Die Grade der Integration von Steuerung und CMS: stand-alone CMS (links), Steuerung und CMS im Zusammenspiel (Mitte) sowie integriertes CMS (rechts).

Als Reaktion auf diese Erkenntnisse hat Bachmann Electronic ein Konzept entwickelt, welches die Messdatenerfassung für Condition Monitoring voll in das Steuerungssystem integriert. Integriert steht dabei nicht nur für „auf derselben Backplane“, sondern meint insbesondere, dass entsprechende Auswertungen auch auf die gesamte Signalpalette der Basis-Automatisierung Zugriff haben.

Hardware-Grundlage der Lösung ist eine Baugruppe im Formfaktor der M1-Steuerungsplattform von Bachmann, welche den Anschluss von bis zu neun Piezo-Beschleunigungssensoren über die ICP-Schnittstelle (für Vibrationsmessungen übliche Analogschnittstelle) ermöglicht. Um weitere physikalische Größen wie Kräfte, Ströme oder Leistungen in die synchrone Abtastung einbeziehen zu können, bietet das Modul zusätzlich drei Kanäle für das ±10-V-Einheitssignal. Alle zwölf Analog-Eingänge erlauben die Abtastung mit bis zu 50 kSamples/s, wobei die Messdaten direkt per Hardware in einen lokalen Speicher übertragen werden. Um insbesondere bei Spektral-Auswertungen zu einer drehzahl-unabhängigen Ordnungsanalyse übergehen zu können, ist auf der Baugruppe bereits eine Lage-Erfassung integriert. Über einen Inkrementalgeber-Eingang oder alternativ zwei digitale Initiatorsignale werden Position respektive Drehwinkel ermittelt.

Condition-Monitoring im Kompaktformat: Das Messmodul für die M1-Industriesteuerung verfügt über zwölf Analog-Eingänge, die jeweils die Abtastung mit bis zu 50 kSamples/s ermöglichen.

Die Auswertung der Daten übernimmt eine Standard-CPU des M1-Systems. Dies erlaubt unmittelbar die Nutzung der umfangreichen Kommunikationsmöglichkeiten über Feldbusse wie CAN, Profinet, Devicenet, Modbus oder Ethernet sowie der lokalen Festspeicher wie PC-Card und Compact-Flash. Bei gemeinsamem Betrieb von Betriebsführung und CM-System auf einer Steuerung läuft das CM-System mit geringerer Ausführungspriorität (Multitasking). Das heißt: Die Echtzeit-Steuerung erhält voll die benötigte CPU-Zeit und das CM-System nutzt die „freien“ Zeiten dazwischen. Ergo gilt: Je schneller die CPU, desto mehr Messzyklen je Zeiteinheit können durchgerechnet werden. Eine permanente Online-Überwachung ist ohnedies nur für Maximal-Amplituden oder einfache Mittelwertbildungen zielführend. Die aufwendigen Algorithmen zum Aufspüren von beginnenden Schadstellen benötigen oft die Korrelation mit Referenzdaten, welche nur in einigen wenigen Lastzuständen verglichen werden können. Das heißt: Nach jedem hochauflösenden Messzyklus wird zuerst geprüft, ob die Anlage in einem der Referenzzustände war, und nur dann wird die volle Auswertung durchgezogen.

Über den Daumen lässt sich abschätzen, dass in punkto Rechenleistung mindestens eine CPU der „Pentium“-Klasse mit mindestens 100 MHz Taktfrequenz gewählt werden sollte, da die zu verarbeitenden Rechenmodelle durchaus anspruchsvoll sind und übliche Embedded-Mikrocontroller damit schnell überfordert wären. Normalerweise würde man mit Blick auf die notwendigen Rechenoperationen eher zu DSPs greifen – diese sind aber wiederum für allgemeine Steuerungsanwendungen wenig komfortabel einsetzbar und erfordern unter anderem eine aufwendige Programmierung. Im Detail hängt die erforderliche Leistung von der Komplexität der gerechneten Modelle (SW-abhängig), der geforderten Anzahl von Mess-/Berechnungsdurchläufen je Zeiteinheit und der Parallelbelastung durch die Steuerungsaufgaben ab. Manche Anwendungen erfordern aus versicherungstechnischen Gründen einen getrennten Aufbau von CM-Systemen und den normalen Alarmierungs- und Steuerfunktionen – dann lassen sich auch langsamere CPUs einsetzen.

Bestehendes Know-how bleibt erhalten

Der Wegfall von Spezialhardware und die damit einhergehende Kostenersparnis ist nur einer der Vorteile des neuen CM-Ansatzes. Ein weiterer besteht darin, dass hier die Möglichkeit der individuellen Gestaltung der Analysesoftware gegeben ist, statt die Auswertungen in ein festes Korsett zu zwängen. Zum einen sind die Kanalwerte direkt im Zyklus der Steuerungsanwendung verfügbar, zum anderen besteht Zugriff auf die konsistent abgetasteten, hochauflösenden Zeitreihen. Durch die freie Programmierbarkeit der Steuerung in IEC 61131, C, C++ oder Matlab/Simulink stehen dem Systemintegrator oder Maschinenbauer alle Möglichkeiten zur Auswahl, und aufgrund des offenen CPU-Konzepts basierend auf x86-kompatiblen-Prozessoren und VxWorks als Echtzeit-Betriebssystem sind nahezu beliebige Portierungen von bestehenden Analyse-Systemen möglich. Umgekehrt ist die Rückführung von Analyse-Resultaten in die eigentliche Automatisierung nicht von einer konfigurations-intensiven Fremdschnittstelle abhängig. Dies ist speziell vor dem Hintergrund relevant, dass die Maschinenbauer und Komponentenlieferanten aufgrund langjähriger Service-Praxis oft selbst ausgezeichnetes Know-how im Condition Monitoring erworben haben und auch zahlreiche spezialisierte Software-Unternehmen in diesem Umfeld ihre Dienste anbieten.

Um die Realisierungszeit der CMS-Applikation durch den Anwender zu verkürzen, ist derzeit der Ausbau der Matlab/Simulink-Ankopplung im Gange. Das bedeutet: Künftig werden frame-basierte Auswerte-Funktionen, wie sie im „Signal Processing Blockset“ von The Mathworks vorhanden sind, besonders unterstützt und in die Version 1.20 von „M-Target for Simulink“ aus dem Hause Bachmann einfließen.

In Summe lässt sich festhalten: Die Realisierung von Condition Monitoring als integraler Bestandteil der Basis-Automatisierung spart einerseits Kosten für zusätzliche Hard- und Software. Andererseits lassen sich damit Erfahrungswerte von Konstrukteuren, Servicepersonal und Theoretikern komplexer Kinematik direkt in einem System abbilden – und zwar skalierbar von der einfachen Schwellwert-Überwachung bis hin zur konsistenten Multi-Kanal-Ordnungsanalyse. Rohdaten und End-Ergebnisse im direkten Zugriff gestatten nicht zuletzt eine system-übergreifende Betrachtung und erhöhen die Transparenz unabhängig vom Mechanik-Zulieferer.

Autor

Matthias Schagginger ist Senior Manager im Bereich Produkt-Management bei Bachmann Electronic.