Condition Monitoring mit intelligenten Umrichtern

Mit dem Übergang in das neue Jahrtausend haben wir einen tiefgreifenden technologischen Wandel erlebt, der letztlich zu einer völlig neuen Arbeitsweise in einer digitalen Welt führt. Dies ist die vierte industrielle Revolution. Die erste industrielle Revolution ereignete sich im 18. und 19. Jahrhundert. Es handelte sich um eine mechanische Revolution, die mit der Erfindung der Dampfmaschine ihren Anfang nahm. Gegen Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts folgte die zweite industrielle Revolution mit Einführung der Massenproduktion, Elektrifizierung und den Veränderungen in der Kommunikation. Diese Periode wird auch als „Elektrische Revolution“ bezeichnet. Die dritte industrielle Revolution im ausgehenden 20. Jahrhundert brachte Fortschritte in den Bereichen Halbleiter, Computer, Automatisierung und Internet. Diese Phase wird auch als „Digitale Revolution“ bezeichnet.

Die vierte industrielle Revolution ist das Ergebnis einer Vernetzung von Computern, Menschen und Geräten, die durch Daten und maschinelles Lernen vorangetrieben wird. Obwohl der Begriff „Industrie 4.0“ recht vage ist, könnte eine mögliche Definition die intelligente Vernetzung von Menschen, Geräten und Systemen durch Nutzung aller Möglichkeiten der Digitalisierung in der gesamten Wertschöpfungskette lauten.

Industrie 4.0 wirkt sich auf Motorsysteme und Gebäudemanagementsysteme in Form einer Migration von der „Automatisierungspyramide“ hin zu „vernetzten Systemen“ aus. Das bedeutet, dass verschiedene Systemelemente wie Motoren, Antriebe, Sensoren und Steuerungen sowohl untereinander als auch mit einer Cloud vernetzt sind, einem Rechenzentrum, in dem Daten gespeichert, verarbeitet und analysiert sowie in dem Entscheidungen getroffen werden.

In einem Automatisierungsnetzwerk entstehen enorme Datenmengen. Da Daten vornehmlich von Sensoren erfasst werden, nimmt deren Zahl in modernen Automatisierungssystemen zu. Motoren und angetriebene Maschinen wie Lüfter, Pumpen und Förderbänder zählen nicht zu den naheliegendsten Bestandteilen eines Datennetzwerks. Deshalb werden Sensoren benötigt, um Daten von diesen Maschinen zu sammeln. Die Sensoren werden unter Verwendung von Schnittstellen an das Datennetzwerk angeschlossen, um deren Daten zu verarbeiten. Bei der Einführung eines modernen Condition Monitoring-Systems werden die zusätzlichen Kosten für Sensoren und deren Anschlussfähigkeit oft als Hindernis angesehen.

Moderne Frequenzumrichter eröffnen neue Möglichkeiten im Automatisierungsnetzwerk der Industrie 4.0 sowie in Gebäudemanagementsystemen. Üblicherweise galten Umrichter als Drehzahlregler zur Geschwindigkeitssteuerung bei Motoren, Lüftern, Transportbändern und/oder Pumpen. Heute sind Umrichter mit integrierter Rechnungsleistung,Speicherkapazität sowie Kommunikationsschnittstelle ein Teil der Informationskette.

Es gibt folgende Wartungsstrategien:

• Korrektive Wartung: Das Produkt wird nach einem Fehler ausgetauscht.
• Präventive Instandhaltung: Das Produkt wird vorsorglich auf Basis eines Wartungsplans ausgetauscht, obwohl es keine Hinweise auf einen bevorstehenden Fehler gibt.
• Contition Based Maintenance: Das Produkt gibt eine Warnmeldung aus, wenn die aktuelle Lebensdauer von der erwarteten Lebensdauer abweicht. Mögliche Ursachen werden dabei angegeben.
• Predictive Maintenance: Das Produkt warnt, bevor die geplanten Betriebsstunden erreicht sind, um eine Wartungsaktion zu initiieren.

Korrektive und präventive Instandhaltung hängen von Fehlern (Ereignissen) oder Zeit ab. Dabei erfolgen die Wartungsmaßnahmen im Falle von Fehlern (korrektiv) oder nach Ablauf vordefinierter Betriebsstunden (präventiv). Für diese Arten der Wartung wird kein Feedback aus der eigentlichen Anwendung herangezogen.

Dank der Einführung von Industrie 4.0 und der Verfügbarkeit von Sensordaten, ist nun bedingungsbasierte und vorausschauende Wartung möglich. Bei diesen Wartungsstrategien wird der Anlagenzustand anhand aktueller Sensordaten bestimmt (Condition Based Maintenance) oder zukünftige Ausfälle prognostiziert (Predictive Maintenance).

Condition Based Maintenance ist die einfachste und intuitivste Wartungstechnik. Sie basiert auf Daten aus der Anwendung selbst. Die erfassten Daten dienen zur Zustandsüberwachung der Anlagen. Zu diesem Zweck werden Schlüsselparameter als Indikatoren definiert. So ist es möglich, entstehende Fehler frühzeitig zu identifizieren. Der Zustand einer Baugruppe verschlechtert sich in der Regel mit der Zeit. Dies wird durch die P-F-Kurve veranschaulicht, die ein typisches Verfallsmuster zeigt. Erfüllt eine Anlage die vorgesehene Funktion nicht mehr, kommt es zu Ausfällen. Die Idee der Condition Based Maintenance besteht darin, den potenziellen Ausfall zu erkennen, bevor eine tatsächliche Fehlfunktion auftritt.

Vorteile der Planung von Wartungsaktionen

• Reduzierung der Ausfallzeiten
• Beseitigung unerwarteter Produktionsunterbrechungen
• Wartungsoptimierung
• Verkleinerung des Ersatzteillagers

Ein wesentlicher Teil der zustandsorientierten Wartung ist die Überwachung des Anlagenzustands. Bei Anwendungen mit variabler Drehzahl hängt der Zustand der Anwendung oft von der Geschwindigkeit ab. Zum Beispiel nimmt der Schwingungspegel bei höheren Geschwindigkeiten zu, wobei der Zusammenhang zwischen den beiden Werten nicht linear ist. Tatsächlich können bei bestimmten Geschwindigkeiten Resonanzen auftreten und wieder verschwinden, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird.

Die Verwendung eines unabhängigen Systems zur Zustandsüberwachung einer Anwendung mit variabler Drehzahl ist schwierig, da die Drehzahl und der damit korrelierende Überwachungswert bekannt sein müssen. Die Verwendung von Umrichtern zum Condition Monitoring („Umrichter als Sensor“ oder „Umrichter als Sensor-Hub“) ist vorteilhaft,da die Information über die Anwendungsdrehzahl bereits im Umrichter vorhanden ist. Zusätzlich sind Informationen über das Last-/Motordrehmoment und die Beschleunigung im Umrichter selbst verfügbar.

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Umrichter sind heute mehr als nur einfache Drehzahlregler. Sie können als Sensoren und Sensoren-Hubs Verbindungen herstellen, Daten verarbeiten, speichern und analysieren und sind damit wichtige Elemente in Automatisierungssystemen.

Umrichter sind in vielen Automatisierungsanlagen bereits vorhanden und bieten eine gute Möglichkeit für ein Upgrade auf Industrie 4.0.

Dies ermöglicht neue Wege der Wartung, wie z. B. die zustandsorientierte Wartung. Die Funktionen sind in einige Umrichter bereits integriert und frühzeitige Anwender verwenden Umrichter bereits als Sensoren.