Resumo

As indústrias fazem uso de equipamentos para otimização de sua produção aplicando máquinas com boas ferramentas preditivas, executando a manutenção necessária a fim de reduzir custos em situações de falhas críticas. As máquinas rotativas como motores, geradores e motobombas são equipamentos comumente utilizados em quase todos os processos industriais. A análise de vibrações mecânicas tem sido uma importante técnica adotado nas empresas para avaliação do estado de operação das máquinas industriais. Este trabalho utiliza-se de uma base de dados de sinais de vibrações mecânicas, para classificar automaticamente falhas em máquinas rotativas. São apresentados três modelos de extração de características de sinais de vibrações mecânicas, sendo: (i) RMS (Root Means Squares), (ii) wavelet de Haar e dimensão fractal e (iii) FFT (Fast Fourier transform) com dados estatísticos. Por fim, é utilizado o conceito de máquina de aprendizagem com os classificadores: KNN (K-vizinhos mais próximos), SVM (Máquina de Vetores de Suporte) e XGBoost (Extreme Gradient Boosting) para diagnosticar as falhas. Os resultados demonstram eficiência de todas as técnicas, sendo que a abordagem (ii) wavelet de Haar e dimensão fractal combinado com o XGBoost, obteve os melhores resultados, foi possível atingir uma taxa de acerto médio de 98.7% (MAUC (Multi-class Extension of AUC)=0.9704) nas falhas em máquinas rotativas e 99.36% (MAUC=0.9965) na detecção de problemas nos mancais de rolamento. Além disso, obteve resultados intraclasse notáveis e se mostrou bastante promissor para o objeto dessa dissertação.

Abstract

The industries make use of equipment to optimize their production by applying machines with good predictive tools, performing the necessary maintenance in order to reduce costs in situations of critical failures. Rotary machines such as motors, generators and motor pumps are commonly used in almost all industrial processes. The analysis of mechanical vibrations has been an important technique adopted in companies to evaluate the state of operation of industrial machines. This work uses a database of mechanical vibration signals to automatically classify faults in rotary machines. Three models of extraction of characteristics of mechanical vibration signals are presented: (i) RMS (Root Means Squares), (ii) Haar wavelet and fractal dimension and (iii) FFT (Fast Fourier transform) with statistical data.Three models of extraction of characteristics of mechanical vibration signals are presented: (i) RMS (Root Means Squares), (ii) Haar wavelet and fractal dimension and (iii) FFT (Fast Fourier transform) with statistical data. Finally, the learning machine concept is used with the classifiers: KNN (K-Nearest Neighbors), SVM (Support Vector Machine) and XGBoost (Extreme Gradient Boosting) to diagnose faults. The results demonstrate the efficiency of all the techniques, with the Haar wavelet approach and fractal dimension combined with XGBoost, obtained the best results, it was possible to reach a mean hit rate of 98.7% (MAUC (Multi-class Extension of AUC) = 0.9704) on rotating machine failures and 99.36% (MAUC = 0.9965) for bearing bearing problems. In addition, it obtained remarkable intraclass results and was very promising for the subject of this dissertation.

Resumo

Esta pesquisa propõe uma etiqueta passiva flexível que opera na faixa de 902-928 MHz de Ultra Alta Frequência (UHF) para aplicações de Radio Frequency Identification (RFID). A antena pequena tem uma dimensão de 13 mm x 28 mm x 0.4 mm e está composta de um substrato comercial flexível com facilidade de obtenção, para ser colada sobre superfícies cilíndricas metálicas com diferentes tamanhos. A geometria da antena foi otimizada, usando o algoritmo genético, para maximizar sua distância de leitura. O desempenho da antena foi avaliado sobre superfícies planas e curvas, através de simulações da impedância de entrada, ganho, coeficiente de reflexão e distância de leitura. Além disso, medições do coeficiente de reflexão da etiqueta foram desenvolvidos. Os resultados da etiqueta RFID provam que a antena proposta pode ser utilizada sobre superfícies metálicas cilíndricas com uma distância de leitura superior a um metro para aplicações relacionadas com gestão de ativos industriais, controle de acesso, equipamentos médicos e da construção, identificação de peças metálicas pequenas como ferramentas, instrumentos de cozinha, recipientes metálicos e sprays. Adicionalmente, neste trabalho foi estudado o comportamento eletromagnético da antena sobre cilindros fabricados com materiais de polyethylene terephthalate (PET) para garrafas plásticas. Baseado no processo de otimização, que tem como objetivo maximizar o raio de cobertura da etiqueta, uma distância de leitura de um metro foi conseguida. Os resultados mostram que a antena tem um comportamento confiável e útil sobre cilindros com pequeno raio. Além disso, a adição de líquidos dentro do material PET, dependendo de sua permissividade, pode incrementar a distância de leitura da etiqueta RFID.

Abstract

This research proposes an Ultra High Frequency (UHF) flexible passive tag antenna for Radio Frequency Identification (RFID) which operates at 902-928 MHz band frequency. The small antenna has a dimension of 13 mm x 28 mm x 0.4 mm and contains a flexible commercial substrate with ease of obtaining, for being attached over flat and cylindrical metallic surfaces with different sizes. The geometry of the tag antenna was optimized, using a genetic algorithm, maximizing its read range at 915 MHz. The antenna performance was evaluated on flat and curved surfaces, by simulations of input impedance, gain, reflection coefficient and read range. Also, measurements of reflection coefficient of the tag antenna were developed. The results of the RFID tag prove that the designed antenna can be wrapped on cylindrical metallic surfaces with read ranges above one meter, useful for applications of industrial asset management, access control, construction and medical equipment, and identification of small metallic items such as hardware tools, kitchenware, tin cans, and spray bottles. Additionally, in this work, a study about the electromagnetic behavior of the tag antenna mounted on cylinders fabricated with polyethylene terephthalate (PET) materials was developed. Based on optimization process, whose goal is maximizing the coverage ratio of the tag antenna, a read range of about one meter is obtained. Results show that the antenna has a reliable and useful behavior over cylinders with small radius. Furthermore, the addition of a liquid component inside the PET volume, depending on its permittivity, can increase the read range of the tag antenna.