Verbesserung durch drahtlose Überwachung

Mechanische Ausfälle von Motoren, Antrieben und anderen lebenswichtigen elektromechanischen Geräten gehören zu den häufigsten Gründen für Produktionsausfälle. Glücklicherweise haben die jüngsten Fortschritte in der Schwingungsüberwachung und Datenanalyse zu Zustandsüberwachungssystemen geführt, die ein Problem genau erkennen können, bevor es ausfällt, wodurch kostspielige Maschinenstillstände reduziert und die Produktionsleistung maximiert wird.

Diese Systeme sind auf den überwachten Geräten installiert und in der Regel mit einem zentralen Computer zur Datenanalyse und Alarmmeldung vernetzt. Da sich die Maschinen an abgelegenen Standorten befinden können, an denen keine Netzwerkinfrastruktur verfügbar ist, oder auf wechselnden Plattformen, auf denen eine kabelgebundene Netzwerkverbindung nicht praktikabel ist, ist die drahtlose Kommunikation eine Netzwerkalternative, die Installationskosteneinsparungen, schnellere Bereitstellung und verbesserte Zuverlässigkeit in bestimmten Situationen bietet .

Abbildung 1. Direktsequenz-Wellenform.

FRAGEN UND BEDENKEN
Für viele Branchen ist der Kauf eines Condition Monitoring Systems mit einer einfachen Return-on-Investment (ROI)-Rechnung leicht zu rechtfertigen. Für relativ geringe Kosten können lebenswichtige Maschinen mit einer Zustandsüberwachung nachgerüstet werden, um Betriebsausfälle zu reduzieren. Es sind jedoch zusätzliche Kosten zu berücksichtigen, wenn die Netzwerkinfrastruktur nicht verfügbar oder praktikabel ist. Diese zusätzlichen Kosten können die Installation von Glasfaserkabeln, die Konstruktion/Installation von Leitungen, das Ausheben von Gräben zwischen Gebäuden, das Leasing von Telefonleitungen für entfernte Standorte und die Installation von Festoonings oder Schleifringen für bewegliche Geräte umfassen. Diese zusätzlichen Kosten können den ROI über das hinaustreiben, was das Management akzeptiert.

Abbildung 2. 802.11b Direct Sequence Channels.

Befindet sich die überwachte Maschine an einem entfernten Standort innerhalb des Werks, an dem keine Netzwerkinfrastruktur verfügbar ist, ist eine Kabelinstallation erforderlich. Die Installationskosten für Kabel in einer Industrieanlage können je nach Anlagentyp und physischer Konfiguration stark variieren. Studien haben beispielsweise gezeigt, dass die durchschnittliche Kabelinstallation in einer Chemiefabrik 40 US-Dollar pro Fuß (120 US-Dollar pro Meter) kostet, während die Kabelinstallation in einem Kernkraftwerk bis zu 2.000 US-Dollar pro Fuß (6.000 US-Dollar pro Meter) betragen kann. Die tatsächlichen Kabelkosten hängen vom Standort der Maschine in Bezug auf die vorhandene Netzwerkinfrastruktur, dem benötigten Kabeltyp (z.

Wenn sich das Gerät an einem entfernten Standort befindet, der mehrere Meilen (Kilometer) oder mehr entfernt ist, müssen Telefonleitungen für die Kommunikation gemietet werden. Die Kosten für gemietete Telefonleitungen umfassen normalerweise eine anfängliche Aktivierungs-/Installationsgebühr und eine monatliche Gebühr, die von der Dienstgeschwindigkeit abhängt. Da die Schwingungsüberwachung kontinuierlich und typischerweise datenintensiv ist, muss der Telefonleitungsdienst eine ausreichend hohe Geschwindigkeit für eine kontinuierliche Überwachung unterstützen. Telefonleitungsdienste zu entfernten Standorten wie Pumpstationen sind aufgrund schlechter Leitungsqualität auch anfällig für Kommunikationsfehler, und die Zuverlässigkeit kann ein Problem darstellen. Drahtlose Mobilfunkdienste sind manchmal eine Option für entfernte Standorte, unterliegen jedoch der Dienstverfügbarkeit und sind in der Geschwindigkeit begrenzt. Die Kosten für das Abonnement von Mobilfunkdaten können ebenfalls hoch sein.

Abbildung 3. Nicht überlappende 802.11b-Kanäle.

Befindet sich die Maschine auf einer beweglichen Plattform (zB Laufkran, Verschiebewagen oder Förderanlage), ist die Anbindung des Condition Monitoring Systems an das Anlagennetzwerk eine besondere Herausforderung. Abhängig von der Geschwindigkeit und Entfernung, die die Plattform zurücklegt, sind möglicherweise traditionelle Verkabelungsmethoden wie Festooning möglich. Festooning unterliegt jedoch Verschleiß und ist selbst ein Problem der Zuverlässigkeit, da Kabel brechen können. Für sich drehende Plattformen sind Schleifringe mit Ethernet-Unterstützung erhältlich, die jedoch teuer sind und eine regelmäßige Wartung erfordern. Einige Maschinen bewegen sich möglicherweise so schnell, dass die einzige praktikable Kommunikationsmethode drahtlose Hochfrequenz (RF) ist.

Angesichts der Herausforderungen bei der Vernetzung von Zustandsüberwachungssystemen bietet die drahtlose Kommunikation niedrigere Installationskosten (verkürzte ROI-Zeit), eliminiert Telefonleitungen und überwacht Maschinen aus der Ferne, die zuvor nicht praktikabel waren. Die Leistung und Zuverlässigkeit von drahtlosen Technologien und Geräten bei der industriellen Installation ist jedoch sehr unterschiedlich. Das Entwerfen eines erfolgreichen drahtlosen Netzwerks erfordert eine Untersuchung der aktuellen drahtlosen Nutzung, der HF-Pfade und der Umweltherausforderungen der Industrieanlage.

Abbildung 4. Frequenzsprungkanäle.

DRAHTLOSE TECHNOLOGIEN
Der gebräuchlichste Ansatz für drahtloses Ethernet ist die HF-Übertragung in den Spreizspektrumbändern. Weltweit stehen in den meisten Ländern die 2,4- und 5,8-Gigahertz (GHz)-Bänder zur lizenzfreien Nutzung zur Verfügung.

Spreizspektrum bedeutet wörtlich das Spreizen der HF-Energie über das gesamte (oder weite Teil des) Spektrums. Diese Technik ermöglicht eine relativ schnelle Kommunikation, während sie dafür ausgelegt ist, in lauten Umgebungen zu arbeiten, in denen mehrere HF-Systeme vorhanden sind. Es gibt zwei Hauptmethoden zum Spreizen von HF-Energie:Direktsequenz und Frequenzsprung. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile für die industrielle drahtlose Kommunikation.

Die Direktsequenz verwendet einen breiten Kanal innerhalb des Bandes, um gleichzeitig ein hochcodiertes Bitmuster zu modulieren (siehe Abbildung 1).

Direct Sequence bietet die schnellsten Spread-Spectrum-Datenraten, da der breite Kanal die Übertragung komplexer Modulationsschemata ermöglicht. Die orthogonale Frequenzdomänenmodulation (OFDM) ist eine komplexe Modulationstechnik, die schnelle Datenraten ermöglicht und im IEEE-Standard 802.11g umfassend verwendet wird und HF-Datenraten von bis zu 54 Megabit pro Sekunde (Mbps) unterstützt.

Direct Sequence ist die Methode, die heute von allen gängigen offenen Wi-Fi-Standards verwendet wird, einschließlich IEEE 802.11b, 802.11g (beide senden im 2,4-GHz-Band) und 802.11a (Senden im 5,8-GHz-Band). Während die Breitbandmodulation eine hohe Geschwindigkeit bietet, macht sie das HF-System auch anfälliger für Rauschprobleme, wenn mehrere Systeme in unmittelbarer Nähe arbeiten. IEEE 802.11b hat beispielsweise 13 verfügbare Kanäle (in einigen Ländern nur 11 Kanäle), aber nur drei Kanäle überschneiden sich nicht (siehe Abbildungen 2 und 3).

Aufgrund überlappender Kanäle und der Popularität von Wi-Fi-Systemen in Anlagen können Überbelegung und HF-Sättigung zu einer schlechten drahtlosen Leistung führen. Das Frequenzspringen ist eine sehr beliebte Technik für industrielle Systeme, da es über hervorragende Rauschimmunitätstechniken verfügt. Im Gegensatz zur direkten Sequenz verwendet das Frequenzspringen viele kleinere Kanäle im Spektrum und wechselt schnell die Kanäle oder "springt" von Kanal zu Kanal (siehe Abbildung 4). Durch die Einbeziehung von Fehlerkorrekturtechniken bietet das Frequenzspringen die besten Chancen für eine erfolgreiche Datenübertragung, da der Sender das Paket immer wieder über verschiedene Kanäle sendet, bis eine Bestätigung empfangen wird. Der Nachteil von Frequency Hopping besteht darin, dass es langsamer ist als die direkte Sequenz und eine längere Datenlatenz hat. Die meisten Frequenzsprungsysteme sind auf eine HF-Datenrate von 1 Mbps oder weniger beschränkt. Wenn die Datenrate jedoch für die Anwendung schnell genug ist, ist die Zuverlässigkeit des Frequenzsprungs kaum zu überbieten, insbesondere wenn in Zukunft weitere HF-Systeme hinzugefügt werden.

Frequenzsprungmodems sind proprietär, d. h. jeder Hersteller verwendet seine eigene Technik, und Anbieter X kommuniziert normalerweise nicht mit Anbieter Y. Während dies für kommerzielle Systeme potenziell ein Nachteil ist, kann es für industrielle Systeme aus zwei Gründen wünschenswert sein:Sicherheit und Isolation aus dem drahtlosen Informationstechnologiesystem. Da die Frequenzsprungtechnik nicht auf einem offenen Standard basiert, kann der Hersteller einzigartige Authentifizierungsverfahren und ausgeklügelte Verschlüsselungstechniken verwenden.

Während sich die Sicherheit in Wi-Fi-Systemen mit WPA- und WPA2-Standards deutlich verbessert hat, werden Hacker weiterhin nach Lücken suchen. Viele industrielle Wi-Fi-Hersteller bieten jetzt eine Option zum Verstecken des Access Points an, indem sie seinen SSID-Beacon nicht übertragen. Diese Technik ist effektiv, um den Zugangspunkt vor potenziellen Hackern zu verbergen.

Frequency Hopping bietet Werksleitern zudem die Möglichkeit, ein eigenes Funknetz getrennt von der IT-Abteilung zu betreiben. Aufgrund der Popularität von 802.11-Technologien für drahtlosen Netzwerkzugriff, Lager-Barcode-Systeme und Videoüberwachung können proprietäre Frequenzsprungsysteme die beste Wahl für industrielle Systeme sein und den Frieden zwischen Abteilungsleitern wahren.

Abbildung 5. Drahtlose Kühlturmanwendung.

DRAHTLOSE UND ZUSTANDSÜBERWACHUNG INTEGRATION
Die meisten Zustandsüberwachungssysteme verfügen über eine Ethernet-Kommunikationsoption für die Netzwerkkonnektivität. Ethernet ist die am einfachsten anpassbare Schnittstelle für Wireless, wenn zwei Aspekte beachtet werden:Datenrate (Bandbreite) und Datenlatenz. Diese Überlegungen spielen insbesondere dann eine Rolle, wenn mehrere entfernte Maschinen überwacht werden. Es ist wichtig, ein HF-Netzwerk zu entwerfen, das alle entfernten Standorte effektiv erreicht und gleichzeitig angemessene Datenraten aufrechterhält. Wenn die Anzahl der Remote-Computer hoch ist, ist es möglicherweise am besten, separate RF-Systeme zu installieren, um die Leistung jedes Systems zu maximieren. Maschinenstandorte und Gebäudestrukturen bestimmen die Antennenplatzierung und können ein weiterer Grund sein, mehrere HF-Systeme in Betracht zu ziehen. Viele industrielle Systeme unterstützen auch die Paketwiederholung, um die HF-Signalausbreitung zu unterstützen und gleichzeitig selbstheilende Netze zu erstellen. Schließlich ist es sehr wichtig, dass die drahtlosen Geräte speziell für industrielle Installationen entwickelt wurden. Zu den wichtigsten zu untersuchenden Spezifikationen zählen die HF-Ausgangsleistung (höher ist normalerweise besser), die Betriebstemperatur, die integrierte Diagnose, die gefährlichen Zertifizierungen (falls erforderlich) und, vielleicht am wichtigsten, der Wissensstand des Support-Personals im Bereich industrieller Netzwerke.

DRAHTLOSE ANWENDUNGEN
Die Zustandsfernüberwachung kann praktisch jeder Branche zugute kommen, in der elektromechanische Maschinen für die Produktion von entscheidender Bedeutung sind. Einige Anwendungen, bei denen die drahtlose Zustandsüberwachung besonders effektiv ist, sind die Überwachung von Pumpen in Kläranlagen, Antriebe für Öl-/Gas-Bohrinseln, Antriebe von Montagelinien in Automobilwerken und Laufkräne in Roheisenwerken.

Eine besonders interessante Anwendung ist die Überwachung von Kraftwerkslüftern.

Ein Kohlekraftwerk wollte seine Kühlventilatoren am Fuß seiner Kühltürme überwachen. Die Kühlventilatoren werden in sehr rauen Bereichen montiert, in denen immer heißer Dampf vorhanden ist. Wenn ein Ventilator ausfiel, musste der Turm abgeschaltet werden, damit ein Techniker ihn reparieren konnte, wodurch die Leistung der Anlage, manchmal während der Spitzenlastzeiten, reduziert wurde. Durch die Installation des Zustandsüberwachungssystems wäre die Anlage in der Lage, die Lüfterreparatur außerhalb der Spitzenzeiten zu planen.

Das Zustandsüberwachungssystem war relativ einfach zu installieren, außer dass die Türme keine Ethernet-Netzwerkinfrastruktur hatten. Die Kosten für das Ziehen von Glasfaserkabeln wurden auf mehr als 100.000 US-Dollar geschätzt und die Installation würde mehr als sechs Monate dauern. Das Kraftwerk untersuchte die Verwendung von drahtlosem Ethernet und stellte fest, dass es nur einen kleinen Bruchteil der Glasfaser kosten würde und innerhalb von drei Wochen installiert werden könnte. Die Installation verlief reibungslos und das System arbeitet seit mehr als fünf Jahren zuverlässig (siehe Abbildung 5.)

ZUSAMMENFASSUNG
Fortschritte in der Schwingungsanalyse haben zu modernen Zustandsüberwachungssystemen geführt, die die Anlagenproduktion erheblich verbessern können. Leider können die Kosten für die Vernetzung dieser Geräte sehr hoch oder unpraktisch sein. Industrielle Funktechnologien bieten eine Alternative zu fest verdrahteten Netzwerken und können zu geringeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit führen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, die beste Technologie und drahtlose Hardware auszuwählen, um ein erfolgreiches System zu gewährleisten.