Academia de Ingeniería XVII Coloquio de Ingreso 26 de Marzo de 2015 Palacio de Minería de la Ciudad de México

Transcripción

1 Academia de Ingeniería XVII Coloquio de Ingreso 26 de Marzo de 2015 Palacio de Minería de la Ciudad de México Tecnología FPGA para el monitoreo y diagnóstico de fallas en maquinaria industrial Dr. Universidad de Guanajuato Especialidad: Mecatrónica

2 Presentación 1 Introducción 2 Procesamiento de señales para el diagnóstico 3 Tecnología FPGA para monitoreo y diagnóstico 4 Ejemplos de desarrollo 5 Conclusiones

3 1 Introducción Tecnología FPGA para el monitoreo y diagnóstico de fallas en maquinaria industrial -Procesamiento de señales X jt j e xt dt -FPGA -Monitoreo y diagnóstico -Maquinaria industrial

4 Definiciones básicas Tecnología FPGA para el monitoreo y diagnóstico de fallas en maquinaria industrial -Procesamiento de señales -Técnica matemática para realizar el monitoreo -FPGA -Tecnología electrónica para implementar la técnica -Monitoreo y diagnóstico -Problema a resolver -Maquinaria industrial -Proceso dinámico susceptible de monitoreo y diagnóstico

5 Interacción Usuario-Sistema Monitoreo y Diagnóstico Usuario Instrumentación Sistema Dinámico Control Tecnología Digital

6 Tareas a realizar Instrumentación Mediante el uso de sensores, medir variables físicas de un proceso industrial Control A partir de la instrumentación, ejercer acciones sobre el proceso industrial por medio de actuadores Monitorización Tratar matemáticamente la información de los sensores para inferir condiciones operativas del proceso industrial Diagnóstico De las condiciones operativas, inferir el origen y la solución de los problemas Supervisión Programar mantenimiento predictivo y correctivo Tomar decisiones para mejorar el proceso

7 Monitoreo y diagnóstico Instrumentación: Monitoreo: Diagnóstico: Medir Registrar y procesar las mediciones Inferir la condición operativa

8 2 Procesamiento de señales para el diagnóstico El proceso de instrumentación digital

9 Objetivo del procesamiento digital de señales Tomar información discreta de una o varias variables físicas y manipular la información para generar un resultado que sirva para inferir un estado o condición particular del proceso

10 Técnicas de procesamiento digital de señales Filtrado digital Análisis espectral Transformaciones de espacio Sistemas de lazo cerrado Ajuste de curvas y regresión X jt j e xt H z dt n 1 a k 0 n k 1 k z b k k z k n f x k 0 x a x k k tanh x Análisis estadístico Procesos no lineales X p, w p, t, xt dt

11 Métodos clásicos: Filtrado y transformada de Fourier Señal original Filtrado digital Espectro

12 Señales no estacionarias

13 Trasformada de Fourier de tiempo corto

14 Transformada de ondoletas (wavelets)

15 Descomposición de modo empírico (Hilbert-Huang)

16 Complejidad de cómputo de las técnicas de procesamiento Filtrado digital Técnica Cómputo Observaciones Muy simple Dominio del tiempo Pocos recursos tecnológicos Estadística básica Muy simple Dominio del tiempo Pocos recursos tecnológicos Transformada de Fourier Simple Dominio de la frecuencia Moderados recursos tecnológicos Transformada de ondoletas Complejo Dominio del tiempo-frecuencia Moderados recursos tecnológicos Puede requerir mucho tiempo de cómputo Descomposición de modo empírico Muy complejo Dominio del tiempo-frecuencia Altos recursos tecnológicos La operación en tiempo real puede no ser factible

17 Procesamiento de señales para el diagnóstico Árbol binario Clasificador difuso

18 Red neuronal

19 Técnica de clasificación Clasificador Recursos necesarios Características Principales Árbol binario Bajo Fácil implementación No requiere entrenamiento Lógica difusa Bajo Necesario definir las reglas de inferencia Red neuronal Medio Requiere entrenamiento Produce respuestas rápidas Máquina de soporte vectorial Alto Requiere entrenamiento Procesamiento complejo Modelo matemático determinístico Algoritmos bioinspirados Medio - Alto Requiere entrenamiento Adecuado para sistemas complejos

20 3 Tecnología FPGA para monitoreo y diagnóstico Qué es un FPGA? FPGA = Field Programmable Gate Array Arreglo de compuertas programables en campo Circuito integrado con una gran cantidad de compuertas lógicas pre-fabricadas donde el diseñador define la conectividad

21 Características principales de diseño con FPGA Recursos de diseño prácticamente ilimitados: ,000 de compuertas programables Funciones básicas integradas: sumadores, multiplicadores, RAM, microprocesadores Diseño lógico en alto nivel: Lenguajes descriptivos Bajo costo Sistemas reconfigurables Diseños reutilizables 100% Herramientas poderosas de diseño

22 Estructura general de un FPGA I/O ADD ADD I/O I/O MUL MUL I/O I/O RAM RAM I/O I/O CPU CPU I/O I/O ADD ADD I/O I/O MUL MUL I/O CLK RAM RAM CLK

23 Diseño con FPGA

24 4 Ejemplos de desarrollo Control de movimiento y monitoreo de vibraciones en maquinaria CNC

25 Estimación del grado de desgaste de una herramienta de corte

26 Otras aplicaciones en maquinaria industrial Sistema de monitoreo en tiempo real con FFT y ondoletas Estimación del grado de desgaste en una caja de engranes

27 Técnicas de monitoreo en motores de inducción MUSIC de tiempo corto en la detección de barras rotas en motores de inducción Descomposición de modo empírico en la detección de barras rotas en motores de inducción

28 Análisis termográfico del motor de inducción y su cadena cinemática

29 Aplicaciones en robótica industrial Aplicaciones en monitoreo de la calidad de la energía eléctrica

30 Aplicaciones en biotecnología Cuantificación de síntomas comunes en plantas Sensor inteligente de estrés hídrico en plantas

31 Grupo de investigación HSPdigital Grupo de investigación multi-institucional con la participación de investigadores nacionales y extranjeros, estudiantes de doctorado, maestría y licenciatura

32 Grupo de investigación HSPdigital Programas Maestrías y doctorados nacionales dentro del PNPC Doctorado doble con UVa y la UPC Grupo Más de 15 profesores-investigadores colaborando 8 estudiantes de doctorado vigentes 15 estudiantes de maestría Contamos con convenios de intercambio y movilidad Métricas Más de 80 artículos publicados en revistas científicas JCR Más de 950 citas auténticas Más de 200 egresados de licenciatura, maestría y doctorado

33 5 Conclusiones Monitoreo y diagnóstico en maquinaria industrial es un problema importante para atender en la industria moderna Formación de recursos humanos especializados Responsabilidad de las instituciones de educación superior La tecnología FPGA no se restringe a monitoreo y diagnóstico Control e instrumentación Esta materia debe ser parte del plan de estudios de las carreras en mecatrónica y afines Es necesaria la investigación en este campo Grupos de investigación interdisciplinarios para aplicar estas técnicas de procesamiento y la tecnología de integración

34 Muchas gracias por su atención!!!!!!!!!