Monitoraggio di azioni meccaniche mediante l'analisi real-time di vibrazioni
Il sistema di monitoraggio delle azioni meccaniche è una soluzione dedicata all’identificazione e ubicazione di azioni meccaniche improvvise su strutture ingegneristiche in acciaio mediante l’acquisizione ed interpretazione del moto vibratorio delle stesse. Il sistema ha potenziali applicazioni nel campo della sorveglianza anti-intrusione e della rilevazione di incidenti o rotture.
L’idea che sta alla base del sistema di monitoraggio è che un’azione meccanica produce su una struttura di acciaio una deformazione elastica transitoria la quale si propaga lungo la struttura stessa su lunghe distanze sotto forma di onde elastiche. Una serie di sensori accelerometrici, dislocati sulla struttura di acciaio, registrano in tempi diversi e con intensità diverse, il transito di tali onde elastiche. L’analisi delle registrazioni permettere di riconoscere e ubicare l’evento meccanico che ha generato la perturbazione.
L’acquisizione e il pre-processamento dei segnali è realizzato mediante una piattaforma real-time, l’applicativo di analisi, visualizzazione e archiviazione su memoria di massa è eseguito su un computer equipaggiato con un sistema operativo Windows e connesso al controller programmabile tramite protocollo TCP/IP su bus Ethernet.
L’architettura hardware
L’architettura del sistema di monitoraggio prevede una serie di accelerometri posizionati sulla struttura metallica ad una certa distanza uno dall’altro, ognuno dei quali registra le vibrazioni su un ampio spettro di frequenze e con un’elevata frequenza di campionamento. Per la completa caratterizzazione delle deformazioni elastiche ogni stazione di misura è composta da tre accellerometri disposti ortogonalmente.
Il segnale analogico di ciascun accelerometro è acquisito e digitalizzato in continuo ad alta frequenza da moduli di acquisizione e condizionamento dedicati gestiti da un controller programmabile il quale provvede anche al pre-processamento dei segnali. Il segnale digitale prodotto da ogni accellerometro è trasmesso in continua ad un’unità centrale di elaborazione. Sull’unità centrale un applicativo software provvede a post-processare, in nearly real-time, i segnali che arrivano da tutti gli accelerometri.
L’acquisizione e il pre-processamento dei segnali è realizzato mediante una piattaforma real-time, un controller programmabile CompactRIO di National Instruments, equipaggiato con moduli di condizionamento dedicati all’acquisizione di segnali accellerometrici (NI 9233).
L’applicativo di analisi, visualizzazione e archiviazione su memoria di massa è eseguito su un computer equipaggiato con un sistema operativo Windows e connesso al controller programmabile tramite protocollo TCP/IP su bus Ethernet.
Il prototipo è stato realizzato per monitorare una struttura a sviluppo assiale, ovvero dove una dimensione prevale sulle altre due come è il caso di una lungarina. Sono impiegate due stazione di misura composte ciascuna da tre accelerometri marca PCB Piezotronics disposti ortogonalmente per un totale di 6 canali. La piattaforma real-time è equipaggiata con un controller NI cRIO 9002, uno chassis riconfigurabile NI cRIO-9101 e 2 moduli di condizionamento NI 9233, ciascuno da 4 input analogici IEPE con campionamento simultaneo a 50 kS/s e risoluzione a 24 bit.
Tra le caratteristiche salienti della piattaforma NI CompactRIO, due sono risultate essenziali per il successo ovvero la possibilità di sincronizzazione di più moduli ad un unica sorgente di clock che a permesso un campionamento simultaneo di tutti i canali e l’accesso al DMA tra chipset FPGA e processore Real-Time che ha permesso un efficiente data transfert.
Figura 1: Piattaforma CompactRIO di National Instruments e stazione di misura composta da tre accellerometri disposti ortogonalmente.
L’algoritmo di analisi
La finalità dell’analisi in nearly real-time è quella di identificare ed ubicare “eventi” vibratori che possono essere interpretati come azioni meccaniche improvvise.
Ogni accelerometro registra in continuo serie temporali di vibrazioni caratterizzate da ampiezza e contenuto spettrale fortemente variabili nel tempo, sia a breve periodo (secondi) che a lungo periodo (ore o giorni). Periodi nei quali non vi sono azioni meccaniche di “interesse” sulla struttura rappresentano la registrazione della storia del rumore di fondo. Nel caso in cui si verifichi un’azione meccanica sulla struttura di acciaio, le caratteristiche del segnale varieranno rispetto al rumore di fondo e tali variazioni permetteranno di farlo riconoscere come “evento”. L’evento sarà caratterizzato da una sua durata temporale prima che torni a prevalere il rumore di fondo.
Dal punto di vista dell’analisi, il principale problema affrontato nello sviluppo dell’applicativo è stato quello di individuare i corretti parametri aggregati che permettano di caratterizzare il rumore di fondo e l’evento in modo tale da distinguerli.
La metodologia adottata considera la “storia” del rumore di fondo dal punto di vista della distribuzione probabilistica di valori di accelerazione specifici per ogni accelerometro; la durata della “storia” aumenta la popolazione di misure e ne stabilizza la distribuzione. Si sono monitorati in continuo i parametri di questa distribuzione di “probabilità di accelerazione” quali indicatori di eventi. L’individuazione di un evento si traduce così nella produzione di un “indicatore di probabilità di evento”, il quale è rappresentato da un test statistico di scostamento di un campione di segnale (su una finestra temporale prefissata) dalla popolazione del “rumore di fondo”. Più l’indicatore è prossimo allo zero e minore è la probabilità che le registrazioni siano diverse dal rumore di fondo. Più l’indicatore è prossimo a 1 e maggiore è la probabilità che si stia registrando un “evento”, ovvero vibrazioni anomale.
La metodologia adottata prevede un auto-apprendimento delle caratteristica del rumore di fondo cosi da poterne seguire le variazioni di medio e lungo periodo ed evitare di interpretare tali variazioni come eventi (falsi positivi).
La localizzazione spaziale degli “eventi” è stata affrontata valutando gli scostamenti temporali registrati dalle differenti stazioni di misura relativi allo stesso evento in relazione alla loro posizione reciproca. Questo è possibile se si dispone di un modello di velocità di propagazione delle onde elastiche nel mezzo.
L’applicativo di analisi e supervisione per piattaforma Windows ha un’interfaccia utente (HMI) che permette la visualizzazione in presa diretta sia dei segnali acquisiti dalle due stazioni accelerometriche sia dei valori di analisi quali l’indicatore di probabilità di evento e l’indicatore di evento. L’applicativo di supervisione gestisce in automatico l’archiviazione dello storico degli eventi e su richiesta dell’utente la registrazione dei dati grezzi dei segnali acquisiti dalle due stazioni accelerometriche.