Windkraft Condition Monitoring. Condition Monitoring Systeme (CMS) in Windkraftanlagen CMS. Autoren: Martin Kluge Michael Danitschek

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1 Systeme (CMS) in Windkraftanlagen CMS Autoren: Martin Kluge Michael Danitschek update: page 1

2 Systeme in Windkraftanlagen Kernziele: Permanenter Anlagenschutz Reduzierung der Instandhaltungskosten CMS Verfügbarkeitssteigerung durch permanente Online-Überwachung Planbarkeit der Instandsetzung Ursachenanalyse durch Dokumentation von Schadensereignissen Vermeidung von ungeplanten Produktionsausfällen Zustandsorientierte Instandhaltung gemäß DIN Grundlagen der Instandhaltung = Zustandsüberwachung update: page 2

3 Überwachungsmöglichkeiten an Windkraftanlagen Rotorblätter (Sicherheit) Antriebsstrang (Diagnose) Motoren u. Pumpen (Diagnose) Turmschwingungen (Sicherheit) update: page 3

4 Ausfallmöglichkeiten an einer Windkraftanlage Angaben des Versicherers Germanischer Lloyd Mechanische Komponente Hauptgetriebe Generator Hauptlager Ausfälle in Prozent 32 % 23 % 11 % Rotorblätter * <10% *Resonanzen der Blätter führen zu Ausfällen durch Ermüdung update: page 4

5 Einsparpotentiale am Beispiel eines Getriebes einer Windkraftanlage Kostenfaktoren eines Getriebes: Ein neues Getriebe kostet ca Die Lieferzeit eines neuen Getriebes beträgt ca. 6 Monate Zum Austausch des Getriebes wird ein Mobilkran mit folgenden Kosten benötigt Transport des Kranes zur Anlage: ca Tägliche Nutzungskosten: Kostenvorteile durch den Einsatz von Systemen: Schäden können frühzeitig erkannt werden Reparaturkosten sind deutlich geringer als Austauschkosten Reparaturen können im frühzeitigen Stadium in der Gondel durchgeführt werden update: page 5

6 Einsatzmöglichkeiten von Systemen Rotor Ermüdung, Rissbildung Fehler der Blattverstellung Beschädigungen (z.b. durch Blitzschlag) Getriebe Abnutzung, Bruch von Zähnen Versatz, Exzentrizität von Zahnrädern Generator/Netzkopplung Wicklungsschäden Läuferunsymmetrien, Stabbruch Überhitzung Lager, Wellen Abnutzung, Defekt von Lagerschalen und Wälzkörpern Ermüdung, Rissbildung in Wellen Turmschwingungen Anlagenverhalten Umwelteinflüsse Rissbildung, Ermüdung Gondelverstellung Fehler der Windrichtungsnachführung Überwachung der Gleitlager update: page 6

7 Grundlegende Vorteile des Systems efector octavis Permanenter Schutz von Windkraftanlagen Detaillierte Diagnose von Rotor, Getriebe, Generator und weiteren Anlagenteilen Ursachenanalyse durch Dokumentation von Schadensereignissen Trendaufzeichnung (Route cause analysis, Crash Recorder) FFT Recorder (FFT: Schnelle Fourier-Transformation) Frequenzanalyse u. -auswertung update: page 7

8 Technische Möglichkeiten der Produktreihe efector octavis Verschleiß-/Zustandsüberwachung in Echtzeit und Historie (Langzeitdiagnose, Trendspeicher / Ringspeicher mit frei einstellbaren Zeitintervallen) Frequenzselektive Diagnose der Schadensobjekte nach folgenden Methoden: - Schnelle Fouriertransformation / FFT (für z.b. Unwucht, Zahneingriffsfrequenz, Getriebe) - Hüllkurvenanalyse / HFFT (für z.b. Lagerzustand, Seitenbandanalyse) Breitbandige Überwachung von allgemeinen Schwingkenngrößen (nach DIN ISO 10816) Instandhaltungsmeldung als digitale Alarmsignale oder Datenübergabe an übergeordnete Systeme (OPC, Visualisierungen, SCADA) Schnelle Fouriertransformation update: page 8

9 Die digitalen Alarmsignale von efector octavis: Schäden Abschaltzeiten von bis zu 10 ms werden realisiert! Hauptalarm Normalbereich - OK Voralarm Arbeitszyklus update: page 9

10 Technische Vorteile des Systems efector octavis ifm electronic Wettbewerb Online Diagnose efector octavis Diagnose-Kennwerte mit FFT-Analyse a a Diagnose-Kennwerte mit Hüllkurvenanalyse (HFFT) a a Bis zu 7 (VE) bzw. 24 (VSE) Kenngrößen parallel überwachbar a r Kennwerte im Zeitbereich (Echtzeitdiagnose) a a DIN-ISO Kennwerte (Echtzeitdiagnose) a a Berücksichtigung der Prozessbedingungen bei Diagnose a a Berücksichtigung der Prozessbedingungen bei Alarmierung a a Maschinenschutz Alarmierung direkt an PLC (ohne PC Software) a a Differenzierte Alarmierung an PLC a r Echtzeitdatenerfassung a r Trendaufzeichnung Interne Datenaufzeichnung mit Zeitstempel a r Offene Daten-Schnittstelle (z.b. für Visualisierung und Datenbänke) a r FFT: Schnelle Fourier-Transformation Prozessbedingungen: z.b. Leistung und Drehzahl a r r ja teilweise nein update: page 10

11 Schwingungssensoren VSA mit erweiterter Diagnoseelektronik VSE1xx Produktmerkmale: Ethernetschnittstelle / OPC-Schnittstelle Auswertung von bis zu 4 Schwingungssensoren ( ma) je Diagnoseelektronik möglich Pegelüberwachung nach DIN ISO Bis zu 24 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 80 Einzelfrequenzen Interner Historienspeicher bis zu Einträge inklusive Zeitstempel (Echtzeituhr) 2x statische Eingänge 0/ ma / V oder Impuls 24 V für Prozessgrößen (z.b. Last und Drehzahl) 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 ma) oder 1x digitaler Alarm-Ausgang + 1x analoger Ausgang 0/ ma / V 8x digitale Aus-/Eingänge (frei konfigurierbar) (PNP 100 ma) als Trigger- oder Alarmsignale update: page 11

12 Schwingungssensoren VSA mit getrennter Diagnoseelektronik VSE0xx Produktmerkmale: Ethernetschnittstelle / OPC-Schnittstelle Auswertung von bis zu 4 Schwingungssensoren ( ma) je Diagnoseelektronik möglich Pegelüberwachung nach DIN ISO Bis zu 24 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 80 Einzelfrequenzen Interner Historienspeicher bis zu Einträge inklusive Zeitstempel (Echtzeituhr) 2x statische Eingänge 0/ ma oder Impuls 24 V für Prozessgrößen (z.b. Last und Drehzahl) 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 ma) oder 1x digitaler Alarm-Ausgang + 1x analoger Ausgang 0/ ma / V Einsatz von Schwingungssensoren Typ VSA001 bis +125 C update: page 12

13 Kompakte Schwingungsdiagnosegeräte Typ VE Produktmerkmale: Sensor und Diagnoseelektronik in einem Gehäuse (kein Schaltschrank erforderlich!) LED-Anzeige am Gerät Pegelüberwachung nach DIN ISO Bis zu 5 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 20 Einzelfrequenzen Historienspeicher/Trendverlauf im Sensor (bis zu Werte oder Stunden je Objekt) 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 ma) Datenübertragung von Diagnosedaten optional auch über lange Distanzen (RS485 / Profibus DP über Gateway) Als mobiles Messsystem einsetzbar (Analyzer) In ATEX 2D/2G erhältlich update: page 13

14 Kompakte Schwingungsdiagnosegeräte Typ VK Produktmerkmale: Kompakter Schwingungswächter mit Transmitter- und Schaltausgang Für permanenten Maschinenschutz Permanente Schwingungsüberwachung nach DIN ISO Schaltausgang mit einstellbarem Schaltpunkt und Ansprechverzögerung (PNP 500 ma) Analogausgangssignal ma (4 ma = 0 mm/s; 20 ma = 25 mm/s) für die direkte Anzeige am Leitstand LED-Anzeige am Gerät Einfache Einstellung über zwei optimal ablesbare Stellringe update: page 14

15 Datenübertragung der Online-Schwingungsdiagnose Typ VSE Leit- und Planungsebene Enterprise Resource Planning System Real Time Maintenance-Projektierung Optionale Datenerfassung Router / Switch Datenserver mit OPC-Server und Visualisierung CMS Systeme Parametrierung Diagnoseelektronik VSExxx WKA-Steuerung SPS Diagnoseelektronik VSExxx Parametrierung Binäre u. analoge Alarmsignale Binäre u. analoge Alarmsignale Analoges Lastsignal Analoges Lastsignal Weitere Eingangssignale Analoges Drehzahlsignal Temperatursensor Schwingungssensoren VSAxxx Induktiver Sensor zur Drehzahlüberwachung Schwingungssensoren VSAxxx update: page 15

16 in Windparks über Ethernet/OPC-Schnittstelle Serviceunternehmen für Wartung und Instandhaltung SCADA-System (Leitsystem) Windparkbetreiber Anbindung per OPC-Server E30114 Router / Switch Info zu Prozessorleistung: Die Aufnahme 1 Wertes per OPC mit der Abtastrate 1s benötigt 1 MHz Prozessorleistung. Beispiel: 2,4 GHz = 2400 Werte. Info zu OPC-Server: Die Geräteanzahl der VSE ist abhängig von der Anzahl der übertragenen Variablen und Bandbreite des verwendeten Netzwerkes. update: page 16

17 in Windparks über VSE Recorder-Software. Detaillierte Tiefenanalyse als FFT- oder Hüllkurven-FFT-Spektren. Serviceunternehmen für Wartung und Instandhaltung SCADA-System (Leitsystem) Windparkbetreiber WKA-PC Datenauswertung aus WKA-PCs Router / Switch Info zu VSE Recorder: Software zum automatisierten Speichern der Rohdaten als FFT-Spektren bei Alarmüberschreitung in Dateiformat Möglichkeiten der automatisierten Speicherung bei Triggerung durch: Zustandssignsal Zeitsignal Analogeingangssignal update: page 17

18 Zusammenfassung der Technik Signalauswertung erfolgt bereits im System Online-Schwingungsdiagnose mit einem herausragenden Preis- / Leistungs-Verhältnis Dezentrale maschinenintegrierte Anlagenüberwachung Verschiedene Ausführungsformen: Kompakte Feldgeräte (Typ VK / VE) oder Schaltschrankmodule (Typ VSE) Interne Trendaufzeichnung aller überwachten Diagnosegrößen (Typ VE / VSE) Beide Prozessgrößen (z.b. Last und Drehzahl, Temperatur und Druck, etc.) können hinsichtlich Über- und Unterschreitung überwacht und im Historienspeicher abgelegt werden Digitale und analoge Alarmausgänge Gateway-Funktion für zusätzliche Prozess-Signale Standard-Datenschnittstelle (OPC ) zur Einbindung in übergeordnete Systeme (Typ VSE) update: page 18

19 Das richtige Produkt für jeden Anwendungsfall Produktreihe Eckdaten Ziel VK VE VSE Maschinenschwingungen allgemein SCHUTZ Integrierte Trendaufzeichnung DOKUMENTATION x Diagnose SCHADENSFRÜHERKENNUNG x x Vernetzbarkeit SYSTEM x x update: page 19

20 Applikationsbeispiele in Windkraftanlagen Bereiche: Economy CMS: System für Generator + Getriebe + Rotorlager Premium CMS: System für Generator + Getriebe + Rotorlager Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose Diagnose von Pumpen und Motoren in der Peripherie update: page 20

21 Economy - System für Generator + Getriebe + Rotorlager unter 1000 * Diagnosedaten: ISO RMS, Lagerzustand (BPFO, BPFI, BSF), Käfigfrequenz (FTF), a_peak, a_rms Eckdaten: Online-Diagnose + Alarmmeldung + Trendaufzeichnung unter 1000 * Windkraft Bestehend aus 4 Schwingungssensoren VSA001 und 1 Diagnoselektronik VSE002 1) Überwachung Lager, Konverter 2) Überwachung Lager, Rotor 3) Überwachung Lager, Rotorwelle (Getriebeausgang) 4) Überwachung Rotorlager 9) Drehzahleingang (Impuls, 4-20mA) 10) Lasteingang (Impuls, 4-20mA) 11) Alarmausgang (2 bis 10 Alarmausgänge) 12) Datenschnittstelle TCP/IP 13) PC zur Konfiguration bzw. Datenspeicherung 14) Diagnoseelektronik VSE * Bezogen auf Preisliste Deutschland 2009 update: page 21

22 Premium - System für Generator + Getriebe + Rotorlager Diagnosedaten: ISO RMS, Lagerzustand (BPFO, BPFI, BSF), Käfigfrequenz (FTF), Zahneingriff, Seitenbandanalyse, a_peak, a_rms Eckdaten: Online-Diagnose + Alarmmeldung + Trendaufzeichnung Windkraft Bestehend aus 8 Schwingungssensoren VSA001 und 2 Diagnoselektroniken VSE 1) Überwachung Lager, Konverter 2) Überwachung Lager, Rotor 3) Überwachung Lager, Rotorwelle (Getriebeausgang) 4) Überwachung Rotorlager 5)- 8) Schwingungsüberwachung Getriebe 9) Drehzahleingang (Impuls, 4-20mA) 10) Lasteingang (Impuls, 4-20mA) 11) Alarmausgang (2 bis 10 Alarmausgänge) 12) Datenschnittstelle TCP/IP 13) PC zur Konfiguration bzw. Datenspeicherung 14) Diagnoseelektronik VSE update: page 22

23 Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose efector octavis Diagnoseelektronik VSE002 & Schwingungssensor VSA001 : 1 Schwingungssensor je Rotorblatt Zentrale Auswertung über Diagnoseelektronik mit Ethernetschnittstelle im Rotor-Schaltschrank Zusätzliche Auswertung externer Sensoren (VSE100, binär u. analog) Änderungen der Rotorblattschwingung durch Risse, Eisbildung, Unwucht werden durch die Schwingungsänderungen erfasst und können direkt über die Diagnoseelektronik ausgewertet werden. update: page 23

24 Diagnose von Pumpen und Motoren in der Peripherie efector octavis VE1xxx: Z.B. VE1001 oder VE1002 Erkennung von Wälzlagerschäden durch Frequenzanalyse bis zu 20 Frequenzen im Spektrum, frei wählbar, Diagnoselevel einstellbar Kompakte Bauform: Sensorik, Auswertung und Diagnose in einem Gerät In einer Windkraftanlage existieren vielfach Motoren und Pumpen in der Peripherie die bzgl. Wälzlagerschäden, Unwucht und Kavitation werden müssen. Der efector octavis bietet dem Anwender eine optimale Verfügbarkeit der Anlage durch permanente Überwachung dieser Aggregate. Weiterhin können Ausrichtefehler erkannt und Zahneingriffe überwacht werden. update: page 24

25 Kundenvorteile durch den Lieferanten ifm electronic Führender Anbieter für integrierte Online-Schwingungsüberwachung Weltweit anerkannter und für die Qualität geschätzter Lieferant Eigene Produktion mit hohen Qualitätsstandards, QS Zertifizierung Entwicklung und Produktion in Deutschland Namhafte Referenzen im Bereich der Windkraft (ca Systeme weltweit, Stand 2008) Kostenlose Parametrierungssoftware Herstellerunabhängigkeit bei der Datenauswertung Weltweit kompetente Ansprechpartner vor Ort Weltweite Beratung, Schulung und Unterstützung update: page 25

26 Verfügbarkeit von Windkraftanlagen erhöhen Instandhaltungskosten senken Qualität sichern update: page 26

27 Produktübersicht der ifm electronic Positionssensorik und Objekterkennung Induktive Sensoren, Kapazitive Sensoren, Magnetsensoren, Zylindersensoren, Ventilsensorik, Sicherheitstechnik, Optische Sensoren, Objekterkennung, Drehgeber Fluidsensorik und Diagnosesysteme Füllstandsensoren, Strömungssensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren, Diagnosesysteme Auswertesysteme, Netzteile und Schaltverstärker Bussystem AS-Interface Identifikationssysteme RF-Identifikationssysteme (RFID), Optische Identifizierungssysteme Steuerungssysteme Verbindungstechnik update: page 27

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