Intelligente Zustandsüberwachung vermeidet teure Maschinenausfälle
Fertigungsanlagen verschleißen etwa durch Vibration oder unzulässige Belastungen. Der Messekongress zur SPS/IPC/Drives (23. – 25.11.2010) zeigte neue Methoden zur automatischen Zustandsüberwachung auf: Etwa die Integration von Condition Monitoring in PC-basierte Steuerungen, preisgünstige Piezosensoren ohne zwischengeschaltete Messverstärker, Vorhersagemodelle für die Restlebensdauer von Komponenten oder die Fernüberwachung und -steuerung mittels moderner Web-Technologien.
Wie sich Condition Monitoring in eine PC-basierte Steuerung integrieren lässt, demonstrierte Pascal Dresselhaus, Produktmanager von Beckhoff Automation, Verl, auf dem Messekongress zur SPS/IPC/Drives in Nürnberg. Während beim traditionellen Vorgehen in der Instandhaltung mit dem Einbau eines Ersatzteils gewartet wird, bis ein mechanisches Bauteil ausfällt, soll bei der automatischen Zustandsüberwachung durch entsprechende Messungen eine frühzeitige Erkennung mechanischer Probleme oder kostentreibender Schäden gewährleistet werden.
Zum Beispiel geschieht das aufgrund von Ermüdungserscheinungen, Verschmutzung, unzureichender oder ungeeigneter Schmierung, Vibration beziehungsweise unzulässiger Belastung bei Lagern und Getrieben. Dies kann zu einer Zunahme von Schwingungen führen, die sich mit speziellen Sensoren messen lassen. Und dies schon lange bevor Unregelmäßigkeiten vom Umfeld direkt wahrgenommen werden können. Vorteil: Ein Tausch von eigentlich fehlerfreien Teilen in bestimmten Intervallen entfällt, und die Auslastung kann gesteigert werden.
„Zur praktischen Realisierung bietet sich hier die Integration des Condition Monitoring in die PC-basierte Steuerung an,“ erläuterte Pascal Dresselhaus. Solche Systeme bestehen aus der Sensorik, wie beispielsweise Schwingungssensoren, der Auswerteelektronik und einem Industrie-PC mit der entsprechenden Software. Ein preiswerter Piezosensor mit direktem Anschluss an eine Messklemme – also unter Verzicht auf zwischengeschaltete Messverstärker – erlauben laut Dresselhaus Betriebskosten weit unter denen gängiger Vorgehensweisen.
Zur Datenaufnahme waren nämlich bisher externe Ladungsverstärker notwendig, die den Ladungsunterschied in eine analoge ±10-V-Spannung umwandeln. Kostengünstige, moderne Lösungen, wie sie etwa von Beckhoff angeboten werden, ermöglichen es per Ethercat vernetzte Messklemmen direkt mit dem Piezo-Schwingungssensor zu verbinden. Die Hardware des Systems besteht somit nur noch aus einem Sensor mit
IEPE-Schnittstelle, über den auch die Stromversorgung des Sensors erfolgt. Der schnelle Feldbus Ethercat soll dabei für die Kommunikation sorgen. Die Auswertung erfolgt im PC auf der Basis einer entsprechenden SPS-Bibliothek, so dass der Programmierer die Auswertung der Rohdaten leicht über SPS-Bausteine vornehmen kann. „So ein System kann sogar eine SMS an einen Wartungstechniker absenden,“ betonte Dresselhaus.
Einen ganz anderen Weg frühzeitiger Problemerkennung beschrieb Alexander Verl, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart. Er will durch die Vorhersage der Restlebensdauern von Komponenten etwa bei Werkzeugmaschinen eine zustandsorientierte Instandhaltung ermöglichen und damit überraschende Ausfälle vermeiden helfen. Im Rahmen des BMBF-Projektes „OptiLast“ ist dazu bereits ein solcher Ansatz untersucht worden: „Hier wurde davon ausgegangen, dass jede Komponente einen bestimmten Verschleißvorrat vorhält, welcher durch die Nutzung verbraucht wird“, führte Verl aus. Durch eine kontinuierliche Dokumentation des Verbrauches kann der restliche Verschleißvorrat leicht bestimmt und somit auf die Restlebensdauer der Bauteile bzw. Maschinenkomponenten geschlossen werden.
Verl prognostizierte, dass sich die mit dieser Methode ergebende Anzahl von Umdrehungen bzw. zurückgelegte Strecke mit 90 %iger Wahrscheinlichkeit erreichen lässt. In Stuttgart wurde in diesem Zusammenhang bereits eine prototypische Umsetzung für Kugelgewindetriebe in Werkzeugmaschinen durchgeführt. Der Lastschreiber wurde dabei auf Basis des Integrated Monitoring & Diagnostics-Softwarepaketes von Siemens, Nürnberg, realisiert, das die NC-Steuerungsarchitektur um Diagnose- und Monitoring-Funktionalitäten erweitert und Maschinenherstellern in Form von ladbaren Modulen zur Verfügung steht.
Das Prinzip: Dem Lastschreiber werden mit dem Maschinenstart die Werte für Tischmasse, Trägheitsmoment, Spindelsteigung sowie Achsschrägstellung übergeben und das Belastungsintegral durch Aufsummieren der Belastungsinkremente ermittelt. Darauf beschränkt sich der Funktionsumfang des Lastschreibers derzeit allerdings noch. „Ziel sollte aber die Realisierung eines komplett durchgängigen Systems zur Steigerung der Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen sein“, hob Alexander Verl hervor. E. LANGE/KIP
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