Sistema de monitoreo de señales industriales de máquinas rotativas basado en FPGA

Abstract

El monitoreo de condición en máquinas rotativas se utiliza para aumentar la disponibilidad y el rendimiento de las máquinas, reduciendo daños e incrementando la vida útil de la máquina, evitar daños inesperados y reducir el tiempo de inactividad de producción. El análisis de vibraciones es una de las técnicas más importantes que se han desarrollado para la detección de fallas y diagnóstico de máquinas rotativas. La necesidad de implementar un analizador de vibraciones multicanal para el diagnóstico de fallas en máquinas rotativas es inminente. Para ello se ha planteado una novedosa solución que está basada en FPGAs, que son dispositivos de alto rendimiento y reconfigurables de acuerdo a los requerimientos del usuario, permitiendo el desarrollo de arquitecturas paralelas para un análisis multicanal sin tener que reconfigurar el hardware. La novedad de este trabajo es el desarrollo de un analizador de vibraciones de arquitectura paralela basado en una FPGA para análisis multicanal, sin la necesidad de reconfigurar el hardware, que sea capaz de visualizar los datos adquiridos tanto en tiempo como en frecuencia. Para ello fue necesario la implementación de una GUI llamada Datafuz desarrollada bajo la herramienta Qt Creator IDE C++, diseñado para satisfacer los requerimientos para la detección temprana de fallas en máquinas rotativas. Para verificar el correcto funcionamiento del analizador de vibraciones propuesto, se realizaron pruebas para la detección de fallos en máquinas rotativas, cuyo estado de la máquina fue en buen estado y desbalanceo. Para tener una medida de referencia y verificar la confiabilidad del equipo, fue necesario adquirir señales en el banco de pruebas (Laboratorio de vibraciones de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales) con el analizador de vibraciones propuesto y un equipo de adquisición de datos de propósito general National Instruments, con una frecuencia de muestreo de 51 KSPS. Los resultados obtenidos demuestran la eficacia, eficiencia, así como el funcionamiento general del analizador de vibraciones basado en FPGA.

Abstract : The condition monitoring in rotating machines is used to increase the availability and machines performance, reducing consequential damage, increasing machine life and reduce production downtime. Analysis vibration is one of the most important techniques that have been developed for fault detection and diagnosis of rotating machines. The necessity of hardware implementation of multichannel data acquisition system for fault detection in rotating machines in the frequency domain is imminent. FPGAs are distinguished by being very fast and highly reconfigurable device, allowing of the development of scalable parallel architectures for multichannel analysis without changing the internal hardware. The novelty of this work is the development of a vibration analyzer parallel architecture based on FPGA for multichannel analysis, without the need to reconfigure the hardware that is capable of displaying the acquired data in both time and frequency. This required the implementation of a GUI application called Datafuz developed under the Qt Creator IDE C ++ tool designed to meet the requirements for early detection of faults in rotating machinery. To verify the correct operation of the proposed analyzer vibration, tests for the fault detection in rotating machinery were made, whose state machine was in good condition and unbalance. To have a reference measure and verify the reliability of the equipment, it was necessary to acquire signals in the test (Lab vibrations of the Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales) with vibration analyzer based on FPGA and a general purpose data acquisition system developed by National Instruments, with a sampling rate of 51 KSPS. The results show the effectiveness, efficiency and overall performance vibration analyzer based on FPGA.