Fault-diagnosis of applications : model-based condition monitoring -- actuators, drives, machinery, plants, sensors, and fault-tolerant systems

List of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Process automation and process supervision/condition monitoring . . 1 1.2 Product life cycles and fault management (asset management) . . . . . 3 1.3 Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Part I Supervision, Fault Detection and Diagnosis 2 Supervision, fault-detection and diagnosis methods – a short introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1 Basic tasks of supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Faults, failures, malfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Reliability, availability, safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.3 Fault tolerance and redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Knowledge-based fault detection and diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.1 Analytic symptom generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.2 Heuristic symptom generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.3 Fault diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Signal-based fault-detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.1 Limit checking of absolute values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.2 Trend checking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.3 Change detection with binary thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.4 Adaptive thresholds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.5 Plausibility checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.6 Signal-analysis methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5 Process-model-based fault-detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5.1 Process models and fault modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5.2 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 342.5.3 Fault detection with state observers and state estimation . . . . 35 2.5.4 Fault detection with parity equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5.5 Direct reconstruction of non-measurable variables . . . . . . . . . 38 2.6 Fault-diagnosis methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6.1 Classification methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6.2 Inference methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7 Fault detection and diagnosis in closed loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.8 Data flow structure for supervision (condition monitoring) . . . . . . . . 43 Part II Drives and Actuators 3 Fault diagnosis of electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1 Direct-current motor (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.1 Structure and models of a DC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.2 Fault detection with parity equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.3 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.1.4 Experimental results for fault detection (SELECT) . . . . . . . . 55 3.1.5 Experimental results for fault diagnosis with a learning fault-symptom tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 Alternating-current motor (AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.1 Structure and models of induction motors (asynchronous motors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.2.2 Signal-based fault detection of the power electronics . . . . . . . 66 3.2.3 Model-based fault detection of the AC motor . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4 Fault diagnosis of electrical actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1 Electromagnetic actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.1 Position control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1.2 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 Electrical automotive throttle valve actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.1 Structure and models of the actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.2 Input test cycle for quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2.3 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.4 Fault detection with parity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.5 Fault diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2.6 Fault-diagnosis equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3 Brushless DC motor and aircraft cabin pressure valve . . . . . . . . . . . . 98 4.3.1 Structure and models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3.2 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.3.3 Fault detection with parity equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045 Fault diagnosis of fluidic actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1 Hydraulic servo axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.1 Hydraulic servo axis structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.1.2 Faults of hydraulic servo axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.1.3 Models of spool valve and cylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.1.4 Fault detection and diagnosis of valve and cylinder . . . . . . . . 115 5.1.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.2 Pneumatic actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.2.1 Pneumatic-actuator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.2.2 Faults of pneumatic valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.3 Models of pneumatic valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.2.4 Fault detection with valve characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2.5 Fault detection of flow valves with pneumatic position controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.6 Fault detection of flow valves with electronic position controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Part III Machines and Plants 6 Fault diagnosis of pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.1 Centrifugal pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.1.1 State of the art in pump supervision and fault detection . . . . . 143 6.1.2 Models of centrifugal pumps and pipe systems . . . . . . . . . . . . 146 6.1.3 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.4 Fault detection with nonlinear parity equations and parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 6.1.5 Fault detection with vibration sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 6.2 Reciprocating pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2.1 Structure of a diaphragm pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 6.2.2 Models of a diaphragm pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.2.3 Fault detection and fault diagnosis of the hydraulic pump . . . 172 6.2.4 Fault detection of the pump drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7 Leak detection of pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.1 State of the art in pipeline supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.2 Models of pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.3 Model-based leak detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.3.1 Leak detection with state observers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.3.2 Leak detection with mass balance and correlation analysis for liquid pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 7.3.3 Leak detection for gas pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1957.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.4.1 Gasoline pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.4.2 Gas pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 7.4.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8 Fault diagnosis of industrial robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.1 Structure of a six-axis robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.2 Model of a robot axis and parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.3 Analytic and heuristic diagnosis knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.3.1 Symptom representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.3.2 Diagnosis knowledge representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 8.3.3 Faults, heuristic symptoms and events of the robot . . . . . . . . 210 8.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.4.1 Fault diagnosis with analytical knowledge . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.4.2 Fault diagnosis with analytical and heuristic knowledge . . . . 213 8.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 9 Fault diagnosis of machine tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1 Structures of machine tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.2 Status of machine tools supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.3 Main drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 9.3.1 Two-mass model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 9.3.2 Parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.3.3 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 225 9.4 Feed drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9.4.1 Two- and three-mass model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9.4.2 Identification of a feed drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.4.3 Fault detection of a feed drive test rig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.5 Drilling machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.5.1 Models of the drilling process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.5.2 Fault detection of drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.6 Milling machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.6.1 Models for the milling process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.6.2 Fault detection of the cutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.7 Grinding machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.7.1 Grinding-process models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.7.2 Fault detection with parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.7.3 Fault detection with signal-analysis methods . . . . . . . . . . . . . 256 9.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 10 Fault detection of heat exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.1 Heat exchangers and their models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.1.1 Heat exchanger types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.1.2 Heat exchanger models for stationary behavior . . . . . . . . . . . 262 10.1.3 Dynamic models of heated tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26410.2 Fault detection for static behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2.1 Static models of heat exchangers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2.2 Fault-detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.3 Fault detection for a steam/water heat exchanger with dynamic models and parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.3.1 Fault detection with linear dynamic models and parameter estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.3.2 Fault detection with parameter variable local linear dynamic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Part IV Fault-tolerant Systems 11 Fault-tolerant systems – a short introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 11.1 Basic redundant structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 11.2 Degradation steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 12 Examples of fault-tolerant systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.1 A fault-tolerant control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.2 Fault-tolerant electrical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 12.2.1 A fault-tolerant duplex AC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 12.2.2 Fault-tolerant frequency converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 12.2.3 Multi-phase motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 12.3 Fault-tolerant actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 12.3.1 Fault-tolerant hydraulic actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 12.3.2 Fault-tolerant DC actuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 12.4 Fault-tolerant sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 12.4.1 Hardware sensor redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 12.4.2 Analytical sensor redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 12.4.3 Steering angle sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 12.4.4 Fault-tolerant flow sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 12.4.5 Electronic throttle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 12.4.6 Virtual drive dynamic sensors by model based analytical redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Part V Appendix 13 Terminology in fault detection and diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351