Zustandsbasierte Schwingungsanalyse als Frühwarnsystem
Condition Monitoring in Windkraftanlagen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auswerteeinheit für jeden Anwendungsfall
Herzstück des CMS ist die Condition Monitoring Unit (CMU) – eine Kombination aus modularer Hard- und Software zur Messdatenerfassung, Vorauswertung und Datenzwischenspeicherung. Als Hardwareplattform nutzt die CMU Geräte der iba AG. »Mit den Geräten von iba können wir je nach Anwendungsfall sowohl kleine als auch große Anlagen kostengünstig und zweckmäßig überwachen«, so Eichler. Die Haicmon-CMU lässt sich einfach in das in den Versionen »compact«, »embedded« und »factory« erhältliche »ibaInSpectra«-System integrieren. Während ibaInSpectra compact eine dezentrale Insellösung darstellt, sind die leistungsfähigeren Varianten embedded und factory in der Lage, auch komplexe Anlagen und Werke zu überwachen.
Als Hardware-Komponente benötigt die CMU eine Auswerteeinheit, in der die Messdaten erfasst und aufbereitet werden bzw. in der die Berechnungen stattfinden. Für kleine Anlagen nutzt Hainzl die Auswerteeinheit ibaPADU C des InSpectra compact mit je vier Schwingungs- und Analogeingängen sowie acht Digitaleingängen. Diese kompakte CMU-Variante eignet sich besonders für kostensensible Anwendungen. Das System konzentriert sich auf die Überwachung von Schlüsselkomponenten der Anlage, wodurch sich die benötigte Sensorik reduziert. Für Anlagen ohne Netzwerkinfrastruktur bietet das System ein UMTS-Modul.
Größere Anlagen sind beispielsweise mit der Auswerteeinheit ibaPADU-S-IT-16_HDD des InSpectra embedded ausgestattet. Die Erfassung der Schwingungen erfolgt mit bis zu 40 kHz Abtastrate für alle Sensoren zeitsynchron und auf physikalische Einheiten skaliert. Es werden jeweils Rohdatensätze mit 21 Sekunden Dauer gespeichert und dem Berechnungsteil in der Software des Geräts übergeben. Die Analysemöglichkeiten der Messdaten reichen von einfachen Kennwertbildungen aus den Zeitsignalen wie Minimum, Maximum oder RMS-Wert bis zu komplexen Auswertungen im Frequenzbereich wie Amplituden- oder Hüllkurvenspektren oder Cepstrum-Analyse. Nach Ausfilterung störender Frequenzbereiche werden unter anderem Frequenz- und Hüllkurvenspektren sowie statistische Kennwerte berechnet. Über Bauteilgeometrie und Drehzahl werden die relevanten Frequenzbereiche bestimmt, aus denen in den Spektren mittels spezifischer Auswertealgorithmen die Schadenspegel berechnet werden. Diese wiederum werden mit der aktuellen Belastung wie Leistung oder Windstärke korrigiert, so dass aussagekräftige Trends zu allen Bauteilen entstehen, deren zeitlicher Verlauf Rückschlüsse auf den Zustand erlaubt. »Mit diesen Analyseverfahren lassen sich bauteilspezifische Schäden an Wälzlagern oder Verzahnungen rechtzeitig erkennen«, bestätigt Eichler.
Analyse und Alarmierung
Die erfassten Rohdaten, berechneten Trendwerte und Analyseergebnisse werden in binären Dateien lokal auf der CMU abgespeichert. Die gemessenen Datensätze mit 21 s Länge sowie die Spektren FFT und Hüllkurven werden zur Archivierung im iba-dat-Format gespeichert. Anschließend überträgt die Auswerteeinheit die Daten via Internet zum datenbankgestützten Auswerteserver bei Hainzl. Dort erfolgt die Einspeisung in das datenbankgestützte Auswertesystem bzw. in die Analysesoftware. Die Bedienung erfolgt über Web-Interface und ist weitgehend intuitiv.
Die Funktionen des Auswertesystems gehen über die CMU-Basisfunktionen hinaus und bieten u.a. umfangreiche Reporting Tools mit Tages-, Wochen- und Monatsberichten sowie erweiterte Trending-Funktionen. Komplexe Bewertungsmöglichkeiten wie virtuelle Trends erlauben die Korrelation von Prozess- und Produktionsdaten mit Schwingungskennwerten – eine ideale Basis für die Alarmierung. Diese erfolgt bei Überschreitung voreingestellter Grenzwerte vollautomatisch via E-Mail. Je nach Konfiguration des Systems gibt es mehrere Varianten für die Alarmierung: Grundsätzlich können alle CMU über TCP/IP-Telegramm Alarmmeldungen abschicken. Ist das iba PADU S-IT-16 im Einsatz, stehen analoge Ausgänge (± 10 V, ± 20 mA) oder Digitalausgänge zur Verfügung.
Zeitsynchrone Erfassung
Betreiber von Windkraftanlagen, die an der Anlage bereits ein Prozessdaten-Aufzeichnungssystem von iba nutzen, können die CMU einfach über den PDA-Hardwarekonfigurator integrieren. Dazu kann die CMU über Lichtwellenleiter direkt mit dem PDA-System verbunden werden. Die berechneten Werte stehen im PDA als virtuelle Kanäle zur Verfügung und können gemeinsam mit den Prozessdaten der Anlage aufgezeichnet werden. Windanlagen-Betreiber, die ein anderes Aufzeichnungssystem nutzen, profitieren ebenfalls von dem iba-System, denn die iba-Komponenten können mit geringem Aufwand datentechnisch an Fremdsysteme wie Windradsteuerung, Energiezähler, Eiswarnsysteme angebunden werden – herstellerunabhängig.
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