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7-2014

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HF-Praxis 7/2014

Wireless

Wireless Kontinuierliches und zuverlässiges Prozess- Monitoring mit drahtlosen Vibrationssensoren Die Themen Fertigungsautomatisierung und Effizienz stehen derzeit enorm im Fokus. Nicht nur wegen der Vorteile, die sich selbst durch kleinste Produktionssteigerungen ergeben, sondern auch wegen des ebenso wichtigen Potenzials zur Reduzierung und Eliminierung der Kosten beim Stillstand von Maschinen und Geräten. Statt sich auf die Fortschritte bei der Verfügbarkeit statistischer Daten oder einfach auf besser ausgebildete Techniker zu verlassen, um anstehende Wartungsarbeiten vorauszusagen, kann man jetzt Analysen in Echtzeit und entsprechende Steuerungen realisieren, indem man die Weiterentwicklungen bei den Messungen und der drahtlosen Übertragung der Messwerte nutzt. Präzise Industrieprozesse (Bild 1) sind zunehmend auf den effizienten und konsistenten Betrieb von Motoren und zugehörigen Maschinenteilen angewiesen. Unwuchten, Defekte, lose Verschraubungen und andere Anomalien im Maschinenpark äußern sich normalerweise in Vibration, gefolgt von Einbußen bei der Genauigkeit sowie von Gefahren für die Sicherheit. Bleiben solche Situationen bestehen, kommt es nicht nur zu Problemen hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Sicherheit. Eine sinkende Produktivität wird unvermeidbar, wenn Geräte zur Reparatur abgeschaltet werden Von Bob Scannell, Business Development Manager, Analog Devices Bild 1: Drahtlose Vibrationssensoren unterstützen durch hochgenaue Zielerfassung die Automatisierung der Prozesssteuerung und Wartung in einer Fertigungsumgebung. müssen. Selbst kleinste Änderungen in der Leistungsfähigkeit von Equipment, die sich normalerweise nur sehr schwer rechtzeitig vorhersagen lassen, bewirken messbare Einbußen bei der Produktivität. Predictive Maintenance Prozess-Monitoring und situationsbedingte vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) sind bekannte und bewährte Konzepte, um Produktivitätsverluste zu vermeiden. Dem Nutzen dieser Konzepte steht jedoch eine höhere Komplexität entgegen. Bestehende Methoden haben Einschränkungen, speziell wenn es um die Analyse der aufgenommenen Vibrationsdaten sowie die Eingrenzung von Fehlerquellen geht. Typische Konzepte zum Sammeln von Daten beinhalten einfache piezo-basierte Sensoren, die auf Maschinenteile montiert werden, und Tools für den Handheld-Betrieb. Diese Methoden bringen eine Reihe von Einschränkungen mit sich. Speziell im Vergleich zur Ideallösung – einem kompletten Erfassungs- und Analysesystem, das in oder auf Anlagenteilen befestigt werden kann und sich autonom verhält. Diese Einschränkungen und Vergleiche mit dem Ideal – ein autonomer und drahtloser Sensor – werden hier weiter untersucht. Die Analyse von Optionen hin zum komplexen Systemziel eines vollständig eingebetteten und autonomen Messelements lässt sich in zehn separate Punkte einteilen. Dazu gehören die Durchführung wiederholbarer Messungen, die genaue Aufnahme der erfassten Daten sowie die saubere Dokumentation und Verfolgbarkeit. Jeder der Punkte wird im Folgenden mit einer Diskussion verfügbarer Konzepte gegenüber dem Ideal behandelt. Genaue und wiederholbare Messungen Vorhandene Vibrationsaufnehmer (Probes) für den Handheld- Betrieb (Bild 2) bieten einige Implementierungsvorteile. Dazu zählt, dass keine Modifikationen an den Endgeräten vorgenommen werden müssen und die Geräte eine relativ hohe Integrationsdichte aufweisen. Aufgrund ihrer großen Abmessungen ermöglichen sie Vorteile hinsichtlich Verarbeitungsleistung und Speicherplatz. Eine wesentliche Einschränkung ist jedoch die fehlende Wiederholbarkeit der Messungen. Kleinste Abweichungen bei der Anordnung des Handheld-Messaufnehmers resultieren in inkonsistenten Vibrationsprofilen, was Vergleiche ungenau macht. Somit muss sich der Wartungstechniker fragen, ob eine beobachtete Vibrationsänderung aufgrund einer Veränderung an der Maschine entstanden ist oder lediglich auf 30 hf-praxis 7/2014

Wireless eine veränderte Messtechnik zurückzuführen ist. Idealerweise ist der Sensor sowohl kompakt, wie auch ausreichend gut integriert, um direkt und dauerhaft in das Equipment von Interesse eingebettet zu werden. Dadurch werden Bedenken hinsichtlich des Messortes ausgeschaltet. Dies ermöglicht eine optimale Flexibilität bei der zeitlichen Planung von Messungen. Frequenz und zeitliche Planung von Messungen Prozess-Monitoring kann speziell in Produktionsstätten von großem Wert sein, in denen hochwertige Geräte wie zum Beispiel empfindliche Elektronikbauteile hergestellt werden. In diesem Fall können selbst geringe Änderungen beim Equipment der Fertigungsstraße nicht nur den Produktionsausstoß beeinträchtigen, sondern auch zu kritischen Änderungen der Spezifikationen von Endgeräten führen. Eine offensichtliche Einschränkung beim Einsatz von Handheld-Messaufnehmern ist das Fehlen von Echtzeit-Benachrichtigungen bei problematischen Vibrationsänderungen. Das gleiche gilt für die meisten piezo-basierten Sensoren, die sich normalerweise auf einer sehr niedrigen Ebene der Integration befinden (Transducer nur in manchen Fällen) und bei denen die Daten für eine spätere Analyse an eine andere Stelle übertragen werden. Diese Bauteile benötigen eine externe Intervention und präsentieren somit eine Gelegenheit für verpasste Ereignisse/ Verschiebungen. Andererseits bietet ein autonomes System zur Verarbeitung von Sensordaten, welches Sensor, Analyse, Speicher und Alarmfunktionen beinhaltet und klein genug ist, um eingebettet zu werden, die schnellste Benachrichtigung bei Vibrationsänderungen sowie die beste Fähigkeit, zeitabhängige Trends zu zeigen. Die Daten verstehen Echtzeit-Benachrichtigung von einem Embedded Sensor, wie oben erläutert, ist nur mit Hilfe einer Analyse im Frequenzbereich möglich. Sämtliches Equipment hat normalerweise mehrere Vibrationsquellen (z.B. Lagerdefekte, Unwuchten, Getriebe). Dazu gehören auch die Quellen, die aufgrund ihrer vorgesehenen Eigenschaften - etwa ein Bohrer – Vibrationen während des normalen Betriebs produzieren. Eine zeitbasierte Analyse des Equipments erzeugt einen komplexen Signalverlauf, in dem diese verschiedenen Quellen enthalten sind. Dies liefert wenig erkennbare Informationen vor der FFT-Analyse. Die meisten piezo-basierten Sensorlösungen arbeiten in Verbindung mit externen Berechnungen und Analysen der FFT. Dies eliminiert nicht nur die Möglichkeit einer Benachrichtigung in Echtzeit, sondern stellt auch die Geräteentwickler vor große Herausforderungen. Mit Embedded FFT-Analysen am Sensor lassen sich Vibrationsänderungen sofort bestimmten Quellen zuordnen. Ein solches komplett integriertes Sensorelement könnte auch die Entwicklungszeit für Geräte um bis zu 12 Monate verkürzen. Datenzugriff und Übertragung Eingebettete Messfühler (Embedded Sensing) sind ideal, um genaue Trenddaten in Echtzeit zu erhalten. Allerdings erschwert dies die Aufgabe, Daten zu einer Komponente, die typischerweise ein entfernter Prozess-Controller oder Operator ist, zu übertragen. Die Embedded FFT-Analyse geht offenbar auch davon aus, dass die Daten des Analogsensors aufbereitet und digitalisiert wurden, um eine vereinfachte Datenübertragung zu unterstützen. Die meisten heute verwendeten Vibrationssensorlösungen verfügen lediglich über Analogausgänge. Dies beeinträchtigt die Signale bei der Übertragung. Ganz abgesehen von der bereits diskutierten Komplexität bei der Offline Datenanalyse. Der Großteil der Industriegeräte, die ein Vibrationsmonitoring verlangen, befindet sich oft in schwer zugänglichen und manchmal sogar gefährlichen Umgebungen mit hohen elektrischen Bild 2. Vorhandene Methoden zur Erfassung von Vibrationen mit manuellen Messaufnehmern bieten Nachteile hinsichtlich Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit. Rauschanteilen und sich bewegenden Maschinenteilen. Deshalb besteht ein großes Anliegen darin, nicht nur die Schnittstellenverkabelung zu vereinfachen, sondern auch einen möglichst großen Teil der Datenanalyse direkt an der Quelle der Vibration durchzuführen. So lassen sich Vibrationen am Equipment mit hoher Genauigkeit erfassen. Ein drahtlos angebundener Sensor ermöglicht nicht nur den sofortigen Zugriff auf Messdaten, sondern vereinfacht auch die Entwicklung des Sensornetzwerks erheblich. Zugleich reduzieren sich die Kosten. Daten-Direktionalität Bob Scannell ist Business Development Manager für die Inertial MEMS Produkte bei Analog Devices und seit 18 Jahren beim Unternehmen. Während dieser Zeit war er in verschiedenen technischen Marketing- und Business- Development-Funktionen beschäftigt - von Sensoren über DSP bis Wireless. Bevor Scannell zu Analog Autorenvorstellung Viele vorhandene Sensorlösungen sind einachsige Piezo- Transducer. Da diese Piezo- Sensoren keine Richtungsinformationen zur Verfügung stellen, begrenzen sie das Verständnis des Vibrationsprofils von Equipment. Aus dem Fehlen von Direktionalität resultiert die Notwendigkeit für sehr rauscharme Sensoren, um sie entsprechend einbinden zu können. Dies beeinträchtigt auch die Kosten. Die Verfügbarkeit mehrachsiger Sensoren auf MEMS-Basis erlaubt eine signifikante Verbesserung beim Eingrenzen der Vibrationsquelle, während sich gleichzeitig die Möglichkeit zur Kostenreduzierung ergibt. Ort und Verteilung der Sensoren Vibrationsprofile von Maschinenequipment sind komplex und zeitversetzt. Außerdem ändern sie sich je nach Material und Aufstellungsort des Equipments. Die Frage, wo man die Sensoren platziert, ist selbstverständlich wichtig, aber auch Devices kam, war er bei Rockwell International in den Bereichen Design und Marketing beschäftigt. Er besitzt ein BS Degree in Electrical Engineering von der UCLA (University of California, Los Angeles) und einen MS in Computer Engineering von der USC (University of Southern California). hf-praxis 7/2014 31

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