Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A análise de gases dissolvidos tem sido aplicada há décadas como a principal técnica de manutenção preditiva para diagnosticar defeitos incipientes em transformadores de potência, tendo em vista que a decomposição do óleo mineral isolante produz gases que permanecem dissolvidos na fase líquida. Entretanto, apesar da importância desta técnica, os métodos de diagnóstico mais conhecidos são baseados em constatações de modelos termodinâmicos e composicionais simplificados para a decomposição térmica do óleo mineral isolante, em conjunto com dados empíricos. Os resultados de simulação obtidos a partir desses modelos não reproduzem satisfatoriamente os dados empíricos. Este trabalho propõe um modelo termodinâmico flexível aprimorado para mimetizar o efeito da cinética de formação de sólidos como restrição ao equilíbrio e seleciona, entre quatro modelos composicionais, aquele que apresenta o melhor desempenho na simulação da decomposição térmica do óleo mineral isolante. Os resultados de simulação obtidos a partir do modelo proposto apresentaram uma melhor adequação a dados empíricos do que aqueles obtidos a partir dos modelos clássicos. O modelo propostofoi, ainda, aplicado ao desenvolvimento de um método de diagnóstico com base fenomenológica.Os desempenhos desta nova proposta fenomenológica e de métodos clássicos de diagnóstico por análise de gases dissolvidos foram comparados e discutidos; o método proposto alcançou desempenho superior a vários métodos usualmente empregados nessa área do conhecimento. E, ainda, um procedimento geral para a aplicação do novo método de diagnóstico é descrito / The dissolved gas analysis has been applied for decades as the main predictive maintenance technique for diagnosing incipient faults in power transformers since the decomposition of the mineral insulating oil produces gases that remain dissolved in the liquid phase. Nevertheless, the most known diagnostic methods are based on findings of simplified thermodynamic and compositional models for the thermal decomposition of mineral insulating oil, in addition to empirical data. The simulations results obtained from these models do not satisfactorily reproduce the empirical data. This work proposes a flexible thermodynamic model enhanced to mimic the kinetic effect of solid formation as a restriction to equilibrium and selects, among four compositional models, the one offering the best performance on the simulation of the thermal decomposition of mineral insulating oil. The simulation results obtained from the proposed model showed better adequacy to reported data than the results obtained from the classical models. The proposed model was also applied in the development of a diagnostic method with a phenomenological basis. The performances of this new phenomenological proposition and of classical dissolved gas analysis diagnostic methods are compared and discussed; the proposed method achieved a performance superior to several methods usually employed in this area of knowledge.Also, a general procedure for the application of the new diagnostic method is described

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RaphaelaGF.pdf: 1672960 bytes, checksum: 5b6b120f4026f9849183e5f96e363672 (MD5) Previous issue date: 2007-02-08 / ?This master dissertation presents the development of a fault detection and isolation system based in neural network. The system is composed of two parts: an identification subsystem and a classification subsystem. Both of the subsystems use neural network techniques with multilayer perceptron training algorithm. Two approaches for identifica-tion stage were analyzed. The fault classifier uses only residue signals from the identification subsystem. To validate the proposal we have done simulation and real experiments in a level system with two water reservoirs. Several faults were generated above this plant and the proposed fault detection system presented very acceptable behavior. In the end of this work we highlight the main difficulties found in real tests that do not exist when it works only with simulation environments / ?Esta disserta??o de mestrado apresenta o desenvolvimento de um sistema de detec??o e isolamento de falhas (DIF) baseado em redes neurais. O sistema ? dividido em duas etapas: uma de identifica??o neural do sistema e outra de detec??o e classifica??o de falhas. Ambos subsistemas usam t?cnicas de redes neurais com o algoritmoBackpropa- gation para redes Perceptronde M?ltiplas Camadas. Duas abordagens para identifica??o neural foram testadas e uma delas selecionada para fazer parte do sistema DIF. Oclassifi-cador de falhas utiliza apenas valores residuais para a classifica??o das mesmas. Todos os testes foram realizados tanto em ambiente simulado quanto em ambiente real, no intuito de comprovar dificuldades encontradas em testes reais n?o existentes quando se trabalha apenas com simula??es

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiogoLR_DISSERT.pdf: 2166475 bytes, checksum: 3d70392d30b6b18a8ab0f79aa206e435 (MD5) Previous issue date: 2011-06-21 / In a real process, all used resources, whether physical or developed in software, are subject to interruptions or operational commitments. However, in situations in which operate critical systems, any kind of problem may bring big consequences. Knowing this, this paper aims to develop a system capable to detect the presence and indicate the types of failures that may occur in a process. For implementing and testing the proposed methodology, a coupled tank system was used as a study model case. The system should be developed to generate a set of signals that notify the process operator and that may be post-processed, enabling changes in control strategy or control parameters. Due to the damage risks involved with sensors, actuators and amplifiers of the real plant, the data set of the faults will be computationally generated and the results collected from numerical simulations of the process model. The system will be composed by structures with Artificial Neural Networks, trained in offline mode using Matlab? / Em um processo real, todos os recursos utilizados, sejam f?sicos ou desenvolvidos em software, est?o sujeitos a interrup??es ou a comprometimentos operacionais. Contudo, nas situa??es em que operam os sistemas cr?ticos, qualquer tipo de problema pode vir a trazer grandes consequ?ncias. Sabendo disso, este trabalho se prop?e a desenvolver um sistema capaz de detectar a presen?a e indicar os tipos de falhas que venham a ocorrer em um determinado processo. Para implementa??o e testes da metodologia proposta, um sistema de tanques acoplados foi escolhido como modelo de estudo de caso. O sistema desenvolvido dever? gerar um conjunto de sinais que notifiquem o operador do processo e que possam vir a ser p?s-processados, possibilitando que sejam feitas altera??es nas estrat?gias ou nos par?metros dos controladores. Em virtude dos riscos envolvidos com rela??o ? queima dos sensores, atuadores e amplificadores existentes na planta real, o conjunto de dados das falhas ser? gerado computacionalmente e os resultados coletados a partir de simula??es num?ricas do modelo do processo, n?o havendo risco de dano aos equipamentos. O sistema ser? composto por estruturas que fazem uso de Redes Neurais Artificiais, treinadas em modo offline pelo software matem?tico Matlab?

The dynamic behavior of a cracked shaft was studied both in run-up and run-down transient motion. A mathematical model of the shaft was developed , and experimental tests were performed in order to validate the model. A experimental testing rig was conducted, containing an horizontal flexible rotor with a rigid disc in the mid point between the bearings. Experimental and theo retical responses were compared for both cracked and uncracked shafts. All tests were done for several acceleration rates and unbalance conditions. For the theoretical study of dynamic response of the cracked shaft, the stiffness matrix for a cracked element was deduced, using the modified crack Model of Mayes. The rotor model was obtained by using the finite elements method. The equations of motion were integrated in the time domain by using Newmark method to obtain the transient response. Comparing theoretical and experimental results validated the model. For this purpose, the modified Mayes model was used to represent the dynamic response of the crached shaft. Further simulations were conducted to study the influence of acceleration rates, unbalance amplitude /orientation and crack severity on the response of a cracked shaft, running on transient mo tion. / Neste trabalho apresenta -se um estudo do comportamento dinâmico de um rotor com trinca no regime transiente, tanto na parada como na partida. Foi desenvolvido um modelo matemático -computacional de um rotor com trinca e foram também realizados testes experimentais com vistas à validação do modelo. Para o estudo experimental, foi construida uma bancada constituida por um rotor flexível horizontal com um disco rígido montado na posição média do comprimento. A resposta experimental do rotor foi comparada para os casos com e sem trinca. Para tanto, foram usados dois eixos, um com trinca e, o outro, sem trinca. Os testes experimentais foram feitos para diferentes taxas de aceleração e condições de desbalanceamento. Para o estudo teórico da resposta dinâmica do rotor com trinca, foi determinada a matriz de flexibilidade para um elemento com falha, uma vez aplicado o modelo de trinca de Mayes modificado. O modelo do rotor foi obtido através do método dos elementos finitos, e para o cálculo da resposta dinâmica no regime transiente foi utilizado o método de integração numérica de Newmark. O modelo foi validado mediante a comparação dos resultados teóricos com os experimentais, tendo sido mostrado que o Modelo de Mayes modificado representa adequadamente o comportamento dinâmico de um rotor com trinca. Foram feitas simulações para estudar a influência das taxas de aceleração, da intensidade do desbalanceamento presente no sistema e da severidade da trinca sobre o comportamento do rotor com trinca no regime transiente. / Mestre em Engenharia Mecânica

Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são projetados para prevenir e/ou mitigar acidentes, evitando indesejáveis cenários com alto potencial de risco, assegurando a proteção da saúde das pessoas, proteção do meio ambiente e economia de custos com equipamentos industriais. Desta forma, é extremamente recomendado neste projeto de SIS o uso de métodos formais para garantir as especificações de segurança em conformidade com as normas regulamentadoras vigentes, principalmente para atingir o nível de integridade de segurança (SIL) desejado. Adicionalmente, algumas das normas de segurança como ANSI / ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, entre outras, recomendam uma série de procedimentos relacionados ao ciclo de vida de segurança de um projeto de SIS. Desta forma, destacam-se as atividades que compreendem o desenvolvimento e a validação dos algoritmos de controle em que se separam semanticamente os aspectos voltados para o diagnóstico de falhas críticas e o tratamento destas falhas associado a um controle de coordenação para filtrar a ocorrência de falhas espúrias. Portanto, a contribuição deste trabalho é propor um método formal para a modelagem e análise de SIS, incluindo o diagnóstico e o tratamento de falhas críticas, baseado em rede Bayesiana (BN) e rede de Petri (PN). Este trabalho considera o diagnóstico e o tratamento para cada função instrumentada de segurança (SIF) a partir do resultado do estudo de análise de riscos, de acordo com a metodologia de HAZOP (Hazard and Operability). / Safety Instrumented Systems (SIS) are design to prevent and/or mitigate accidents, avoiding undesirable high potential risk scenarios, assuring protection of people health, protecting the environment and saving costs of industrial equipment. It is strongly recommended in this design formal method to assure the safety specifications in accordance to standards regulations, mainly for reaching desired safety integrity level (SIL). Additionally, some of the safety standards such as ANSI/ISA S.84.01; IEC 61508, IEC 61511, among others, guide different activities related to Safety Life Cycle (SLC) design of SIS. In special, there are design activities that involves the development and validation of control algorithm that separate semantically aspects oriented to diagnosis and treatment of critical faults associated with a control coordination to filter spurious failures occurrence. In this context, the contribution of this work is to propose a formal method for modeling and analysis of SIS designed including diagnostic and treatment of critical faults based on Bayesian networks (BN) and Petri nets (PN). This approach considers diagnostic and treatment for each safety instrumented function (SIF) obtained according hazard and operability (HAZOP) methodology.

The problem of fault diagnosis has been widely discussed by the academic community using the theory of Discrete Event Systems. However, the application of this theory to real systems is a field where there is a lot to be explored. The problem proposed in this work is to diagnose permanent or intermittent failures in devices (sensors and actuators) belonging to stations of a didactic flexible manufacturing system, called Modular Production System - MPS, produced by Festo company. The objective will be achieved through a modeling and simulation that allow for future implementation in the system. Three methods will be presented on fault diagnosis written in UPPAAL software language which is based on the timed safety automata formalism, as proposed by ALUR and DILL (1994) and HENZINGER et al (1994). The first method is an implementation of TRIPAKIS (2002) diagnoser. The other two methods developed in this research are inspired by TRIPAKIS (2002) and are diagnosable by definitions presented in TRIPAKIS (2002) and I-diagnosability presented in Sampath et al. (1995). The strategies for fault detection include the use of a network of timed safety automata, composed of the automaton that describes the process behavior and the diagnosers automata for each type of failure. The diagnosers detect failures from the observation of delays of certain transitions in the automaton G (process) and isolate them through observations of the sensors states. Fault indicators events serve to announce failures and synchronize the automaton G with the diagnosers. / O problema do diagnóstico de falhas, utilizando a teoria de Sistemas a Eventos Discretos, tem sido largamente abordado pela comunidade acadêmica. Entretanto, a aplicação desta teoria a sistemas reais é um campo onde há muito a ser explorado. O problema proposto, neste trabalho, é o de diagnosticar falhas permanentes ou intermitentes de dispositivos (sensores e atuadores) pertencentes a estações de um sistema flexível de manufatura didático, denominado Sistema Modular de Produção - MPS, fabricado pela empresa Festo. Este objetivo será alcançado por meio de uma modelagem e simulação que permitam uma futura implementação no sistema. Serão apresentados três métodos para diagnóstico de falhas escritos na linguagem do software UPPAAL que se baseia no formalismo autômatos seguros temporizados, conforme proposto por ALUR e DILL (1994) e HENZINGER et al (1994). O primeiro método é uma implementação do diagnosticador proposto em TRIPAKIS (2002). Os outros dois métodos, elaborados nesta pesquisa, são inspirados no diagnosticador TRIPAKIS (2002) e são diagnosticáveis pelos critérios apresentados em TRIPAKIS (2002) e Idiagnosticabilidade conforme SAMPATH et al. (1995). As estratégias para detecção de falhas incluem a utilização de uma rede de autômatos seguros temporizados, composta pelo autômato que descreve o comportamento do processo e por autômatos diagnosticadores para cada tipo de falha. Os diagnosticadores detectam as falhas a partir da observação de atrasos de determinadas transições do autômato G (processo) e as isolam por meio de observações dos estados dos sensores. Eventos indicadores de falhas servem para anunciar falhas e sincronizar o autômato G com os diagnosticadores.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:52:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Shigeaki_Leite_de_Lima.pdf: 998716 bytes, checksum: aa9cf7f7aaa0920ff57f5d185ef67b46 (MD5) Previous issue date: 2008-08-01 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Power transformers play an important role in the power energy supply, demanding the continuous monitoring of process that could lead to operation faults, specifically in the equipment electric insulation. Methods considered in the standards IEC, IEEE and NBR7274 for dissolved gas analysis (DGA) do not provide good levels of accuracy, because there are scenarios with oil samples that lead to contradictory evaluations. The extension theory is a method based on the idea that contradiction can be transformed into compatible problems. In this work, this theory is applied for solving incompatibilities found in the application of the standard NBR7274 for incipient detection faults (the modified Roger s Method). In order to validate the approach, several test cases from recent literature have been implemented and included. The approach has shown good comparative performance in the fault identification process. / Os transformadores de potência cumprem um papel decisivo na continuidade do fornecimento de energia elétrica, obrigando um monitoramento contínuo dos processos que possam provocar falhas de operação, que particularmente ocorrem no isolamento do equipamento. Os métodos previstos na IEC, IEEE e NBR7274 para análise do gás dissolvido (AGD), não alcançam nível pleno de acerto, pois existem situações nas amostras de óleo que geram resultados contraditórios e incompatíveis. A Teoria da Extensão é um método baseado na idéia de que contradições podem ser transformadas em problemas compatíveis. Neste trabalho tal metodologia é aplicada para resolver incompatibilidades encontradas no diagnóstico feito com a NBR7274 (método de Rogers modificado) para detecção de falhas incipientes. O método consiste em modelar a NBR e analisar os resultados quanto ao grau de acerto obtido. Foram feitos testes com vários estudos de caso disponíveis na literatura técnica, mostrando-se bem promissor na identificação das falhas.

Le travail de recherche effectué dans cette thèse a été réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE entre le laboratoire IMS de l'université Bordeaux 1 et la société Airbus Operations S.A.S. Cette thèse traite de la détection robuste et précoce des pannes oscillatoires de faible amplitude dans les systèmes de commandes de vol électriques. Une panne oscillatoire est une oscillation anormale d'une surface de contrôle due à un dysfonctionnement dans la chaîne d'asservissement de la servocommande d'une gouverne. Les pannes oscillatoires ont une influence sur la structure, l'aéroélasticité et la pilotabilité de l'avion, lorsqu'ils sont situés dans la bande passante de l'actionneur. La capacité à détecter ces pannes est très importante car elles ont un impact sur la conception structurale de l'avion. Au plan méthodologique, nous nous sommes focalisés sur l'estimation adaptative des paramètres et de l'état à base d'une technique de filtrage non linéaire local. Le mécanisme de filtrage opère sur un modèle non linaire de la chaine de contrôle-commande de l’actionneur hydraulique en amont des surfaces de contrôle. L'algorithme d'estimation est basé sur une interpolation polynomiale d'opérateurs linéaire, et offre l'avantage d'une implémentation relativement aisée. Un problème crucial et sous-jacent est la détermination des hyper-paramètres de réglage de cet algorithme. Nous avons proposé une démarche hors-ligne dédiée, en intégrant un critère de sensibilité vis-à-vis des pannes que nous devons détecter. La technique proposée a été implémentée et testée: les résultats expérimentaux obtenus sur banc essai et sur un simulateur A380 ont clairement mis en évidence l'apport de la nouvelle approche en termes de performances, tout en gardant le même niveau de robustesse. / The research work done in this PhD has been caried out in the frame of an industrial convention (CIFRE) between the IMS laboratory and Airbus Operations S.A.S. The thesis deals with robust and early detection of oscillatory failures (OFC: Oscillatory Failure Case) in the Electrical Flight Control System. An oscillatory failure is an abnormal oscillation of a control surface due to component malfunction in control surface servoloops. OFCs have an influence on structural loads, aeroelasticity and controllability when located within the actuator bandwidth. The ability to detect these failures is very important because they have an impact on the structural design of the aircraft. Usual monitoring techniques cannot always guarantee to remain within an envelope with acceptable robustness. In this work, we develop a model based strategy to detect such failures with small amplitude at a very early stage. The monitoring strategy is based on dedicated non linear local filtering for on-line joint parameter/state estimation, allowing for model parameter variations during A/C flight. This strategy is associated with the same decision making rules as currently used for in-service Airbus A380. We propose a method for adjusting the tuning parameters so that various design goals and trades-off can be easily formulated and managed. The performance of the proposed fault detection scheme is measured by its detection delay, its propensity to issue false alarms and whether it permits a failure to go undetected. The proposed technique has been implemented and tested with success on Airbus test facilities including an A380 flight simulator.

La détection et le diagnostic des défauts d’engrenages ont été traditionnellement basés sur l'analyse des signaux vibratoires et acoustiques. Mais, ces méthodes peuvent être coûteuses suite aux difficultés techniques de mise en œuvre de capteurs sur des pièces en rotation. Dans ces travaux de thèse, une méthode originale de détection de défauts locaux dans des engrenages entraînés par des moteurs électriques est proposée en se basant sur le suivi des courants statoriques. Le système électromécanique est simulé numériquement en combinant un modèle électrique dynamique de moteurs asynchrones (modèle de Kron et modèle des réseaux de perméances) et un modèle mécanique dynamique d’engrenages droits et hélicoïdaux incluant les arbres et les paliers. Certains défauts classiques du moteur (excentricité du rotor) et des défauts d'engrenages (écaillages sur les flancs actifs de dentures) sont considérés et une technique itérative de résolution est présentée qui permet de résoudre le problème électromécanique couplé. De nombreux résultats sont présentés qui illustrent la possibilité et la sensibilité de détection de défauts d’engrenages par mesure de courants électriques sur le moteur. Sur la base de ces simulations, il est conclu que l’analyse de la signature des courants du moteur apparaît comme une méthode suffisamment précise pour détecter et surveiller les défauts locaux d’engrenage comme les écaillages. / The fault diagnosis in geared transmissions has been traditionally based on vibration monitoring but the implementation of sensors can be expensive and, in some applications, present technical difficulties. In this thesis, an original way of detecting faulty gears driven by electrical motors is proposed based on the monitoring of the motor currents. The corresponding electromechanical coupled system is numerically simulated by combining i) an electrical dynamic model of asynchronous motors (Kron’s model and permeance network model) and ii) a mechanical dynamic model of spur and helical gears (3D lumped parameter model) including the shafts and bearings. Some classic motor defects (rotor eccentricity) and gear faults (tooth spalls) are considered and an iterative solution technique is presented which makes it possible to solve the coupled electromechanical problem. A number of results are presented, which illustrate the possibility of tooth fault detection by stator current measurements with regard to the position and dimensions of the defect. Based on these simulations, it is concluded that motor current signature analysis can be a viable tool for the detection of localized gear faults such as tooth pitting.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes an Intelligent Alarm Processor for fault diagnosis in electrical power systems. The objective is to develop a methodology for automatic fault analysis using reported alarms from Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) to allow the use of diagnosis systems in large power systems. The proposal can be used in real-time decision support systems to assist control center‟s operators during the decision-making after unscheduled contingencies with relevant information to power system restoration. This work expects to contribute to the development of advanced alarm management logics that allow modifying the chronological sequence of reported alarms, event mapping and the generation of operating patterns of protection systems according to topology network. Still, mathematical programming models have been formulated as a parsimonious set covering problem to fault section estimation and identification of protective devices with improper operation. Among these models, it stands out the model that deals with integrated analysis of reported alarms, events and diagnosis that better explain the alarms. The proposed approach has been tested in different portions of the Southern Brazilian power system. The results show that alarm processing allows the practical implementation of intelligent diagnosis methods in existing supervisory systems. The proposed diagnosis methods show better performance and accurate solutions than other methods presented in literature. / Esta tese propõe um Processador Inteligente de Alarmes para diagnóstico de faltas em sistemas elétricos de potência. O objetivo é desenvolver uma metodologia para a análise automática de faltas a partir dos alarmes reportados no sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA) que possibilite o uso de métodos de diagnóstico em sistemas de potência de grande porte. Essa proposta pode ser empregada em sistemas de apoio à decisão em tempo real, que auxiliem operadores de centros de controle do sistema (COS) na tomada de decisão após desligamentos não programados, com informações pertinentes para o restabelecimento do sistema. O trabalho espera contribuir com o desenvolvimento de lógicas avançadas de gerenciamento de alarmes que possibilitem a reordenação cronológica dos alarmes reportados, o mapeamento dos eventos e a geração de padrões de funcionamento de sistemas de proteção de acordo à topologia da rede. Além disso, os modelos de programação matemática foram formulados como um problema de recobrimento de conjuntos parcimonioso, para estimação da seção em falta e identificação dos dispositivos de proteção com atuação indevida. Dentre esses modelos, destaca-se o modelo que analisa, de forma integrada, os alarmes reportados e determina os eventos e diagnósticos que melhor explicam os alarmes. A abordagem proposta foi testada em diferentes porções do sistema sul do sistema interligado nacional (SIN). Os resultados mostram que as rotinas desenvolvidas para o processamento de alarmes permite a implantação prática de métodos inteligentes de diagnóstico em sistemas supervisórios existentes. Os métodos propostos para diagnóstico de faltas mostraram desempenhos e precisão nos resultados superiores a outros métodos presentes na literatura.