Online Zustandsüberwachung mit Teleservice wird erschwinglich

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1 Online Zustandsüberwachung mit Teleservice wird erschwinglich Arbeitsweise von online Condition Monitoring Systemen (CMS) Dr. Jörg Deckers Flender AG, Herne Die zustandsorientierte Instandhaltung von Getrieben und Antriebsmaschinen auf Basis von Schwingungsanalysen war wegen der hohen Hardwarekosten bislang nur sehr teuren Antrieben vorbehalten. Aufgrund der hohen Anforderungen sowie dem Serieneinsatz im Bereich der Windenergieanlagen (WEA)-Überwachung ist in den letzten Jahren jedoch eine Vereinheitlichung des hohen Qualitätsstandards sowie ein deutlicher Preisverfall bei online Condition Monitoring Systemen (CMS) zu beobachten. Der vorliegende Aufsatz beschreibt die Arbeitsweise von Online CMS und fasst die wesentlichen Entwicklungsfortschritte aus den Anforderungen der Windbranche zusammen. Den Hauptteil des Aufsatzes bilden Fallbeispiele und Betriebserfahrungen aus den Bereichen Windenergie und Zementindustrie. Hierbei werden beispielhaft die technischen Umfänge der Installation und der Messdatenerfassung sowie die Realisierung der routinemäßigen Online Überwachung mit Telediagnose erläutert und einige frühzeitig erkannte Schäden dargestellt. Den Abschluss bilden eine Zusammenfassung sowie ein Ausblick. 1 Einleitung Die schwingungsbasierte Maschinendiagnose ist bereits seit Jahrzehnten Bestandteil der Strategie der zustandsorientierten Instandhaltung von Maschinen und Anlagen. Mit Beginn des Computer- und Internetzeitalters war es auch kein Problem mehr, fest installierte Zustandsüberwachungssysteme an den Anlagen zu installieren, die automatisch Schwingungsdaten erfassen und über das Anlagen- Netzwerk oder per Internet an eine Diagnosezentrale versenden. Hierdurch konnte die Fehlerfrüherkennung und Diagnosequalität im Vergleich zu intermittierenden Messungen erheblich gesteigert werden. Durch die anfangs geringe Verbreitung der CM-Systeme war deren Preis recht hoch und Überschritt die Euro Schwelle in der Regel deutlich. Daneben war die Programmierung und Parametrierung der Systeme nur sehr gut ausgebildeten Experten vorbehalten. Somit waren Online CMS nur produktionsrelevanten Maschinen mit hohem Ausfallrisiko und Schadenspotential vorbehalten. Mit dem Boom des Windenergieanlagenbaus zu Beginn des einundzwanzigsten Jahrhunderts kamen leider auch eine Reihe von vorzeitigen Anlagenausfällen mit kapitalen Versicherungsschäden auf, was die Versicherer, allen voran die Allianz, dazu veranlasste, einen Anforderungskatalog für CM-Systeme für Windenergieanlagen zu definieren und die Installation dieser Systeme als Voraussetzung für die Versicherung der WEA zu fordern,[6],[7]. Viele Hersteller und Vertreiber von Condition Monitoring Systemen stellten sich der Herausforderung. In der Hoffnung auf große Absatzmärkte entwickelten sie neue Systeme, die den strengen Richtlinien folgten. Da bei der Maschinendiagnose speziell bei Getrieben spezifisches Wissen vom Getriebefachmann gefordert ist, liefert auch Flender Service seit langem geeignete Systeme. 1

2 Bild 1: Montage eines Condition Monitoring Systems auf einer Windkraftanlage Hieraus ergaben sich ein Verfall der Hardwarekosten, eine Steigerung der Diagnosegüte sowie eine Vereinfachung der Parametrierungs- und Analysesoftware. Aus vielerlei Gründen kam es jedoch bislang nicht zu einem umfassenden Einsatz von CMS in der Windbranche. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass Maschinenausfälle mit dem Einsatz von Online CMS nun vorhersehbar sind und somit nicht mehr uneingeschränkt von der Versicherung abgedeckt werden. Während die Absatzzahlen von CMS in der Windbranche aufgrund der Verunsicherung der WEA Betreiber in Bezug auf Versicherung und Gewährleistungsfragen weit hinter den Erwartungen der Hersteller zurück blieben, ist eine erhöhte Nachfrage aus den klassischen Bereichen der Grundstoffindustrie (Zement, Mining, Papier, Kunststoffe ) infolge der günstigeren Hardwarepreise festzustellen. 2 Funktionen eines Online Condition Monitoring Systems (CMS) Ein Online Condition Monitoring System ist dadurch gekennzeichnet, dass es fest an der zu überwachenden Anlage installiert ist und permanent Messdaten aufzeichnet. Die Schwingungsmessdaten werden im Gerät daraufhin automatisch einer Frequenz- oder Hüllkurvenanalyse unterzogen, wodurch sich die Schadensmerkmale einzelner Maschinenelemente wie Wälzlager oder Zahnräder aus den Schwingungssignalen extrahieren lassen. Die auftretenden Frequenzmuster und Amplituden sind hierbei stark von den Betriebsparametern der Anlage wie Drehzahl und durchgesetzter Leistung abhängig. Aus diesem Grund erfolgt die Messwertaufnahme und weitere Beurteilung der Frequenzamplituden in Abhängigkeit von mindestens den Parametern Leistung und Drehzahl. Im CMS werden die verdichteten Daten dann mit Amplitudengrenzwerten in charakteristischen Frequenzbereichen verglichen, wobei bei der Auswahl der Bänder und der Einstellung der Alarmgrenzen trotz aller Softwareunterstützung immer noch viel Getriebe Know-how erforderlich ist. Bei auftreten von Grenzwertverletzungen wird der Anlagenverantwortliche alarmiert. Für Informationsfluss und Datenhaltung existieren unterschiedliche Konzepte. Einige Systeme verfügen über ausreichend große Massenspeichermedien oder sind noch im Anlagennetzwerk an einen 2

3 Archivierungscomputer angeschlossen. Dies besitzt den Vorteil eines überschaubaren Datenflusses und schnellen Datenzugriffes im Anlagennetzwerk. Von Nachteil ist dieses Konzept, wenn im Rahmen von Teleservice- oder Telediagnosedienstleistung Zugriff aus der Ferne auf die Datenbasis genommen werden muss. Hier ist dann beispielsweise eine Modemeinwahl erforderlich und umfangreiche Datenmengen müssen auf einmal über die schmalbandigen Modem - Modem Verbindungen abgerufen werden. Erfahrungsgemäß sind die Leitungen immer dann gestört, wenn es darauf ankommt und ein Diagnoseexperte aus der Ferne beurteilen muss, ob eine Maschine noch weiterbetrieben werden darf oder welche Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden sollen. Flender Service verfolgt hier ein anderes Konzept. Bild 2 zeigt ein typisches Daten- und Informationsnetzwerk. Bild 2: Typisches Daten- und Informationsnetzwerk Das Telediagnosesystem ist mit wenig und damit kostengünstiger Speicherkapazität ausgerüstet, welche die Messdaten von ca. 1 Woche archivieren kann. Es besitzt zusätzlich eine automatische Funktion, wodurch die Messdaten zu vorgegebenen Zeiten automatisch per -Anhang zur Telediagnosezentrale versendet werden, wo sie auf sicheren Datenservern archiviert werden. Diese Alternative ist sehr kostengünstig, da nur die lokalen Internet Einwahlkosten anfallen und nicht Telefongebühren zu weit entfernten Orten bezahlt werden müssen. Ist die Telefonleitung besetzt oder temporär gestört, versucht das System periodisch sich mit dem SMPT Server zu verbinden, um die s abzusetzen. Ein Ausbleiben von s wird der Überwachungsstelle durch eine Watchdogfunktion signalisiert, so dass eventuelle Störungen behoben werden können und ein Messdatenverlust vermieden wird. Erfahrungsgemäß kommt es jedoch selten zu Störungen des -Versandes, da diese Technologie millionenfach bewährt ist und die Internetprovider schon aus finanziellem Interesse bedacht sind die Netze in Funktion zu halten. 3

4 Die Vorteile der technologie sind vielfältig. Die Messdaten stehen den Überwachungsverantwortlichen quasi zu jeder Zeit auch weit entfernt von der Anlage zur Verfügung. Messdaten können per auch an andere Personen automatisch verteilt werden. Dadurch, dass die Messdaten redundant an unterschiedlichen Orten gesichert werden, ist die Datensicherheit wesentlich größer, als würden sie Vor Ort im Telediagnosesystem gesichert. Automatisch generierte Warn- oder Alarm s können einfach an verschiedene verantwortliche Personen verteilt werden und sogar eine SMS oder Handybenachrichtigung ist einfach umzusetzen. 3 Besonderheiten bei der Überwachung von Windenergieanlagen Wie bereits erwähnt, stellt die schwingungsbasierte Zustandsüberwachung von Triebsträngen von Windenergieanlagen besondere Ansprüche an Condition Monitoring Systeme, [2-5]. Aufgrund der besonders niederfrequenten Schwingungsanregung durch Turmschwingungen oder die geringen Rotordrehfrequenzen mussten Schwingungssensoren entwickelt werden, die noch in sehr niedrigen Frequenzbereichen ein ausreichendes Signal abgeben. Während übliche Beschleunigungssensoren bei Frequenzen unter 2 Hz nicht mehr eingesetzt werden können, besitzen Sensoren für WEA einen Frequenzbereich bis hinunter zu 0,1 Hz mit ausreichender Linearität. Es sind außerdem extrem lange Messzeiten von teils mehreren Minuten erforderlich, um eine ausreichende Anzahl an Überrollungen im zu analysierenden Zeitsignal zu erhalten. Ein weiterer Punkt sind die bei den modernen pitchgeregelten Anlagen auftretenden starken Drehzahländerungen bei normalem Betrieb. Treffen Windböen auf den WEA Rotor, so wird die auftretende Leistungsänderung durch eine kurzfristige Drehzahlerhöhung aufgenommen, um Überlastungen der Antriebselemente zu verhindern. Würde man ein in diesem Zustand der Drehzahlveränderung aufgezeichnetes Schwingungszeitsignal einer Frequenzanalyse (FFT) im Zeitbereich unterziehen, würde dies zu einem starken Verwischen der Peaks bei den kinematischen Anregungsfrequenzen mit gleichzeitiger Verringerung der Amplitudenhöhen führen. Die Generierung von treffsicheren Zustandsymptomen würde hierdurch nahezu unmöglich. Abhilfe schafft die Berechnung von Ordnungsanalysen. Hierfür wird mittels eines Drehzahlsensors parallel mit der Schwingung ein Drehzahlsignal aufgezeichnet und die Frequenzanalyse des Schwingungssignals erfolgt nicht zeitbezogen sondern drehwinkelbezogen. Man erhält hierdurch Ordnungsspektren, die sich direkt miteinander Vergleichen lassen und deren Amplitudenvariation gering ist, wenn die Messwerterfassung innerhalb vorgegebener Drehzahl- und Leistungsgrenzen erfolgte. Dies ist gleichzeitig eine weitere Funktionalität, die in die Software der CMS einfloss. Durch Definition von Betriebsklassen in Abhängigkeit von z.b. Leistung und Drehzahl wird die Schwankungsweite der Trendanalysen von Zustandssymptomen deutlich verringert. Ergebnis ist eine zuverlässigere und frühzeitigere Alarmierung bei Zustandsverschlechterungen, da Alarmgrenzen enger gesetzt und abweichende Zustände damit schneller gemeldet werden. Die Parametrierung der Systeme wie Betriebsklassendefinition, Alarmbandeinstellung sowie die Messdatenanalyse und Visualisierung, die durch die grafisch unterstützte Benutzeroberfläche deutlich vereinfacht wurde, ist nun auch von geringer qualifizierten Personen zu bewerkstelligen, Bild 3. Die hochbezahlten Diagnoseexperten können sich also ihren eigentlichen Aufgaben widmen und die wirklich kritischen Maschinendiagnosen bearbeiten. 4

5 Bild 3: Programmierung, Visualisierung und Analyse mit der Software Omnitrend Dass CMS auf Windenergieanlagen insbesondere im Offshore Einsatz sehr rauen Umgebungsbedingungen unterliegen, muss nicht extra erwähnt werden. Auch hier wurden bei aktuellen CM-Systemen alle Maßnahmen getroffen, einen langjährigen störungsfreien Betrieb der Sensorik und Hardware zur gewährleisten. Getrieben durch die Windkraftbranche ergeben sich zusammengefasst folgende aktuelle Verbesserungen an Condition Monitoring Systemen: Schwingungsüberwachung auch in niedrigen Frequenzbereichen Ordnungsanalysen erlauben Frequenzanalysen auch bei wechselnden Drehzahlen Betriebsklassenkonzept verbessert die Diagnosesicherheit bei wechselnden Belastungen Sicherer Einsatz auch unter rauen Umgebungsbedingungen Lückenlose Datenhaltung und optionaler automatischer Versand Benutzerfreundliche Parametrierungs- und Analysesoftware 4 Nutzen der aktuellen Entwicklungen für andere Branchen Die erfreuliche Entwicklung in der Qualität der Condition Monitoring Systeme bleibt natürlich nicht auf Anwendungen in der Windkraftbranche beschränkt. Auch den Bereichen der Grundstoffindustrien wie z.b. den Branchen Zement, Mining, Metall, Papier oder Kunststoff, die klassischerweise schon seit langem Zustandsüberwachungssysteme einsetzten, kommen die aktuellen Entwicklungen zugute. Zum einen kommt es durch die Produktion der CMS Hardware in größeren Stückzahlen zu einer deutlichen Preissenkung, wodurch der Einsatz eines solchen Systems auch für weniger produktionsrelevante Antriebe attraktiv wird. Zum anderen sind durch die im vorhergehenden Kapitel erläuterten Verbesserungen wesentlich treffsichere Diagnosen möglich, was die Akzeptanz von CMS bei den verantwortlichen Instandhaltern ansteigen lässt. Nachfolgend sei hierfür ein Beispiel gegeben (vgl.[1]). In einem Aluminium Kaltwalzwerk sollen die in die Jahre gekommenen Hauptantriebsgetriebe und Motorlager des Quarto-Gerüstes sowie die Get- 5

6 riebe der Ab- und Aufhaspelantriebe mit Hilfe eines Telediagnosesystems überwacht werden. Da die etwa 15 Jahre alte Anlage bereits mehrere Leistungserhöhungen sowie eine Modernisierung der Level 1 Prozessautomation erhalten hat, sind die Belastungen der Maschinenelemente über die Jahre stetig gestiegen. Auf der Anlage wird ein Produktionsmix gewalzt, der sich aufgrund unterschiedlicher Walzgeschwindigkeiten und Stichabnahmen in sehr unterschiedlichen Schwingungsamplituden an den Getriebelagerstellen äußert. Um hier dennoch sichere Diagnosen durchführen zu können, werden die Analysen in drei definierten Betriebsklassen in Abhängigkeit vom Motorstrom und der Drehzahl ausgeführt. Das Abhaspelgetriebe ist normalerweise gering belastet und erzeugt deshalb nur geringe Schwingungspegel. Außerdem sind die Drehzahlen des Abhaspeldorns, bedingt durch die Dicke des Vormaterials, sehr gering, wodurch die durch potentielle Verzahnungs- oder Wälzlagerschäden angeregten Schwingungsfrequenzen ebenfalls niedrig sind. Für die Schwingungsüberwachung der Lagerstellen dieses Getriebes eignen sich also hervorragend die für die Windenergieanlagen entwickelten niederfrequenten Beschleunigungsaufnehmer. Ein weiterer Punkt sind die kurzen Messdauern mit variierenden Drehzahlen. Bei den üblichen Coildurchmessern dauert ein Walzvorgang nur zwischen 60 und 100 sec. Hinzu kommt, dass sich die Drehzahlen der Ab- und Aufhaspelantriebe aufgrund der sich ständig ändernden Coildurchmesser kontinuierlich ändern. Eine frequenzselektive Schwingungsdiagnose ist hier also nur auf Basis von Ordnungsanalysen möglich. Wie das Beispiel gemäß Bild 4 zeigt, ist in der Frequenzanalyse nur eine 300 Hz Anregung aus dem elektrischen Antrieb diagnostizierbar, während in der Ordnungsanalyse die Zahneingriffsfrequenzen (41 Zähne) mit Harmonischen und Seitenbändern erkennbar sind. Bild 4: Vergleich der Frequenz- und Ordnungsanalyse beim Aufhaspelantrieb Durch die umherspritzende Kühl- und Walzemulsion ist der Einsatzort des Systems denkbar elektronikfeindlich. Ein Condition Monitoring System, welches aggressivem Seewasser auf einer Offshore WEA trotzt, ist aber auch hier in seinem Element. Das CMS lässt sich mit seiner Ethernet Schnittstelle leicht in das Anlagen Netzwerk einbinden und aufgrund der übersichtlichen Analyse- und Visualis- 6

7 ierungssoftware kann das Überwachungssystem auch vom Stammpersonal des Werkes bedient werden. Die Inbetriebnahme sowie das funktionsgerechte Setzen der Alarmbänder und Grenzwerte erfolgt mit Fernunterstützung der Flender Service Telediagnosezentrale, die per automatischem versand eine Kopie aller aufgezeichneten Messdaten erhält und für spätere Trendanalysen archiviert. 5 Diagnoseerfahrungen Die schwingungsbasierte Maschinenüberwachung bewährt sich in den unterschiedlichsten Bereichen ständig von neuem. Nachfolgend wird anhand von zwei Beispielen über typische Diagnoseerfahrungen berichtet. Das erste Beispiel stammt von einer Windenergieanlage. Gemäß der Richtlinie des Allianz Zentrum für Technik, AZT, wurde die 2,5 MW WEA mit einem Flender WinTControl Condition Monitoring System ausgerüstet, welches sogar über eine Webcam verfügt, Bild 5. Das Überwachungssystem wurde im Rahmen des 3-monatigen Inbetriebnahmeservices parametriert und die Alarmgrenzwerte eingestellt. Bild 5: Flender Mitarbeiter bei der Installation einer Webcam Im Verlauf des weiteren Betriebes der bereits seit einigen Jahren in Betrieb befindlichen Anlage wurde dann am Generator A-Lager ein Ansteigen der Außenring Überrollfrequenz festgestellt, Bild 6. Wie anhand der Trendanalyse in Bild 7 erkennbar ist, wuchs der Schaden hier relativ schnell innerhalb weniger Wochen, so dass unmittelbarer Handlungsbedarf bestand. Nach automatischer Alarmierung erfolgte umgehend eine Benachrichtigung des Betreibers, der sofort eine Reparatur der Generatorlager in Auftrag gab. Da die Reparatur ambulant auf der WEA ohne Autokran erfolgen konnte, hielten sich die Reparatur- und Betriebsausfallkosten in Grenzen und wurden von der Versicherung übernommen. Wäre der Schaden nur unwesentlich später entdeckt worden, hätte dies zumindest einen kapitalen Generatorschaden durch Anlaufen des Rotorblechpaketes am Stator bedeutet, wenn nicht sogar einen Gondelbrand mit Totalverlust der Windenergieanlage. 7

8 Bild 6: Hüllkurvenanalyse gemessen am Generator A-Lager Betriebszustand 2 Bild 7: Trendanalyse der Außenring Überrollfrequenz des Generator A-Lagers Das zweite Diagnosebeispiel stammt von einem Kugelmühlenantrieb in einer Zementfabrik, wie in Bild 8 gezeigt. Das seit Inbetriebnahme der Anlage mittels Flender GearController überwachte Get- 8

9 riebe zeigte nach einer Laufzeit von knapp 1,5 Jahren im Hüllkurvenspektrum deutliche Außenring Überrollfrequenzen der Lager der schnelllaufenden Welle, Bild 9. Bild 8: Zahnkranzantrieb eines Kugelmühlengetriebes Bild 9: Zahnkranzantrieb eines Kugelmühlengetriebes Wie die Trendanalyse in Bild 10 zeigt, konnte der Antrieb unter enger Beobachtung durch das Telediagnose Team noch über einen Zeitraum von 5 Monaten mit stabilen Schwingungspegeln weiterbetrieben werden. Diese Zeit reichte aus, um neue Wälzlager zu beschaffen und die Instandsetzung geplant durchzuführen. 9

10 Bild 10: Trendanalyse der Außenring Überrollfrequenz Wie die spätere Schadensanalyse ergab, wurden die Lager durch Stromdurchgang in der Lastzone geschädigt, Bild 11. Verzahnungsteile wurden dabei nicht in Mitleidenschaft gezogen. Seit der Reparatur der Lagerungen läuft das Getriebe wieder störungsfrei. Bild 11: Schadensbild, Stromdurchgang 6 Zusammenfassung und Ausblick Im vorliegenden Bericht wurde die Funktionsweise moderner Telediagnoseanlagen erläutert sowie die Besonderheiten bei der Überwachung drehzahlvariabler Windenergieanlagen beschrieben. Im An- 10

11 schluss wurden die Vorteile der aktuellen Sensor- und Analysetechniken mit Bezug auf die schwingungsbasierte Überwachung von Antrieben aus anderen Branchen herausgestellt. Anhand von zwei Fallbeispielen wurde über typische Telediagnoseerfahrungen berichtet. Zusammengefasst ergeben sich durch Zustandsüberwachung mit Teleservice die folgenden Vorteile: Kurze Reaktionszeiten Qualifizierte Fehlerdiagnose Hohe Anlagenverfügbarkeit Kostenersparnis durch weltweite Online Diagnose (nicht die Experten Reisen zur Maschine, sondern die Messdaten werden zum Diagnostiker g t) Durch verringerte Hardwarekosten breiterer Einsatz möglich Zukünftige Entwicklungen beschäftigen sich mit der engeren Verknüpfung der Condition Monitoring Systeme mit den vorhandenen Prozessautomationssystemen, Produktionsplanungs- und Steuerungssystemen sowie Instandhaltungsmanagementsystemen. Durch Nutzung aller verfügbaren Messdaten und Informationen ergeben sich hieraus eine verbesserte Anlagenzustandsinformation sowie eine Kostenreduktion durch Optimierung der Instandhaltung. Weitere Ziele sind Entlastung der Diagnoseexperten durch Einbindung von Routineaufgaben in die Analyse- und Reporting-Software sowie die verbesserte Integration von Expertenwissen in die Diagnosesoftware, so dass Analysen bis hin zur treffsichern Schadensdiagnose automatisch erstellt werden. Quellen Der vorliegende Beitrag wurde auf dem Dresdner Maschinenelemente Kolloquium DMK 2005 (01. und 02. Dezember 2005) gehalten. [1] Deckers, J., Becker, E.: Overload- and Condition Monitoring in Rolling Mills Via Internet. In: Proceedings of the IFAC Symposium on Automation in Minig, Mineral and Metal processing - MMM 2004, Nancy, 2004 [2] Deckers, J., Becker, E.: Qualifizierte Zustandsüberwachung von Windenergieanlagen mit kompetenten Überwachungsstellen. In: Tagungsband anlässlich des 5. AKIDA 2004, Aachener Beiträge zur angewandten Rechnertechnik, Band 58, Verlag der Augustinus Buchhandlung, 2004, Seite [3] Dahlhaus, N., Becker, E.: WinTControl... Diagnoseroboter für Triebstränge in Windenergieanlagen. In: Tagungsband AKIDA 2002, Aachen, 2002 [4] Becker, E., Dahlhaus, N.: Condition Monitoring an drehzahlvariablen Windenergieanlagen - Erfahrungen und Entwicklungen. In: Tagungsband VDI-Schwingungstagung, Magdeburg, 2003 [5] Becker, E., Dahlhaus, N.: Condition Monitoring mit WinTControl an drehzahlvariablen Windenergieanlagen. In: Wind Kraft Journal, 4/2003 [6] Allianz Zentrum für Technik: Anforderungen an Condition Monitoring Systeme für Windenergieanlagen, Bericht Nr.: , [7] Germanischer Lloyd WindEnergie: Richtlinie für die Zertifizierung von Condition Monitoring Systemen für Windenergieanlagen,

12 Autor Dr. Jörg Deckers Flender AG Business Unit Service International Condition Monitoring Südstr. 111 D Herne Tel.: +49 (0) 2323/ Fax: +49 (0) 2323/ Internet: 12