Vibrationsüberwachung:Ein hybrider Ansatz

Sie haben ein vierteljährliches oder monatliches streckenbasiertes Schwingungsüberwachungsprogramm, aber Sie haben immer noch Ausfälle. Das Problem ist, dass die routenbasierte Überwachung nur eine sofortige Ablesung bietet. Bei vielen Assets können Probleme schnell und oft ohne Vorwarnung auftreten.

Ein Paradebeispiel hierfür ist ein Lagerkäfigdefekt. Ein Käfigdefekt kann innerhalb von einer Woche oder sogar Tagen von der ersten Anzeige bis zum vollständigen Lagerausfall fortschreiten – und je nach Zeitpunkt kann die streckenbasierte Überwachung ihn nicht erkennen. Eine Möglichkeit besteht darin, auf eine kontinuierliche Schwingungsüberwachung umzustellen. Leider kann die Implementierung eines vollständigen kontinuierlichen Schwingungsüberwachungsprogramms eine Herausforderung darstellen und für einige Anlagen übertrieben sein. Was kannst du tun?

Die Lösung besteht darin, einen hybriden Ansatz anzuwenden, der sowohl eine kontinuierliche Schwingungsüberwachung als auch eine periodische streckenbasierte Überwachung umfasst. Verwenden Sie das richtige Tool für den richtigen Asset-Typ. Kritische Prozessengpässe und sicherheitsrelevante Assets wie Belüftungs- oder Kühllüfter eignen sich ideal für die kontinuierliche Überwachung (siehe Abbildung 1), während Assets mit geringem Risiko oder geringer Geschwindigkeit am besten für die routenbasierte Überwachung geeignet sind. Dieser hybride Ansatz ist eine effiziente Möglichkeit, Ihr Wartungsprogramm zu verbessern, ohne die Bank zu sprengen und das Perfekte nicht zum Feind des Guten zu machen.

Abbildung 1:Basislinien-Schwingungsspektrum des Lagers (links), aufgenommen mit dem Dynapar OnSite™ Online-Zustandsüberwachungssystem, zeigt die höchste Amplitude bei der Grundfrequenz der Rotation (roter Punkt). Im Spektrum, das nach Auftreten eines Lagerdefekts (rechts) aufgenommen wurde, hat sich die Amplitude der Grundfrequenz verringert (roter Punkt), obwohl die 2X- und 3X-Oberwellen zugenommen haben; Oberschwingungen höherer Ordnung korrelieren mit Lagerspiel.

Abwägen von Vor- und Nachteilen

Wenn es im Engineering eine Wahrheit gibt, dann ist es, dass es nicht die eine perfekte Lösung gibt, sondern nur den besten Ansatz für ein bestimmtes Problem. Die Einrichtung eines hybriden Überwachungsprogramms beginnt mit dem Verständnis der Stärken und Schwächen der beiden Ansätze.

Bei der routenbasierten Überwachung werden manuelle Messungen in Intervallen vorgenommen, die durch die Historie der Anlage bestimmt oder aus präventiven Wartungsplänen extrapoliert werden. Dies ist ein guter Ansatz, um hohe Punktzahlen zu überwachen. Auf der anderen Seite stellt das Überwachungstool eine erhebliche Investition dar. Um genaue Messwerte zu erhalten, sind geschulte Techniker erforderlich, egal ob intern oder von Drittanbietern.

Daten werden in der Regel lokal gespeichert und verwaltet, und das Volumen nimmt im Laufe der Zeit erheblich zu. Schließlich erfordert die Analyse und Interpretation der Messwerte Fachwissen, das mit Kosten verbunden ist, sei es durch die Ausbildung eines Personalingenieurs, die Einstellung eines qualifizierten Technikers oder die Zusammenarbeit mit einem Zuverlässigkeitsdienst eines Drittanbieters.

Die kontinuierliche Online-Schwingungsanalyse verwendet vernetzte Sensoren, die auf den Geräten installiert sind, um Daten zu sammeln und sie zur Analyse und Warnung an einen lokalen Server oder eine Cloud weiterzuleiten. Die Häufigkeit der Messungen macht die kontinuierliche Online-Schwingungsüberwachung sehr effektiv bei der Erkennung von sich schnell entwickelnden Defekten. Obwohl die Ausrüstung traditionell teuer war, macht eine neue Generation budgetfreundlicher, cloudbasierter Zustandsüberwachungssysteme die Technologie für eine breitere Palette von Anlagen praktikabel.

Wie immer gibt es Kompromisse. Kontinuierliche Online-Zustandsüberwachung erzeugt selbst in diskreten Intervallen riesige Datenmengen. In den meisten Fällen werden diese Daten jedoch zur Speicherung in die Cloud portiert. Benutzerfreundliche, cloudbasierte Software kann verwendet werden, um automatisch vorkonfigurierte Analysen für die Daten auszuführen, wodurch der erforderliche Sachverstand reduziert wird, um die Sensorausgabe in verwertbare Informationen umzuwandeln.

Das richtige Werkzeug für das richtige Asset

Der ideale Überwachungsansatz für eine bestimmte Anlage balanciert erfolgreich die Kosten der Überwachung mit der Wahrscheinlichkeit, dass Probleme rechtzeitig erkannt werden, um ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Überwachungsmethode das Risiko, das durch einen Fehler entsteht. Dies beinhaltet das Risiko des Auftretens von Fehlern; die Dauer dieses Fehlers; und die Auswirkungen dieses Versagens in Bezug auf die menschliche Sicherheit, die Umweltsicherheit und die Gesamtproduktion. Berücksichtigen Sie schließlich die Zugänglichkeit der Assets für manuelle Ablesungen und für Reparaturen.

Nachdem Sie diese Faktoren tabellarisch aufgelistet haben, ordnen Sie die Anwendung dem Überwachungsansatz zu, der für die Anwendung am besten geeignet ist.

Die folgenden Assets eignen sich gut für die vibrationsroutenbasierte Überwachung:

Stabile Vermögenswerte: Assets mit Mean Times Between Failure (MTBFs) von einem Jahr oder mehr können mit streckenbasiertem Monitoring auf Monats- oder Quartalsbasis sehr effektiv verfolgt werden. Die Investition in ein System zur kontinuierlichen Erfassung von Daten zu dieser Art von Asset ist übertrieben. Es ist unwahrscheinlich, dass eine kontinuierliche Online-Überwachung die Betriebszeit im Vergleich zu routenbasierten Techniken signifikant erhöht. Was es erhöhen wird, ist die Menge an "Mir geht es gut"-Daten, die erfasst, analysiert und gespeichert werden müssen.

Anlagen mit geringem Risiko: Wenn eine Anlage über eine direkte Standby-Einheit und Ersatzteile im Bestand verfügt, die schnell installiert werden können oder die die Gesamtproduktivität der Anlage und/oder des Betriebs wahrscheinlich nicht beeinträchtigen, kann dies als risikoarm angesehen werden. Solche Assets sind gute Kandidaten für die routenbasierte Überwachung.

Low-Speed-Assets: Die routenbasierte Überwachung ist bei langsam rotierenden Anlagen sehr effektiv. Die meisten kontinuierlichen Überwachungssysteme haben einen signifikanten Abfall im Niederfrequenz- und Hochfrequenzbereich im Schwingungsspektrum. Dies schränkt ihre Effektivität für Anlagen ein, die mit Geschwindigkeiten unter etwa 600 U/min betrieben werden.

Suchen Sie für eine Anwendung nicht weiter als die Industrieöfen, die für alles vom Toasten von Frühstückszerealien bis zum Aushärten von Autolacken verwendet werden. Die Motoren, die die Förderbänder in diesen Öfen antreiben, können beim Tragen schwerer Lasten mit 25 U/min laufen und sie erheblichen Belastungen aussetzen. Die routenbasierte Überwachung bietet eine effektive Überwachung nicht nur für Schwingungen, sondern auch für andere Prozessvariablen, um einen besseren Einblick in den Gesamtzustand der Anlage zu erhalten.

Diese Anlageklassen lassen sich am besten mit der Online-Zustandsüberwachung verfolgen:

Assets, die häufig ausfallen – trotz routenbasierter Überwachung: Sich schnell entwickelnde Defekte erfordern eine häufigere Überwachung, als ein routenbasierter Zeitplan normalerweise liefern kann. Wenn ein Asset trotz regelmäßiger manueller Messungen alle sechs Monate oder weniger ausfällt, sollten Sie eine kontinuierliche Online-Schwingungsüberwachung in Betracht ziehen. Es bietet besseren Schutz und eine kostengünstigere Lösung als ein routenbasierter Ansatz.

Kritische Assets: Assets, die als Engpässe für andere Operationen fungieren, sollten kontinuierlich überwacht werden. Ein Förderband, das beispielsweise als Engpass für eine gesamte Verarbeitungslinie fungiert, sollte überwacht werden, um einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen, wenn die Kosten eines Ausfalls hoch sind, selbst wenn die Kosten der Anlage dies nicht sind, sollte dies als kritisch angesehen werden.

So wurde beispielsweise die 100.000 Quadratmeter große Produktionsfläche, in der sich die Verarbeitungslinie eines großen Lebensmittelherstellers befindet, von einem einzigen Dachgebläse bedient. Als es scheiterte, musste die Produktion eingestellt werden. Eine einfache Reparatur kann 120.000 US-Dollar kosten. Ein katastrophaler Ausfall könnte mehr als 1 Million US-Dollar betragen. Angesichts der kritischen Natur des Vermögenswerts hätte dieser regelmäßig überwacht werden müssen. Aufgrund von Schnee und Eis und anderen Hindernissen wurde es nur ein paar Mal im Jahr kontrolliert.

Um frühzeitig vor auftretenden Mängeln zu warnen, installierte der Zuverlässigkeitsservice eines Drittanbieters einen kontinuierlichen Online-Schwingungsmonitor. Das Gerät begann am 4. Oktober mit der Datenerfassung. Gegen Mitte des Monats begann das RMS-Vibrationstrend-Datendiagramm für eines der Lager zu steigen, was auf einen Lagerdefekt hindeutete (siehe Abbildung 2). Nach Rücksprache wurde beschlossen, den Betrieb unter Überwachung der Anlage fortzusetzen, um die Reparatur so zu planen, dass die Auswirkungen auf die Produktion minimiert wurden.

Am 3. November verschlimmerte sich der Defekt schlagartig. Das System hat Warnungen gesendet. Das Team überprüfte die Daten und überwachte das System bis zum Ende der Schicht genau. Zu diesem Zeitpunkt war das Problem hörbar. Die Maschine wurde über Nacht heruntergefahren und repariert. Die kontinuierliche Überwachung ermöglichte es, die Produktion zu verlängern und gleichzeitig die Kosten eines katastrophalen Ausfalls zu vermeiden.

Abbildung 2:Daten aus dem Dynapar OnSite Condition Monitoring System zeigen einen dramatischen Sprung im RMS-Schwingungstrend am 24. Oktober, als sich der Defekt zum ersten Mal bildete, gefolgt von einem starken Anstieg am 3. November, als das Lager wurde kritisch.

Schwieriger Zugriff auf Assets: Die kontinuierliche Online-Schwingungsüberwachung bietet eine Lösung für Anlagen, die für manuelle Messungen schwer zugänglich sind. In einem aktuellen Beispiel kam es bei der Aufwickelvorrichtung einer Papiermaschine aufgrund konstanter Geschwindigkeitsschwankungen zu häufigen Lagerausfällen. Die routenbasierte Überwachung konnte nicht verwendet werden, da bei laufender Maschine aus Sicherheitsgründen nicht auf die Walze zugegriffen werden konnte. Durch die stufenlose Drehzahlvariation reichte auch eine einfache Schwingungsüberwachung nicht aus.

Das Unternehmen installierte ein kontinuierliches Online-Schwingungsüberwachungssystem mit Cloud-basierter Datenspeicherung und -analyse. Die webbasierte Analyse wandelte Zeitwellenformdaten in RMS-Wellenform- und Schwingungsspektren um. Mithilfe der Geschwindigkeitsmesswerte des Encoders hat die automatisierte Analyse die Schwingungsdaten entsprechend skaliert.

Am 24. Januar lösten die Vibrationspegel einen Alarm aus. Mit dem kontinuierlichen Überwachungssystem konnte die Mühle die Linie bis zum 5. Februar am Laufen halten, als sie das Lager ersetzten (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3:RMS-Trend der Schwingrollenlagervibration zeigt das Auftreten eines Defekts (Einschub) am 24. Januar (roter Pfeil). Die Vibrationspegel sind nach der Reparatur am 5. Februar auf den Ausgangswert zurückgekehrt.

Das Erreichen eines Assets wie eines Kühlturmventilators oder eines Aufzugsmotors kann außergewöhnliche Sicherheitsvorkehrungen (und Komfort bei Höhen) erfordern. Und einige Assets sind einfach zu überwachen im Nacken, vielleicht aufgrund von beengten Platzverhältnissen, weil sich das Gehäuse im Sommer auf dreistellige Temperaturen erwärmt oder weil der Zugriff auf das Asset das Entfernen von Schutzvorrichtungen erfordert.

Sicherheitsrelevante Vermögenswerte: Alle Anlagen, deren Ausfall das Risiko einer unmittelbaren Verletzung oder des Todes birgt, sollten durch eine kontinuierliche Online-Schwingungsüberwachung verfolgt werden. Dazu gehören Anlagen, deren Ausfall unmittelbaren Schaden für in der Nähe befindliche Betreiber verursachen kann, und solche, deren Ausfall eine gefährliche Situation für das Personal und die Anlage als Ganzes schaffen könnte.

Ein Hersteller von Holzprodukten litt unter einer hohen Ausfallrate von Staubabscheidern, die zum Auffangen von Sägemehl in seiner Produktionsanlage verwendet wurden. Staubabscheidung ist sicherheitskritisch – die Verbreitung des Sägemehls in der Luft erzeugt eine explosionsfähige Umgebung der Klasse 1/Division I. Wenn die Staubabscheider ausfallen, sinkt auch die Produktion. Die Operation musste ein Frühwarnsystem finden, um einem Ausfall vorzubeugen.

Die Anwendung ist sowohl sicherheits- als auch produktionskritisch und wird daher am besten durch eine kontinuierliche Online-Schwingungsüberwachung bedient. Die Granularität der Daten identifizierte nicht nur Probleme und verhinderte Ausfälle, sondern half auch, die Ursache zu diagnostizieren. Das Überwachungssystem wurde so konfiguriert, dass es einmal pro Stunde Schwingungsdaten erfasst. Im Laufe eines Monats betrachtet, zeigte der RMS-Vibrationstrend einen Rückgang.

Als der Zuverlässigkeitstechniker die Zeitwellenform betrachtete, bemerkte er, dass die durch den Aufprall der Lagerrollen gegen die Laufringe verursachten Spitzen für 24 bis 48 Stunden nach der Schmierung vorübergehend abnahmen, bevor sie sich wieder erhöhten. Um die Theorie zu testen, dass es sich um eine unzureichende Schmierung handelte, wurde die Schmiermittelmenge jeden Monat erhöht. Fehler gingen sofort zurück und die Leistung wurde verbessert.

Gestörte Assets: Wenn die routenbasierte Überwachung einen sich entwickelnden Fehler erkennt, hat die Wartung die Wahl zwischen der sofortigen Reparatur oder der Verzögerung der Reparatur, während das Problem weiterhin überwacht wird. Eine sofortige Reparatur vermeidet die Kosten für den Austausch eines Assets, das noch eine lebensfähige Lebensdauer hat, birgt jedoch ein kalkuliertes Risiko, dass das Asset zwischen den Messungen nicht ausfällt. Routenbasiertes Monitoring wird immer weniger kosteneffizient, wenn die Frequenzen auf wöchentlich oder sogar täglich steigen. Die kontinuierliche Online-Überwachung nimmt nicht nur Messwerte in Intervallen vor, die kurz genug sind, um schnelle Zustandsänderungen zu erkennen, sondern kann so konfiguriert werden, dass automatisch Warnungen gesendet werden, wenn Vibrationen bestimmte Schwellenwerte überschreiten.

Assets mit variabler Geschwindigkeit: Bestimmte Assetklassen beschleunigen und verlangsamen ständig, was zu einem vorzeitigen Lagerausfall führen kann. Durch diese Betriebsart fallen beispielsweise häufig die Auf-/Abwickelrollen in der Bahnverarbeitung aus.

Moderne Einrichtungen können Hunderte, wenn nicht Tausende potenzieller Fehlerquellen aufweisen. Kein einzelner Ansatz zur Zustandsüberwachung kann in allen Fällen wirksam sein. Routenbasierte Überwachung ist nicht ausreichend, um sich schnell entwickelnde Fehler zu verfolgen. Auch die neueste Generation kostengünstiger kontinuierlicher Online-Schwingungsüberwachungssysteme wird bei hohen Punktzahlen teuer. Der beste Ansatz ist eine Hybridstrategie.

Auditieren Sie die Einrichtung und bestimmen Sie, welche Assets gute Kandidaten für kontinuierliche Online-Systeme sind und welche durch routenbasiertes Monitoring besser bedient werden. Durch den Aufbau eines hybriden Überwachungsprogramms können Sie die Wartung optimieren, die Betriebszeit erhöhen, die Sicherheit gewährleisten und die Produktivität und Rentabilität im gesamten Betrieb maximieren.

Über den Autor

Derek Lammel, Zuverlässigkeitsspezialist, Dynapar Corporation. Derek Lammel, ein Schwingungsanalytiker der Kategorie III, verfügt über weitreichende Erfahrung in mehreren Säulen der vorausschauenden Wartung unter Verwendung von Schwingungsanalyse, Thermografie, Ölanalyse und Ultraschalltechnologien. Derek verbrachte 9 Jahre bei der United States Navy und arbeitete im Ausland in der Luftfahrtinstandhaltung beim Patrol Wing Reconnaissance Squadron 45. Derek kam 2019 zu Dynapar und ist der Fachexperte für Schwingungsanalyse für Dynapars Produkte und Dienstleistungen. Bevor er zu Dynapar kam, arbeitete Derek für SKF Reliability Systems als Feldzuverlässigkeitsingenieur in verschiedenen Branchen wie Zellstoff und Papier, Stahlerzeugung, Nahrungsmittel und Getränke sowie Bergbau und entwickelte prädiktive Strategien zur Erhöhung der Betriebszeit für Kunden.