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Was müssen smarte Sensoren für Condition Monitoring können?

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

2. Frequenzbasierte Analyse: Bei der frequenzbasierten Analyse wird das zeitlich veränderliche Schwingungssignal mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) in dessen Frequenzkomponenten zerlegt. Die resultierende spektrale Darstellung von Größenordnung vs. Frequenz ermöglicht die Überwachung von bestimmten Frequenzanteilen, deren Oberwellen und Seitenbändern, wie in Bild 5 zu sehen ist.

Die FFT ist eine weit verbreitete Methode in der Schwingungsanalyse, insbesondere zur Erkennung von Lagerschäden. So lässt sich jedem Frequenzanteil eine entsprechende Komponente zuordnen. Durch die FFT lässt sich die dominante Frequenz der sich wiederholenden Impulse bestimmter Fehler herausfiltern, die durch den Kontakt zwischen Wälzkörpern und fehlerhafter Stellen verursacht werden.

Durch ihre unterschiedlichen Frequenzanteile kann zwischen verschiedenen Arten von Lagerschäden unterschieden werden (Schaden am Außenring, am Innenring oder im Kugellager). Hierzu sind allerdings genaue Kenntnisse über Lager, Motor bzw. das komplette System erforderlich.

Ferner setzt der FFT-Prozess voraus, dass diskrete zeitliche Blöcke der Vibration wiederholt aufgenommen und in einem Mikrocontroller weiterverarbeitet werden. Dies erfordert zwar etwas mehr Rechenleistung im Vergleich zur zeitlichen Auswertung, führt jedoch zu einer genaueren Analyse des Schadens.

3. Kombination aus zeit- und frequenzbasierter Analyse: Diese Analyse vereint die Vorteile beider Verfahren. Die statistische Analyse im Zeitbereich gibt Aufschluss über die Schwingungsintensität des Systems über die Zeit und gleichzeitig, ob diese innerhalb des zulässigen Grenzbereichs liegt. Die frequenzbasierte Analyse ermöglicht die Überwachung der Drehzahl in Form der Grundfrequenz, sowie weiterer Oberwellenanteile, die zur genauen Identifikation der Fehlersymptome erforderlich sind.

Insbesondere die Analyse der Grundfrequenz ist wichtig, da sich die Effektivwerte und andere statistische Parameter mit der Drehzahl verändern. Haben sich die statistischen Parameter gegenüber der letzten Messung signifikant verändert, gilt es, die Grundfrequenz zu überprüfen, um mögliche Fehlalarme zu vermeiden.

Allen drei Analysemethoden gemeinsam ist die Veränderung der jeweils gemessenen Werte über die Zeit. Ein möglicher Ansatz zur Überwachung des Systems kann sein, zunächst den „gesunden Zustand“ aufzunehmen, d.h. einen sogenannten Fingerabdruck zu erzeugen. Dieser wird anschließend mit immer wieder neu aufgenommenen Daten verglichen.

Bei zu starken Abweichungen bzw. Überschreitung entsprechender Schwellwerte gilt es, zu reagieren. Wie in Bild 6 dargestellt, können mögliche Reaktionen Warnmeldungen (2) oder Alarme (4) sein. Je nach Schwere erfordern sie zudem ein unmittelbares Eingreifen des Service-Personals.

CbM durch Analyse des Magnetfeldes

Durch die rasante Entwicklung von integrierten Magnetometern stellt auch die Messung des Streumagnetfeldes des Motors einen weiteren vielversprechenden Ansatz der Zustandsüberwachung von rotierenden Maschinen dar. Die Messung erfolgt dabei kontaktlos, d.h. es ist keine direkte Verbindung zwischen Maschine und Sensor erforderlich. Wie bei den Vibrationssensoren gibt es auch bei den Magnetfeldsensoren ein- und mehrachsige Ausführungen.

Zur Fehlerdetektion wird das magnetische Streufeld sowohl in axialer (parallel zu Motorachse) als auch in radialer (senkrecht zur Motorwelle) Richtung gemessen. Das radiale Feld wird i.d.R. vom Statorkern und Motorgehäuse abgeschwächt. Gleichzeitig wird es vom magnetischen Fluss im Luftspalt beeinflusst. Das axiale Feld wird von den Strömen im Käfigläufer und in den Endwindungen des Stators erzeugt.

Die Position und die Ausrichtung des Magnetometers ist entscheidend, um beide Felder messen zu können. Es empfiehlt sich daher eine Stelle nahe der Welle oder des Motorgehäuses. Zudem ist es zwingend erforderlich, gleichzeitig die Temperatur mitzumessen, da die Magnetfeldstärke in unmittelbarer Relation mit der Temperatur steht. Heutige Magnetfeldsensoren beinhalten daher bereits integrierte Temperatursensoren. Auch die Kalibrierung des Sensors zur Kompensierung von dessen Temperaturdrift sollte nicht vergessen werden.

Für die magnetfeldbasierte Zustandsüberwachung von elektrischen Motoren wird ebenfalls wie bei der Vibrationsmessung die FFT-Analyse herangezogen. Allerdings sind zur Beurteilung des Motorzustandes bereits geringe Frequenzen im Bereich von einigen Hz bis etwa 120 Hz ausreichend. Die Netzfrequenz sticht hierbei deutlich heraus, wobei im Fall eines Fehlers das Spektrum von niederfrequenten Anteilen dominiert.

Bei einem Bruch des Läuferstabs eines Käfigläufers spielt ebenfalls der Schlupfwert eine entscheidende Rolle. Er ist belastungsabhängig und liegt im Leerlauf idealerweise bei 0%. Unter Nennlast befindet er sich bei „guten“ Maschinen zwischen 1 bis 5% und nimmt im Fall eines Fehlers entsprechend zu. Bei der zustandsbasierten Überwachung sollte daher die Messung unter möglichst gleichen Lastvoraussetzungen stattfinden, um der Belastungsabhängigkeit zu trotzen.

Stand der Technik bei vorausschauender Wartung

Unabhängig von der Art und Weise der Zustandsüberwachung gibt es selbst durch intelligenteste Überwachungskonzepte keine einhundertprozentige Garantie hinsichtlich ungeplanter Stillstände, Störungen und Sicherheitsrisiken. Lediglich dessen Risiko kann drastisch reduziert werden.

Dennoch kristallisiert sich vorausschauende Wartung mehr und mehr zum Schlüsselthema in der Industrie heraus. Es wird als eindeutige Voraussetzung für den künftigen und nachhaltigen Erfolg einer Produktionsstätte gesehen. Allerdings sind hierzu innovative und schnelle Entwicklungen erforderlich, deren Technologien teilweise zunächst noch entwickelt werden müssen. Defizite bestehen vor allem in der Gegenüberstellung von Kundennutzen und Aufwand.

Viele Industrieunternehmen haben dennoch die Bedeutung von vorausschauender Wartung als Erfolgsfaktor und damit die Chance für das künftige Geschäft erkannt – und das nicht nur im Servicebereich. Die technische Realisierbarkeit von vorausschauender Wartung wird trotz teilweise extremer Herausforderungen, insbesondere im Bereich der Datenanalytik, weitestgehend beherrscht.

Dennoch wird PM aktuell noch recht opportunistisch betrieben. Die Erwartungshaltung liegt vor allem darin, dass künftige Geschäftsmodelle hauptsächlich durch Software-Komponenten bestimmt werden und der Wertschöpfungsanteil der Hardware sukzessive abnimmt.

Zusammenfassend kann man sagen, das sich Investitionen in Hard- und Software für vorausschauende Wartung im Vergleich zu höheren Erträgen durch längeren Maschinenlaufzeiten schon heute lohnen.

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* Thomas Brand arbeitet als Applikationsingenieur strategische Produkte bei Analog Devices in München.

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