Έλεγχος και βελτιστοποίηση συνθηκών λειτουργίας φυγοκεντρικής αντλίας, με χρήση δικτύου αισθητήρων και ρύθμιση στροφών

Abstract

The purpose of this study is to evaluate and compare advanced methods of operational state recognition and early fault detection, as well as control and optimization methods for the operation of centrifugal pumps. There are various methods that can detect the operating conditions of the pump either in real-time during operation or by inspecting the pump parts at a standstill or even after disassembling them. Additionally, simulations and models have been developed for the accurate prediction of a pump's operating condition based on a predetermined set of parameters. The most modern trend is the use of data collection sensors and suitable signal analysis algorithms. The use of computational methods and artificial intelligence for signal analysis has been very successful in detecting operating conditions in different types of pumps. Despite the widespread use of centrifugal pumps, there are still questions and problems that have not been extensively studied. Mechanical failures (in bearings, impellers, or the shaft), incorrect hydraulic parameters (operation without water, pipe failure, operation under cavitation, under-pressure or over-pressure), failures in the drive systems (electrical faults, internal combustion engine failures), and other issues, make the control, early recognition, and correction of operating parameters of the pumps a quite complex endeavor. The experimental research during this dissertation focuses on the use of vibration and sound sensors outside the pump casing to collect data in real-time and analyze it using modern computational methods such as artificial neural networks. The setup was designed to be as close as possible to real irrigation systems. Common equipment and low-cost materials were used with the aim of creating a future commercial tool for early detection of the operational status of a centrifugal pump that allows for preventive maintenance and proactive control. The experimentation was limited to electrically driven single-stage centrifugal irrigation pumps, as they are the most widespread type of pumping machinery in the agricultural sector for irrigation. The aim of this work is as practical an approach to the subject as possible, regarding the simplicity of the methods of taking measurements, the simulation of real operating conditions of the pump, but also the minimization of theoretical calculations for the extraction of safe conclusions. The results of the experimental measurements and their analysis are particularly successful and prove that, particularly with the use of vibration sensors, the recognition of the simulated pump operating conditions is successful. With minimal pre-processing of the signals and their analysis using computational methods, it is possible to develop a tool based on portable low-cost devices, which can diagnose in real-time and early on, damage conditions of the pump or suboptimal operation, and even intervene in its operation preventively or correctively, provided there are suitable speed control systems.

Σκοπός αυτής της μελέτης είναι η αξιολόγηση και σύγκριση προηγμένων μεθόδων αναγνώρισης της κατάστασης λειτουργίας και έγκαιρης ανίχνευσης βλαβών καθώς και μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίηση της λειτουργίας των φυγοκεντρικών αντλιών. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι που μπορούν να ανιχνεύσουν τις συνθήκες λειτουργίας της αντλίας είτε σε πραγματικό χρόνο κατά τη λειτουργία είτε επιθεωρώντας τα μέρη της αντλίας σε στάση ή ακόμα και μετά την αποσυναρμολόγηση αυτών. Επιπλέον, προσομοιώσεις και μοντέλα έχουν αναπτυχθεί για την ακριβή πρόβλεψη της κατάστασης λειτουργίας μιας αντλίας με βάση ένα προκαθορισμένο σύνολο παραμέτρων. Η πλέον σύγχρονη τάση είναι η χρήση αισθητήρων συλλογής δεδομένων και κατάλληλων αλγορίθμων ανάλυσης σημάτων. Η χρήση υπολογιστικών μεθόδων και τεχνητής νοημοσύνης για την ανάλυση σημάτων, έχει μεγάλη επιτυχία στην ανίχνευση συνθηκών λειτουργίας σε διαφορετικούς τύπους αντλιών. Παρά την τόσο διαδεδομένη χρήση των φυγοκεντρικών αντλιών υπάρχουν ακόμα ερωτήματα και προβλήματα τα οποία δεν έχουν μελετηθεί εκτενώς. Μηχανικά σφάλματα (στα έδρανα, τις φτερωτές ή τον άξονα), λανθασμένες υδραυλικές παράμετροι (λειτουργία χωρίς νερό, αστοχία σωλήνων, λειτουργία υπό σπηλαίωση, υπο-πίεση ή υπερ-πίεση), αστοχίες στα συστήματα κίνηση (ηλεκτρικά σφάλματα, αστοχίες κινητήρων εσωτερικής καύσης) και άλλα θέματα, καθιστούν τον έλεγχο, την έγκαιρη αναγνώριση και τη διόρθωση των παραμέτρων λειτουργίας των αντλιών ένα αρκετά πολύπλοκο εγχείρημα. Η πειραματική έρευνα κατά τη διάρκεια αυτής της διατριβής, επικεντρώνεται στη χρήση αισθητήρων δονήσεων και ήχου εξωτερικά του κελύφους της αντλίας, για τη λήψη δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και την ανάλυση αυτών με σύγχρονες υπολογιστικές μεθόδους όπως τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Η διάταξη σχεδιάστηκε ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στα πραγματικά συστήματα άρδευσης. Χρησιμοποιήθηκε κοινός εξοπλισμός και υλικά χαμηλού κόστους με στόχευση τη μελλοντική δημιουργία ενός εμπορικού εργαλείου για την έγκαιρη ανίχνευση της κατάστασης λειτουργίας μιας φυγόκεντρης αντλίας που επιτρέπει την προληπτική συντήρηση και τον προληπτικό έλεγχο. Ο πειραματισμός περιορίστηκε σε ηλεκτροκίνητες μονοβάθμιες φυγοκεντρικές αντλίες άρδευσης, καθώς αποτελούν τον πλέον διαδεδομένο τύπο αντλητικού μηχανήματος στον αγροτικό τομέα για άρδευση. Η στόχευση της παρούσας εργασίας είναι η όσο το δυνατόν πρακτικότερη προσέγγιση του θέματος, όσον αφορά την απλότητα των μεθόδων λήψης των μετρήσεων, την προσομοίωση πραγματικών συνθηκών λειτουργίας της αντλίας, αλλά και την ελαχιστοποίηση των θεωρητικών υπολογισμών για την εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων και της ανάλυσης αυτών είναι ιδιαίτερα πετυχημένα και αποδεικνύουν ότι ιδιαίτερα με χρήση αισθητήρων δονήσεων, είναι απολύτως πετυχημένη η αναγνώριση των καταστάσεων λειτουργίας της αντλίας που προσομοιώθηκαν. Με την ελάχιστη προ-επεξεργασία των σημάτων και την ανάλυση αυτών με υπολογιστικές μεθόδους, είναι δυνατόν να αναπτυχθεί ένα εργαλείο βασισμένο σε φορητές συσκευές χαμηλού κόστους, που θα μπορεί να διαγιγνώσκει έγκαιρα και σε πραγματικό χρόνο, καταστάσεις βλάβης της αντλίας ή μη βέλτιστης λειτουργίας, ακόμα και να επεμβαίνει στη λειτουργία αυτής προληπτικά ή και διορθωτικά, εφόσον υπάρχουν κατάλληλα συστήματα ρύθμισης ταχύτητας.