Maschinenzustands- und Anlagenüberwachung in industriellen Anwendungen:Ein Blick auf Sensortechnologien

Die aus der Überwachung entfernter Geräte gewonnenen Daten sind für die Funktionalität jedes industriellen Prozesses von entscheidender Bedeutung. Häufig werden diese Daten von einem SCADA-Steuerungssystem (Supervisory Control and Data Acquisition) verarbeitet, häufig über ein Ethernet- und TCP/IP-Netzwerk über eine Bus-, Stern- oder Baumtopologie. Industrial Internet of Things (IIoT)-Systeme erweitern und ersetzen in einigen Fällen diese Legacy-Systeme, um ein drahtloses Netzwerk von Knoten zu ermöglichen, die mit einem Gateway verbunden sind, das für komplexere Datenverarbeitung und -analyse zurück in die Cloud führt. Unabhängig von der Verwendung von drahtgebundenen oder drahtlosen Technologien bilden die zugrunde liegenden Sensoren, die in diesen Prozessen verwendet werden, das Rückgrat für die Daten, die für die Bewertung und Analyse der Anlagenausrüstung erforderlich sind.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über Anwendungen zur Überwachung des Zustands industrieller Maschinen und Anlagen sowie einen Überblick über einige der häufig verwendeten Sensortechnologien.

Maschinenzustands- und Anlagenüberwachungsanwendungen im IIoT

Remote-Anwendungen zur Überwachung des Zustands industrieller Maschinen und Anlagen erstrecken sich über eine Vielzahl von Industriezweigen mit einer Vielzahl von Sensortypen, die zusammen mit drahtlosen Protokollen verwendet werden, um Datenübertragungen in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit zu erreichen. In der traditionelleren SCADA-Architektur werden Sensor-/Aktor-Knoten mit industriellen E/A-Modulen verbunden – oft speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder Remote Terminal Units (RTUs). Diese E/A-Module senden Sensordaten an und von Knoten basierend auf dem Feedback von Überwachungscomputern – häufig Human Machine Interfaces (HMI) – sammeln und verbreiten Daten basierend auf menschlicher Eingabe.

Im Industrial Wireless Sensor Network (IWSN) verbindet sich eine Anzahl von Sensorknoten drahtlos mit einem Gateway in einer Punkt-zu-Mehrpunkt-(PtMP)-Topologie über ein lizenziertes/nicht lizenziertes Band und ein bestimmtes drahtloses Protokoll. In industriellen Anwendungen kann dies von branchenspezifischen Protokollen wie WirelessHART über zellulare Netzwerke bis hin zu kommerzielleren Protokollen wie Zigbee reichen. Dadurch wird die Verkabelung separater E/A-Module in der SCADA-Architektur umgangen und diese Hierarchie auf vereinfachte Datenübertragungen von Sensorknoten zu einem Gateway/einer Basisstation zu einer zentralisierten Cloud-basierten Plattform komprimiert, um kompliziertere Analysen durchzuführen.

Zu den Anwendungen von IWSNs für die Maschinenzustandsüberwachung gehören industrielle Positioniergeräte und Motoren/Antriebe sowie Anlagenüberwachungsanwendungen (Abbildung 1). Induktive Motoren finden sich beispielsweise in einer Vielzahl von Maschinenausrüstungen, von Präzisions-CNC-Maschinen bis hin zu großen Industriekränen, Riemenscheiben und Förderbändern. Jegliche Fehler in diesen Maschinen können die mechanische Genauigkeit beeinträchtigen oder sogar einen Ausfall und Ausfallzeiten der Fabrik verursachen, wodurch die wertvolle Betriebszeit der Anlage direkt verkürzt wird und zusätzliche Kosten für die Reparaturzeit anfallen. Einige häufige mechanische Ausfälle bei Motoren sind:Risse im Rotorstab, Kurzwicklungsfehler, Luftspaltabweichungen und Lagerfehler.

Beschleunigungsmesser werden am häufigsten für die Analyse von Vibrationsdaten eingesetzt – die meisten mechanischen Fehler in rotierenden Maschinen führen zu einem nachweisbaren Anstieg der Vibrationspegel. Zusätzliche Messungen umfassen die Motorstromsignaturanalyse (MCSA), bei der Verzerrungen in den Stromwellenformen eines Motors den bestimmten Fehler basierend auf der Amplitude der Spitze und der Frequenz, bei der die Spitze auftritt, extrapolieren können. Diese Messmethode wird oft mit Hilfe eines Zangenstromwandlers (CT) durchgeführt.

Abgesehen von Beschleunigungsmessern und Stromsensoren werden in IWSNs häufig Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Füllstandssensoren eingesetzt. Bei Anlagenüberwachungsanwendungen ist beispielsweise die Verfolgung des Tankfüllstands für Chemikalien-, Lebensmittel- und pharmazeutische Mischtanks von größter Bedeutung, um sicherzustellen, dass Zutaten mit genauen Werten eingefüllt werden. In diesen Fällen können Drucksensoren eingesetzt werden oder verschiedene Füllstandssensoren verwendet werden, um den Füllstand des Tanks zu messen. Die Luftstrom- oder Flüssigkeitsstromüberwachung kann sowohl mit Druck- als auch mit Flüssigkeitssensoren sowie in industriellen Luftfiltersystemen oder in kommerziellen HVAC-Systemen durchgeführt werden. In Wasseraufbereitungs- und -verwaltungsanlagen weisen Filter Druckunterschiede an den Zufluss- (Eingangs-) und Abfluss-(Ausgangs-)leitungen auf, wo Leistung und Verstopfung durch Drucksensoren verfolgt und erkannt werden können.

Eine Reihe zugrunde liegender Grundprinzipien (optisch, elektromagnetisch, Radar, mechanisch, Ultraschall, akustisch usw.) können genutzt werden, um das gleiche Erfassungsergebnis zu erzielen. Diese Vielfalt findet sich für Füllstands-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren. Die Wahl der Technologie ist ein Gleichgewicht zwischen Preis, Genauigkeit, Formfaktor, einfacher Installation/Kalibrierung, Reaktionsgeschwindigkeit und kontinuierlicher oder diskreter Überwachung. In den nächsten Abschnitten werden einige der häufig genutzten Sensoren in IWSNs angesprochen.

Ein Blick auf häufig verwendete Sensoren

Beschleunigungsmesser – Wie bereits erwähnt, sind Beschleunigungsmesser eine Eckpfeilerkomponente für die Überwachung von Maschinenausrüstungen auf Schwingungsdaten. Dies erfolgt durch das Sammeln von Parametern wie Beschleunigung, Verzögerung und Stoß aus Spannungsdaten. Dies wird in Vibrodiagnostik entweder im Zeitbereich oder im Frequenzbereich umgewandelt. Bei der Zeitbereichsanalyse ermöglicht das Sammeln und Verteilen von Signalabtastwerten die wahrnehmbare Änderung des Maschinenverhaltens über die Zeit. Eine einfache Form der Schwingungsanalyse im Zeitbereich besteht darin, „Alarmgrenzen“ mit der quadratischen Mittelwertgeschwindigkeit (RMS) des Maschinengehäuses zu definieren (Standard ISO 2372).

Die Zeitbereichsanalyse hat im Allgemeinen den Nachteil, dass Fehler nicht früher erkannt werden können, da mehr Daten gesammelt werden müssen, um einen beobachtbaren Unterschied festzustellen. Zeitwellenformen haben jedoch den großen Vorteil, dass sie ein Ereignis klassifizieren, das vorübergehend oder intermittierend ist. Im Frequenzbereich ergeben die verschiedenen Fehler scheinbare Unterschiede im spektralen Leistungsgehalt (d. h. Spitzen in der Schwingungsgeschwindigkeit bei verschiedenen Frequenzen), die eine bessere Fehlerisolierung ermöglichen. Während die Zeitbereichsanalyse häufig genutzt wird, um Probleme zu untersuchen, die entweder bereits bekannt sind oder sehr spezifische Muster aufweisen, nach denen gesucht wird, ermöglicht die Frequenzbereichsanalyse einen umfassenderen Überblick über den Maschinenbetrieb, bei dem die Identifizierung von Fehlern weitaus offensichtlicher ist. Mehrachsige Beschleunigungsmesser sind besonders wertvoll, da sie Daten sowohl in axialer als auch in radialer Richtung sammeln können. Beschleunigungsmesser können einem dieser Grundprinzipien folgen:kapazitiv, piezoelektrisch oder piezoresistiv.

Am gebräuchlichsten sind kapazitive Beschleunigungsmesser, bei denen eine an einer Feder aufgehängte Prüfmasse unter Beschleunigungsbelastung ins Ungleichgewicht gerät. Diese Verschiebung wird dann von Elektroden mit einer Kapazitätsänderung registriert, die letztendlich eine Beschleunigungsrate und Beschleunigungsrichtung ergibt. Piezoelektrische Beschleunigungsmesser verwenden auch eine Prüfmasse; Verschiebungen in der Prüfmasse verursachen jedoch stattdessen eine Scherspannung an dem piezoelektrischen Material, die sich direkt in eine elektrische Ausgabe umwandelt. Ähnlich wie die in den vorherigen Sensoren aufgeführten Druck- und Füllstandssensoren kann ein Beschleunigungssensor auch das piezoresistive Prinzip mit einer Prüfmasse und Dehnungsmessstreifen nutzen, um ein Beschleunigungsergebnis zu liefern.

Stromsensor – Industrielle Stromsensoranwendungen können MCSA-Analysen für Maschinenausrüstung, Smart Metering und in Anwendungen mit Stromversorgungen (z. B. Wechselrichtersteuerung, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Schweißen usw.) umfassen. Stromsensoren nutzen eines von vier Grundprinzipien:Ohmsches Gesetz, Faradaysches Gesetz, Faradayscher Effekt oder Magnetfeldmessung.

Ein Stromsensor vom Widerstands-Shunt-Typ würde das Ohmsche Gesetz nutzen und besteht aus einem Widerstandselement, das in Reihe mit dem stromführenden Leiter wirkt, dessen Stromwert gewünscht wird. Auf diese Weise fließt ein Teil des Stroms durch das Element und verursacht einen Spannungsabfall, der proportional zum durchfließenden Strom ist.

Abbildung 2 zeigt einen Überblick über verschiedene Sensortechnologien. Stromwandler (CT) nutzen das Faradaysche Induktionsgesetz. Der Transformator umfasst mehrere Wicklungen um einen Magnetkern mit hoher magnetischer Permeabilität. Die Primärwicklung oder der stromführende Leiter kann entweder aus wenigen Windungen bestehen oder einfach eine Leitung sein, die durch den Kern verläuft. Der durch die Primärwicklung fließende Wechselstrom konzentriert die magnetischen Flusslinien innerhalb des Kerns oder Flusskonzentrators, der wiederum einen Strom in der Sekundärwicklung induziert, der direkt proportional zum Strom in der Primärwicklung ist und eine Messung des Stromflusses bietet.

Eine Rogowski-Spule verwendet das gleiche Prinzip, stattdessen mit einem Kern mit einer ähnlichen magnetischen Permeabilität wie Luft. Die induzierte Spannung in der Sekundärwicklung ist proportional zur zeitlichen Ableitung des gewünschten Stroms. Daher wird die Sekundärwicklung in einer Rogowski-Spule mit einer Operationsverstärker-Integratorschaltung abgeschlossen.

Hall-Effekt-Magnetfeldsensoren werden ebenfalls entweder in einer Open-Loop- oder in einer Closed-Loop-Architektur eingesetzt. Der Hall-Effekt beschreibt einfach den senkrechten Spannungsvektor, der in Gegenwart eines Stroms und eines Magnetfelds erzeugt wird, die durch einen Metallstreifen fließen. Eine Open-Loop-Konfiguration ähnelt dem Stromwandler, da der stromführende Leiter durch die Mitte eines Magnetkerns mit hoher magnetischer Permeabilität verläuft. Ein Hall-Effekt-Sensor wird in einer Lücke im Kern platziert und erzeugt eine Spannung, die proportional zum Strom ist. Diese Spannung erfordert jedoch einen Verstärker, da die Ausgangsspannung klein ist.

Eine Konfiguration mit geschlossener Schleife beinhaltet stattdessen eine Kompensationsspule oder Sekundärwicklung, die ein Feld erzeugt, das dem Strom im stromführenden Leiter entgegenwirkt, sodass am Hall-Effekt-Sensor kein Magnetfeld zu sehen ist. Die Sekundärwicklung wird von Verstärkern im Stromerfassungs-IC angesteuert und mit einem Lastwiderstand abgeschlossen. Der Strom im stromdurchflossenen Leiter ist proportional zur Spannung an diesem Ausgangswiderstand.

Drucksensor – Der Begriff Drucksensor wird allgemein als Sammelbegriff verwendet, der Drucksensor, Druckmessumformer und Drucktransmitter umfasst. Im Allgemeinen erzeugen Drucksensoren ein 10-mV-Ausgangssignal, wobei dieses Ausgangssignal in einer Entfernung von 10 bis 20 Fuß von elektrischen Geräten ohne merklichen Signalverlust verwendet werden kann. Druckmessumformer erzeugen höhere Ausgangsspannungen (0,5 bis 4,5 V), die ohne Signalverschlechterung über 20 Fuß zurückgelegt werden können. Druckmessumformer bieten ein Stromausgangssignal von 4 bis 20 mA. Drucksensoren sind in einer Reihe von Konfigurationen erhältlich, einschließlich Wheatstone-Brückentyp/piezoresistiv, kapazitiv, elektromagnetisch, piezoelektrisch und optisch.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die gebräuchlichste Art von Drucksensoren:die Brückentyp-/piezoresistive Konfiguration (Abbildung 3). Die gebräuchlichsten Drucksensoren beruhen auf dem piezoresistiven Effekt, bei dem die Widerstandsänderung, die auftritt, wenn ein Material verformt wird, mit dem Druck korreliert, unter dem das Material steht. Typischerweise haben diese Sensoren eine Messmembran, bei der die Seite der Membran, die dem Gas/der Flüssigkeit (d. h. Hydraulikflüssigkeit, Wasser, Öl usw.) zugewandt ist, einem „Referenzdruck“ ausgesetzt ist, während die andere Seite der Membran freiliegt zu Hochdruck. In diesem Fall wird die Membran entsprechend ausgelenkt/verformt und Dehnungsmessstreifen messen den Druckunterschied zwischen den einzelnen, um diese Informationen in eine zur Übertragung bereite elektrische Größe umzuwandeln.

Dehnungsmessstreifen fungieren im Wesentlichen als Widerstandselemente, deren Widerstandsänderung proportional zur Belastung ist, der sie ausgesetzt sind. Bei diesen Dehnungsmessstreifen handelt es sich entweder um foliengebundene Dehnungsmessstreifen, die durch einen Sputter-Abscheidungsprozess hergestellt werden, oder um Dehnungsmessstreifen vom Diffusions-Siliziumtyp, der auch als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen bekannt ist, da er durch Diffusion von Verunreinigungen in eine Membran auf Siliziumbasis hergestellt wird. Der folienbasierte Dehnungsmessstreifen hat den Vorteil, dass er höheren Drücken standhält, während der halbleiterbasierte Dehnungsmessstreifen eine höhere Empfindlichkeit bietet, sodass er oft bei niedrigeren Drücken genutzt wird. Silizium-Dehnungsmessstreifen werden jedoch stark von der Temperatur beeinflusst und haben daher tendenziell niedrigere Betriebstemperaturen als Folien-Dehnungsmessstreifen.

Flüssigkeitsstandsensor – Füllstandssensoren erfassen die Menge an Flüssigkeit, Pulvern oder körnigen Materialien (z. B. Pellets) in einem Behälter. Ähnlich wie beim Drucksensor kann diese Messung auf vielfältige Weise erfolgen. Die obige Tabelle listet einige der Methoden mit einer Beschreibung und einigen wichtigen Überlegungen für jeden Füllstandssensortyp auf. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf den hydrostatischen Sensor auf Membranbasis.

Insbesondere der hydrostatische Füllstandssensor beruht auf den gleichen piezoresistiven Grundprinzipien wie der Brückensensor des Drucksensors. Tatsächlich handelt es sich bei dieser Art von Füllstandssensor um einen Drucksensor, bei dem der ansteigende/abfallende Flüssigkeitsstand in einem Tank mit einer Druckänderung in der Membran korreliert und somit eine hochgradig lineare Beziehung zur Flüssigkeitstiefe im Tank aufrechterhält. Wie in der folgenden Gleichung gezeigt, ist der statische Druck (P) der Flüssigkeit entspricht dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit (γ) und der Höhe der Flüssigkeit ( h ).

P =γ*h

Schlussfolgerung

Das Verständnis der zugrunde liegenden Sensortechnologien, die in industriellen Überwachungsanwendungen verwendet werden, kann jedem, der an der Konstruktion und Entwicklung industrieller Systeme beteiligt ist, Einblicke bieten. Jeder Sensor kann eine Vielzahl grundlegender Prinzipien nutzen, von denen jedes seine eigenen jeweiligen Vorteile und Überlegungen für die Anwendung hat. Die Erfassung und Verbreitung der von diesen Sensoren erfassten Daten kann entweder ein kabelgebundenes oder ein kabelloses Backbone umfassen, wobei insbesondere das IIoT das Potenzial für komplexere Datenanalysen für zukünftige industrielle Anwendungen hat.

Dieser Artikel wurde von Tinu Oza, Product Line Manager bei L-com, North Andover, MA, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier .

Referenz

1. Lewis, Joe. Handbuch zur Messung und Erkennung von Feststoffen . Momentum Press, 2014.