Projektvorstellung. Laufzeit:

Transkript

1 Projektvorstellung Laufzeit: Dr.-Ing. Dr. rer. oec. Michael Niedermayer (Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration) Dr.-Ing. Rainer Wirth (Gesellschaft für Maschinendiagnose)

2 Projektidee Problemstellung Hohe Kosten bei Maschinenausfall in Papierfabriken und vielen anderen Industrieanlagen (ca /h Gewinnausfall bei Stillstand) Früherkennung von Maschinenausfällen (bspw. durch Lagerströme) über Schwingungsanalysen Lösungansatz Condition Monitoring mittels energieautarken Funkvibrationssensor Drahtloses Sensornetzwerk für die Fernwartung in rauher Industrieumgebung Forschungsschwerpunkte Entwicklung energieautarker Sensormodule für die Zustandsüberwachung von Motoren, Lagern und Getrieben in rauer Industrieumgebung Auswahlunterstützung von Energy-Harvesting- Komponenten und Integrationstechnologien Weiterentwicklung von Werkzeugen für den modellbasierten Entwurf energieautarker Mikrosysteme

3 ECoMoS-Partner Autarke Energieversorgung Meßdatenerfassung und - verarbeitung Papier fabrik Anwendungsszenario Forschungsschwerpunkt Energieautarke Mikrosysteme Aufbau- und Verbindungstechnik Funkkommunikation Entwurfsunterstützung Forschungsarbeiten Condition Monitoring in Industrieanwendungen Verteiltes Condition Monitoring

4 Maschinendiagnose per Vibrationsmessung 4

5 Beispiel: Lokaler Verzahnungsschaden

6 Bandbreite der Systemspezifikation Moderate Funktionalität Fortgeschrittene Funktionalität Grunddiagnose über Soll-Ist-Vergleich von Kennwerten P = im µw-bereich Minimalistisch P = im µw-bereich V < 1cm³ P = im µw-bereich gut, geeignet bei einem Fehlertyp, empfindlich bei Fremdanregung Messtechnik Funkkommunikation Energieversorgung Fazit Tiefendiagnose über Bewertung mit kinematische Modelle P = im mw-bereich Adhoc-Funktionalität P = im mw-bereich V > 10cm³ P = im mw-bereich gut, geeignet bei mehreren Fehlertypen, unempfindlich bei Fremdanregung

7 Prinzipieller Aufbau des ECoMoS-Funksensorknotens

8 Architekturvergleiche µw/mhz kzyklen/fft x10µws/fft TI DSP 5509 TI MSP 430 ATMEL AVR32 TI DSP ,5mA Datenaufnahme; 60ms Auswertung => 186mWs

9 Basisarchitektur Ladeschaltung Energiewandler Spannungskonditionierung Energiespeicher RTC Radio Flash SPI Beschleunigungssensor Ladungsverstärker ADU (inkl. Filter) DSP 32768Hz

10 Erste Prototypgeneration Basissystem besteht aus dem Elektronikmodul, dem Beschleunigungssensor und dem Energiewandler Montage von vier Systemen Erfolgreicher Test am realen Antrieb in der Papierfabrik 02/

11 Simulation der Diagnose-Algorithmen mit FAMOS Datenaufnahme Spektralanalyse Diagnose-Hüllkurve Lagerschaden

12 Zweite Prototypgeneration Miniaturisiertes Elektronikmodul (d=4cm) mit Schnittstellen für den Sensor, den Wandler, die Antenne Aufbau von 10 Prototypen Erfolgreicher Inbetriebnahme 11/

13 Funkkommunikation Funkmodul Reichweite: 100m Energiebedarf zur Funk-Initialisierung: < 0,2mWs Energiebedarf pro Bit: <0,5µWs Energiebedarf für Datenpaket zur Administration (1kB): < 5mWs Energiebedarf für Rohdaten-Paket (64kB): <300mWs Standby < 5µW Netzwerktopologie Knotenanzahl: 200 (typ.); 1000 (max.) Demonstrator: 50 Knoten Single-Hop (Reichweite bis 100m) oder Multi-Hop je nach energetischem Optimum Leistungsaufnahme zur Funkkommunikation pro Knoten 50µW (minimalistisch), 500µW (robustes Szenario)

14 Prinzipieller Aufbau des ECoMoS-Funksensorknotens

15 Stand der Technik bei Vibrationswandlern Prinzip F [Hz] Bandbreite [Hz] M [g] V [cm³] P [µw] P-Dichte [µw/cm³] Perpetuum PMG 17 EM 50,60, 100,120 >±20Hz (250mg) 99,5 AdaptiveEnergy Joule- Tief Module PZ 60? 43 34,5 ~250 (200mg) 7,3 Cedrat APA400M-MD PZ 110? , (max.) 2699 Volture PEH25W (V25W) PZ ,5 931 (250mg) 23 Baumer Piezo PZ (250mg) 21,5 Baumer Stack8 PZ (200mg) <1

16 Energieerzeugung aus Vibrationen Piezoelektrische (PZT)-Keramik mit Perowskit-Kristallstruktur Verformung der Bipole bewirkt eine Verschiebung der Ladungs-Schwerpunkte Aufsummierung erzeugt nutzbare Spannung Gegensätzliche Anforderungen für die Anwendung Breites Zielspektrum vs. Schmalbandigkeit der Piezoelemente Niedrige Beschleunigungen von 2m/s² vs. Benötigte Energiemenge Hohe Energiemenge vs. Breitbandigkeit der Piezos Wenige Schwing-Systeme mit Frequenzanpassung über Massen Stapel mit n Piezowandlern n-fache Kosten

17 Prototyp Baumer-Stack Funktionstüchtiger Prototyp mit 8 Piezo-Wandlern Breitbandiges Spektrum Hz Energieerträge bei 2m/s² Beschleunigungen Mittlere Minimale Leistung 94,28µW Mittlere Maximale Leistung 282µW Funktion mit Vibrationsprofilen von guten und schadhaften Lagern

18 Prototyp Baumer-Stack für die Papierfabrik

19 Energie aus Temperaturgradienten: Umgebungsbedingungen Spremberg Modul2_T_cooler Modul2_T_machine C T_M2_Ambient_Pt100_b T_M2_UM_19 C T_M2_OM_ :00 0:30 1:00 1:30 0 Tage h:m Betrieb: T=10K s

20 ma s Energiebudget Wirkungsgrad Thermik à Elektrik < 1% Ausgangsleistung TEG 4,9 mw Verlustleistung DC-DC Konverter (Boost-up) 3,8 mw 10 µw Selbstentladung Ultracap 340 µw Verlustleistung DC-DC Konverter (Step-Down) 795 µw Ausgangsleistung nach Spannungsanpassung und Pufferung Thermoelement: 30 x 30mm² x 4,8mm V Temperaturgradient: 10K Kanal_ Start-up nach Stillstand: 6h Duty-Cycle (8mA, 10ms): >5min Duty-Cycle (50mA, 10ms): >30min Tage, 0h 0 Tage, 4h 0 Tage, 8h Tage, h Funktionalität ab T>5K

21 Simulation der Temperaturverteilung CFD Simulation Temperaturverteilung für verschiedene Gehäusetypen und TEG-Varianten Variation von Gehäusematerial und Ausgangsgeschwindigkeit des anströmenden Mediums (Luft) Simulation des Gesamtenergiebudgets durch Kooplung mit Matlab/SIMULINK Umgebung Temperaturverteilung bei natürlicher Konvektion (links) und forcierter Konvektion (rechts)

22 Average power generated [µw] Vergleich verschiedener Aufbaukonzepte Module Design M M M3 M ,2 0,5 1 M1 M4 M3 M2 Velocity of air [m/s]

23 Finales Aufbaukonzept 23

24 Montage der finalen Prototypen 24

25 Finaler Prototyp

26 Additiver Modellierungsansatz Energiequellenmodelle Signalverlauf der Versorgungsspannung Energiesenkenmodelle Vibrationswandler Photozelle Power- Management Messdatenerfassung Thermowandler Energiepuffer Signalverlauf des Laststromes Datenvorverbeitung Netzwerkkommunikation

27 Modellierung der Energiesenken Engine 7,36% LED (alert) 8,84% LED (TX) 0,01% ATmega128L (CPU core) 33,52% ATmega128L (ADC) 0,0002% CC ,27% NSL19 0,0000% PT1000 0,0005%

28 Anwendungsszenario Papierfabrik S. Benecke et al. (Dept. ERE)

29 Papierfabrik in Spremberg: 664 Messstellen + Getriebe

30 Betrieb im Sensornetzwerk Kontinuierliche Erfassung der Drehzahlwerte von der Leitstandssoftware HPCi per LAN Konfiguration der kinematischen Parameter der zu überwachenden Antriebselementen (derzeit 1 Wälzlager pro Sensor) Parameterübermittlung an ECoMoS-Gateway kurz vor dem Aufwachen des Sensors Auswertung des Messergebnisses und Weiterleitung an die Leitstandssoftware HPCi Unterschiedliche Aufwachzyklen für Normalbetrieb sowie Schadensdetektionsmodus

31 ECoMoS-Sensornetz-Konfiguration

32 Veröffentlichungen (Auswahl) 1. MST-News 06/2008: "The Dawn of Self-Sufficient Micro Systems" 2. Konstruktionspraxis.de 07/2010: "Condition Monitoring: Frühwarnsystem für den Maschinencrash? 3. SENSORCOMM 07/2010: "A System-Oriented Approach for Modeling Energy Harvesting Devices in Wireless Sensor-Modules" 4. Betriebstechnik & Instandhaltung 01/2011:"Condition Monitoring ganz ohne Kabel" 5. International Conference MRO 03/2011 "Energy-Autarkic Condition Monitoring System" 6. IT&PRODUCTION 05/2011: "Frühwarnsysteme Maschinenausfall - Kostenfaktor Condition Monitoring"

33 Danke für Ihre Aufmerksamkeit