Sensorik Am Puls der Maschine

Die kontinuierliche Überwachung von Maschinen und Anlagen ist einer der Bausteine für Industrie 4.0. Dazu sind leistungsfähige Sensoren erforderlich, deren Datenaufkommen allerdings so hoch ist, dass schon am Erfassungsort eine Vorverarbeitung stattfinden sollte.

Der Betrieb von Industrieanlagen ist teuer für Unternehmen, denn er erfordert hohe Investitionen. Ihr Ausfall zieht in der Regel unmittelbare Folgekosten nach sich in Form von Produktionsstillstand, Kollateralschäden oder dem durch die Anlage bedingten Betriebsstillstand. Anlagenbetreiber und Maschinenbauer treiben deshalb hohen Aufwand, um die Effektivität ihres Maschinenparks zu optimieren. Das bedeutet unter anderem: Minimierung der Ausfallzeit und Maximierung der Verfügbarkeit. Eine reaktive Wartung ist aufgrund von spontan auftretenden Fehlerereignissen schwer zu planen. Längere Wartungszeiten sind die Folge. Verringert man das Ausfallrisiko durch regelmäßige Wartungsintervalle, geschieht dies jedoch auf Kosten der produktiven Betriebszeit der Anlage.

 

Eine turnusgemäße Wartung birgt wiederum die Gefahr unnötiger Kosten, indem Teile vorbeugend ausgetauscht werden, die noch völlig in Ordnung sind. Als sinnvolles Mittel, das vor überraschenden Ausfällen schützt, gleichzeitig aber vorzeitigen Austausch vermeidet, hat sich das »Condition Monitoring« bewährt. Es erkennt kritische Ereignisse und Betriebszustände mit hohem Verschleißpotenzial. Ereignisse und resultierende Fehler werden klassifiziert und bewertet. Kritische Ereignisse oder unerwünschte Betriebszustände lassen sich durch schnelle Reaktionen unmittelbar beseitigen, um kostenintensive Folgeschäden abzuwenden. Ausfallzeiten bleiben gering, da Servicetechniker, Ersatzteile und Logistik durch passende Diagnosen zielgerichtet bereit stehen.

Einen Schritt weiter geht »Predictive Maintenance«: Dabei werden die Risiken unerwünschter Betriebszustände und Ereignisse auf Basis der im Condition Monitoring gewonnenen Erfahrungswerte prognostiziert. Diese Prognosen ermöglichen bedarfsorientierte Planungen von Service- sowie Wartungsaktionen und werden sowohl für individuelle Anlagen als auch für Anlagenparks erstellt. Predictive Maintenance maximiert im Idealfall die Verfügbarkeit und liefert frühzeitig Informationen für zielgerichtete Wartungsaktionen.

Vibrationsmuster detektieren

Für Predictive-Maintenance werden Daten von einer Vielzahl von Sensoren gesammelt und ausgewertet, um potenzielle Ausfälle von Maschinen zu erkennen, bevor sie auftreten. Dies können zum Beispiel Druck, Temperatur oder Durchfluss sein. Für Maschinen mit rotierenden Elementen ist ein Vibrationssensor von zentraler Bedeutung. STMicroelectronics hat mit dem Vibrationssensor »IIS3DWB« einen 3-Achsen-Beschleunigungssensor auf MEMS-Basis (Micro Electro-Mechanical System) vorgestellt, der eigens für die Vibrationserfassung in der Industrie optimiert ist (Bild 1).

Der breitbandige MEMS-Beschleunigungssensor detektiert Vibrationen, die vorrangige Indikatoren für den Instandhaltungsbedarf einer Maschine sind. Der Frequenzgang des Bausteins ist so gestaltet, dass er bis 6 kHz flach verläuft und geringes Rauschen aufweist, um dann steil abzufallen und eine hohe Dämpfung aufzuweisen. Das vermeidet nachteilige Auswirkungen von Alias-Effekten und führt dazu, dass Fehler in der Maschine präzise und konsistent erkannt werden können. Die niedrige Stromaufnahme des Bausteins maximiert die Betriebsdauer von Sensorknoten mit unabhängiger Stromversorgung. Einige wichtige Eigenschaften des IIS3DWB sind:

  • breiter, flacher Frequenzgang auf drei Achsen macht externe Signalaufbereitung und konkurrierende Sensoren überflüssig,
  • im Chip integrierte Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandlung, Filterung und Bandbreitenentzerrung,
  • geringes Rauschen,
  • Betriebstemperaturbereich von –40 °C bis +105 °C und
  • 1,1 mA Stromaufnahme bei voller Leistung auf allen drei Achsen.

ST liefert den IIS3DWB bereits an die schwedische Firma SPM Instrument, wo er in dem drahtlosen, batteriebetriebenen Vibrationssensor »Airius« (Bild 2) eingesetzt wird. Dieses Gerät warnt vor schwingungsbedingten Problemen sowie vor Getriebe- und Lagerfehlern und dient der Fernüberwachung beispielsweise von Pumpen und Ventilatoren. Entfernte oder unzugängliche Maschinen und Anlagen, die sich in schwer zugänglicher oder riskanter Umgebung befinden, sind weitere mögliche Einsatzgebiete. Airius hat Schutzklasse IP69 und kommuniziert über WiFi, sodass außer einem WiFi-Router keine zusätzliche Ausrüstung für einen autarken Betrieb nötig ist. Für eine maximale Batterielebensdauer wird eine vor Ort austauschbare Lithium-Thionyl-Batterie empfohlen, die bei vier Messungen pro Tag vier Jahre lang hält. Eine Version mit externer Stromversorgung gibt es ebenfalls.