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Schwingungssensor gibt Auskunft

22. Juni 2022, 18:41 Uhr | Markus Egerer
Schwingungssensor gibt Auskunft
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Erfahrene Mechaniker hören es, wenn ein Motor oder eine Maschine nicht ganz rund läuft: Sie erkennen ein durch eine Veränderung im Schwingungsverhalten ausgelöstes Warnsignal. Maschinell übernehmen dies Schwingungssensore für ein Condition Monitoring in Echtzeit.

Die Arbeit einer Maschine beruht in der Regel auf der Rotation von Wellen und anderen Komponenten. Bei einwandfreier Funktion ‚läuft sie rund‘ und weist ein bestimmtes Schwingungsmuster auf. Während ihrer Lebensdauer sind die bewegten Teile der Maschine der Abnutzung durch Verschleiß ausgesetzt, was sich auf den Rundlauf auswirkt. Effekte wie Verschmutzung, Materialermüdung und Vibration können ebenfalls schleichende Veränderungen und Unwuchten herbeiführen. Solche Veränderungen machen sich im Schwingungsverhalten bemerkbar. Typische Folgen sind beispielsweise die Lockerung von Getriebeverbindungen, der Bruch von Halterungen oder Schäden an Kugellagern. Es kann auch vorkommen, dass eine Maschine von vornherein ‚angeschlagen‘ ist, etwa aufgrund von Aufstellproblemen oder einer unbemerkten Fehlausrichtung an einer Kupplung.

Schwingungsmuster zeigen Risiken an

Bei großen Motoren und Maschinen wie Zentrifugen, Gebläsen oder Pumpen steht unter Umständen einiges auf dem Spiel: So kann die Kombination aus schweren Maschinenteilen und starken Fliehkräften nicht nur einen schweren Maschinenschaden verursachen, sondern auch ein beträchtliches Risiko für das Bedienpersonal darstellen. Sicherheitsvorschriften mit Normen für die Funktionale Sicherheit sollen diese Gefahr ausschließen, indem sie definierte Level – SIL oder PL – der Funktionalen Sicherheit verlangen. Zu den vorgeschriebenen Sicherheitsvorkehrungen gehört bei größeren Maschinen unter anderem die normierte Schwingungsmessung.

Kapazitive MEMS-Sensoren können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung erfassen, die bei einer Schwingungsbewegung entsteht. Die normierte Schwingungsmessung beruht auf dem sogenannten RMS-Wert der Beschleunigung – dem ‚Root Mean Square‘, einen quadrierten Mittelwert: Dabei werden die Beschleunigungswerte über eine definierte Zeitspanne von bis zu zwölf Sekunden erfasst und gemittelt, die Spitzen also mathematisch abgeschnitten. Mit der Mittelwertbildung werden kurzzeitige, irrelevante Änderungen des Schwingungsverhaltens herausgefiltert, damit nicht fälschlicherweise kritische Werte gemeldet und Alarme ausgelöst werden. Hier können Einwirkungen von außen – etwa die Vibration eines vorbeifahrenden Fahrzeugs (beispielsweise eines Gabelstaplers) – eine Rolle spielen. Auch vom umgebenden Gebäude beziehungsweise durch den Boden können Schwingungen auf die Maschine übertragen werden und zu einem Ausschlag der Schwingungswerte ohne Bezug zum Maschinenzustand führen.

Effektivwert und Sicherheitsschaltung

Schwingungssensor gibt Auskunft
Ein Sensor liefert gleichzeitig mehrere Messdaten, wie Schwinggeschwindigkeit, Schwingbeschleunigung, Lagerzustandskennwert und Temperatur.
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Die Schwingungssensoren der ‚VIM‘-Baureihen von Pepperl+Fuchs erledigen die RMS-Berechnung selbst und geben den gemittelten Effektivwert an die Steuerung weiter. Eine Trendbetrachtung bildet die allmähliche Veränderung ab, die in der Maschine über einen längeren Zeitraum durch Reibung und Verschleiß zu Abnutzungserscheinungen führt. Da sich bestimmte Schwingungsmuster bestimmten Maschinenteilen zuordnen lassen, ist eine sehr detaillierte Diagnose möglich. Durch die Definition von Grenzwerten für Alarme lässt sich eine bedarfsgestützte vorausschauende Wartung etablieren, um ungeplante Stillstände zu vermeiden und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen.

Wo besondere Anforderungen an die funktionale Sicherheit gestellt sind, übernehmen die Sensoren die entsprechende Überwachung: Sie gewährleisten, dass ein kritisches Schwingverhalten erkannt und an die Maschinensteuerung gemeldet wird, die auf dieser Grundlage in den sicheren Zustand schaltet. Pepperl+Fuchs bietet Schwingungssensoren mit den entsprechenden Zertifikaten an. Ihr Einsatz reduziert den Zertifizierungsaufwand, da der Sensor jeweils als Teil der Regelkette als sicher eingestuft ist.

Gerätevarianten für verschiedene Einsatzzwecke

Schwingungssensor gibt Auskunft
Die drei Baureihen der Schwingungssensoren von Pepperl+Fuchs, die IO-Link, Ex-Bereich und auch SIL2 abdecken können.
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Die Schwingungssensoren der VIM-Reihe erfassen einen Frequenzbereich von 1 bis 1000 Hz. Das Portfolio umfasst unter anderem Geräte mit Ex-Schutz, robuste Gehäusematerialien für unterschiedliche Einsatzzwecke sowie einen großen Temperaturbereich, Schutzart bis IP67, global gültige Zulassungen und die Möglichkeit zur webbasierten Fernwartung per IO-Link. Drei Bauformen stehen zur Verfügung: Während die kompakte Serie VIM3 sich für Anwendungen bis SIL 1/PL c eignet, ist Serie VIM6 für explosionsgefährdete Bereiche bis Zone 1/21 zugelassen. Mit einem Temperaturbereich von –40 bis +125 °C eignen sich diese Sensoren zudem für den Einsatz bei extremen Temperaturen. Serie VIM8 im robusten Gehäuse aus rostfreiem Stahl ist für den Einsatz in rauen Offshore-Anwendungen ausgelegt und darüber hinaus für die Ex-Zone 1/21 sowie für SIL 2/PL d zertifiziert.

Die Sensoren erlauben eine Inbetriebnahme ohne Programmieraufwand sowie die Parametrierung direkt am Gerät. Serie VIM3 bietet zusätzlich optional eine IO-Link-Schnittstelle und die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Messwerte für eine nachhaltige Zustandsüberwachung zu erheben. Neben der gemittelten Schwingbeschleunigung (g rms) können auch Spitzenwerte (g peak), der Lagerzustandskennwert zur direkten Beurteilung von Kugellagern sowie die Temperatur ausgegeben werden. Zur bestmöglichen Anpassung an die jeweilige Applikation Bietet der Sensor eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten – zum Beispiel ein einstellbares Schaltsignal, das parallel zur IO-Link-Kommunikation eingerichtet werden kann, um unmittelbar einen definierten Wartungseinsatz auszulösen. Mit einem zusätzlich implementierten Zähler oder einer Betriebszeitmessung lässt sich festlegen, wie lange eine Maschine einen kritischen Schwingungswert überschreiten darf, bevor ein Folgeschritt ausgelöst wird. Zugleich wird die Kapazität der Steuerungsebene geschont, da das Gerät die nötigen Rechenschritte selbst durchführt.

Das IO-Link-Gerät erlaubt damit eine an präzise definierten Parametern ausgerichtete zustandsabhängige Wartung der Maschine, die gegenüber der zyklischen Wartung zu beträchtlichen Einsparungen führen kann. So können Instandhaltungsmaßnahmen nach tatsächlichem Bedarf geplant werden. Gleichzeitig entfallen weitere Anpassungen, da die passende Trigger-Einstellung zur Wartung direkt im Sensor vorgenommen werden kann.

 

Der Autor Markus Egerer ist Produktmanager Schwingungssensoren bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.


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