Design Of A Model Based Fault Detection System For Washing Machine Electric Motors

Abstract

İçinde bulunduğumuz yüzyılın son yirmi yılı içinde hata tespit ve teşhisi uygulamaları uçak ve uzay endüstrisinin artan güvenilirlik taleplerine paralel olarak hızlı bir gelişme göstermiştir. Başta Amerika Birleşik Devletleri'nde askeri kaynakların ve NASA'nın ayırdığı önemli miktardaki araştırma destek fonlarının kullanımı ile bu konu üzerinde çalışma yapan araştırmacı sayısında büyük bir artış kaydedilmiştir. Hata tespit ve teşhisi uygulamaları, uçak ve uzay endüstrisi için taşıdığı önemin yanı sıra. serbest pazar ekonomisinde rekabet edebilme açısından mutlak kavramlar haline dönüşen verimlilik ve kalite güvence uygulamaları olarak diğer endüstriyel alanlarda da kendine tatbikat alanı bulmaya başlamıştır. Verimliliğin arttırılması için ön kestirimci bakım hizmetlerinin yönlendirilmesinde hata tespit ve teşhis sistemleri durum izleme istasyonları olarak kullanılmaya başlanmışlardır. Kalite güvence için. ' çok önemli olan kalite kontrol işlemlerinde de hata tespit ve teşhisi sistemleri gerek son ürün gerekse üretimin kritik süreçlerinin denetiminde uygulama bulmuşlardır. Rekabetin çok keskin oarak yaşandığı beyaz eşya sektöründe de hata tespit ve teşhisi uygulamaları gittikçe artan bir önem kazanmaktadır. Özellikle Avrupa Topluluğu' nun satılan ürünün kalitesine yönelik olarak getirmeye başladığı düzenlemeler ve kalite konusunda artan tüketici bilinci nedeni ile beyaz eşya üreticisi firmalar bu konuya artan bir önem vermektedirler. Bu çalışmada çamaşır makinalarında kullanılan elektrik motorları üzerinde hata tespit ve teşhisi uygulamaları yapılmasına olanak tanıyacak bir sistem tasarlanmaya çalışılmıştır. Hata tespit ve teşhisi yöntemi olarak model bazlı bir yaklaşım izlenecektir. Model bazlı hata tespit ve teşhisi temel olarak gerçek ölçülen büyükler ile model tarafından izlenen büyükler için üretilen çıkışlar arasındaki farkların izlenmesine dayanır [9.12,13]. Elektrik motorları endüstrinin çeşitli alanlarında gerek ana güç üretici, gerekse, içten yanmalı motorlarda olduğu gibi, güç üretme sürecini başlatıcı elemanlar olarak çok yaygın bir biçimde kullanılırlar. Temel yapı itibari ile iç içe geçmiş iki silindirden oluşan bir elektrik motorunda stator adı verilen dış kabuk hareketsizdir. İçeride yer alan rotor ise hareketlidir. Elektrik motorlarının çalışma prensibi, stator sargılarından akan akımın rotor etrafında manyetik bir alan oluşturmasına dayanır [1]. Oluşan bu manyetik alan rotorda bir dönme hareketi meydana getirir ve böylelikle elektriksel enerji mekanik enerjiye çevrilmiş olur. Elektrik motorları güç çevrimi açısından incelendiğinde tersinebilir makinalar olarak ortaya çıkarlar. Yani elektrik motorları elektriksel enerjiden mekanik enerji üretebildikleri gibi, mekanik enerjiyi elektriksel enerjiye de çevirebilirler [2]. Elektrik motorları üzerinde hata tespit ve teşhisi uygulamalarının gerçekleştirilmesinde değişik metodlar kullanılmaktadır. Klasik sistemler incelendiğinde stator gövdesinden ve rulman yataklarından termal eleman çiftleri veya infrared tekniği ile alınan sıcaklık ölçümlerinin yaygın olarak kullanıldığı görülür [3]. Bu ölçümlerin çevresel etkilere açık oluşu ve her hatanın sıcaklık değişimine yol açmaması bu yöntemin kullanılmasında sakıncalar doğurmaktadır. Ayrıca sıcaklık değişimi ataleti yüksek bir süreç olduğundan, özellikle durum izleme uygulamalarında hataların tespitinde geç kalınması riski oldukça yükselmektedir. Çok yaygın olarak kullanılan bir yöntem ise titreşim ölçümlerine dayalı sistemlerdir. Titreşim ölçümlerinde piezo-elektrik yapıda ölçme elemanları motor gövdesi üzerinde önemli noktalara yerleştirilirler. Ölçüm noktasından alman titreşim sinyalleri, titreşim genliği, hızı ve/veya ivmesi büyüklükleri cinsinden sayısallaştırılır. Yaygın olarak frekans spektrumu olarak görselleştirilen bu ölçümlerde, kritik frekans bileşenlerinde ölçülen sinyal enerji seviyesinin belirlenen bir eşiği geçmesi durumunda hata tespiti gerçekleştirilir [4,5,6]. Hataların frekans düzleminde değişik imzalara sahip olması özelliğinden yararlanılarak hataların sınıflandırılması da mümkün olabilmektedir. Ancak titreşim ölçümlerinde elde edilen bilginin ölçüm yapılan noktaya bağlı oluşu, ölçüm kalitesinin ve sonuçların yorumlanmasının kişiye bağımlılığı bu metodun uygulanmasında sorunlar yaratmaktadır. Bunlara ilaveten, makinadan alman titreşim sinyalinin çevresel.; titreşimlerden etkilenmemesi için gerekli izolasyonlu bir ortam temini ve' algıyacıların makina yüzeyine yerleştirilmesi zorunluluğu uygulamalara kısıtlar getirmektedir. Titreşim ölçümlerine alternatif olarak akustik ölçümler yaygın bir uygulama alanı bulmuştur [7.8]. Makinanın yakın alanından veya özel bir kabin içerisinde gerçekleştirilen akustik ölçümlerin değerlendirilmesi titreşim ölçümlerinde olduğu gibidir. Akustik ölçümlerden alman sinyaller basınç veya güç seviyeleri cinsinden ifade edilirler. Akustik ölçümler, ölçümlerin makinaya dokunulmadan gerçekleştirilmesi nedeni ile uygulama kolaylığı ve tekrarlanabilirlik açısından titreşim ölçümlerine göre daha iyi olarak değerlendirilmektedir. Ancak, akustik ölçümlerin çevresel gürültülere açık oluşu gerçek hayat uygulamalarını güçleştirmektedir. Bu ölçümlerin çevreden etkilenmemesi için yapılması gereken özel yalıtımlı akustik kabinler maliyet ve kapladıkları alan açısından akustik ölçümlerin kullanıldığı hata tespit ve teşhisi sistemlerinin gelişimini olumsuz etkilemektedir. Bu çalışma çerçevesinde kullanılacak olan model bazlı yaklaşımın elektrik motorları üzerinde hata tespiti amacıyla kullanıldığı bir kaç makale literatürde bulunmaktadır. Bunlardan IsermanıVnın yaptığı bir çalışmada elektrik motorunun sürekli rejim halinde sağladığı kuramsal model parametreleri motorun arıza durumunun izlenmesinde kullanılmıştır [9]. Yine benzeri çalışmalarda Coirault ve Filbert motorun kuramsal model parametrelerini tahmin ederek hata tespiti ' yapmaya çalışmışlardır [10,11]. Tüm bu çalışmaların ortak özelliği hata tespiti sisteminin kurulmasında bir kuramsal modele ihtiyaç duymalarıdır. Dinamik sistemlerin tümü için kuramsal model kurmak oldukça zor. kimi zaman ise imkansızdır. Bu çalışmada kullanılacak deneysel modelleme tekniği bu güçlüğü ortadan kaldırmaktadır. İnceleme altındaki sistemin girdi ve çıktı verilerinden elde edilen deneysel modeller kullanım açısından kolaylıklar sunmaktadır. Ayrıca, bahsi geçen çalışmalarda parametre tahmini işlemlerinin kavramsal açıdan anlamlı hale getirilmesi için elektrik motorunun doğrusal olmayan özellikleri çeşitli parametreler ihmal edilerek ortadan kaldırılmaya çalışılmıştır. Sonuçta ortaya çıkan model gerçek sistem davranışını yansıtmaktan oldukça uzaklaşmaktadır. Bu çalışmada ise elektrik motorunun doğrusal olmayan dinamik yapısı belirli bir çalışma koşulunda pertürbasyon yöntemi ile doğrusallaştırılacaktır. Böylelikle her hangi bir ihmal yapmaksızın motorun dinamik yapısını belirleyen tüm fiziksel parametrelerin etkinliği korunacaktır. Model Bazlı Hata Tespit ve Teşhisi Model Bazlı Hata Tespit ve Teşhisi daha önceden de değinildiği üzere inceleme altındaki sistemin dinamik modelinden alınan çıktılar ile ölçülen gerçek çıktıların karşılaştırılmasına dayanmaktadır. Söz konusu yaklaşımın kullanıldığı bir hata tespit sisteminin şematik görüntüsü Şekil l'den görülebilir. Bu şekilden de anlaşılabileceği üzere ölçülen girdi sistemin modeline uygulanır. Modelin ölçülen girdiye karşı verdiği çıktı. sistemin ölçülen çıktısı ile karşılaştırılır. Normal durumda bu iki çıktı arasındaki fark modelleme hataları ve gürültü etkileri hesaba katılarak belirlenmiş bir eşik değerin içinde kalmalıdır. Farkın belirlenen eşiği geçmesi inceleme altındaki sistemde bir hatanın oluştuğunu gösterir. ->Fark (artanlar) Şekil 1. Model bazlı hata tespit ve teşhisi yaklaşımının şematik gösterimi Model çıktısı ile ölçülen çıktılar arasındaki farklar "artanlar" cinsinden ifade edilir. Artanlar değişik metodlar kullanılarak elde edilebilir [13,14,16,17,18]. Bu çalışma çerçevesinde artanlar "hata parametreleri" yaklaşımı ile ortaya koyulacaklardır. Hata parametreleri yaklaşımında hata etkilerinin kendilerini sistemin parametreleri üzerinde ortaya çıkaracağı esas alınır [9,20,21,22]. Bu amaçla sistemin dinamiği üzerinde etkili belirli bir parametre kümesi hatalı ve hatasız durumlar için bulunarak aradaki farklar hata tespit ve teşhisi amacıyla kullanılır. Çalışma çerçevesinde elektrik motorunun modelinin çıkartılmasında deneysel modelleme tekniği kullanılacaktır. Bu amaçla sistemlerin ölçülen girdi ve çıktı veri setinden ayrık zaman modellerini belirleyen İDEN sistem tanılama programı kullanılacaktır. MATLAB ortamında çalışan bu programın dinamik model çıkartmadaki başarısı daha önce oldukça karmaşık sistemler üzerinde test edilerek ispatlanmıştır [29,38]. Elektrik Motorunun Dinamik Modeli Çalışma çerçevesinde elektrik motorunun hatalı ve hatasız durumlarını gösterir veriler bilgisayar ortamında benzetim yapılarak elde edilecektir. Bu nedenle çalışmada kullanılan Universal tip elektrik motorunun kuramsal modeli kullanılarak bir benzetim algoritması SIMULINK altında gerçeklenmiştir. Kullanılan kuramsal model aşağıda verilen iki adet dinamik denklem ile belirlidir. Söz konusu denklemler ilgili literatürden bulunabilir Yukarıdaki denklemlerde yer alan fiziksel sabitler deneysel modelleme ve en az kareler yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen değerler ölçüm sonuçları ile karşılaştırılarak aradaki uyum ortaya koyulmuştur. Çalışmanın devamında, ölçülen değerlere her koşulda sahip olunamayacağı da göz önüne alınarak deneysel.* modelleme ile elde edilen parametreler kullanılmıştır. Hata Tespit Çalışmalarında Kullanılacak Sistem Modelinin Çıkartılması Elektrik motorunun dinamiğini yansıtır denklemler incelendiğinde doğrusal olmadıkları görülür. Ancak, model bazlı hata tespit ve teşhisi yöntemi kavramsal olarak inceleme altındaki sistemin doğrusal olduğu kabulüne dayanır [13]. Bu nedenle, hata tespit çalışmalarında kullanılacak ve elektrik motorunun hatasız durum özelliklerini yansıtır doğrusal bir dinamik model elde edilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır. Doğrusal olmayan sistemler, belirli bir çalışma noktası etrafında doğrusal denklemler ile ifade edilebilir biçime dönüştürülebilirler. Elektrik motorunun dinamiği sürekli rejim etrafında pertürbasyon tekniği ile doğrusallaştırılmıştır. Doğrusallaştırmamn geçerliliği önce sistemin doğrusal olmayan dinamik denklem takımı üzerinde analatik çözümleme ile ortaya koyulmuştur. Daha sonra, benzetim algoritmasına sürekli rejim etrafında belirli bir girdi sinyali uygulanarak elektrik motoru için doğrusal bir model deneysel olarak da elde edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen model ile analatik olarak çıkartılan model birbirleri ile karşılaştırılarak gerek deneysel modelleme ile elde edilen, gerekse analatik çözümleme ile kurulan doğrusal modellerin doğruluğu ispatlanmıştır. Elde edilen doğrusal model aşağıda verilen denklem takımı ile belirlidir. Bununla beraber, deneysel modelleme yapılabilmesi için gereken bilgilerin elde edilmesi amacıyla bir deney tasarımı da yapılmıştır. Sistemlerin deneysel modellerinin çıkartılmasında kullanılacak girdi ve çıktı verisinin sistemin tüm dinamiğini yansıtacağı bir çalışma koşulunda elde edilmesi gerekmektedir. Söz konusu çalışma aralığı, sistemin zengin bir girdi sinyali ile uyarılması ile elde edilir [31]. Zengin girdi olarak pseııdo random binary sequence (PRBS) tipindeki sinyallerin kuramsal olarak kanıtlanmış avantajları olduğu bilinmektedir [31,32,36]. Bu amaçla elektrik motorunun dinamik yapısına uygun bir PRBS tasarlanmıştır. Oluşturulan PRBS benzetim algoritmasına sürekli rejim etrafında pertürbasyon yapacak bir biçimde uygulanarak deneysel modelleme için gerekli zengin girdi ve çıktı sinyalleri elde edilmiştir. Hata Tespit Çalışmaları Motor arızaları üzerinde yapılan araştırma sonuçları mekanik hatalara bağlı arıza yüzdesinin diğer hata türlerine göre daha yüksek olduğunu göstermektedir [45]. Bu nedenle, kurgulanan hata tespit ve teşhisi sisteminde kullanılan yöntemin geçerliliğinin sınanması için mekanik kökenli arızaların tespit edilebilirliğine ağırlık verilmiştir. Klektrik motorlarında karşılaşılan mekanik hata tipleri iki ana grupta toplanmaktadır: i. Eksen kaçıklığına bağlı hatalar ii. Sürtünme artışına bağlı hatalar Yukarıdaki hataların motor dinamiğine yansıtılması fiziksel hata modelleri geliştirilerek yapılmıştır. Bu amaçla eksen kaçıklığı hatası motor hava aralığındaki yol açtığı bozulmadan yola çıkılarak, hava aralığı ile endüktans arasındaki ilişkinin benzetim algoritmasına yansıtılması ile modellenmiştir. Sürtünme artışına bağlı hata ise sürtünme parametresine statik bir artış ve hıza bağlı salınım ekleyecek bir terim ilave edilerek yaratılmıştır. Hataların kendilerini en çok ortaya çıkarttığı frekanslar belirlenerek bu iki hatayı en çok uyaracak girdiler hatalı motor modellerine ve referans hatasız modele uygulanmıştır. 1:1de edilen verilerden deneysel modeller kurularak, hataların etkileri sistemin fiziksel parametreleri ve çıktılar üzerinde ortaya koyulmuştur. Aşağıda verilen Tablo 1 ve Tablo 2* den de görüleceği üzere, söz konusu hataların etkileri model parametrelerinin kullanılması ile hesaplanan fiziksel sabitler cinsinden gösteri lebilmektedir. Böylelikle hataların fiziksel olarak anlamlandırılması da mümkün olmaktadır. Tablo 1 : Referans ve eksen kaçıklığı hatası bulunan motor sabitleri arasındaki fark Table 2 : Referans ve sürtünme hatası bulunan motor sabitleri arasındaki fark Model bazlı hata tespit yaklaşımının elektrik motorlarına uygulanabilirliği bilgisayar ortamında gösterilmiştir. Kurulan hata modelleri ile incelenen mekanik kökenli arızaların motor dinamiğinde yol açtığı değişimlerin model parametrelerini ve çıktılarını değiştirdiği ortaya koyulmuştur. Bu çalışma çerçevesinde gürültü etkilerinin olmadığı varsayılmıştır. Gürültünün olduğu durumlarda hata etkilerinin gürültü etkilerinden ayrıştırılması gerekmektedir. Çalışma çerçevesinde ortaya koyulan yaklaşımın gürültünün var olduğu durumlarda da geçerliliğini koruduğu gösterilmelidir. Bunun için artanların oluşturulmasında.i gürültüden bağımsız değişkenler elde edilmesini sağlayıcı yaklaşımların kullanılması gerekecektir [50]. Bir diğer irdelenmesi gereken konu da aynı anda birden fazla hatanın olması durumunda hataların birbirinden aynlabilirliğidir. Bu bilginin ortaya koyulması sürtünme hatası durumunda da görüldüğü gibi hata etkisinin kendini sistemin bütün parametrelerine dağıttığı durumlarda hatanın sınıflandırılmasının temini açısından da çok önemlidir. Söz konusu problemin çözümü sadece tek bir hataya hassas artanların kullanılması ile mümkündür. Karşılaşılması olası her hata tipi için ayrı ayrı elde edilecek bu artanlar sadece göstermeleri gereken hatanın oluşması durumunda belirli bir eşiğin üzerinde değerler verecek şekilde tasarlanacaklardır

In the last decade of the 20th Century, the field of Fault Detection and Diagnosis (FDD) has shown a very rapid development due to safety demands in the aircraft and aerospace industry. Besides its importance to the aircraft and aerospace industry, FDD becomes a "must" for many other industries due to "productivity" and "quality assurance" considerations. In the household appliance industry, in which competition is very keen and quality assurance is a demanding need, FDD applications are becoming more and more important, in particular with the current regulations of the European Community. For the purposes of FDD applications in the household appliance industry, vibro-acoustic evaluation techniques are widely used. These techniques have very important limitations especially on the application side due to isolation and skill requirements. This thesis aims to develop a model based approach > for the purposes of fault detection applied to washing machine electric motors. Model Based Fault Detection and Diagnostics, basically relies on the idea of analytical redundancy. The concept of analytical redundancy is based on the signals generated by the mathematical model of the system. These signals are compared with the actual measurements obtained from the system to determine its operational status. First, utilizing the step response data, physical parameters of the system are estimated. These parameters are used to create a model of the system in the computer domain. Then, linearization of the system is achieved to utilize model based fault detection theory. An experiment is designed for system identification and an input signal providing persistent excitations is obtained. To obtain the reference model for fault detection studies, identification of the linearized system is realized using simulated data. Two different physical fault models are implemented on the computer model of the motor to simulate the faulty conditions. Finally, detection of faults are presented in terms of residual quantities based on differences in physical parameters, output signals and consistency relations obtained from dynamic equations of the system.