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7-2014

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HF-Praxis 7/2014

Wireless Bild 3.

Wireless Bild 3. MEMS-basierter Sensor-Node (ADIS16229) mit 928MHz HF-Link zum Gateway-Controller (ADIS16000). stark abhängig vom Equipmenttyp, der Umgebung und sogar dem Lebenszyklus der Geräte. Da vorhandene, sehr teure Sensorelemente die Zahl der Messpunkte auf wenige oder nur einen begrenzen, ist diese Frage noch wichtiger. Daraus resultieren entweder eine wesentlich längere Entwicklungszeit, die sich ergibt, weil man durch Versuche zunächst den optimalen Ort für die Sensoren herausfinden muss, oder in den meisten Fällen eine Art Kompromiss bezüglich der Menge und Qualität der zu erfassenden Daten. Die Verfügbarkeit integrierter Sensormessfühler mit höherer Integrationsdichte zu einem Bruchteil der bisherigen Kosten kann es ermöglichen, pro System mehrere Messfühler vorzusehen. Außerdem können sich die Entwicklungszeit und die Kosten reduzieren oder einfach weniger und kostengünstigere Sensoren einsetzen lassen. Anpassung an Veränderungen des Lebenszyklus Beim Monitoring von Anlagen mit einem Handheld-System lassen sich Änderungen, die sich mit der Zeit ergeben (etwa Periodizität oder Datenmenge), berücksichtigen. Möchte man die gleiche, auf dem Lebenszyklus basierte Anpassung in einem Embedded Sensor erhalten, ist es erforderlich, bereits zu Beginn und während der Entwicklung sowie bei der Implementierung darauf zu achten, um die benötigte Abstimmbarkeit zu erreichen. Das Transducer-Element, unabhängig von der Technologie, ist selbstverständlich wichtig. Entscheidender ist jedoch die Aufbereitung und Verarbeitung der Sensorsignale, die sich im Umfeld des Transducers befinden. Die Signal/Sensor-Aufbereitung und -verarbeitung richtet sich nicht nur nach dem Equipment, sondern resultiert auch aus dem Lebenszyklus des Equipments. Daraus ergeben sich mehrere wichtige Überlegungen beim Design des Sensors. Zunächst ermöglicht eine frühe Analog/ Digital-Wandlung (am Sensor statt außerhalb des Equipments) eine Konfiguration/Tuning im System. Der ideale Sensor verfügt über eine einfache programmierbare Schnittstelle, die durch eine schnelle Datenerfassung, eine Manipulation von Filtern, die Programmierung von Alarmsignalen und Experimente mit unterschiedlichen Sensorpositionen den Aufbau des Equipments vereinfacht. Bei vorhandenen einfachen Sensoren, sofern diese bei der Einrichtung des Equipments konfigurierbar sind, müssen einige Kompromisse bei den Sensoreinstellungen getroffen werden, um Änderungen bei Wartungsproblemen über die Lebensdauer der Geräte Rechnung zu tragen. So muss man sich zum Beispiel die Frage stellen, ob der Sensor für den Beginn seiner Lebensdauer konfiguriert werden soll, wenn Ausfälle weniger wahrscheinlich sind, oder für das Ende seiner Lebensdauer, wenn Fehler nicht nur wahrscheinlicher sind, sondern sich auch negativer auswirken. Das bevorzugte Konzept ist ein im System programmierbarer Sensor, der sich bezüglich Änderungen des Lebenszyklus konfigurieren lässt. Zum Beispiel wurde relativ unregelmäßiges Monitoring (für geringsten Energieverbrauch) am Anfang der Lebensdauer, gefolgt von einer Rekonfiguration für häufiges (eine vom Anwender programmierte Periode) Monitoring ein Mal pro Schicht (Warnschwelle) zusätzlich zu kontinuierlichem Monitoring für und Interruptgetriebene Benachrichtigung von, vom Anwender programmierten, Alarmschwellen beobachtet. Identifikation von Verschiebungen und Trends der Leistungsfähigkeit Die Anpassung des Sensors auf Änderungen im Equipment- Lebenszyklus hängt etwas von der Kenntnis eines Basis-Equipment-Verhaltens ab. Selbst bei einfachen Analogsensoren ist dies möglich. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Betreiber Messungen sowie die Offline-Analyse durchführt und die gewonnenen Daten Offline speichert. Die Daten sind so zu markieren, dass sie sich dem spezifischen Equipment und dem Messort zuordnen lassen. Ein bevorzugtes und weniger fehleranfälliges Konzept würde das Speichern von FFT-Daten am Sensorkopf erlauben und somit jede Möglichkeit für falsch platzierte Daten ausschließen. Die Basisdaten helfen auch bei der Festlegung von Alarmpegeln. Auch diese würde man idealerweise direkt am Sensor und somit bei jeder Datenanalyse/Erfassung, bei der Warnungen oder Fehlersituationen erkannt werden und ein Interrupt in Echtzeit generiert werden kann, programmieren. Rückverfolgbarkeit In einer Fertigungsumgebung übernimmt ein Programm zur Vibrationsanalyse das Monitoring von zehn oder sogar hunderten von Positionen. Dies kann mit Handheld-Messfühlern oder Embedded Sensoren erfolgen. Über die Lebensdauer eines bestimmten Gerätes oder Anlagenteils können so tausende von Messwerten aufgezeichnet werden. Die Integrität des Programms für vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) hängt von der richtigen Wahl des Sensorortes und dem Zeitpunkt ab, an dem Sensordaten gesammelt werden. Für geringstes Risiko und nützlichste Daten sollte der Sensor eine nur ihm zugeordnete Seriennummer haben und außerdem in der Lage sein, die aufgenommenen Daten mit einem Zeitstempel zu versehen. Diese Merkmale sollten zusätzlich zu eingebetteten Speichern (Embedded Storage) vorhanden sein. Zuverlässigkeit Die obige Diskussion beleuchtet Methoden zur Verbesserung bestehender, sensorbasierter Konzepte zum Vibrations-Monitoring in Verbindung mit Prozesssteuerung und vorausschauender Wartung. Hinsichtlich Fehlertoleranz und Monitoring sollte der Sensor selbst untersucht werden. Was ist nämlich, wenn der Sensor fehlerhaft wird (Abweichungen der Leistungsfähigkeit) und nicht das Equipment? Alternativ stelle man sich ein System mit einem komplett autonomen Sensor vor (als ideal beschrieben). Wie sicher kann man in diesem Fall sein, dass der Sensor überhaupt weiter arbeitet? Bei vielen vorhandenen Transducern, etwa solche auf Piezo- Basis, stellt dies eine ernsthafte Einschränkung dar, weil diese Sensortypen keine Selbsttests im System ermöglichen. Es besteht stets ein mangelndes Vertrauen in Sachen Konsistenz der über die Zeit aufgezeichneten Daten. 32 hf-praxis 7/2014

Wireless Bild 4. Sechs entfernt angeordnete Sensor-Nodes erfassen, sammeln und verarbeiten selbständig Daten und übertragen diese an einen zentralen Controller-Node. In der Monitoring-Phase gegen Ende der Lebensdauer eines Anlagenteils, wo Fehler-Benachrichtigungen in Echtzeit zeit- und kostenkritisch sind (ganz abgesehen von signifikanten Sicherheitsbedenken), muss man stets befürchten, dass der Sensor ausfallen könnte. Eine wesentliche Anforderung an ein verlässliches Prozesssteuerungsprogramm ist die Fähigkeit, des Transducer- Selbstests an einem entfernten Ort (Remote). Dies ist mit einigen MEMS-basierten Sensoren möglich. Eine eingebettete digitale Selbsttestfunktion schließt somit die Lücke in einem zuverlässigen Vibrations-Monitoring- System. Bauteil ADIS16229 Das Bauteil ADIS16229 von Analog Devices ist ein Beispiel für einen komplett autonomen, drahtlosen Vibrationsmonitor mit allen oben genannten Vorteilen. So bietet der ADIS16229 zum Beispiel Embedded Verarbeitung im Frequenzbereich, eine 512-Punkte-Real-Value- FFT und integrierten Speicher. Der ADIS16229 kann einzelne Vibrationsquellen identifizieren und klassifizieren, Änderungen über die Zeit überwachen und auf programmierbare Schwellwerte reagieren. Das Bauteil bietet konfigurierbare spektrale Alarmbänder und „Windowing” Optionen. Dies ermöglicht Analysen des gesamten Frequenzspektrums über die Konfiguration von sechs Bändern, Alarm1 (Warn-Schwelle) und Alarm2 (Fehler-Schwelle), um Probleme frühzeitiger und genauer aufzuspüren. In seinem Kern ist der ADIS16229 ein mehrachsiger MEMS-basierter Sensor mit großer Bandbreite und konfigurierbarer Abtastrate (bis 20kSample/s) und Mittelwert/Dezimierungs-Optionen für eine genauere Aufnahme selbst kleinster Änderungen im Vibrationsprofil. Der MEMS-Sensor verfügt über eine digitale Selbsttestfunktion und bietet somit dauerhaftes Vertrauen in Funktionalität und Datenintegrität. Das Bauteil ist komplett „Embedded“ und programmierbar. Es kann in unmittelbarer Nähe der Vibrationsquelle angebracht werden. Somit lassen sich kleine Signale auf wiederholbare Weise frühzeitig erkennen. Datendiskrepanzen, die bei der Durchführung von mehreren Messungen an unterschiedlichen Messorten – etwa mit Handheld-Geräten – entstehen, lassen sich somit vermeiden. Wireless-Protocol- Schnittstelle Eine 862MHz/928MHz Wireless-Protocol-Schnittstelle ermöglicht den Betrieb des Sensors ADIS16229 an entfernten Orten. Unterstützt wird der Sensor durch einen separaten Gateway-Node, den ADIS16000 (Bild 3). Der ADIS16000 bietet eine Standard-SPI-Schnittstelle für beliebige System-Controller. Bis zu sechs entfernte Sensor- Nodes können über den Gateway gesteuert werden (Bild 4). Mit komplett integrierten und zuverlässigen Vibrationssensoren, welche autonom arbeiten und konfigurierbar sind, können Ingenieure, die Programme für Prozesssteuerungen und vorausschauende Wartung entwickeln, die Qualität und Integrität des Prozesses zum Sammeln von Daten verbessern. Einschränkungen und Kompromisse wie bei bisherigen Konzepten zur Vibrationsanalyse müssen die Ingenieure dabei nicht in Kauf nehmen. Aufgrund der hohen Integrationsdichte und mit einer vereinfachten programmierbaren Drahtlos-Schnittstelle lassen sich mit diesen Sensoren wirkungsvoller Konzepte zur Erfassung von Vibrationen umsetzen, indem der Einstieg zur Nutzung dieses entscheidenden Werkzeugs erleichtert wird. Bisher war dies wenigen hochprofessionellen Technikern mit jahrzehntelanger analytischer Erfahrung im Bereich Maschinenvibration vorbehalten. Solche komplett integrierten Sensoren, die ohne Nachrüstung der Verkabelung bzw. Infrastruktur auskommen und Veränderungen der Leistungsfähigkeit genauer und zuverlässiger erfassen, bieten die Möglichkeit, die Anfangs- und sich wiederholende Wartungskosten wesentlich zu senken. ◄ hf-praxis 7/2014 33

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