Die Maximierung der Maschinenverfügbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Wartungsaufwände ist eines der Mittel, um die Total Cost of Ownership (TCO) zu reduzieren. Einer der Wege, mit denen Maschinenbauer diese Wartungskostenoptimierung zu erreichen versuchen, ist der Ersatz fixer Wartungsintervalle durch zustandsabhängige vorbeugende Wartung. Diese hat einerseits den Vorteil, dass mit den Wartungsarbeiten abgewartet werden kann, bis sie tatsächlich erforderlich werden. Andererseits bleibt die Planbarkeit erhalten, d.h. die Wartungsarbeiten können im Rahmen eines ohnehin zyklisch stattfindenden Stillstands z.B. am Wochenende durchgeführt werden. Zugleich entfällt das Risiko eines Ausfalls aufgrund von Wartungsversäumnissen.

Möglich ist dieser Spagat nur mit Condition Monitoring, also mit permanenter Zustandsüberwachung der Gesamtanlage. Ihre Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Wartungsbedürftigkeit der betroffenen Teile zu. Bereits bisher schon eröffneten Automatisierungssysteme von B&R gewisse Möglichkeiten für das Condition Monitoring, d.h. Eingangsmodule für Temperatur- oder Strommessung sind ebenso für diesen Zweck geeignet wie die Motorüberwachungsfunktionen der Acopos-Antriebssteuergeräte.

Vibration als Kriterium

Für einen namhaften skandinavischen Hersteller von Rotationsmaschinen entwickelte B&R zudem ein Modul für die Auswertung bestimmter Beschleunigungssensoren, das die Vibrationsdaten sammelt und in einem spezifischen Format zur Verarbeitung weitergibt. Das Spezielle daran: Für den Maschinenbauer war Condition Monitoring nichts Neues, sondern seit 15 Jahren optionaler Systembestandteil. Dementsprechend war auch die Signalweitergabe aus Gründen der Kompatibilität an bestimmte Formate gebunden. Mit dem B&R-Modul konnten die Schweden teure Außenbeschaltung einsparen und Condi-tion Monitoring nicht mehr nur als aufpreispflichtige Option anbieten, sondern zumindest in der Basisfunktionalität in den Standard integrieren.

Das Wissen, dass diese Art des Condition Monitoring bisher nur mit teuren und unhandlichen externen Systemen zu realisieren ist, brachte die Idee zur Entwicklung eines Standardmoduls für die Zustandsüberwachung anhand von Vibrationsdaten zum Reifen. Dabei war hilfreich, dass einer der früheren Lieferanten des schwedischen Unternehmens sich aus diesem Markt zurückzog und B&R zuvor noch das Knowhow auf dem Gebiet der Schwingungsphysik zur Verfügung stellte – essenziell wichtig, um den Zusammenhang von Vibrationssignalen und den Zuständen von Maschinenteilen zu verstehen.

Gemeinschaftsprojekt mit FH Wels

Mitte 2010 wurde ein Konzept erstellt und im Rahmen einer Projektarbeit gemeinsam mit der FH Wels vertieft. Es mündete direkt in die Entwicklung des Condition-Monitoring-Moduls X20 CM4810 für die Maschinenbaubranche. Als erstes Mitglied einer späteren Gerätefamilie verfügt es auf zwei Slots Breite über vier Eingangskanäle für die Abfrage von Beschleunigungssensoren über die genormte IEPE(Integrated Electronic Piezo-Electric)-Schnittstelle, die auch zu deren Stromversorgung dient. Über diese Schnittstelle werden die Signale aus den Sensoren abgetastet und dann gleich im Modul zu mehr als 70 Parametern verarbeitet. 32 hiervon sind einstellbare Schadensfrequenzen, bei denen es sich um Faktoren handelt, die durch Multiplikation mit der Drehzahl der gemessenen Achse die reale Störfrequenz bilden. Eine Unwucht hätte daher beispielsweise die Schadensfrequenz von 1, eine Fehlausrichtung von 2. Höhere Schadensfrequenzen sind geometrieabhängig und werden z.B. von den Herstellern von Getrieben und Wälzlagern bekannt gegeben. Bei den weiteren mehr als 40 Parametern handelt es sich um fest vorgegebene Kennwerte wie Kutosis und Crest Faktor oder die Überwachung der standardisier-ten ISO-10816-Grenzwerte für die Schwingungsgeschwindigkeit.

Dienstleistungsfreie Kompaktlösung

Durch diese Vielzahl an einstell- und überwachbaren Kriterien können auch komplexe Schwingungsmuster auf nur einem Kanal überwacht werden, z.B. im Fall von Getrieben. Der wesentliche Unterschied zu vielen etablierten Lösungen ist jedoch die Tatsache, dass diese Auswertung im Modul selbst stattfindet. Durch diese Integration ist kein externer Rechner samt eigener Programmierung erforderlich, zusätzlich werden Feldbus und System-CPU entlastet. Die tatsächlich benötigte Verarbeitungsleistung ist von der Anwendung abhängig und nicht zu unterschätzen. Für das Condition Monitoring in der Zellstoff verarbeitenden Industrie ist die Auswertung von 2000 Kanälen und mehr nicht unüblich. Entwicklungsseitig minimiert die Integrationsmöglichkeit von Parametersetzung und Reaktionsprogrammierung innerhalb des Engineeringsystems Automation Studio den Softwareaufwand und die Schnittstellenproblematik.

Seit September 2011 laufen Tests von Alpha-Prototypen bei ausgewählten Pilotkunden. Die allgemeine Verfügbarkeit von Prototypen wird für das zweite Quartal 2012 erwartet, die Seriengeräte im dritten Quartal desselben Jahres. Wichtigste Vorgabe bei der Entwicklung der neuen Module ist deren einfache Verwendbarkeit als Teil der Gesamtautomatisierung, ohne Expertenwissen auf dem Gebiet der Schwingungsmechanik. Es muss genügen, im Modul die Parameter zu bestimmen bzw. zu setzen und in der Steuerung die passende Reaktion auf entsprechenden Input zu programmieren.

DER AUTOR Andreas Waldl, Technical Manager Customized Solutions der Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik (B&R) Ges.m.b.H. in Eggelsberg/A ( www.br-automation.com )