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Einführung

Die zustandsorientierte Überwachung umfasst die Überwachung von Maschinen oder Anlagen mithilfe von Sensoren, um deren aktuellen Zustand zu ermitteln. Die vorausschauende Wartung basiert auf Techniken wie zustandsorientierter Überwachung, Machine Learning und Analyseverfahren, um bevorstehende Maschinen- oder Anlagenausfälle vorherzusagen. Bei der Überwachung des Maschinenzustands ist die Auswahl der optimalen Sensoren von entscheidender Bedeutung, damit sichergestellt werden kann, dass Fehler erkannt, diagnostiziert und sogar vorhergesagt werden können.

Die beste Strategie zur vorausschauenden Wartung ist eine Strategie, die so viele Techniken und Sensoren wie möglich effizient einsetzt, um Fehler frühzeitig und mit hoher Sicherheit zu erkennen. Dies bedeutet gleichzeitig, dass es keine Lösung gibt, bei der ein Sensor für alle Anwendungen geeignet ist. In diesem Beitrag erklären wir, warum Sensoren für die vorausschauende Wartung so wichtig für die frühzeitige Erkennung von Fehlern in Anwendungen zur vorausschauenden Wartung sind, und zeigen ihre Stärken und Schwächen auf.

Zeitleiste bei Systemstörungen

Abbildung 1 zeigt eine simulierte Zeitleiste der Ereignisse von der Installation eines neuen Motors bis zum Motorausfall sowie den empfohlenen Sensortyp für die vorausschauende Wartung. Wenn ein neuer Motor installiert wird, fällt er unter die Garantie. Nach einigen Jahren läuft die Garantie ab, und zu diesem Zeitpunkt wird ein häufigeres manuelles Inspektionsprogramm eingeführt.

Abbildung 1: Das Diagramm Maschinenzustand vs. Zeit zeigt die erwartete Zeit, in der ein Fehler erkannt wird, wenn ein Motor den Garantiezyklus durchläuft. (Quelle: Analog Devices)

Wenn zwischen diesen geplanten Wartungschecks ein Fehler auftritt, besteht die Wahrscheinlichkeit einer ungeplanten Ausfallzeit. In diesem Fall ist es von entscheidender Bedeutung, den richtigen Sensor für die vorausschauende Wartung zu haben, um potenzielle Fehler so früh wie möglich zu erkennen. Aus diesem Grund konzentrieren wir uns auf Schwingungs- und Akustiksensoren. Die Schwingungsanalyse wird allgemein als bester Ansatzpunkt für die vorausschauende Wartung angesehen.

Überlegungen zu Sensoren und Systemstörungen

Mehr als 90 Prozent aller Rotationsmaschinen in industriellen und gewerblichen Anwendungen verwenden Wälzlager. Die Verteilung der ausgefallenen Komponenten eines Motors zeigt, dass es entscheidend ist, sich bei der Auswahl eines entsprechenden Sensors für die vorausschauende Wartung auf die Lagerüberwachung zu konzentrieren. Um potenzielle Fehler zu erkennen, zu diagnostizieren und vorherzusagen, muss ein Schwingungssensor über ein geringes Rauschen und eine große Bandbreite verfügen.

Einige der häufigsten Störungen bei Rotationsmaschinen sowie entsprechende Anforderungen an Schwingungssensoren für den Einsatz in Anwendungen für die vorausschauende Wartung sind in Tabelle 1 dargestellt. Um Fehler so früh wie möglich zu erkennen, benötigen die Systeme zur vorausschauenden Wartung typischerweise Hochleistungssensoren. Das Leistungsniveau des Sensors für die vorausschauende Wartung, der an einer Anlage eingesetzt wird, korreliert mit der Wichtigkeit, dass die Anlage im Gesamtprozess kontinuierlich und zuverlässig arbeiten kann, sowie mit den Kosten der Anlage.

Tabelle 1: Kurzer Überblick über die Überlegungen zu Maschinenstörungen und Schwingungssensoren (Quelle: Analog Devices)

Sensoren für die vorausschauende Wartung

Eine Analyse per MEMS-Ultraschallmikrofon ermöglicht die Überwachung des Motorenzustands in komplizierten Anlagen bei erhöhtem Schallpegel, da sie auf Geräusche im nicht hörbaren Bereich (20kHz bis 100kHz) reagiert, wo weitaus weniger Rauschen vorhanden ist. Die Wellenlängen niederfrequenter hörbarer Signale liegen typischerweise im Bereich von ca. 17mm bis 17m Länge. Die Wellenlängen von hochfrequenten Signalen reichen von etwa 3mm bis 16mm Länge. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Energie zu, wodurch der Ultraschall gerichteter wird. Dies ist äußerst hilfreich, wenn man versucht, eine Störung in einem Lager oder Gehäuse zu lokalisieren.

Beschleunigungssensoren sind die am häufigsten verwendeten Schwingungssensoren, und die Schwingungsanalyse ist die am häufigsten eingesetzte Messtechnik, die hauptsächlich bei großen Rotationsmaschinen wie Turbinen, Pumpen, Motoren und Getrieben verwendet wird. Tabelle 2 zeigt einige der entscheidenden Spezifikationen, die bei der Auswahl von Hochleistungs-MEMS-Schwingungs- und Akustiksensoren im Vergleich zum Goldstandard Piezo-Schwingungssensor zu berücksichtigen sind.

Tabelle 2: Leistungsspezifikationen für Sensoren zur vorausschauenden Wartung

*MEMS-Beschleunigungssensormodule können mehr als 30 $ kosten, aber sie sind Komplettsystemlösungen, während alle anderen genannten Komponenten nur Sensoren sind.**Bedeutung:
sehr schlecht, mittelmäßig, sehr gut

Es ist zwar schwierig, einen einzelnen Schwingungssensor für den Einsatz in einem System zur vorausschauenden Wartung zu empfehlen, aber Beschleunigungssensoren haben sich in der Vergangenheit bewährt und werden ständig weiterentwickelt und verbessert. Analog Devices bietet eine Reihe von MEMS-Beschleunigungssensoren an, die von allgemeinen, stromsparenden, rauscharmen, hochstabilen, in hohem Maße g-festen bis hin zu den in Abbildung 2 dargestellten intelligenten Edge-Node-Modulen reichen. Der Triaxial-Schwingungssensor ADcmXL3021 ist ein hervorragendes Beispiel für eine dedizierte Modullösung für die vorausschauende Wartung. Analog Devices war der erste Anbieter auf dem Markt mit einer Reihe von MEMS-Beschleunigungssensoren für die vorausschauende Wartung (20 kHz+ Bandbreite, 25 μg/√Hz Rauschdichte) und ist nach wie vor der einzige Anbieter von MEMS-Beschleunigungssensoren mit diesen Leistungswerten.

Abbildung 2: Dreiachsiges MEMS-Modul für die vorausschauende Wartung mit integriertem ADC, Prozessor, FFT und Statistik sowie einem mechanischen Gehäuse mit Resonanzfrequenz über 50 kHz. (Quelle: Analog Devices)

Bei der Auswahl des optimalen Vibrationssensors für Ihre vorausschauende Wartungslösung besteht die eigentliche Herausforderung darin, die Sensoren so zu koppeln, dass sie die wahrscheinlichsten potenziellen Störungsarten Ihrer Anlagen erfassen. MEMS-Mikrofone haben sich noch nicht als robust genug erwiesen, um alle schwingungsbasierten Störungsarten in den rauesten Umgebungen zuverlässig zu erkennen. Im Gegensatz dazu werden Beschleunigungssensoren, der Industriestandard für die Schwingungserfassung, bereits seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt und arbeiten zuverlässig. MEMS-Ultraschallmikrofone haben eine vielversprechende Leistung bei der Erkennung von Lagerfehlern gezeigt und diese Störungen bereits früher als Beschleunigungssensoren erkannt. Diese potenzielle symbiotische Beziehung könnte in Zukunft die optimale vorausschauende Wartungslösung für die Schwingungsanalyse Ihrer Anlage darstellen.

Der Blogbeitrag Auswahl des optimalen Sensors für die vorausschauende Wartung wurde von Chris Murphy verfasst und ursprünglich auf www.analog.com veröffentlicht. Die Überarbeitung dieses Blogs für mouser.com erfolgte durch Chris Murphy und Paul Golata.