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Schwingungssensor gibt Auskunft

22. Juni 2022, 18:41 Uhr | Markus Egerer

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 Schwingungssensoren 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

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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.