Artikel Big Brother aus dem Baukasten

Jede drehende Maschine hat einen, man könnte fast sagen: „genetischen Fingerabdruck". Dieser bezieht sich auf ihr Vibrationsverhalten bei unterschiedlichen Drehzahlen, im Arbeitspunkt sowie in der Resonanzfrequenz. Dieses Wissen ist notwendig, um zu beurteilen, ob sich eine drehende Maschine in störungsfreiem Betrieb befindet oder ob sich Defekte ankündigen. Der eindeutigste aber auch dramatischste Effekt ist die Totalzerstörung. Wesentlich schwieriger ist es, die sich anbahnende Störung zu erkennen. In einer Szene aus dem Film „Das Boot", prüft Obermaschinist Johann mit einem Schraubendreher den fehlerfreien Rundlauf des Dieselmotors. Diese Handlung ist die Kernaufgabe moderner Condition Monitoring Systeme (CMS) - ohne einen „Johann" loszuschicken.

Ziel eines jeden Condition Monitoring Systems muss es sein, eine Anlage in Ihrer Gesamtheit zu überwachen. Diese Überwachung erfolgt durch den Einsatz verschiedenster Sensoren. Jede Störung oder Wartungsarbeit kündigt sich durch veränderte Zustände an. Daher stellen CM-Systeme heute höchste Anforderungen an die Sensorik, Messdatenerfassung, -weiterleitung und -verarbeitung (Analyse, Diagnose). Darüber hinaus fordern sie anlagenspezifische Kenntnisse. Das Condition Monitoring bietet dafür aber auch das größte Potential zur Kosteneinsparung, da die Lebensdauer kritischer Maschinenelemente praktisch vollständig ausgenutzt werden kann und gleichzeitig nötige Instandsetzungsmaßnahmen in Abstimmung mit dem Produktionsplan terminiert werden können. Das Condition Monitoring lässt sich in drei Schritte aufteilen:

• Messung
• Referenzierung
• Konsequenz

Am Anfang steht die Messung

Die Zuverlässigkeit von Condition Monitoring Systemen hängt von der korrekten Auswahl und Positionierung der Sensoren ab. Die Aussage „Am Anfang war die Messung" ist eine alte Weisheit der Prozessmesstechnik und gilt auch für das Condition Monitoring. Bei drehenden Maschinen sind folgende Parameter für eine sinnvolle Überwachung notwendig:

• Schwingung der Welle
• Temperatur der gesamten Einheit
• Stromverbrauch bei elektrischen Motoren
• Optional: akustische Überwachung
• Optional: visuelle Überwachung

Die Schwingungssensoren messen zunächst die Schwingbeschleunigung. Hierfür eignet sich bei einigen Anwendungen die Schwinggeschwindigkeit (mm/s) bei anderen der Schwingweg (µm, mm). Die Schwinggeschwindigkeit lässt sich durch einfache Integration aus der Schwingbeschleunigung bilden, der Schwingweg durch Doppelintegration.

Der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit wird zur Bewertung des Maschinenzustands herangezogen. In diesem Zusammenhang kann für Antriebe in der Regel die DIN ISO 10816-3 angewandt werden. Sie teilt die Maschinen in unterschiedliche Gruppen ein. Darüber hinaus werden die Unterbauten berücksichtigt und in die Gruppen „starre und weiche Aufstellung" unterteilt. Die Zuordnung ergibt sich aus dem Verhältnis der Elastizitäten von Maschine und Fundament. Wenn die tiefste Eigenfrequenz des Gesamtsystems aus Maschine und Unterbau in Richtung der Messung um mindestens 25 % über der wesentlichen Anregungsfrequenz liegt (das ist in den meisten Fällen die Drehfrequenz), kann der Unterbau für diese Richtung als starr bezeichnet werden. Alle anderen Unterbauten können als elastisch bezeichnet werden.

Temperatur und Strom
geben Auskunft über den Zustand

Jede Anlage hat eine vom Hersteller vorgegebene Betriebstemperatur, die für einen fehlerfreien Betrieb notwendig ist. Energieverluste werden bei drehenden Maschinen in Wärme umgesetzt, sodass die Temperaturmessung ein wichtiger Parameter ist. Sie gibt, unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und der für die aktuelle Last zugelassenen Betriebstemperatur, einen ersten wichtigen Hinweis für den Zustand der Anlage. Hier kommt es entscheidend auf die Position der Temperatursensoren an und auf die Verhältnismäßigkeit zu den anderen genannten Temperaturen.

Der Stromverbrauch elektrischer Motoren steht in Beziehung zu seiner Belastung. Wie bei der Temperaturmessung gibt es auch hier einen definierten Stromverbrauch, der bei einer definierten Drehzahl und einer bekannten abgegebenen Leistung auftritt. Steigt der Strom über diesen (Grenz-) Wert, muss eine höhere Belastung vorliegen, die nicht zum Prozess gehört, z.?B. Verschleißerscheinungen.

Vergleich mit der Referenz
hat Konsequenzen

Wenn der „Johann" im U-Boot U-96 seinen Schraubendreher an den Dieselmotor hält, vergleicht (referenziert) er das ihm bekannte Geräusch für fehlerfreien Betrieb mit dem tatsächlichen. Nicht anders arbeiten moderne Condi?tion Monitoring Systeme. DIN ISO 10816-3 bezieht sich dabei auf die Schwingungsreferenzierung. Temperatur und Strom sind Kennwerte, die vom Hersteller vorgegeben werden.

Die Konsequenz der Zustandsüberwachung hängt von der Referenzierung ab, die sich wiederum auf die ermittelten Werte des Bedieners der Maschine stützt. Und sie hängt natürlich auch vom augenblicklichen Maschinenzustand ab. Liegt z.B. nur eine zehnprozentige Erhöhung des Stromverbrauches vor, gepaart mit einer überhöhten Schwingung der Welle, könnte das auf einen Lagerschaden hinweisen. Je nach weiterem zeitlichem Verlauf kann das System selbstständig entscheiden, wann das Abschalten der Anlage oder der Austausch beispielsweise eines Lagers notwendig wird. Tritt die genannte Erhöhung auf und nimmt in definierter Zeit um Faktor x zu, ist die Anlage unter Umständen sofort abzuschalten.

Zustandsüberwachung
einfach nachrüsten

Um eine Zustandsüberwachung in eine bestehende Anlage zu integrieren, wird für das I/O-System 750 neben den Standardbusklemmen eine spezielle Busklemme zur Überwachung der Schwingstärke bzw. Wälzlager angeboten. Diese 2-Kanal-Klemme 750-645 lässt sich in bestehenden Anlagen einfach nachrüsten, um beispielsweise die Schwingung eines Lagers zu überwachen. Dies ist insbesondere bei schwer zugänglichen Anlagenteilen wie Rührwerken und Mischanlagen von Vorteil.

Das I/O-System selbst verfügt über Steuerungskomponenten in verschiedenen Leistungsklassen. Controller und I/O-IPC besitzen SPS-Funktionalität die anwendungsspezifisch programmiert werden kann. Durch die vom Hersteller kostenlos zur Verfügung gestellten Funktionsbausteine für die Programmieroberfläche Codesys, wird es dem Anwender erleichtert, Erweiterungen zum Condi?tion Monitoring selber nachzurüsten.

Die Steuerungskomponenten trotzen auch rauem Klima sowie Schock- und Vibrationsbelastungen. Mit dem Automatisierungssystem und der VIB-Busklemme 750-645 zur Schwingstärke/Wälzlagerüberwachung wird der Verschleiß „planbar". Nutzwertanalysen vergleichen den planmäßigen mit dem tatsächlichen Verschleiß über einen definierten Zeitraum. Das Ergebnis gibt Auskunft über den Zeitpunkt des Services an der Maschine. Sollten die Vibrationen im Betrieb einen definierten Schwellwert übersteigen und ein bedenklicher Zustand erreicht werden, erfolgt eine Warnung oder ein Alarm. Diese Meldungen können beispielsweise mittels To-Pass über Telemetriemodule via GSM auf Leitsysteme, Internet, PDA oder ein Mobiltelefon übertragen werden.

Fazit: Moderne Condition Monitoring-Systeme sind selbst denkende und selbst handelnde Systeme, die dem Bediener einen optimierten Service vorgeben und somit für den fehlerfreien Betrieb der Anlage sorgen. Die Systeme sind aber nur so gut, wie sie die Signale erfassen können. Liegen Fehler bei der Sensorik vor, ist die weitere Verwendung der Signale hinfällig. Die Referenzierung der einlaufenden Signale mit Nennwerten gibt Auskunft über den Verschleiß der Anlage und somit über das Servicehandling. Schnell auftretende Störungen durch z.B. in definierter Zeit auftretende Schwingungen oder Temperaturen werden sofort gemeldet oder die Anlage selbstständig abgeschaltet. Die Referenzierung macht daher ein flexibles System notwendig, welches sich je nach Anzahl der Sensoren und Art der Auswertung an die Applikation anpasst. Hier bietet das I/O-System 750 mit seinen Standard- und Sonderklemmen eine ausgereifte Lösung, die schon vielfach eingesetzt wird.

Hannover Messe 2011 Halle 11 - C64


Entscheider-Facts
Für Betreiber und Instandhalter

• Zur Optimierung der Serviceeinsätze an drehenden Maschinen ist ein Condition Monitoring System (CMS) notwendig.
• Zur Bewertung des Maschinenzustands kann ein CMS durchaus nur aus einer Temperaturmessung und/oder Strommessung bestehen.
• Mit dem skalierbaren Automatisierungssystem 750 kann in Verbindung mit speziellen Modulen für CMS-Sensoren ein sehr flexibles Condition Monitoring System aufgebaut werden.

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