Maschinenzustände zu erfassen, ist im Hinblick auf die Reduzierung von ungeplanten Stillstandzeiten und den damit verbundenen Ausfallkosten wichtig. Mit einem intelligenten Frühwarnsystem kann die Wahrscheinlichkeit eines unerwarteten Maschinenausfalls drastisch reduziert werden. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht auch eine bessere Planung von Wartungsarbeiten. Condition-Monitoring- Systeme (CMS) ermöglichen diese zustandsorientierte Wartung mithilfe präziser Messtechnik und mathematischer Algorithmen.

Klassisches Condition-Monitoring ist meist kostspielig, da solche Systeme eine eigene Hard- und Software sowie ein eigenes Bussystem und spezielle I/Os benötigen. Wesentlich günstiger ist es, das CMS in Form einer Condition- Monitoring-Bibliothek in eine PC-basierte Steuerung zu integrieren und die vorhandene Ethercat-Infrastruktur für die Sensoranbindung zu nutzen.

Über Funktionsbausteine können die verschiedenen Analyseverfahren in das Steuerungsprogramm eingebunden werden.

Ethercat als Messtechnik-Bus

Das ethernetbasierte Bussystem hat sich in der Messtechnik etabliert und wird von vielen Endanwendern zum Beispiel in der Prüfstandstechnik eingesetzt. Neben der Firma Beckhoff unterstützen andere Hersteller von Mess- und Prüftechnikkomponenten Ethercat. Als Grund nennen diese meist an erster Stelle dessen Performance. Verantwortlich dafür ist das Funktionsprinzip von Ethercat, das Nutzdatenraten von weit über 90 % mit Voll-Duplex-Fast-Ethernet und Buszykluszeiten von 100 μs ermöglicht. In Verbindung mit dem Oversampling - dem Zwischenspeichern von Werten direkt im Slave - lassen sich Abtastraten weit über den eigentlichen Bustakt hinaus steigern: Die digitalen Eingangsklemmen EL1262 können beispielsweise Signale mit bis zu 1 Mio Samples/s abtasten. Die Ethercat-Klemme EL3702 erfasst Analogsignale mit 16 Bit Auflösung und bis zu 100 kHz.

Verteilte Uhren in den Ethercat- Slaves (distributed Clocks) sorgen für eine netzwerkweit zeitlich synchronisierte Messwert-Erfassung. Der Jitter liegt dabei deutlich unter 1 μs, meist sogar unter 100 ns. Die Zeitstempel für die Eingangs- und Ausgangsdaten der Ethercat-Timestamp-Klemmen haben die gleiche Genauigkeit beziehungsweise Auflösung. Eingangsklemmen des Typs EL1252 können somit steigende oder fallende Flanken exakt erfassen. Ebenso kann die Ausgangsklemme EL2252 den Schaltzeitpunkt eines Ausgangs genau vorgeben.

Condition-Monitoring per PC-Steuerung

Das Spektrum an hochpräzisen und schnellen Eingangsklemmen hat die Firma Beckhoff im Rahmen des Scientific-Automation-Konzepts mit der Condition-Monitoring-Klemme EL3632 ergänzt. Die zweikanalige Klemme unterstützt Beschleunigungsaufnehmer (Piezo-Schwingungssensoren) mit IEPE-Schnittstelle (Integrated Electronics Piezo Electric) und tastet die Signale mit bis zu 50 kSamples/s ab. Die Auswertung der Daten erfolgt mittels der „Twincat-Condition-Monitoring- Bibliothek" direkt in der Twincat-Steuerung einer Maschine.

Separate Condition-Monitoring-Systeme können den Zustand hochdynamischer Maschinen und Anlagen nicht vollständig aufzeichnen. Beispielsweise lassen sich die Einflüsse von schnell wechselnden Werkstoffen in einer Holzbearbeitungsmaschine nur sehr schwer analysieren: Der Zeitverlust aufgrund der aufwendigen Querkommunikation zwischen Maschinensteuerung und CMS ist zu groß. Neben der Kostenreduzierung ist diese Tatsache einer der Hauptgründe, weshalb das Condition-Monitoring generell in die zentrale Steuerung integriert werden sollte.

Mithilfe mathematischer Algorithmen kann die Condition-Monitoring-Bibliothek den Zustand einer Maschine exakt erfassen und bewerten. Als Baukasten konzipiert, können Anwender je nach Applikationshintergrund auf die drei Hauptfelder Analyse, Statistik und Klassifikation zugreifen.

Der Bereich Analyse stellt Funktionen zur Verfügung wie Fast-Fourier-Transformationen, verschiedene Fensterfunktionen, digitale Filter, die Hilbert-Einhüllende oder das Leistungs-Cepstrum (Glättung von Spektren). Die Ergebnisse können mittels Analyse von Standardabweichung, Kurtosis, der Perzentile (Streuungsmaß) oder durch den Crest-Faktor statistisch ausgewertet werden. Für die Klassifikation der Messwerte wurden weitere Algorithmen implementiert, beispielsweise zur Anpassung und Überwachung von Grenzwerten und Verfahren zur automatischen Muster-Erkennung.

Aufgenommene Rohdaten werden auf Basis verschiedener Schnittstellen über den Echtzeitkern von Twincat zur Bibliothek kommuniziert. Dies erlaubt neben der Offline- eine performante Online-Analyse. Die Algorithmen lassen sich zum einen über IEC-61131-3- konforme Funktionsbausteine ansprechen; zum anderen steht eine C++-API (Application Programming Interface) zur Verfügung, um die Rohdaten der Klemmen auszuwerten. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit der interaktiven Programmierung, Terme können an eine Eingabemaske übergeben und die Ergebnisse der Berechnung sofort betrachtet werden.

Außerdem kann die C++-API dazu genutzt werden, komplexe Abläufe zunächst außerhalb der SPS zu testen. Dazu werden die Daten mithilfe eines Datenloggers, welcher Bestandteil des Software-Scopes von Beckhoff ist, aufgenommen und an die C++-Applikation weitergereicht. Das Twincat Scope 2 bietet darüber hinaus als Stand-alone-Tool eine ideale Oberfläche zur Datensammlung und Signalanalyse und kann die Signalverläufe mehrerer im Feld verteilter Systeme gleichzeitig darstellen. In Zukunft wird auch dieses Tool eine Schnittstelle zur Condition-Monitoring-Bibliothek bereitstellen. Darüber lassen sich während der Inbetriebnahme einer Maschine schnell Frequenzspektren darstellen, ohne zuvor eine Applikation erstellen zu müssen. Unabhängig davon, ob in C++ oder mit Funktionsbausteinen in der SPS programmiert oder per Twincat Scope 2 eine zu parametrierende Lösung eingesetzt wird, wichtig sind die auf den Anwendungsfall zugeschnittenen Analysekonzepte.

Einsatzbeispiel: Wälzlager-Überwachung

Ein beginnender Lagerschaden lässt sich im Frequenzspektrum identifizieren und beispielsweise über den Crest-Faktor als einfaches Diagnose-Signal (links) quantfizieren.

Die Dokumentation der Condition-Monitoring- Bibliothek enthält einige Analysekonzepte, um auch unerfahrenen Anwendern den Einstieg in die Zustandsüberwachung zu erleichtern. Ein häufiges Szenario ist die Überwachung von Wälzlagern, die zu den am stärksten belasteten Maschinenelementen gehören. Typische Schadensbilder sind ein starker Verschleiß der Innen- und Außenring- Laufflächen sowie Schäden an den Wälzkörpern. Als Schadensursache werden häufig Material-Ermüdung, fehlerhafte Schmierung, Korrosion, Verschmutzung, ungenaue Ausrichtung und zu hohe Belastung festgestellt. Mithilfe der Schwingungsmessklemme EL3632, Ethercat als schnellen Messtechnik-Bus und der auf unterschiedlichen PC-Plattformen skalierbaren Softwarebibliothek lassen sich diese Fehlerbilder rechtzeitig identifizieren und somit eine hohe Maschinenverfügbarkeit und eine effiziente Maschinenwartung sicherstellen. Für die Wälzlager-Überwachung sind drei Algorithmen besonders geeignet: der Crest-Faktor, die Kurtosis und das Einhüllenden-Spektrum.

Auf dem Gebiet der Statistik sind der Crest-Faktor und die Kurtosis von Bedeutung. Ersterer gibt den sogenannten Scheitelfaktor im Schwingungssignal an. Konkret berechnet das Tool das Verhältnis zwischen Maximal-Amplitude und der effektiv gemessenen, mittleren Schwingungs-Amplitude. Ein Anstieg des Crest-Faktors deutet mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen beginnenden Lagerschaden. Der Scheitelfaktor ist eine einfach zu interpretierende Größe und eignet sich zur Trendanalyse. Nachteilig ist, dass der Crest-Faktor abhängig vom Schwingungsmaximum ist und somit im statistischen Sinne keine robuste Größe darstellt. Deutlich robuster zeigt sich die Kurtosis (Wölbung einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion), da diese ein gewichtetes Verhältnis zwischen den extremen Abweichungen - vom Mittelwert einer Verteilung und der mittleren Schwankungsbreite der Schwingungsamplitude - angibt. Somit ist sie von einzelnen Maximalwerten (Ausreißern) unabhängig. Je größer der Kurtosis-Wert, desto spitzer die Verteilung. Dies deutet wiederum auf einen Schaden hin.

Im Gegensatz zu Kurtosis und Crest- Faktor stammt das Einhüllenden-Spektrum aus dem Bereich der Schwingungsanalyse. Die Berechnung ist zwar komplexer, jedoch lassen sich anhand des Spektrums sogar einzelne defekte Wälzlagerelemente identifizieren. Die Erkennung beruht auf der Auswertung von impulsförmigen Stößen, die von beschädigten Kontaktflächen verursacht werden. An rotierenden Teilen entstehen die Stoßimpulse periodisch. Die Rotationsgeschwindigkeit und die Geometrie der Elemente des Wälzlagers bestimmen die Stoßimpuls-Periode. Im Spektrum wird gezielt nach solchen wiederkehrenden Spektral-Linien gesucht, die das defekte Teil identifizieren.

Für die weitere Auswertung der statistischen Größen, Crest-Faktor und Kurtosis, stellt die Condition-Monitoring- Bibliothek Funktionen und Algorithmen zur Verfügung, um Grenzwerte zu definieren oder zur Klassifikation der Mess-Ergebnisse. Verschiedene Warnund Alarmstufen können für unterschiedliche Maschinenelemente gesetzt und überwacht werden. Beispielsweise lassen sich übersichtlich „Ampel-Lösungen" realisieren, mit der Bediener den Zustand von Maschinen mühelos interpretieren können. Ebenso sind komplexe Analysen mit einer Detektion der Schadensursachen realisierbar.

Beide Varianten ermöglichen die Anpassung der Wartungsintervalle an den Produktionsplan. Generell bietet ein gutes Überwachungskonzept die Möglichkeit, einzelne, häufig betroffene Elemente zu identifizieren sowie Schäden früh zu erkennen und Rückschlüsse auf deren Ursache zu ziehen. Die so gewonnenen Erfahrungen können direkt in die Konstruktion der nächsten Maschinengeneration einfließen.

Autoren:

Pascal Dresselhaus ist Produktmanager Twincat bei der Beckhoff in Verl

Michael Jost ist Produktmanager Ethercat bei Beckhoff