to determine some faults’ magnitude.

El presente trabajo de tesis tiene como principal objetivo desarrollar el algoritmo de control de un robot móvil, el cual se desplazará por una planta industrial en busca de fallas en equipos críticos como son los motores y las bombas. Los motores y las bombas son componentes básicos y fundamentales para los procesos industriales, por lo tanto, es importante mantenerlos en óptimas condiciones con el fin de evitar paradas imprevistas, sobrecostos, y pérdidas de calidad y eficiencia del proceso. En muchos casos, los trabajos de mantenimiento implican medir la vibración de los equipos en lugares confinados o de difícil acceso y debido a que, en la actualidad, se debe velar por la seguridad y bienestar del personal, se propone utilizar un robot móvil para esta tarea. Por lo tanto, se propone diseñar e implementar un sistema de diagnóstico de fallas utilizando mediciones de vibración en conjunto con técnicas de Inteligencia Artificial para un robot móvil. Para lograr el objetivo propuesto, primero se estudian los componentes industriales de interés, resaltando las fallas más comunes y la normativa correspondiente para la clasificación de su condición. Seguidamente, se presentan las estrategias de mantenimiento existentes para su evaluación, resaltando las ventajas y desventajas de cada una, y se introducen los robots móviles como alternativa, teniendo como ejemplos casos reales en donde estos son importantes para realizar trabajos de búsqueda y rescate, en condiciones inaccesibles y peligrosas para las personas. Luego se presentan los algoritmos utilizados en el análisis vibracional, resaltando la Transformada de Hilbert Huang, la cual descompone las señales en Funciones de Modo Intrínseco, señales ortogonales entre sí, que describirán la vibración en función del tiempo y la frecuencia. Las Funciones de Modo Intrínseco serán las entradas a nuestra Red Neuronal Convolucional, una metodología de Aprendizaje Profundo e Inteligencia Artificial para entrenar un modelo que nos ayudará a diagnosticar el tipo de falla. Posteriormente, se proponen los algoritmos a implementar con Python, Keras y TensorFlow y se ponen a prueba con la base de datos de mediciones de vibración MAFAULDA. Finalmente se presentan los parámetros del diseño del robot móvil mencionando el hardware a utilizar y la metodología de medición, y se realiza una comparación de tiempos de procesamiento con una PC para pruebas y la NVIDIA Jetson Nano. / Tesis

El presente trabajo tiene como propósito el diseño de un sistema que permita realizar el diagnóstico de fallas en los sensores destinados a mejorar el desempeño de la suspensión semi-activa de un vehículo terrestre, como también diagnosticar fugas del líquido magneto-reológico del amortiguador. Para detectar las fallas en los sensores, se planteó el diseño de un banco de observadores de entradas desconocidas ya que estos tienen la capacidad de lidiar con el desconocimiento del perfil de la carretera, el cual representa una entrada de perturbación no medible para el sistema. La fuga del líquido magneto-reológico del amortiguador se considera como una variación del coeficiente que lo representa, y para detectar esta falla se propuso desarrollar un sistema de estimación paramétrica. Las fallas ocurridas presentan patrones característicos que mediante una red neuronal serán reconocidos y, de esta manera, se puedan aislar las fallas presentes. Los resultados de simulaciones demuestran que el sistema propuesto posee un buen desempeño de diagnóstico incluso ante la presencia de incertidumbres paramétricas. / Tesis

Se presenta el diseño de un esquema para la detección, aislamiento y estimación de fallas basados en observadores de entrada desconocida (UIO, por sus siglas en inglés) y observadores proporcionales integrales (PIO, por sus siglas en inglés). Para sistemas no lineales usando representaciones politópicas de sistemas lineales variables (LPV, por sus siglas en inglés), aplicados a un proceso hidráulico de cuatro tanques. Para la obtener la representación LPV polítopica del proceso hidráulico se considera 2 parámetros variables (válvulas de ingreso de flujo de agua a los tanques del proceso). Estos valores son conocidos ya que se contará con sensores de flujo de en la planta que se instalara en el Laboratorio de Control Avanzado del Departamento de Ingeniería de la PUCP. Al utilizar observadores para los esquemas de diagnóstico de fallas, conlleva a que se deba tener una buena convergencia de estados estimados y que el error de estimación tienda a cero, ya que caso contrario se pude dar falsas alarmas. Esto se puede lograr con los observadores: de entrada desconocida que desacopla a las incertidumbres y los observadores proporcionales integrales que estiman a la perturbación que acompaña al proceso. La estabilidad de los observadores politópicos estará garantizada por la asignación de polos establecida a través de la matriz de desigualdades lineales (LMI, por sus siglas en inglés). El aislamiento de las fallas se realizó gracias al esquema de bancos de observadores generalizado; mientras que la estimación se realizó de manera simultánea a la estimación de estados, con ayuda de los observadores aumentados. Se implementó un algoritmo de Diagnóstico de Fallas en sensores y actuadores en el software RSlogix5000, este algoritmo fue descargado en un PLC virtual. Se elaboró también una interfaz gráfica en el software Factory Talk View que permite monitorear las variables controladas y diagnosticar de forma visual. / Tesis

El presente trabajo reúne de forma ordenada los errores que se cometen durante los procesos constructivos de un edificio multifamiliar, y se ha orientado la atención exclusivamente hacia el “concreto armado”. Además se han incluido en forma didáctica los anexos “procedimientos constructivos erróneos en albañilería” y “tratamiento inadecuado del concreto simple”, como complemento del tema principal. El trabajo está dividido en tres capítulos: cimentaciones, elementos estructurales verticales y elementos estructurales horizontales; se finaliza con las respectivas observaciones y conclusiones, más una referencia bibliográfica. Al final se incluyen seis anexos, los cuatro primeros como una ampliación de los temas referidos en los tres capítulos principales, y los dos últimos ya mencionados en el primer párrafo. La metodología a seguir comienza con la detección de errores dentro de los procesos constructivos, los cuales se van archivando y documentando sobre todo con fotografías, y de ser necesario se incluyen gráficos para la explicación. Al problema encontrado se le asigna un lugar dentro de la estructura del trabajo, haciendo una explicación previa de la importancia desde el punto de vista teórico de porqué es necesario proceder correctamente. Después se hace una recomendación basada en normas y reglamentos de Ingeniería en el Perú, así como en estudios previos de especialistas reconocidos a nivel mundial. En algunos casos y a través de los anexos, se han ampliado las explicaciones mediante un análisis numérico, con el fin de reforzar el sustento científico presentado. Se ha puesto énfasis en la presentación visual de la tesis, con fotografías en su mayor parte recolectadas por el autor así como gráficos explicativos. También se ha recurrido a otras fuentes como Internet y/o publicaciones pasadas. El trabajo propone una solución ante las dificultades que se presentan durante el proceso constructivo, y quedando demostrado que en nuestro medio, el seguir los estándares de calidad en estructuras, no es imposible. / Tesis

Se presenta el desarrollo de un sistema de diagnóstico de fallos (SDF) aplicado a un proceso hidráulico con tanques interconectados, mediante el Esquema de los Observadores Dedicados (DOS) y el enfoque de estimación paramétrica. La tesis incluye el modelamiento del proceso, el análisis de las fallas de mayor criticidad que se podrán presentar y el diseño de un regulador LQG que permite estabilizar el sistema. En el proceso de diseño del SDF en sensores, se introdujo el Filtro de Rápido Seguimiento (STF), una variante adaptativa del Filtro Extendido de Kalman (EKF), el cual resultó muy útil al aumentar la disponibilidad y estabilidad del SDF, mediante la reducción notable del tiempo de convergencia en los estados estimados de las variables no medidas y la capacidad para eliminar el sesgo originado por el método de discretización empleado. El Algoritmo STF es empleado en la construcción del banco de observadores, necesario para la implementación del enfoque DOS. Adicionalmente, con el objetivo de dar un diagnóstico detallado, se diseño un algoritmo de identificación de fallos basado en umbrales estáticos. Los resultados obtenidos mediante simulación lograron detectar, aislar e identificar fallos individuales en todos los sensores, llegando inclusive a identificar fallos simultáneos hasta en tres sensores a la vez. En la tarea de diagnóstico en componentes (actuadores, tuberías y tanques), se vio por conveniente usar el enfoque de estimación paramétrica mediante la técnica de Estados Aumentados, obteniendo resultados satisfactorios. Se demostró como el algoritmo STF representa una sencilla solución a los problemas de divergencia del EKF, logrando la convergencia de los parámetros estimados a sus valores nominales en presencia de incertidumbres en el modelo y ruido de medición. En general, se evidenció que el STF puede proporcionar una estimación de parámetros rápida, estable y libre de sesgos para el Sistema Hidráulico, aun cuando ocurren cambios paramétricos simultáneos en la planta. / Tesis