I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 ,   p p .   5 3 5 ~ 5 4 7   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 3 6 . i 1 . pp 535 - 5 4 7           535     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   Identifica tion o f  f a ults in r o tati ng   ma chines usin g  hi g h precisio n  FBG  vib ra tion se nso r:  a  cas e stu dy  on  PM   sch emes       Dipa k   Ra nja n Na y a k 1 ,3 ,   Nila m   N .   G hu g e 1, 2 ,   A m ba rish   G .   M o ha pa t ra 3 ,  P ra mo d Sha rma 1 ,     Na ra y a n Na y a k 3 ,   Sa t y a priy a   Sa t a pa t hy 3 ,   Ash is h K ha nn a 4   1 El e c t r o n i c s   a n d   C o mm u n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t y   o f   Te c h n o l o g y   ( U o T) ,   J a i p u r ,   I n d i a   2 El e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   JS P M ’ s B S I O TR ,   P u n e ,   I n d i a   3 E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g ,  S i l i c o n   U n i v e r si t y ,   S i l i c o n   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y   ( S I T) ,  B h u b a n e sw a r ,   I n d i a   4 C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   M a h a r a j a   A g r a s e n   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y   ( M A I T) ,   D e l h i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J ul   5 ,   2 0 2 3   R ev is ed   J u n   15 ,  2 0 2 4   Acc ep ted   J u n   25 ,   2 0 2 4       P re d ictiv e   m a in ten a n c e   (P M )  i s  a   d a ta - d ri v e n   a p p r o a c h   to   p e rfo rm in g   p ro a c ti v e   m a in ten a n c e   b y   a n a l y z in g   t h e   c o n d it i o n   o f  t h e   e q u i p m e n t  in   a n y   in d u strial  se tt in g .   T h e   h ig h - p r e c isio n   se n so rs  a re   wid e ly   a d a p ted   t o   m e ti c u lo u sl y   a n a ly z e   c rit ica l  m a in ten a n c e   c o n d it i o n s   u si n g   s u c h   a   d a ta - d riv e n   a p p r o a c h .   I n   a   sim il a r  c o n tex t,   a   fi b e r  b ra g   g ra ti n g   ( F BG )  s e n so r  is  a   p a ss iv e   a n d   h ig h - p re c isio n   se n s o r  t h a t  is   wid e ly   u se d   i n   i n d u st ries   wh e re   c o n v e n ti o n a l  se n so rs   a re   n o t   p re f e rre d .   Bro a d l y ,   th is   a rti c le  p re se n ts  fo u r   su b   e lem e n ts   of   th e   p ro p o se d   i n teg ra t e d   sy ste m   s u c h   a s  th e   d e si g n   o f   t h e   se n so r   e lem e n t,   sig n a l  p ro c e ss in g   sc h e m e   (S P S ),   m a c h i n e   lea rn in g   ( M L)  m o d e l  fo r   p re d ictin g   a n o m a li e s,  a n d   d e c i sio n   su p p o r t  s y ste m   (DSS )   to   su g g e st   m a in ten a n c e   a c ti o n s.  Als o ,   t h is  a rti c le  h ig h li g h ts  a n   e x p e rime n tal  c a se   stu d y   o n   v i b ra ti o n   m o n it o r in g   a n d   a n a ly sis  o f  re a l - ti m e   sig n a ls  fo r  m a k in g   p ro a c ti v e   m a in te n a n c e   d e c isio n s.  An   F BG   v ib ra ti o n   se n s o r  o f  c e n ter   wa v e len g th   1 , 5 5 0   n m   is  d e sig n e d   a n d   u ti li z e d   t o   a c q u ire  re a l - ti m e   v i b ra ti o n   sig n a tu re s  o f  a   r o tati n g   m a c h i n e   u n d e r   tes t.   A  p iez o e lec tri c   v i b ra ti o n   se n s o r   is  u se d   with   t h e   F BG   se n so r   t o   c o m p a re   t h e   v ib ra ti o n   re sp o n se   o b tain e d   d u ri n g   th e   tes t.   P re - p r o c e ss in g   o f  ra w  sig n a ls  is   p e rf o rm e d   u sin g   a   m o v in g   a v e ra g e   fil ter   (M AV )   fo ll o we d   b y   a   lo w  p a ss   fil ter  to   n u ll i fy   th e   e ffe c t  o f  n o ise .   To   o b tai n   p r o a c ti v e   m a in t e n a n c e   d e c isio n s,  a   DSS   m o d e l  i s  p re p a re d   b y   c o n sid e ri n g   t h e   p ro c e ss e d   v ib ra ti o n   sig n a tu re s.  Va rio u s  m a in ten a n c e   c o n d i ti o n s  a re   tes ted   d u ri n g   th e   e x p e rime n tal  a n a ly sis   a n d   d e tail e d   re su lt s   a n a ly sis   a re   p re se n ted .   K ey w o r d s :   DSS   Fau lt d iag n o s is   FB G  s en s o r   Ma ch in e  lear n in g   Pre d ictiv e  m ain ten an ce   Sig n al  p r o ce s s in g   Vib r atio n   s en s o r   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Am b ar is h   G.   Mo h a p atr a   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Sil ic o n   Un iv er s ity ,   Sil ico n   I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   ( SIT )   B h u b an eswar ,   Od is h a,   I n d ia   E m ail: a m b ar is h . m o h ap atr a@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  s h if t  in   m o d er n   h is to r y   f r o m   an   ag r ar ia n   an d   h a n d icr af t   ec o n o m y   to   o n e  d o m in ated   b y   in d u s tr y   an d   m ac h in e  p r o d u ctio n   was  k n o w n   as  th e   in d u s tr ial  r e v o lu tio n .   T ec h n o lo g y   b r o u g h t  ab o u t  n ew  way s   o f   liv in g   an d   w o r k in g   th at  ch a n g ed   s o ciety   as  a  wh o le.   W ith   th e  in tr o d u ctio n   o f   m ec h a n izatio n ,   wate r   p o wer ,   an d   s team   p o wer ,   th e  f ir s t  in d u s tr ial  r ev o lu tio n   ( I n d u s tr y   1 . 0 )   b eg a n   in   th e   1 8 th   ce n tu r y .   T h e  s ec o n d   in d u s tr ial  r ev o lu tio n   ( I n d u s tr y   2 . 0 ) ,   wh i ch   b eg a n   in   th e  19 th   ce n tu r y   a n d   ce n ter ed   ar o u n d   m ass   p r o d u ctio n   an d   ass em b ly   lin es  em p lo y in g   elec tr icity ,   f o llo wed .   B eg in n in g   in   t h e  1 9 7 0 s   o f   th e  2 0 th   ce n tu r y ,   t h e  th ir d   in d u s tr ial  r ev o lu tio n   ( I n d u s tr y   3 . 0 )   wa s   ch ar ac ter is ed   b y   th e  in tr o d u ctio n   o f   elec tr o n ics,  in f o r m atio n   tech n o l o g y   s y s te m s ,   a n d   a u t o m a ti o n .   T h e s e   d e v e l o p m e n t s   p a v e d   t h e   w a y   f o r   t h e   f o u r t h   i n d u s t r i a l   r e v o l u t i o n   ( I n d u s t r y   4 . 0 ) ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 :   535 - 5 4 7   536   wh ich   is   as s o ciate d   with   cy b e r - p h y s ical  s y s tem s .   Fig u r e  1   h ig h lig h ts   th e  co n ce p t  o f   th e  in d u s tr ial  r ev o lu tio n   f r o m   th e   er a  o f   th e  1 8 th   C en tu r y   to   th e  2 0 th   C en tu r y .           Fig u r e  1 .   I n d u s tr ial  r e v o lu tio n   f r o m   I n d u s tr y   1 . 0   to   I n d u s tr y   4 . 0       Prim ar y   r o tatin g   m ac h i n er y   s u ch   as m o to r s ,   co m p r ess o r s ,   g e n er ato r s ,   s team   tu r b in es,  an d   h ig h - s p ee d   en g in es  ar e   cr u cial   to   m o d er n   in d u s tr ial  p r o ce s s es  u n d er   I n d u s tr y   4 . 0   [ 1 ] - [ 3 ] .   Pre cise  o p er atio n   an d   f a u lt  d etec tio n   o f   th ese  m ac h in es  en s u r e  s tab le  in d u s tr ial  p r o ce s s es.  Me ch an ical  f ailu r es   o f ten   m an if est  as   v ib r atio n s   [ 4 ] ,   [ 5 ] ,   wh ic h   ar e   k ey   p ar am eter s   f o r   eq u ip m en t   h ea lth   a n d   s af ety   e v alu atio n   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   T h e r ef o r e,   m ea s u r in g   v ib r atio n   s ig n als  f o r   co n d itio n   an d   f au lt  d iag n o s is   o f   r o tatin g   m ac h in er y   is   ess en tial  [ 8 ] .   T h is   ar ticle  h ig h lig h ts   th e  ca p ab ili ty   o f   f ib er   b r ag   g r atin g   ( FB G )   s en s o r s   f o r   v ib r atio n   m o n ito r in g   o f   r o tatin g   m ac h in es a n d   in ter p r etin g   th e  ac q u ir ed   v ib r atio n   s ig n atu r e  in to   u s ef u l m ac h in e   f au lt d ia g n o s tics .   F B G  s en s o r s   ar e  lig h tweig h t,  co r r o s io n - r esis tan t,  E MI - f r ee ,   an d   s m aller   th an   tr ad itio n al  s en s o r s .   B ein g   p ass iv e,   th ey   ar e   s u itab le  f o r   d y n am ic  d is tr ib u t ed   m ea s u r em en ts   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   T h u s ,   th ey   ar e  wid ely   u s ed   f o r   h ea lth   m o n ito r in g   an d   v ib r atio n   m e asu r em en t.   R esear ch er s   h av e  d e v elo p e d   FB G - b ased   v ib r atio n   s en s o r s   to   ev alu ate   th e   p er f o r m an ce   o f   n o n - u n if o r m   FB G s   u n d er   s tr ain ,   tem p er atu r e,   an d   v ib r atio n   lo ad s .   C h ilelli  et   a l.   [ 1 1 ]   ex p lain ed   a   m o d el  o f   cr ac k   i n itiatio n   an d   g r o wth   in   em b e d d ed   m etal  s tr u ctu r es.  Yao   et   a l.   [ 1 2 ]   d is cu s s ed   FB G  v ib r atio n   tu n in g   b ased   o n   eq u al  in te n s ity   b ea m s   an d   it s   o p tim izatio n   d esig n .   Mo d elin g   an d   s im u latio n   ar e   cr u cial  in   s en s o r   d esig n .   T wo   FB G s   ar e  u s ed   to   en h an ce   v ib r atio n   s en s itiv ity :  o n e  m ea s u r es  s tr ain ,   an d   th e  o t h er   m ea s u r es   v ib r atio n   an d   tem p er atu r e,   as  m en tio n ed   b y   Ko u h r an g ih a  et  a l.  [ 1 3 ] .   T o r r e  et  a l.   [ 1 4 ]   d escr ib ed   u n d er wate r   v ib r atio n   f r e q u en c y .   Sen s o r   tech n o lo g y   f o r   v ib r atio n   m o n ito r in g   h as  b ec o m e  a   s ig n if ican t  r esear ch   a r ea .   T h e   b r o ad   o b jectiv es  o f   th is   ex p e r im en tal   an aly s is   ar e  lis ted   b elo w ,   wh ich   is   s h o wn   in   Fig u r e   2 .   −   Desig n   an d   test   an   FB G  v ib r atio n   s en s o r   b y   u tili zin g   lo w - c o s t p o ly m er s   r ea d ily   a v ailab le   −   Acq u ir in g   r ea l - tim e  s ig n als  f r o m   th e  d ev elo p e d   FB G  v ib r at io n   s en s o r   b y   in s tallin g   it  o n   an   ex p er im en tal   s etu p   co n s is tin g   o f   a  r o tatin g   m o to r   −   Dev elo p in g   a   s ig n al  p r o ce s s in g   s ch em e  ( SP S)  f o r   n u llify in g   th e  ef f ec t o f   n o is e  in   th e   s en s o r   s ig n al   −   Dev elo p in g   a   m ac h in e   lear n i n g   ( ML )   m o d el   f o r   u n d er s tan d in g   t h e  m ac h i n e  an o m alies  o f   th e  r o tatin g   m ac h in e  u n d er   lab o r ato r y   test   −   Dev elo p in g   a  d ec is io n   s u p p o r t  s y s tem   ( DSS)  s ch em e   f o r   g en er atin g   ad e q u ate  s u g g esti o n s   o n   m ac h in e   m ain ten an ce   o p er atio n   T h e  s ig n al  p r o ce s s in g   a n d   an aly s is   ar e  p er f o r m e d   to   u n d er s tan d   th e  ac cu r ate  v ib r atio n   i n f o r m atio n   o f   a   m o to r   u n d er   a  v i b r atio n   t est.  T h e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e   o f   th e  p r ed ictiv e  m ain ten an c e  s tr ateg y   with   t h e  m o d el  is   d escr ib ed   in   Fig u r e  3 .   T h is   ar ticle  i s   co m p o s ed   o f   eig h t  s ec tio n s   in clu d in g   th e  in tr o d u ctio n .     T h e  s ec o n d   s ec tio n   ex p lain s   h o w  FB G  f u n ctio n s   an d   h o w  tem p er atu r e  af f ec ts   wav elen g th   s en s itiv ity ,   in clu d in g   a  th o r o u g h   n u m er i ca l  an aly s is .   SP S s   ar e  d is cu s s ed   in   th e  th ir d   s ec tio n ,   f o ll o wed   b y   s tatis tical   p ar am eter   ex tr ac tio n   in   th e  f o u r th   s ec tio n .   T h e  f if th   s ec tio n   d escr ib es  th e  p r o p o s ed   ML   m o d el  f o r   an o m aly   d etec tio n .   T h e  s ix th   s ec tio n   d is cu s s e s   a  p r o p o s ed   ML   m o d el  an d   DSS  m o d el,   f o llo we d   b y   a n   ex p er im en tal   s etu p ,   wh er e  th e  in teg r atio n   o f   FB G  in ter r o g ato r   with   an   in ter n et - b ased   m o d el  is   p r esen ted .   T h e  s u m m ar y   o f   th e  r esu lts   is   in   s ec tio n   eig h t a n d   is   p o r tr a y ed   in   th e  co n clu s io n ,   f o llo wed   b y   th e  r e f er en ce   s ec tio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I d en tifi ca tio n   o f f a u lts   in   r o ta t in g   ma ch in es u s in g   h ig h   p r ec is io n   F B G  …   ( Dip a k  R a n ja n   N a ya k )   537         Fig u r e  2 .   Pro p o s ed   ar c h itectu r e     Fig u r e  3 .   Pro p o s ed   ar c h itectu r e  o f   th e  p r ed ictiv e  m ain ten an ce   ( PM)   s tr ateg y       2.   WO RK I NG   P RINC I P L E   O F   F I B E R  B RAG G   G RA T I N G   FB G  tech n o lo g y   is   h ig h l y   r e g ar d ed   f o r   o p tical  f ib er   s en s o r s   d u e  t o   its   s im p le  m a n u f ac t u r in g   an d   s tr o n g   r ef lecte d   s ig n al.   T h e  “ g r atin g ”   r ef er s   to   th e   p e r io d ic   ch an g e  in   th e   co r e ’ s   r ef r ac tiv e  in d ex .   W h en   lig h t   p ass es  o v er   th e  g r atin g ,   s o m e   is   r ef lecte d   wh ile  th e  r est  r e ac h es  th e  f ib er ’ s   o u tp u t.  T h e   co m b in ed   r ef lecte d   lig h t  f o r m s   a  s in g le  b ea m   th at  m ee ts   th e  B r ag g   co n d itio n .   W h en   ex p o s ed   to   ex ter n al  f o r ce s   lik e  s tr ain   an d   tem p er atu r e,   th e  FB G  ch an g es  in   its   g r atin g   p er io d   an d   B r ag g   r ef r ac tiv e  in d e x .   I n   ( 1 )   ex p lain s   h o w  th e   ef f ec tiv e  in d e x   o f   r ef r ac tio n   o f   th e  co r e ,    an d   t h e  g r atin g   p er i o d     d eter m in e  th e  wav ele n g th   o f   lig h t  .       =   2       ( 1 )     W h er e    d en o tes  th e  ef f ec tiv e  c o r e  r ef r ac tiv e  i n d ex ,     is   th e  g r atin g   p er io d   t h at  d eter m in es  t h e  s ep ar atio n   b etwe en   two   ad jace n t  g r atin g   p lan es,  an d     d en o tes  th e  B r ag g   w av elen g th   [ 1 5 ] - [ 1 8 ] .   T h e  p r in cip le  o f   FB G   is   ex p lain ed   b r ief l y   an d   r ep r es en ted   in   Fig u r e   4 .           Fig u r e  4 .   B asic w o r k in g   p r in ci p le  o f   FB G       T h e  b ac k war d   r ef lecte d   p ea k   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] ,   wh o s e  ce n tr al  wav elen g th   is   d ef in ed   b y   ,   f o r m s   wh en   th e   B r ag g   co n d itio n   is   m et.   T h e  r elatio n s h ip   b etwe en   th e   s h if t  i n   th e  B r ag g   wav elen g t h   an d   t h e  v ar iatio n s   i n   th e   g r atin g   p er io d   (  )   an d   r ef r ac tiv e  in d ex   (   ) ,   wh ich   ar e  b o th   s tr o n g ly   co r r elate d   with   th e  o r i g in al  wav elen g th ,   is   s h o wn   in   ( 2 ) .      = 2       Ʌ   +   2     Ʌ   ( 2 )     T h e  ef f ec tiv e  c h an g e   in   B   ca n   b e  ca lcu lated   u s in g   t h e  r atio   o f   ( 2 )   with   ( 1 ) .     Δλ B   λ B =   2   Δ   N ef f     Ʌ   +   2   N ef f   Δ Ʌ   2   N ef f     Ʌ   ( 3 )     Δλ B   λ B = Δ   N ef f   N ef f   + Δ Ʌ Ʌ   ( 4 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 :   535 - 5 4 7   538   B r ag g   wav elen g th   s h if tin g   ( )  is   d ep en d en t  o n   th e  FB G ’ s   tem p er atu r e  v a r iatio n ,   wh e r e   Δ Ʌ Ʌ ≪ Δ   N ef f   N ef f   .   W h en   co n s id er in g   th e  c h an g e  in   r ef r ac tiv e  in d ex   ( )  with   a  tem p er atu r e  v ar iatio n ,   th e  B r ag g   p er io d   is   m u ch   s m aller .   C o n s i d er in g   th e  r ea s o n s   m en tio n ed   ab o v e,   a  s lab - ty p e  s tr u ctu r e  w as  em p lo y ed   in   th e  d esig n   o f   th e  FB G  s en s o r   to   ac h iev e  lar g er   f ib e r   elo n g atio n .   T h is   r esu lted   in   a  h ig h er   r an g e  o f   s en s itiv ity   f o r   th e  s en s o r .   I n   ( 5 )   an d   ( 6 )   ca n   b e  u tili ze d   to   d em o n s tr ate  h o w  tem p er atu r e  in f lu e n ce s   th e  B r ag g   wav elen g th   s h if t ( ).     ∆ λ B λ B = ( 1 −  ) Δε + [ 1 Ʌ ∂ Λ ∂ T + 1 N ef f   ∂ N ef f   ∂ T ] Δ T   ( 5 )     ∆ λ B λ B =   ( 1 −  ) Δε   +  ( α   +  ξ )   Δ T   ( 6 )     T h e  ch an g e  in   s tr ain   is   r ep r e s en ted   b y    ,   an d   th e  s tr ain   co ef f icien t  is   in d icate d   b y    .   T h e  tem p er atu r e   ch an g e  is   r ep r esen ted   b y    ,   an d   th e  th er m al  ex p an s io n   c o ef f i cien t  an d   th er m o - o p tic  co ef f ic ien t  o f   th e  f ib r e   ar e  in d icate d   b y     an d   ,   r esp ec tiv ely .       3.   SI G NA L   P RO CE S SI NG   S C H E M E   T h e  ac q u ir ed   FB G  s ig n al  is   af f ec ted   b y   n o is e  d u e  to   ar tifa ct s   an d   s u r r o u n d in g   v ib r atio n s .   T h is   n o is e  is   m itig ated   b y   u s in g   a  m o v i n g   av er ag e  f ilter   ( MA V) .   T h e   MA V  s m o o th s   tim e - s er ies  d ata  b y   av er ag in g   N  in p u t  s am p les.  T h e  f ilter ’ s   r esp o n s e  d ep e n d s   o n   th e  co n v o lu tio n   s u m   o f   t h e  in p u t  s ig n al  [ ]   an d   th e  f ilter ’ s  im p u ls e  r esp o n s e,   p r o d u cin g   t h e  o u tp u t  [ ] .   T h is   o p er atio n   is   e x p r ess ed   in   ( 7 ) .     [ ] = 1 ∑ [ − ] − 1 = 0   ( 7 )     Her e,   [ ] ,  [ − ]   ar e  r e p r esen t  t h e  s m o o th ed   o u tp u t  an d   i n p u t   s ig n al   r esp ec tv ely .   T h e   f ilter   co ef f icien ts   ar e  u n if o r m   an d   eq u al  to   1   b y   co n f ir m in g   ev en ly   d is tr ib u tio n   ac r o s s   th e  s am p les.  B y   ad ju s tm en t  o f   win d o w  s ize,   th e  n o is e  ca n   b e   r ed u ce d   an d   th e r e  is   tr ad e - o f f   b etwe en   p r eser v in g   f in er   d etails  in   t h e  s ig n al  an d   r ed u ce d   n o is e.       4.   ST A T I S T I CAL P A RAM E T E R  E X T RA CT I O N   T h e  s ig n al  p r o ce s s in g   m eth o d s   ar e  u s ed   to   o b tain   s tatis tical   p ar am eter s   th at   q u a n tify   t h e  s tatis t ical   p r o p er ties   o f   r aw  d ata.   T h ese   p ar am eter s   ar e  ess en tial  f o r   ex tr ac tin g   m ea n in g f u l  in f o r m atio n   f r o m   th e  d ata.   T ab le  1   h ig h lig h ts   th e  m ac h in e  f au lts   with   th eir   ca teg o r ies  an d   th e  s tatis tical   p ar am eter s   co n s id er ed   to   tr ain   th e  ML   m o d el  f o r   a n o m aly   d e tectio n .       T ab le  1 .   Statis tical  p ar am eter s   co n s id er ed   t o   tr ain   ML   m o d el   f o r   an o m aly   d etec tio n   M a c h i n e   f a u l t s   C a t e g o r y   S t a t i st i c a l   p a r a me t e r s   Lo o se  mo u n t i n g   F1   M a x i m u m   S h a f t   a l i g n m e n t   F2   M i n i m u m   B e n t   s h a f t   F3   M e a n   D a mag e d   b e a r i n g s   F4   M e d i a n   R o t o r   r u b   F5   M o d e   B r o k e n   r o t o r   b a r   F6   S t a n d a r d   d e v i a t i o n   S t a t o r   d a m a g e   F7   V a r i a n c e   S h a f t   i m b a l a n c e   F8   D e v i a t i o n   f r o m m e a n       5.   P RO P O SE D  M A CH I N E   L E ARNING   M O DE L   F O R  AN O M AL Y  D E T E C T I O N   ML   m eth o d s   ar e   em p lo y ed   in   p r ed ictiv e  m ain ten an ce   f o r   in d u s tr ial  m ac h in e r y   to   en ab le   p r o ac tiv e,   d ata - d r iv e n   p r ac tices.  T h ese  alg o r ith m s   an aly ze   r ea l - tim e  an d   h is to r ical  d ata  f r o m   m ac h in er y   to   f o r ec ast   p r o b a b le  f ailu r es  an d   s ch ed u l e  m ain ten an ce   task s   b ef o r e  b r ea k d o wn s   o cc u r   [ 2 1 ] .   B y   u s in g   h is to r ical  f ailu r e   d ata,   eq u ip m e n t  u s ag e,   en v ir o n m en tal  f ac to r s ,   an d   o th er   r elev an t  in f o r m atio n ,   th e s e  m o d els  p r ed ict  m ain ten an ce   n ee d s   with   h ig h   ac cu r ac y .   T h is   ap p r o ac h   m in im izes  d o wn tim e,   r ed u ce s   th e  lik elih o o d   o f   ca tast r o p h ic  f ailu r es,  a n d   o p ti m izes  m ain ten an ce   co s ts ,   th er eb y   en h an cin g   o v e r all  eq u i p m en t  r eliab ilit y   an d   o p er atio n al  e f f ec tiv en ess .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I d en tifi ca tio n   o f f a u lts   in   r o ta t in g   ma ch in es u s in g   h ig h   p r ec is io n   F B G  …   ( Dip a k  R a n ja n   N a ya k )   539   6.   P RO P O SE D  M A CH I N E   L E ARNING   M O DE L   AND  D E CIS I O N  SUPP O RT   S YST E M   T h e  p r o p o s ed   p r ed ictiv e  m ai n ten an ce   s ch em e  aim s   to   en h an ce   th e  r eliab ilit y   an d   p er f o r m an ce   o f   r o tatin g   m ac h i n er y   b y   c o m b i n in g   f ast  f o u r ier   tr a n s f o r m   ( FFT ) - b ased   f r eq u en cy   an aly s is   with   ad v an ce d   ML   m o d els  s u ch   as  p ar tial  least  s q u ar es  r eg r ess io n   ( PLSR )   an d   r a d ial  b asis   f u n ctio n   ( R B F).   L ev er a g in g   a n   in ter n et  o f   th in g   ( I o T ) - b ased   f r am ewo r k ,   th e  s ch e m e  en a b les  r ea l - tim e  m o n ito r in g   a n d   an aly s is   o f   cr itical   f r eq u e n cy   co m p o n en ts   ass o ci ated   with   v ar io u s   f au lt   co n d itio n s   [ 2 0 ] - [ 2 2 ] .   T h e   in teg r atio n   o f   DSS  f u r th e r   en h an ce s   th e  s y s tem ’ s   in tellig en ce ,   p r o v id in g   ac tio n a b le  in s ig h ts   f o r   m ain ten a n ce   p er s o n n el   [ 2 3 ] - [ 2 6 ] .    T h e  PLSR   m o d el  estab lis h es  a  r elatio n s h ip   b etwe en   a  d ep e n d en t  v a r iab le,   ‘ Fau lt ’,   a n d   in d ep en d e n t  v ar iab les   co n s is tin g   o f   s tatis tical  ch ar ac ter is tics   an d   f r eq u en c y   co m p o n en ts ,   m ax im izin g   co v ar ia n ce   wh ile  co n s id er in g   m u ltico llin ea r ity   [ 1 5 ] .   Fo r   in s tan ce ,   a  n eg ativ e  co ef f icien t  f o r   ‘ Min ’   in d icate s   a  n eg ativ e  co r r elatio n   b etwe en   an   in cr ea s e  in   th e  m i n im u m   v alu e  an d   a  d ec r ea s e  in   th e  p r o jecte d   f au lt,  wh ile  a   p o s itiv e  co ef f icien t   f o r   ‘ Mean ’   s u g g ests   a  h ig h er   m ea n   v alu e  is   lin k ed   to   a  g r ea ter   l ik elih o o d   o f   th e  f au lt  o cc u r r in g .   T h e  in ter ce p t  o f   6 5 . 0 5 3 0   r e p r esen ts   th e  b aselin e  f au lt  v alu e  wh en   all  in p u t  v a r iab les  ar e  ze r o .   T h e  r ad ial  b a s is   f u n ctio n   n eu r al  n etwo r k   ( R B FNN) ,   with   its   u n iq u e   th r ee - lay e r   co n f ig u r atio n ,   u s es  a  R B F  in   th e  h id d en   lay er ,   m ak in g   it   ef f ec tiv e  f o r   d ata  p r o ce s s in g ,   lear n in g ,   a n d   an aly s is   in   p r ed ictiv e  m ain ten an ce .   I n itially ,   a  g au s s ian   d is tr ib u ted   f u n ctio n   d eter m in es  th e  ce n ter   an d   wid th   o f   RBF s ,   f o llo wed   b y   g r ad ie n t  d e s ce n t  f o r   ad ju s tin g   o u tp u t w eig h ts .   R B FNN s   ca n   ap p r o x im ate  co m p lex   n o n lin e ar   f u n ctio n s ,   m ak in g   th em   s u itab le  f o r   tim e - s er ies  f au lt  p r e d ictio n ,   ac cu r ately   f o r ec asti n g   p o te n tial  b r ea k d o w n s   b y   p r o ce s s in g   p r e v io u s   e q u ip m en t  d ata.   T h is   ca p ab ilit y   r ed u ce s   m ain ten an c e  co s ts ,   im p r o v es  m ac h i n er y   ef f icien cy ,   a n d   m in im izes  d o wn tim e,   d esp ite  th e   n ec ess ity   f o r   p r o p e r   ad ju s tm e n t  o f   c h ar ac ter is tics   s u ch   as  n u m b er ,   wid th ,   ce n ter ,   a n d   o u t p u t  weig h ts   o f   RBF s .   Ov er all,   th e  s ch em e  ef f ec tiv ely   h an d les h i g h - d i m en s io n al  d a ta  an d   o f f er s   co m p u tatio n al  ef f icien cy   b en e f its .       7.   E XP E R I M E N T A L   SE T UP   Ma ch in e  v ib r atio n   ca n   b e  ca u s ed   b y   a  v ar iety   o f   f ac to r s ,   in cl u d in g   b ea r in g s ,   g ea r s ,   u n b alan ce ,   an d   s o   o n ,   an d   ev e n   s m all  am p litu d es  ca n   h av e  a   s ig n if ican t  im p ac t  o n   o v er all  m ac h in e  v i b r atio n .  T h e  p r o p o s ed   m o d el  f o r   th e  v ib r ati o n   m ea s u r em en t a n d   a n aly s is   o f   a  m ac h in e   is   s h o wn   in   Fig u r e  5 .   T h e  I b s en   I - MO N  h ig h - s p ee d   FB G  I n ter r o g ato r   ca p tu r es  th e  co n tin u o u s ly   ch a n g in g   wav elen g th     d u e  to   m ac h in e   v ib r atio n s .   R ea l - tim e  s ig n als  ar e  ac q u ir ed   b y   in ter f ac in g   th e  FB G  I n ter r o g ato r   with   th e  Natio n al  I n s tr u m en ts   L ab VI E W   en v ir o n m en t.  Fig u r e  6   s h o ws  th e  ex p er im en tal  s etu p   f o r   th e  p r o p o s ed   v ib r atio n   s en s in g   p r o ce d u r e.   Sig n a l   p r o ce s s in g   is   th en   u s ed   t o   ac h iev e  p r ec is e  r esp o n s e  d ata.   Vib r atio n   s o u r ce s   h av e   ch ar a cter is tic  f r eq u en cies,   wh ich   ca n   b e  d is cr ete  o r   co m b in ed   f r e q u en cies.  Vib r atio n   m ea s u r em en t,  a  co m m o n   s en s in g   tech n iq u e,   d etec ts ,   d iag n o s es,  an d   p r o g n o s es  b y   m ea s u r in g   th e  o v er all  v ib r atio n   lev el  ac r o s s   a  f r eq u en c y   r an g e    ( 1 0 - 1 , 0 0 0   Hz  o r   1 0 - 10 , 0 0 0   Hz) .   Min im al  v ib r atio n   m ac h in es,  ex clu d in g   b ea r in g   v ib r atio n ,   ex h ib it  s p ik es  in   th e  v ib r atio n   s ig n al,   in d icate d   b y   t h e  cr est  f ac to r   ( Peak /R MS) ,   s ig n alin g   in ci p ien t  f ailu r e,   wh ile  h i g h   R MS  lev els  in d icate   cr itical  f ailu r e.   R o llin g   b ea r in g s   with o u t  d e f ec ts   g en er ate  m in im al  v ib r ati o n ,   wh e r ea s   d ef ec ts   ca u s e  h ig h   n atu r al  f r eq u en cies .   Sin g le  d ef ec ts ,   lik e  r ac ewa y   f r ac tu r in g ,   d o m in ate  th e  f r e q u en cy   s p ec tr u m   with   im p u ls iv e  ev en ts   at  r ac ewa y   p ass in g   f r eq u en cies.  C h ar ac ter is tic  d ef ec t  f r eq u en cies  an d   s id eb an d s   in cr ea s e   with   d am ag e  b u t  ev en tu ally   d ec r ea s e  as  b r o ad b an d   n o i s e  an d   s ig n if ican t  o s cillatio n s   at  s h af t  r o tatio n   f r eq u e n cy   in cr ea s e.   B ea r in g s   at  s lo w  m ac h in e  s p ee d s   p r o d u ce   lo w - en er g y   s ig n als  th at  ar e   h ar d   to   d etec t,  an d   th o s e  in   g ea r b o x es a r e  c h allen g in g   to   m o n ito r   d u e  t o   h ig h   en er g y .             Fig u r e  5 .   Pro p o s ed   m o d el  f o r   t h e  v ib r atio n   m ea s u r em e n t  an d   an aly s is   o f   a  m ac h in e     Fig u r e  6 .   E x p er im e n tal  s etu p   o f   th e  FB G  s en s o r   f o r   v ib r atio n   a n aly s is       8.   RE SU L T S AN A L YS I S  A N D  DIS CU SS I O N   T h is   s ec tio n   d etails  th e  im p lem en tatio n   o f   a   FB G  in ter r o g a to r   with   a   p er s o n al   co m p u ter   to   ac q u ir e   r ea l - tim e  v ib r atio n   s ig n atu r es  u n d er   v a r io u s   f au lt  co n d itio n s .   I n teg r atin g   th e  FB G  in ter r o g ato r   with   a  PC   en ab les  r o b u s t  d ata  ac q u is itio n ,   allo win g   f o r   p r ec is e  m o n it o r in g   an d   r ec o r d in g   o f   v ib r ati o n   p atter n s   d u r i n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 :   535 - 5 4 7   540   d i f f e r e n t   f a u l t   s c e n a r i o s .   T h e   r a w   s i g n a ls   r e c o r d e d   u s i n g   a n   F B G   s e n s o r   i n s t a l le d   o n   t h e   v i b r a t i n g   m a c h i n e   u n d e r   c o n d i t i o n s   s u c h   as  l o o s e  m o u n t i n g   ( F a u l t :  F 1 ) ,   b r o k e n   r o t o r   b a r   ( F a u lt :  F 2 ) ,   d a m a g e d   b e a r i n g   ( F a u lt :   F 3 ) ,   an d   b en t  s h af t  ( Fau lt:  F4 )   ar e  s h o wn   in   Fig u r e  7 .   Simila r ly ,   Fig u r e  8   d is p lay s   th e  r aw  s ig n als  f o r   s h af t  alig n m en t  ( Fau lt:  F5 ) ,   s h af t  im b alan ce   ( Fau lt:  F6 ) ,   s tato r   d am ag e  ( Fau lt:  F7 ) ,   an d   r o to r   r u b   ( Fau lt:  F8 ) .     T h e  ap p licatio n   o f   a  MA V   is   a  k ey   asp ec t  o f   s ig n al  p r o ce s s in g   th at  f u n ctio n s   to   s m o o th   o u t  f lu ctu atio n s   an d   ir r eg u lar ities   in   th e  d ata.   T h is   p r o v es  in v alu ab le  in   en h an ci n g   th e  ac cu r ac y   an d   r eliab ilit y   o f   th e  in f o r m atio n   d er iv ed   f r o m   t h e  FB G  s en s o r ,   as  it  ef f ec tiv ely   r ed u ce s   th e  i m p ac t  o f   r an d o m   n o is e,   wh ich   ca n   o f ten   d is to r t   th e  tr u e  u n d e r ly in g   s ig n al.   Fi g u r e  9   s h o ws  th e  s m o o th ed   s ig n al  d u r in g   r em o v al  o f   r an d o m   n o is e  f r o m   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r in g   lo o s e  m o u n tin g   co n d itio n   ( Fau lt:  F1 ) ,   b r o k en   r o to r   b ar   ( Fau lt:  F2 ) ,   d am ag ed   b ea r in g   ( Fau lt:  F 3 ) ,   b en t  s h af t   ( Fau lt:   F4 ) .   Similar ly ,   r em o v al  o f   r an d o m   n o is e  f r o m   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r i n g   Sh af t  alig n m en t   ( Fau lt:   F5 ) ,   s h af t  im b alan ce   ( Fau lt:   F6 ) ,   s h af t  d am ag e   ( Fau lt:   F7 ) ,   an d   s tato r   r u b   ( Fau lt:  F 8 )   f au lts   ar e  b r ief ly   e x p lain e d   in   Fig u r e   10.             Fig u r e  7 .   FB G  v ib r atio n   s ig n a l d u r in g   lo o s e  m o u n tin g   ( Fau lt: F1 ) ,   b r o k e n   r o to r   b a r   ( Fau lt: F2 ) ,   d am ag ed   b ea r in g   ( Fau lt: F3 ) ,   b en t  s h af t ( Fau lt: F4 )     Fig u r e  8 .   FB G  v ib r atio n   s ig n a l d u r in g   s h af t a lig n m e n t  is s u e  ( Fau lt: F5 ) ,   s h af t im b alan ce   ( Fau lt: F6 ) ,   s tato r   d am ag e  ( Fau lt: F7 ) ,   r o to r   r u b   ( Fau lt: F8 )           Fig u r e  9 .  R em o v al  o f   r an d o m   n o is e  f r o m   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r in g   lo o s e  m o u n tin g   co n d itio n   ( Fau lt: F1 ) ,   b r o k e n   r o to r   b ar   ( Fau lt: F2 ) ,   d am ag ed   b ea r in g   ( Fau lt: F 3 ) ,  a n d   b en t   s h af t ( Fau lt: F4 )       T h e  FF T   o n   th e   r ef in e d   FB G  s en s o r   s ig n al  [ 2 7 ]   p r o v id es  in s ig h ts   in to   v ib r atio n s   r elate d   t o   d if f er en t  f au lt  co n d itio n s   [ 2 8 ] .   T h is   ap p r o ac h   tr a n s f o r m s   tim e - d o m ai n   s ig n als  in to   f r eq u en cy - d o m ain   r ep r esen tatio n s ,   f ac ilit atin g   a  d etailed   ex p lo r at io n   o f   v ib r atio n al  p atter n s   lin k ed   to   s p ec if ic  f au lts .   I t  p r o v es  cr u cial  f o r   f au lt  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I d en tifi ca tio n   o f f a u lts   in   r o ta t in g   ma ch in es u s in g   h ig h   p r ec is io n   F B G  …   ( Dip a k  R a n ja n   N a ya k )   541   d etec tio n ,   co n d itio n   m o n ito r in g ,   an d   s tr u ctu r al  in teg r ity   an al y s is   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ] .   Similar ly ,   FF T   is   u s ed   to   an aly ze   v ib r atio n   s ig n atu r es  f o r   v a r io u s   p r e d ef in e d   f a u lts   s u ch   a s   lo o s e  m o u n tin g   ( F1 ) ,   b r o k en   r o to r   b ar   ( F2 ) ,   d am ag ed   b ea r in g   ( F3 ) ,   b en t  s h af t  ( F4 ) ,   s h af t   alig n m en t   ( F5 ) ,   s h af t  im b alan ce   ( F6 ) ,   s h af t   d am ag e   ( F7 ) ,   an d   s tato r   r u b   ( F8 )   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ] .   Ad d itio n ally ,   Fig u r e  1 1   illu s tr ates  th e  f r eq u en c y   r esp o n s e  o f   th e  tim e  d o m ain   s ig n al  d u r in g   th ese  f au lt c o n d itio n s ,   s h o wca s in g   th e  ef f ec tiv e n ess   o f   FF T   in   an aly zin g   v ib r atio n   s ig n atu r es.             Fig u r e  10 .  R em o v al  o f   r an d o m   n o is e  f r o m   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r in g   s h af t a l ig n m en t ( Fau lt: F5 ) ,   s h af t im b alan ce   ( Fau lt: F6 ) ,   s h af t d am ag e  ( Fau lt: F7 ) ,   an d   s tato r   r u b   ( Fau lt: F 8 )     Fig u r e  11 .  FF T   s p ec tr u m   o f   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r in g   d if f e r en t f au lt c o n d itio n       T h e  PLSR   m o d el  is   u tili ze d   to   p r ed ict  f au lt ty p es b y   co n s id er in g   s tatis tical  p ar am eter s   an d   f r eq u e n cy   co m p o n en ts   [ 2 7 ] .   PLSR   ef f ec tiv ely   h an d les  m u ltico llin ea r ity   an d   estab lis h es  s tr o n g   co r r elatio n s   b etwe en   v ar iab les,  aid in g   r ea l - tim e  f au lt  id en tific atio n   [ 2 7 ] .   Ad d itio n ally ,   a  r ad ial  b asis   ty p e   n eu r al  n etwo r k   is   em p lo y ed   f o r   f au lt  p r ed icti o n   an d   co r r elatio n   estab lis h m en t  lik e  PLSR   [ 2 7 ] .   T a b le  2   ca teg o r izes   m ea s u r em en ts   an d   p ar a m eter s   u n d e r   d i f f er en t   f au lt  t y p es  lik e  d am ag e d   b ea r in g s ,   b r o k en   r o to r   b ar s ,   an d   lo o s e  m o u n tin g s ,   p r o v id in g   a  co m p r eh en s iv e  o v e r v iew  o f   t h e  d ata  [ 2 7 ] .       T ab le  2 .   Statis tical  p ar am eter s   o f   th e  p r e - p r o ce s s ed   FB G  v ib r atio n   s ig n al  d u r in g   d if f er e n t f au lt c o n d itio n s     Lo o se  m o u n t i n g   B r o k e n   r o t o r   b ar   D a mag e d   b e a r i n g   B e n t   s h a f t   S h a f t   a l i g n me n t   S h a f t   i mb a l a n c e   S t a t o r   d a m a g e   R o t o r   r ub   F a u l t s   1   2   3   4   5   6   7   8   M i n   ( n m)   1 5 5 2 . 0 9   1 5 5 2 . 1 4   1 5 5 2 . 1 6   1 5 5 2 . 1 6 1   1 5 5 2 . 1 6 0 9   1 5 5 2 . 1 6 1 2   1 5 5 2 . 1 6 2   1 5 5 2 . 1 6 1 4   M a x   ( n m)   1 5 5 2 . 2 3   1 5 5 2 . 1 9   1 5 5 2 . 1 6 9   1 5 5 2 . 1 7 1   1 5 5 2 . 1 6 9 3   1 5 5 2 . 1 6 5   1 5 5 2 . 1 6 7   1 5 5 2 . 1 6 3 4   M e a n   ( n m)   1 5 5 2 . 2   1 5 5 2 . 1 6   1 5 5 2 . 1 6 4   1 5 5 2 . 1 6 6   1 5 5 2 . 1 6 2 7   1 5 5 2 . 1 6 3   1 5 5 2 . 1 6 4 5   1 5 5 2 . 1 6 2 2   M e d i a n   ( n m)   1 5 5 2 . 2 2   1 5 5 2 . 2 1   1 5 5 2 . 2   1 5 5 2 . 2   1 5 5 2 . 2 1   1 5 5 2 . 2 1   1 5 5 2 . 2 1   1 5 5 2 . 2 1   M o d e   ( n m)   1 5 5 2 . 1   1 5 5 2 . 2 0 1   1 5 5 2 . 2 0 8   1 5 5 2 , 2 0 5   1 5 5 2 . 2 2 0 7   1 5 5 2 . 2 3   1 5 5 2 . 2 0 2   1 5 5 2 . 2 0 3   SD   0 . 0 4 0 5   0 . 0 1 3 9   0 . 0 0 1 3   0 . 0 0 1 4   0 . 0 0 1 5   6 . 6 9 6 5 × 10 - 4   9 . 9 5 4 × 10 - 4   3 . 1 1 4 × 10 - 4   V a r i a n c e   0 . 0 0 1 6   0 . 0 0 0 1 9 2 7   0 . 7 5 6 × 10 - 6   1 . 9 9 1 1 × 10 - 6   2 . 2 4 1 × 10 - 6   4 . 4 8 4 4 × 10 - 7   9 . 1 1 3 7 × 10 - 7   9 . 6 9 8 × 10 - 8   M e a n   o f   d e v i a t i o n   0 . 0 3 6 6   0 . 0 1 2 2   9 . 8 3 × 10 - 4   0 . 0 0 1 0   0 . 0 0 1 2   5 . 4 0 6 7 × 10 - 4   7 . 8 2 × 10 - 4   2 . 4 9 3 × 10 - 4   F 0   ( H z )   6 . 8 7   6 . 7 5   3 . 1 2   3 . 2 5   3 . 2 2   3 . 1 2   3 . 2 5   3 . 5   F 1   ( H z )   1 3 . 6 2   1 3 . 6 5   5 . 6 2   5 . 6 7   5 . 6 2   6 . 5   6 . 7   4       Nu m er ical  p ar a m eter s   lik e  a m p litu d es,  f r e q u en cies,  a n d   s tatis tical  v alu es  ar e  in clu d ed   f o r   ea ch   f au lt  ty p e,   cr ea tin g   a  c o m p r e h en s iv e  d ataset  f o r   f a u lt  an aly s is .   T h e  d iv er s e  n atu r e  o f   m ea s u r em en ts   an d   ch ar ac ter is tics   as s o ciate d   with   d if f er en t  ty p es  o f   m ac h i n er y   f au lts   is   ev id en t  f r o m   th e  n u m er ical  v alu es  u n d er   ea ch   f au lt  ty p e .   Fig u r e  1 2   d ep ict  th e  co m p ar ativ e  a n aly s is   b etwe en   p r ed icted   f a u lt  ty p es  u s in g   tw o   m eth o d o l o g ies:   PLSR   an d   a  r ad ial  b asis   ty p e  n eu r al  n etwo r k .   T h ese  f i g u r es  s h o wca s e  t h e  o u tco m es  o f   th e  r esear ch ’ s   d u al  ap p r o ac h   to   f a u lt c lass if icatio n   b ased   o n   th e  p r e - p r o ce s s ed   FB G  s en s o r   s ig n al.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 :   535 - 5 4 7   542       Fig u r e  12 .  E s tim ated   f au lt ty p es u s in g   PLSR   m o d el  an d   R B F n eu r al  n etwo r k       Fig u r e  1 2   g r ap h ically   d e p icts   th e  PLSR   m o d el ’ s   p r ed ictio n s   f o r   f a u lt  ty p es,   with   ea ch   f a u l t  ca teg o r y   r ep r esen ted   as   a  d is tin ct  b ar   o r   d ata   p o in t   o n   th e   g r a p h .   T h e   x - ax is   c o r r esp o n d s   to   d if f er e n t  f au lt   ty p es,  wh ile   th e  y - ax is   r ep r esen ts   p r ed icte d   f au lt  p r o b ab ilit ies  o r   class if icatio n s ,   in d icatin g   th e  m o d el ’ s   co n f id en ce   in   p r ed ictin g   s p ec if ic  f au lt  ty p e s .   T h is   v is u aliza tio n   aid s   r es ea r ch er s   an d   r ea d er s   i n   u n d e r s tan d in g   t h e  PLSR   m o d el ’ s   p er f o r m an ce   i n   f au lt  id en tific atio n   an d   d if f er en tiatio n   am o n g   f a u lt  co n d itio n s .   An aly zin g   th e   b ar s /d ata  p o in ts   in   Fig u r e  1 2   p r o v id es  in s ig h ts   in to   th e  n eu r al  n etwo r k ’ s   f au lt  class if icatio n   p er f o r m an ce   an d   en ab les a  s id e - by - s id e  ev alu ati o n   with   th e  PLSR   m o d el.   In   ( 7 )   p r esen ts   th e  m ath em atica l  m o d el  in co r p o r atin g   s tatis t ical  p ar am eter s   an d   f r e q u en cy   c o m p o n en ts .     F a ul t =   65 . 0530 − ( 0 . 0084 × M in ) − ( 0 . 0898 × M a x ) + ( 0 . 3218 × M e a n ) −   ( 0 . 2502 × M e dia n ) − ( 0 . 0084 × M ode ) + ( 0 . 0426 × SD ) − ( 0 . 0001 × Va r ia n c e ) −   ( 0 . 0384 × M e a n   va r ia n c e ) − ( 0 . 0522 × F1 ) − ( 0 . 4258 × F2 )   ( 7 )     T ab le  3   co m p ar es  er r o r   p ar a m eter s   b etwe en   two   f au lt  p r ed ictio n   m o d els:   PLSR   an d   R B F  n eu r al   n etwo r k ,   cr u cial   f o r   ac cu r ac y   ass ess m en t.  T h e  m etr ics  i n c lu d e  r o o t   m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( R MSE ) ,   r esid u al   s tan d ar d   er r o r   ( R SE) ,   an d   MS E .   T h e  tab le  h ig h lig h ts   R B F ’ s   s u p er io r   p r ed ictiv e  ac cu r ac y   o v er   PLSR .   T h ese   m etr ics  aid   r esear ch er s   an d   p r ac titi o n er s   in   s elec tin g   th e  m o s t  ef f ec tiv e  m o d el  f o r   f au lt  p r ed ictio n   b ased   o n   th eir   n ee d s   an d   d ata  ch a r ac ter i s tics .       T ab le  3 .   E r r o r   p ar am eter s   o f   f au lt p r ed ictio n   m o d els     R M S E   R S E   M S E   P LSR   0 . 0 7 9 9 6 6   0 . 9 9 8 7 8 1   0 . 0 0 6 3 9 5   RBF   0 . 0 0 0 0 2 5   1 . 0 0 0 0 0 0   0 . 0 0 0 4 3 7       T ab le  4   o u tlin es  a  DSS  em p lo y in g   f u zz y   lo g ic  to   lin k   m ac h in e  f au lts   with   f au lt  ca te g o r ies  an d   s u g g est  r ep air   a n d   m ain ten a n ce   ac tio n s   [ 2 5 ] .   T h is   in teg r atio n   en h a n ce s   ad ap ta b ilit y   a n d   in ter p r etab ilit y ,   ad d r ess in g   u n ce r tain ties   in   in d u s tr ial  ap p licatio n s .   T h e  ar ticl e  p r o m o tes p r o ac tiv e  m ain ten an ce   s tr ateg ies wi th   r ea l - tim e  m o n ito r in g   a n d   d ec i s io n   s u p p o r t i n   in d u s tr ial  s etti n g s .       T ab le  4 .   I n p u t a n d   o u tp u t  p ar a m eter s   o f   f u zz y   lo g ic  DSS m o d el  f o r   d if f er e n t f au lt c o n d itio n s   M a c h i n e   f a u l t s   F a u l t   c a t e g o r y   S u g g e s t i o n   f o r   r e p a i r   a n d   ma i n t e n a n c e   S u g g e s t i o n   t y p e   Lo o se  mo u n t i n g   1   Ti g h t e n   b o l t s ,   e n s u r e   a l i g n m e n t   1 1 ,   1 2   S h a f t   a l i g n m e n t   2   P r e c i s i o n   a l i g n me n t ,   r e g u l a r   c h e c k s   2 1 ,   2 2   B e n t   s h a f t   3   R e p l a c e   o r   r e p a i r ,   i n v e st i g a t e   c a u se   3 1 ,   3 2   D a mag e d   b e a r i n g s   4   P r o mp t   r e p l a c e me n t ,   p r o a c t i v e   m a i n t e n a n c e   4 1 ,   4 2   R o t o r   r u b   5   I n v e st i g a t e   c a u s e ,   e n su r e   c l e a r a n c e   5 1 ,   5 2   B r o k e n   r o t o r   b a r   6   M o t o r   a n a l y s i s,   r e p l a c e   b a r s   6 1 ,   6 2   S t a t o r   d a m a g e   7   I n sp e c t   a n d   r e p l a c e   st a t o r   w i n d i n g s   7 1 ,   7 2   S h a f t   i m b a l a n c e   8   D y n a mi c   b a l a n c i n g ,   r e g u l a r   m o n i t o r i n g   8 1 ,   8 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       I d en tifi ca tio n   o f f a u lts   in   r o ta t in g   ma ch in es u s in g   h ig h   p r ec is io n   F B G  …   ( Dip a k  R a n ja n   N a ya k )   543   Fig u r e  1 3   illu s tr ates  in p u t  an d   o u tp u t  m em b er s h ip   f u n ctio n s   co r r esp o n d i n g   to   m a in ten an ce   s u g g esti o n s   ( Su g g 1   an d   Su g g 2 )   o f   th e   f u zz y   DSS  m o d el ,   s h o win g   h o w  f au lt  ca teg o r i es  ( F1   to   F8 )   ar e   lin g u is tically   ch ar ac ter ized   w ith in   th e  f u zz y   lo g ic   f r am ewo r k .   T ab le  5   p r esen ts   th e  f u zz y   DSS  r u leb ase,   d etailin g   lo g ical  r elatio n s h ip s   b etwe en   f au lts   an d   m ain te n an ce   s u g g esti o n s .   T h is   in teg r atio n   o f   g r ap h ical  r ep r esen tatio n s   an d   a  well - d e f in ed   r u leb ase  alig n s   with   th e  ar ticle ’ s   o b jectiv e  o f   d ev elo p in g   a  r o b u s t  f u zz y   lo g ic - b ased   DSS  f o r   p r ed ictiv e  m ain ten an ce   as  s h o wn   in   T a b le  6 ,   en h a n cin g   p r o ac tiv e  m a in ten an ce   d ec is io n   s u p p o r t  in   in d u s tr ial  p r ac tices.   T ab le  6   p r o v i d es  a  co n cise  o v er v iew  o f   th e  test in g   p h ase   f o r   th e  f u zz y   DSS   m o d el,   co n n ec tin g   s ea m less l y   with   th e  p r e v io u s ly   d is cu s s ed   co n ce p ts .   T h is   tab le  o u tlin es  s p ec if ic  f u zz y   in p u ts   an d   th eir   co r r esp o n d in g   f u zz y   o u tp u ts ,   wh ic h   r e p r esen t  th e  s y s tem ’ s   r ec o m m en d a tio n s   f o r   p r o ac tiv e   m ain ten an ce   ac tio n s .           ( a )   ( b )           ( c )   ( d )     Fig u r e  13 .  T h e  in p u t a n d   o u tp u t m em b er s h ip   f u n ctio n s   ( MF)   o f   th e   f u zz y   in f er e n ce   s y s tem   ( FIS)       T ab le  5 .   Fu zz y   DSS  r u leb ase   R u l e   N u m b e r   F a u l t   S u g g 1   S u g g 2   C o n f i d e n c e   1   F1   11   12   1   2   F2   21   22   1   3   F3   31   32   1   4   F4   41   42   1   5   F5   51   52   1   6   F6   61   62   1   7   F7   71   72   1   8   F8   81   82   1       T ab le  6 .   T esti n g   o f   f u zz y   DSS m o d el   F u z z y   i n p u t   F u z z y   o u t p u t   1   ( S u g g e st i o n   1 )   F u z z y   o u t p u t   2   ( S u g g e st i o n   2 )   2   2 1 :   C o n d u c t   p r e c i s i o n   a l i g n m e n t   u s i n g   l a ser   a l i g n me n t   t o o l s.   2 2 :   R e g u l a r l y   c h e c k   a n d   a d j u st   t h e   a l i g n me n t   t o   p r e v e n t   f u t u r e   i ssu e s.   4   4 1 :   R e p l a c e   d a ma g e d   b e a r i n g s  p r o m p t l y .   4 2 :   I mp l e me n t   a   p r o a c t i v e   m a i n t e n a n c e   s c h e d u l e   f o r   b e a r i n g   l u b r i c a t i o n   a n d   i n sp e c t i o n .   6   6 1 :   P e r f o r m  a   mo t o r   c u r r e n t   s i g n a t u r e   a n a l y si s  t o   i d e n t i f y   b r o k e n   r o t o r   b a r s.   6 2 :   R e p l a c e   t h e   d a m a g e d   r o t o r   b a r s a n d   i n s p e c t   t h e   r o t o r   f o r   o t h e r   i ssu e s.   8   8 1 :   U se   d y n a m i c   b a l a n c i n g   t e c h n i q u e s  t o   c o r r e c t   sh a f t   i m b a l a n c e .   8 2 :   R e g u l a r l y   mo n i t o r   a n d   b a l a n c e   t h e   r o t o r   t o   p r e v e n t   f u t u r e   i ssu e s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 6 ,   No .   1 ,  Octo b er   20 24 :   535 - 5 4 7   544   9.   P RE DIC T I VE   M AI NT E NA NCE SO L UT I O N  ARCH I T E CT URE   T h e   a r t i c l e   e x te n s i v el y   e x p l o r e s   FF T - b a s e d   f r e q u e n c y   a n a l y s is   [ 2 9 ] ,   a   w e l l - es t a b li s h e d   t ec h n i q u e   i n   I o T - b a s e d   p r e d i c t i v e   m a i n t e n an c e .   F r e q u e n c y   c o m p o n e n t s   c o r r e s p o n d i n g   t o   v a r i o u s   v i b r a t i o n   c o n d i t i o n s   a r e   s t o r e d   i n   a   c l o u d - b a s e d   d i s t r ib u t e d   p l a t f o r m ,   f a c i l i t a ti n g   p r o l o n g e d   m o n i t o r i n g   a n d   c o m p r e h e n s i v e   m a c h i n e  h e a l t h   u n d e r s ta n d i n g   o v e r   t i m e .   T o   a d d r e s s   d a ta   t r a n s m is s i o n   l a t e n c y ,   a  p r e - p r o c e s s i n g   s ch e m e   i s   i n t r o d u c e d   [ 3 0 ] .   T h i s   s c h e m e   e f f e ct i v e l y   m i t i g a t es   l a t e n c y   i s s u e s ,   a n d   p r o c e s s e d   i n f o r m a t i o n   is   s y s tem a t i c a ll y   t r a n s m i tt e d   t o   t h e   c l o u d   p l a t f o r m   a t   p e r i o d ic   i n t e r v a l s   [ 3 1 ] .   F i g u r e   1 4   i ll u s t r a t e s   t h e   p r o p o s e d   a r c h i t e c t u r e  i n t e g r a t i n g   a   D SS   w i t h   t h e   e x is ti n g   F B G   i n t e r r o g a t i o n   s y s te m   [ 3 2 ] .   T h e   a r c h i t e c t u r e ,   d es i g n e d   f o r   p r e d i c t i v e   m a i n t e n a n c e   o f   r o t a t i n g   m a c h i n es   u s i n g   I o T ,   d e l i n e a t es   t e c h n o l o g i e s   i n v o l v e d   i n   t h is   i n te g r a t e d   d is t r i b u te d   FB G   s e n s i n g   s y s t e m ,   e m p h a s i z i n g   i n t e r c o n n e c t e d   e le m e n t s   f o r   e f f i ci e n t   a n d   p r o a c t iv e   m a c h i n e   h e a l t h   m o n i t o r i n g .           Fig u r e  14 .  I o T - b ased   s o lu tio n   ar ch itectu r e  f o r   p r e d ictiv e  m ai n ten an ce   o f   r o tatin g   m ac h in es       T h e  tab le  p r o v id es in s ig h ts   in to   p o ten tial f au lts   an d   th eir   p r i m ar y   lo ca tio n s   with in   a  r o tatin g   m ac h in e   [ 3 2 ] - [ 3 5 ] .   On e  id e n tifie d   f a u lt  is   “ im p eller   im b alan ce ”   lo ca ted   in   th e   im p eller ,   lik e ly   ca u s ed   b y   h ig h   v ib r atio n ,   in d icatin g   ir r eg u lar ities   in   weig h t  d is tr ib u tio n   a n d   n ec ess itatin g   clo s e  m o n ito r in g   an d   co r r ec tiv e   ac tio n .   Po ten tial  f au lts   ass o ci ated   with   th e  b ea r in g   h o u s in g ,   s u ch   as  “ b ea r in g   d am ag e ”   l ea d in g   to   a  PA  f a n   tr ip ,   ca n   r esu lt  f r o m   wea r   o r   lu b r icatio n   is s u es,  p o s in g   c r itical  o p er atio n al  r is k s .   T h e  t ab le  also   id en tifie s   p o ten tial  s h af t - r elate d   f a u lts   lik e  “ s h af t   r u n o u t ”   lin k ed   to   h i g h   v ib r atio n   o r   wo b b lin g ,   wh i ch   ca n   s ig n if ican tly   im p ac t  m ac h in e  p er f o r m an ce   [ 3 2 ] - [ 3 5 ] .   I n   in d u s tr ial  s ce n ar i o s ,   f au lt  id en tific atio n   in   r o tat in g   m ac h in es  u s in g   PLCs   an d   ad v an ce d   co n tr o l   s y s tem s ,   co u p led   with   tem p er atu r e  an d   v ib r atio n   d ata  co llectio n ,   en ab les   h is to r ical  p er f o r m an ce   tr ac k i n g   a n d   p r o ac tiv e   is s u e  s p o tti n g   [ 3 6 ] - [ 3 8 ] .   T ab le  7   o u tlin es  p o ten tial  f ailu r e  s ce n ar io s ,   th eir   p r im ar y   l o ca tio n s ,   an d   ass o ciate d   ca u s es  in   a   r o tatin g   m ac h in e  [ 3 2 ] - [ 3 5 ] .   I d en tifie d   f a u lts   in clu d e  im p eller   im b alan ce ,   b ea r in g   d am ag e,   s h af t  d am a g e,   h o u s in g   d am a g e,   an d   s h af t   r u n o u t ,   ea ch   with   d is tin ct  ca u s es  an d   im p licatio n s   f o r   m ac h in e   r eliab ilit y .   T h is   co m p r eh e n s iv e  m atr i x   s u p p o r ts   tar g eted   p r ed ictiv e  m ain te n an ce   s tr ateg ies,  aid in g   in   o p tim al  m ac h in e   p er f o r m an ce   a n d   p r ev en tin g   s ev er e  d is r u p tio n s .       T ab le  7 .   Fau lt  id en tific atio n   m atr ix   f o r   r o tatin g   m ac h in e  c o m p o n en ts   P r i mary   l o c a t i o n   P o t e n t i a l   f a i l u r e   C a u ses   I mp e l l e r   I mp e l l e r   i m b a l a n c e   H i g h   v i b r a t i o n   B e a r i n g   h o u s i n g   B e a r i n g   d a m a g e   P A   f a n   t r i p   S h a f t   d a ma g e   H o u s i n g   d a ma g e   S h a f t   S h a f t   r u n o u t   H i g h   v i b r a t i o n   o r   W o b b l i n g   o f   t h e   sh a f t       10.   CO NCLU SI O N   T h e  s tu d y   em p lo y s   p ass iv e,   n o n - c o n tact  s en s o r s   to   an aly ze   elec tr ic  m o to r   v i b r atio n ,   s h o wca s in g   ac cu r ate  f au lt  d etec tio n .   I t  o p er ates  ef f ec tiv ely   ac r o s s   d iv er s e  co n d itio n s   an d   ca p t u r es  in ten tio n al  f au lts ’   v ib r atio n   p atter n s   with   r em ar k ab le  s en s itiv ity .   T h e  FB G  s en s o r - b ased   p r ed ictiv e   m ain ten an ce   s ch e m e   in teg r ates  FF T   an aly s is   an d   ML ,   o f f er in g   r o b u s t  f a u lt  d e tectio n .   Statis tical  p ar am eter s   an d   f u n d am e n tal   f r eq u e n cy   co m p o n en ts   ar e  lev er ag ed   in   co n s tr u ctin g   m ath e m atica l m o d els u s in g   PLSR   a n d   a  r ad ial  b asis   ty p e  n eu r al  n etwo r k ,   p r o v i d in g   a  s o p h is ticated   ap p r o ac h   to   f a u lt  class if icatio n .   C o m p ar is o n s   b etwe en   m o d els   alo n g   with   er r o r   m etr ics,  h ig h lig h t  th e  s u p er io r   p r e d ictiv e  ac cu r ac y   o f   th e  R B F  m o d el.   I o T   an d   DSS  en h an ce   r ea l - tim e  d ec is io n - m ak in g ,   aid in g   tar g eted   m ain ten a n ce   s tr ateg ies.  Ov er all,   th e  r esear ch   ad v an ce s   p r ed ictiv e   m ain ten an ce ,   p r o v id in g   a   co m p r eh en s iv e   m eth o d o lo g y   f o r   in d u s tr ial  r ea l - tim e   m o n ito r in g   a n d   d ec is io n   s u p p o r t.   F B G   V i b r a t i o n   S e n s o r F B G   I n t e r r o g a t o r P C I n t e r n e t   C o n n e c t i v i t y C l o u d   C o m p u t i n g I o T   F r a m e w o r k P r e - p r o c e s s i n g   M o d e l P r o c e s s e d   I n f o r m a t i o n M a c h i n e   O p e r a t o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.