Condition-Monitoring-Systeme und deren Komponenten tragen zum effizienten und störungsfreien Betrieb industriell genutzter Maschinen und Anlagen bei. Dazu stellen Überwachungsgeräte wie Schwingungs-, Temperatur-, Druck- und Füllstandsensoren aussagekräftige Daten über den Anlagenzustand zur Verfügung und liefern so wertvolle Informationen für die Maschinen-Instandhaltung. Mit solchen Zustandsüberwachungs-systemen lassen sich somit Veränderungen, wie etwa der Verschleiß einzelner Komponenten, schneller erkennen und Wartungsarbeiten besser koordinieren. Letztlich kann der Ausfall einzelner Komponenten in komplexen Applikationen – ob Förderbänder, Industrieroboter, Hydraulikaggregate, Motoren, Pumpen oder Luftsysteme – zum Stillstand der gesamten Anlage führen. Daher ist es sinnvoll, an jeder Komponente verschiedene Indikatoren zur Zustandsüberwachung einzusetzen.

Die Schwingungsüberwachung beispielsweise ist für rotierende Maschinen, Anlagen und Einzelteile essentiell, denn Schwingungen sind ein typisches Zeichen für zunehmenden Verschleiß, der letztlich zu Schäden und damit zum Ausfall führt. Ein wichtiger Indikator zur Überprüfung ordnungsgemäßer Maschinenfunktionen ist die Temperatur: Um die Kontakttemperatur an kritischen Komponenten wie Spindeln, Lagern oder Motoren, aber auch die Temperaturen von Flüssigkeiten zu messen, werden daher Sensoren an den entsprechenden Stellen angebracht. Ein solcher Sensor ist der Condition-Monitoring-Sensor ‚BCM‘ von Balluff, der physikalische Größen wie Vibration, Temperatur, Feuchte und Umgebungsdruck erfasst, verarbeitet und die Daten via IO-Link an ein übergeordnetes System überträgt. Zusätzlich kann er auch seinen eigenen Status erkennen und mitteilen. Dieser Sensor ist nun in zweiter Generation verfügbar.

Von der ersten zur zweiten Generation

Der Condition Monitoring-Sensor ‚BCM Gen 2‘ von Balluff.

© Balluff

Bei der zweiten Generation handelt es sich weniger um ein Update als vielmehr um ein Upgrade: Äußerlich wurden das rechteckige Design der ersten Generation, das Kabel mit M12-Stecker sowie die Kommunikation via I/O-Link übernommen. Neu ist die zentrale Befestigungsschraube, die es mittels Adapter ermöglicht, den Sensor an praktisch jede metallische Oberfläche zu befestigen. Das Innenleben besteht aus einem neuen Beschleunigungssensor, einem Temperatursensor sowie weiterentwickelter Elektronik und Software. Dabei wurde der Messbereich des internen Schwingungsaufnehmers von 2,5 auf bis zu 6 kHz erweitert und die Sensitivität verbessert. Die Maschinenschwingungen werden in drei Achsen simultan aufgenommen, wobei die Achsrichtungen denen der Kanten des Sensorgehäuses entsprechen. Der erweiterte Messbereich ermöglicht es nun, höherfrequente Phänomene zu überwachen – zum Beispiel Überrollungen von Pittings in Wälzlagerlaufbahnen und an Getriebeverzahnungen.

Toolkit für einfache Handhabung

Für die Zustandsüberwachung von Wälzlagern und Getrieben sind aufwendige Rechenoperationen notwendig, die Balluff direkt auf dem Sensor mitliefert. Dort werden die Amplitudenspektren mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation sowie die Hüllkurvenspektren berechnet. Zur Ermittlung der relevanten und zu überwachenden Schadensfrequenzen gibt es das ‚Condition Monitoring Toolkit CMTK‘. Dieses Toolkit besteht hauptsächlich aus einer Base Unit, an die maximal vier beliebige I/O-Link-Sensoren angeschlossen werden können, darunter zum Beispiel ‚BCM Gen 2‘-Sensoren, und dem ‚BCM Config Assistant‘. Die Base Unit lässt sich um einen IO-Link Master mit acht Ports erweitern, sodass sich insgesamt zwölf Sensoren einbinden lassen. Damit erhalten Anwender eine einfach zu handhabende Plug-and-play-Lösung, die den ‚BCM Gen 2‘-Sensor für ihren Antrieb konfigurieren oder bei Bedarf ihr Condition-Monitoring-System selbst aufbauen können. IT-Kenntnisse sind hierzu nicht erforderlich. Für die Installation werden die Sensoren an die Base Unit montiert und diese per Ethernet-LAN-Kabel mit dem Netzwerk verbunden. Anschließend ist nur noch mit der IP-Adresse die Benutzeroberfläche beziehungsweise der ‚BCM Config Assistant‘ des Sensors aufzurufen.

Dieser Assistent ermöglicht es Anwendern intuitiv, eine professionelle Zustandsüberwachung für Standardantriebe zu realisieren, ohne dass er Experte auf dem Gebiet der Schwingungsanalyse sein muss. Die häufigsten Anwendungen – Elektromotor, Pumpe, Lüfter oder Kompressor – sind bereits angelegt. Für jede Komponente dieser Antriebe beziehungsweise Aggregate können die typischen Überwachungsfunktionen ausgewählt werden, zum Beispiel bei einer Pumpe Lagerschaden und Temperatur oder eine Überwachung nach ISO-Standard.

Zustandsüberwachung von Wälzlagern

Frequenzspektrum und Frequenzband eines Kugellagers mit detektierter Amplitude.

© Balluff

Neu implementiert wurde die Lagerüberwachung, für die eine Datenbank für genormte Wälzlager mit rund 160.000 Lagertypen unterschiedlicher Hersteller integriert wurde. Damit entfällt in den meisten Fällen die manuelle Eingabe geometrischer Lagerdaten oder die mühsame Suche nach den Lagerfrequenzen bei den jeweiligen Herstellern. Möglich ist diese allerdings ebenso – wobei sie hauptsächlich bei Sonder- und Zeichnungslagern zum Einsatz kommen dürfte.

Nach der Auswahl des Wälzlagers werden bereits die berechneten Frequenzbänder für Innenring, Außenring und Wälzkörper angezeigt, innerhalb derer die Schädigungen auftreten werden. Im Betrieb berechnet der ‚BCM Gen 2‘-Sensor aus den Beschleunigungssignalen das Frequenzspektrum und filtert anschließend innerhalb der überwachten Frequenzbänder die Spitzenwerte heraus. Eine Alarmierung erfolgt, sobald die Amplitude die Werte für einen Voralarm und den (Haupt-)Alarm überschritten hat. Schädigungen lassen sich so zielsicher und frühzeitig erkennen, lange bevor der Schaden soweit fortgeschritten ist, dass die Maschine hör- und spürbar einen Schaden hat. Die Signalvorverarbeitung beziehungsweise -analyse auf dem Sensor reduziert die übertragene Datenmenge: Aus 20 Gbyte Rohdaten pro Sensor und Tag werden so wenige Mbyte an Daten. Für jede Komponente und jedes potenzielle Schadensbild wird im Konfigurator eine Überwachungsfunktion definiert; der daraus generierte Parametersatz wird schließlich auf den Sensor übertragen.

Die Drehzahl als wichtiges Signal

Die Lagerfrequenzen hängen direkt von der aktuellen Drehzahl ab. Der Condition-Monitoring-Sensor muss die aktuelle Drehzahl kennen, um die Frequenzbänder richtig berechnen und somit die Bänder dynamisch mit der Drehzahl verschieben zu können. Im Konfigurator bietet Balluff drei Möglichkeiten an, dem Sensor die Drehzahl zu übermitteln:

Konstante Drehzahl

• Das variable Drehzahlsignal, das bereits in der Maschinensteuerung vorliegt (etwa von einem Drehgeber), wird über den Feldbus an einen IO-Link Master übertragen, der dieses Signal dann über die zyklische IO-Link-Kommunikation in den Sensor transferiert.
• Variables Drehzahlsignal von einem zweiten, applizierten Sensor. Dieser zweite induktive oder optoelektronische Sensor nimmt zum Beispiel an der Klauenkupplung, einer Zahnriemenscheibe, einem Zahnrad oder an einer verzahnten Welle oder Scheibe ein Signal auf, das mit der zu überwachenden Drehzahl korrespondiert. Das binäre Signal wird über einen Y-Verbinder direkt in den Condition-Monitoring-Sensor übertragen. Damit dieser die entsprechende Drehzahl errechnen kann, sind im Konfigurator zuvor die Pulse des Aufnehmers pro Umdrehung anzugeben. Diese Lösung bietet sich vor allem bei Endkunden an, die nicht in die bestehende Steuerung einer laufenden Anlage eingreifen möchten.

Die Adapterlösung

Sollte kein M5-Gewinde an der gewünschten Messstelle vorhanden sein, um den Condition-Monitoring-Sensor direkt zu befestigen, gibt es folgende Möglichkeiten:

• Einen magnetischen Halter für die temporäre Befestigung, zum Beispiel um Daten und Erfahrung zu sammeln.
• Ein Einschraubadapter von M5 auf M6, 8, 10 und 12.
• Einen Klebeadapter, der auf einer Seite über das M5-Gewinde für den Sensor verfügt, während der Adapter auf der gegenüberliegenden Seite mit Zweikomponenten-Kleber fixiert wird. Sollte das überwachte Bauteil defekt sein, geht nur der Adapter verloren, nicht aber der Sensor.
• Ein Kühlrippenadapter zur Montage zwischen Kühlrippen. Wichtig ist hierbei, dass der Adapter mit seiner Spitze metallischen Kontakt zum Gehäuse hat. Der verbliebene Spalt wird mit Klebstoff gefüllt und der Adapter damit fixiert. Diese Variante wird verwendet, wenn weder eine geeignete Fläche noch ein Gewinde vorhanden sind.

Anwender mit einer selbst entwickelten Automations- und Condition-Monitoring-Lösung können den ‚BCM Gen 2‘ also als Sensor mit Datenvorverarbeitung nutzen und ihr Domain-Know-how in die Gesamtlösung einbringen. Unternehmen, die ein Condition-Monitoring-System als Stand-alone-Lösung suchen und nicht in die vorhandene Automation eingreifen möchten, können das Toolkit mit Sensor nutzen und mit dessen Hilfe die Daten speichern und visualisieren.

Christian Seyfried, Balluff

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Der Autor Christian Seyfried ist Produktmanager bei Balluff in Neuhausen a.d.F.