Descrierea:

1. Dovada necesităţii realizării proiectului. Încadrarea sa în domeniile prioritare de cercetare ale PNII. Analiza obiectivelor şi avantajelor scontate

În ultimii ani a crescut vertiginos cerinţa pentru actuatoare electromecanice fiabile şi de eficienţă mărită în aproape toate ramurile industriale. Fiind componente importante ale sistemelor de producţie automatizate, acestea necesită o supraveghere continuă de la distanţă în scopul evitării întreruperii procesului de fabricaţie şi deci a golurilor de producţie, făcând necesară dezvoltarea şi implementarea unor sisteme avansate de comandă şi de monitorizare, care să poată detecta defectele apărute şi reacţiona corespunzător şi în timp util în caz de probleme.

Cercetătorii celor două colective se vor focaliza pe dezvoltarea unor astfel de sisteme integrate destinate comenzii şi monitorizării de la distanţă a patru tipuri de actuatoare electromecanice (cu motoare de curent continuu fără perii, pas cu pas, cu reluctanţă variabilă şi liniare cu magneţi permanenţi).
Obiectivul principal al proiectului este dezvoltarea unor sisteme comandate de la distanţă integrate destinate comenzii şi monitorizării a patru tipuri de actuatoare electromecanice. Acestea vor putea utilizate în orice ramură industrială atât în România, cât şi în Ungaria, dar şi în oricare altă ţară.

Activităţile de cercetare preconizate nu se referă la un singur tip de actuator electromecanic, deoarece există o gamă largă de variante utilizate în industrie. Prezintă interes deosebit diagnoza şi monitorizarea actuatoarelor acţionate de motoare pas cu pas, respectiv de motoare cu reluctanţă variabilă deoarece despre acestea puţine s-au publicat în literatura de specialitate. Este important să se studieze împreună strategia de comandă, convertorul şi maşina electrică, deoarece acestea formează un tot unitar, un sistem închis, ale cărui componente se influenţează reciproc. Orice mică defecţiune apărută în aceste componente poate să oprească tot sistemul, sau în situaţii mai grave poate să producă distrugerea parţială a sistemului. Astfel studierea comună a componentelor acestuia poate să ducă la elaborarea unor sisteme de actuatoare de performanţe ridicate.

În momentul actual există câteva produse de acest gen pe piaţă, dar nici unul care să integreze atât funcţia de comandă cât şi de monitorizare a actuatoarelor electromecanice.

2. Referinţe despre interesul comun existent al ţărilor partenere pentru proiectul propus şi justificarea necesităţii de colaborare cu celelalte echipe de cercetare

Cooperarea ştiinţifică şi educaţională între MU şi UTC-N are o istorie de câteva decade. Cadrul instituţional de colaborare între cele două universităţi în momentul de faţă se bazează pe acordul de colaborare ştiinţifică dintre cele universităţi, semnat de rectorii universităţilor în anul 2001 şi având o valabilitate nelimitată (a se vedea Anexa). Această colaborare instituţională este susţinută şi de legăturile directe între membrii colectivelor de cercetare din cele două departamente implicate în acest proiect, Departamentul de Inginerie Electrică şi Electronică de la MU şi Catedra de Maşini Electrice, Marketing şi Management de la UTC-N. Membrii celor două colective au participat la conferinţele organizate de cei doi parteneri (MicroCAD in Miskolc, respectiv ENELKO in Cluj-Napoca). S-au efectuat mai multe stagii de cercetare pe bază de reciprocitate. În 2001 trei studenţi de la UTC-N au efectuat stagii de cercetare la MU pentru finalizarea proiectelor de diplomă. Cadre didactice de la MU au obţinut titlul de doctor la UTC-N, respectiv în momentul de faţă sunt înscrişi la şcolile doctorale organizate în cadrul UTC-N.

Toate aceste colaborări ştiinţifice au culminat într-un proiect de cercetare comun dintre cele două catedre: Monitorizarea acţionărilor electrice cu maşini liniare şi rotative utilizând dispozitive avansate de procesare a datelor (contract de colaborare ştiinţifică şi tehnologică bilaterală româno-maghiară dintre MU şi UTC-N, finanţatori: Ministerele Educaţiei din România şi Ungaria, 2006-2007,contract nr. C18001/09.01.2006). Pe durata derulării contractului s-au efectuat o serie de stagii de cercetare atât la Miskolc, cât şi la Cluj, rezultând până în momentul de faţă 4 rapoarte de cercetare şi şapte publicaţii comune.

Pe baza activităţii de cercetare comune de mai mulţi ani s-au elaborat în total 10 lucrări ştiinţifice, majoritatea lor fiind publicate în volumele unor conferinţe internaţionale.

Activităţile profesionale şi domeniile de interes ale celor două colective au arii care se suprapun, dar şi arii care se completează. Lunga experienţă în colaborările internaţionale, laboratoarele bine echipate, complementaritatea celor două colective constituie premise importanta în atingerea obiectivelor stabilite şi în obţinerea unor rezultate de un înalt nivel ştiinţific.

Membrii Departamentului de Inginerie Electrică şi Electronică al Universităţii Miskolc acoperă un spectru larg de activităţi didactice şi ştiinţifice în domeniul ingineriei electrice: sisteme electrice, maşini electrice şi acţionări, măsurări electrice, etc. Acest lucru constituie un important avantaj în activitatea de cercetare din cadrul proiectului, colectivul din Ungaria având o largă experienţă în:
  • Maşini electrice (speciale, liniare şi cu reluctanţă variabilă, brushless DC, etc)
  • Electronică de putere (invertoare, redresoare, etc.)

Competenţele comune, respectiv specifice, de acoperit în activitatea de colaborare în cadrul proiectului propus sunt prezentate schematic în Fig. 1.


Fig. 1. Competenţele comune, respectiv specifice de acoperit în activitatea de colaborare

Ca şi concluzie, se poate afirma ca toate condiţiile (din punct de vedere al resursei umane şi materiale) sunt îndeplinite în vederea atingerii obiectivelor stabilite şi a obţinerii rezultatelor scontate.

3. Nivelul actual al cunoştinţelor şi experienţei în cercetare pe plan naţional şi internaţional în ţările partenere în domeniul proiectului propus (se anexează o listă cu bibliografia relevantă, maxim 20 de lucrări)

Într-o publicaţie recentă se prezintă stadiul monitorizării echipamentelor la începutul secolului XXI [1]. Sunt menţionate şapte tendinţe cheie. Între acestea se situează necesitatea dezvoltării unor sisteme de monitorizare cu preţ redus, cu software de monitorizare avansat, care pot asigura monitorizarea permanentă a echipamentelor industriale de cele mai diverse tipuri. Tot aici se menţionează importanţa integrării sistemelor de monitorizare în sistemul de comandă şi control al proceselor industriale. Din această cauză se poate afirmă că obiectivul principal al acestui proiect de cercetare, dezvoltarea unor sisteme comandate de la distanţă integrate destinate comenzii şi monitorizării a patru tipuri de actuatoare electromecanice, se încadrează perfect în cele mai importante tendinţe ale momentului.

Principiul mentenanţei pe baza monitorizării (condition-based maintenance), una dintre cele mai avansate metode de mentenanţă industrială, se referă la evaluarea continuă a stării de funcţionare a sistemului monitorizat, fără întreruperea procesului în care este implicat şi identificarea eventualelor defecte înainte ca acestea să afecteze în mod ireversibil sistemul în cauză [2]. O astfel de abordare permite o planificare rentabilă a activităţii de întreţinere şi reparaţii, evitând întreruperi nedorite ale fluxului de producţie şi costuri suplimentare.

Numeroase publicaţii [3] trec în revistă stadiul actual şi perspectivele sistemelor avansate de monitorizare şi diagnoză ale maşinilor electrice, dar puţine se ocupă şi de actuatoarele electromecanice în sine [4]. În cazul ambelor dispozitive electromecanice tendinţa viitoare este utilizarea sistemelor integrate de monitorizare on-line comandate la distanţă bazate pe suport avansat de procesare de date [5], [6].

Aproape toate defectele maşinilor electrice se pot detecta utilizând metoda analizei semnăturii curentului (current signature analysis) [7]. Metoda în sine este foarte simplă şi se bazează pe achiziţionarea semnalelor de curent şi prelucrarea lor în vederea detectării diverselor defecte. Astfel atât maşinile electrice, cât şi actuatoarele electromecanice pot fi testate din camerele de comandă fără a se opri dispozitivele analizate. Se pot testa utilizând această metodă şi echipamentele aflate la mare distanţă sau cele care operează în medii nocive, explozive, etc. [8]. Uzual la prelucrarea semnalelor achiziţionate se utilizează transformata FFT (Fast Fourier Transform) prin care se transformă semnalele din domeniul de timp în domeniul de frecvenţă [9]. În spectrul armonicilor obţinut se pot observa componente distincte (sideband components) tipice diferitelor tipuri de defecte. Astfel pe baza conţinutului de armonici se pot detecta aproape toate defectele echipamentelor electrice, sau chiar mai mult se pot obţine indicii aspra gravităţii defectelor [10].

Prezintă un interes deosebit posibilitatea monitorizării echipamentelor industriale de la distanţă (remote controlled condition monitoring) prin Internet sau alte căi de comunicaţii moderne [11]. Asemenea dispozitive pot fi utilizate nu numai pentru propriu-zisa monitorizare, dar şi pentru accesarea documentaţiei echipamentului şi pentru gestionarea evenimentelor şi a reparaţiilor la dispozitivul respectiv. Astfel specialiştii de mentenanţă au date la zi asupra echipamentului studiat, date cruciale în luarea unor decizii corecte.

    Calitatea sistemelor de monitorizare depinde de mai mulţi factori [12]:

  1. Calitatea metodei de diagnoză
  2. Performanţele sistemelor de achiziţii de date şi de procesare de date aplicate
  3. Eficienţă algoritmului de monitorizare implementat
  4. Posibilitatea de a acţiona prin sistemul de comandă în vederea diminuării efectelor defectului apărut

Pentru toate acestea echipa româno-ungară va trebui să găsească soluţii optime capabile să asigure dezvoltarea sistemelor de monitorizare la distanţă în timp real pentru actuatoarele electromecanice studiate, uşor de utilizat şi cu un grad sporit de eficienţă.

Nota de originalitate a proiectului este dată de integrarea într-un singur sistem comandat la distanţă a unităţilor de comandă [13] şi de monitorizare a diverselor actuatoare electromecanice utilizând cele mai avansate tehnici de achiziţie şi procesare de date oferite de mediul LabVIEW 8 [14], combinate cu tehnicile moderne de control la distanţă disponibile [15].

Efectele diferitelor tipuri de defecte asupra comportamentului maşinilor electrice şi actuatoarelor electromecanice au fost studiate în ultimii ani de colectivul universităţii clujene, dar au existat preocupări în domeniu şi din partea ungară. În cea mai mare parte au fost abordate defectele rotorice, atât în cazul motorului de inducţie cu rotorul în colivie, cât şi în cel al rotorului bobinat. Aceste studii vor fi extinse pe analiza defectelor celor patru actuatoare electromecanice studiate.

Un alt element important îl constituie dezvoltarea modelelor matematice (modelelor frecvenţiale) pentru fiecare actuator studiat în vederea analizei influenţei defectelor asupra parametrilor, respectiv a caracteristicilor. În acest domeniu ambele colective au o largă experienţă şi o susţinută activitate de cercetare desfăşurată.

La fel de importantă este etapa de implementare a algoritmilor de comandă şi de monitorizare, ce se constituie într-o altă foarte importantă etapă a procesului de cercetare în cadrul proiectului (selectarea echipamentelor de achiziţie şi dispozitivelor de procesare a datelor, implementarea soft şi optimizarea). Această etapă va fructifica experienţa echipei din Ungaria concretizată în câteva realizări practice şi teoretice. Această experienţă va fi completată şi susţinută de cea a unuia dintre membrii colectivului de la Cluj (dr. Hedeşiu), care are o serie de aplicaţii dezvoltate în domeniul măsurărilor şi controlului la distanţă, al tehnicilor portabile şi wireless.

4. Desfăşurarea în timp a proiectului şi rezultatele estimate, prezentate pe etape. Descrierea activităţilor fiecărei echipe de cercetare cu evidenţierea contribuţiei fiecărui partener Repartizarea activităţilor de cercetare între cele două echipe participante s-a făcut în ideea ca ambele să aibă sarcini aproximativ egale. Bine-înţeles această divizare nu s-a făcut doar cantitativ, ci luând în considerare competenţele ştiinţifice ale cercetătorilor implicaţi în acest proiect. În Fig. 1 se arată schema bloc a distribuţiei sarcinilor între grupele de cercetare de la cele două universităţi. După cum se poate observa o serie de activităţi se îndeplinesc în comun, iar altele separat.

Activităţile de cercetare au fost grupate astfel:

  • Elaborarea şi testarea metodelor de comandă la distanţă ale celor patru actuatoare studiate (termen 30.09.2008).
  • Elaborarea şi validarea experimentală a modelelor frecvenţiale, dezvoltarea analitică a semnăturilor frecvenţiale, determinarea experimentală a efectelor defectelor asupra modelelor frecvenţiale şi analiza comparativă a rezultatelor teoretice şi experimentale obţinute (termen 15.12.08).
  • Dezvoltarea algoritmilor de monitorizare şi implementarea algoritmilor de comandă şi monitorizare la distanţă (termen 30.06.2009).
  • Integrarea de sistem, testarea şi optimizarea sistemelor implementate de comandă si monitorizare la distanţă (termen 31.10.2009).
  • Diseminarea rezultatelor şi elaborarea rapoartelor finale (termen 15.12.2009)

Fiecare termen se poate considera ca şi un punct de monitorizare. La terminarea fiecărui grup de activităţi se va elabora în colaborare un raport de cercetare.

Organizarea activităţilor se va face în aşa măsură ca toate obiectivele să fie îndeplinite până la termenii stabiliţi şi este responsabilitatea celor doi conducători. Activitatea de cercetare în colaborare necesită un schimb de informaţii intens. În acest sens se vor organiza două întâlniri de lucru (la Miskolc în 2008 şi la Cluj în 2009). Pentru schimbul de informaţii şi de documente se va folosi e-mailul. Se va lua în considerare şi posibilitatea efectuării măsurătorilor la distanţă prin Internet.

BIBLIOGRAFIE:

[1] Dunn, S., "Condition Monitoring in the 21st Century," The Plant Maintenance Resource Center, Booragoon (Australia), 2006.
[2] Bengtsson, M., "Ideas and Views on how to Technically and Organizationally Implement Condition Based Maintenance", Proceedings of the 18th Congress of Euromaintenance, Basel (Switzerland), 2006, pp.101-106.
[3] Siddique, A., Yadava, G.S., Singh, B., "A Review of Stator Fault Monitoring Techniques of Induction Motors," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20, no. 1 (March 2005), pp. 106 114.
[4] Tsiotras, P. and Doumtchenko, V., "Control of Spacecraft Subject to Actuator Failures: State-of-the-Art and Open Problems," Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 48, No. 2-3, pp. 337-358, 2006.
[5] Benbouzid, M.E.H., "A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 5 (Oct. 2000), pp. 984-993.
[6] Pöyhönen, S., Negrea, M., Jover, P., Arkkio, A., Hyötyniemi, H. "Numerical magnetic field analysis and signal processing for fault diagnostics of electrical machines," The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, vol. 22, no. 4, 2003, pp. 969-981.
[7] Korde, A., "On-line condition monitoring of motors using electrical signature analysis," Proceedings of the Recent Advances in Condition-Based Plant Maintenance Seminar, Mumbai (India), 2002, pp. 1-10.
[8] ***: Reaping the Rewards of a Remote Monitoring and Diagnostics Program, Rockwell Automation, Publication no. GMSC01-WP003-EN-P (November 2005), Milwaukee (USA).
[9] Pardue, F., Hancock, D. "Motor Management Help from Repair Shops through the Internet," 24/7 Systems, Inc., Louisville, USA, 2005.
[10] Penrose, H.W., "Practical Motor Current Signature Analysis Taking the Mystery Out of MCSA," ALL-TEST Pro, LLC, Old Saybrook (USA), 2005. URL: www.alltestpro.com/pdf/PracticalSignatureAnalysis.pdf.
[11] Arkan, M., Perovic, D.K. Unsworth, P., "Online stator fault diagnosis in induction motors," Proceedings of the IEE Electrical Power Applications, vol. 148 (Nov. 2001), pp. 537-546.
[12] Tallam, R.M.; Lee, S.B.; Stone, G.; Kliman, G.B.; Yoo, J.; Habetler, T.G.; Harley, R.G. "A survey of methods for detection of stator related faults in induction machines," Proceedings of the 4th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, (SDEMPED '2003), 2003, pp. 35-46.
[13] Gokdere, L.U., Chiu, S.L., Keller, K.J., Vian, J., "Lifetime control of electromechanical actuators," Proceedings of the IEEE Conference on Aerospace, Tel-Aviv-Haifa (Israel) ,2005, pp. 3523 3531.
[14] Blume, P.A., "The LabVIEW Style Book," National Instruments Virtual Instrumentation Series, Prentice Hall PTR, Indianapolis (USA), 2007.
[15] ***, "PC Control of PXI (MXI-4),"National Instruments Data Sheet, Austin (USA), 2006.