Fortschrittliche Sensortechnologien: Verbesserung von Maschinenzustand und Asset-Überwachung in Industriesystemen

Die durch Überwachung entfernter Anlagen gewonnenen Daten sind entscheidend für die Funktionalität jedes industriellen Prozesses. Oft werden diese Daten von einem SCADA-Leitsystem (Supervisory Control and Data Acquisition) verarbeitet, häufig über ein Ethernet- und TCP/IP-Netzwerk in Bus-, Stern- oder Baumtopologie. Industrial Internet of Things (IIoT)-Systeme ergänzen und ersetzen in einigen Fällen diese Legacy-Systeme, um ein drahtloses Netzwerk von Knoten zu ermöglichen, die mit einem Gateway verbunden sind, das zurück in die Cloud führt, um komplexere Datenverarbeitung und Analysen durchzuführen. Unabhängig vom Einsatz kabelgebundener oder drahtloser Technologien bilden die zugrundeliegenden Sensoren in diesen Prozessen das Rückgrat für die Daten, die zur Bewertung und Analyse von Anlagenausrüstung erforderlich sind.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über industrielle Anwendungen zur Maschinenzustands- und Asset-Überwachung sowie einen Überblick über einige der gängigen Sensortechnologien.

Anwendungen zur Maschinenzustands- und Asset-Überwachung im IIoT

Remote-Anwendungen zur Maschinenzustands- und Asset-Überwachung umfassen eine riesige Bandbreite an Branchen mit einer Vielzahl von Sensortypen, die in Kombination mit drahtlosen Protokollen eingesetzt werden, um Echtzeit- oder quasi-Echtzeit-Datenübertragungen zu erreichen. In der traditionelleren SCADA-Architektur verbinden Sensorknoten/Aktuatoren mit industriellen I/O-Modulen – oft programmierbaren Logiksteuerungen (PLCs) oder Remote Terminal Units (RTUs). Diese I/O-Module senden Sensordaten basierend auf Rückmeldungen von Überwachungscomputern – oft Human Machine Interfaces (HMIs) – an die Knoten und zurück, sammeln und verbreiten Daten basierend auf menschlicher Eingabe.

In einem industriellen drahtlosen Sensornetzwerk (IWSN) verbinden sich mehrere Sensorknoten drahtlos mit einem Gateway in einer Point-to-Multipoint-Topologie (PtMP) über ein lizenziertes/unlizenziertes 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 variieren. Dies umgeht die separate Verkabelung von I/O-Modulen, die in der SCADA-Architektur vorhanden ist, und komprimiert diese Hierarchie zu vereinfachten Datenübertragungen von Sensorknoten zu einem Gateway/Basisstation zu einer zentralen Cloud-basierten Plattform für komplexere Analysen.

Die Anwendungen von IWSNs für Maschinenzustandsüberwachung umfassen industrielle Positioniergeräte und Motoren/Antriebe sowie Asset-Überwachungsanwendungen (Abbildung 1). Induktionsmotoren finden sich in einer riesigen Bandbreite von Maschinen, von präzisen CNC-Maschinen bis hin zu großen Industriekränen, Seilzügen und Förderbändern. Fehler in diesen Maschinen können die mechanische Genauigkeit verschlechtern oder sogar Ausfälle und Fabrikstillstände verursachen, was wertvolle Betriebszeit direkt mindert und zusätzliche Reparaturkosten verursacht. Häufige mechanische Ausfälle bei Motoren sind: Rotorstangenbrüche, Kurzschlusswicklungsfehler, Luftspaltvariationen und Lagerfehler.

Beschleunigungssensoren werden am häufigsten für Vibrationsdatenanalysen genutzt – die meisten mechanischen Fehler in rotierenden Maschinen führen zu einem messbaren Anstieg der Vibrationspegel. Zusätzliche Messungen umfassen Motor Current Signature Analysis (MCSA), bei der Verzerrungen in den Stromformen eines Motors den jeweiligen Fehler basierend auf Amplitude des Peaks und der Frequenz, bei der der Peak auftritt, extrapolieren können. Diese Messmethode wird oft mittels eines Clip-on-Stromwandlers (CT) realisiert.

Neben Beschleunigungssensoren und Stromsensoren werden Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Füllstandssensoren oft in IWSNs eingesetzt. In Asset-Überwachungsanwendungen ist beispielsweise die Verfolgung des Füllstands von chemischen, lebensmittel- und pharmazeutischen Mischbehältern entscheidend, um sicherzustellen, dass Zutaten in präzisen Werten zugegeben werden. In diesen Fällen können Drucksensoren oder verschiedene Flüssigkeits-Füllstandssensoren verwendet werden, um den Füllstand des Tanks zu messen. Luft- oder Flüssigkeitsstromüberwachung kann ebenfalls mit Druck- und Flüssigkeitssensoren in industriellen Luftfiltersystemen oder kommerziellen HLK-Systemen erfolgen. In Wasseraufbereitungs- und -managementanlagen zeigen Filter Druckdifferenzen an den Zulauf- (Input) und Ablaufleitungen (Output), wo Leistung und Verstopfung durch Drucksensoren verfolgt und erkannt werden können.

Eine Reihe grundlegender Prinzipien (optisch, elektromagnetisch, Radar, mechanisch, ultraschall, akustisch etc.) kann genutzt werden, um denselben Sensoreffekt zu erzielen. Diese Vielfalt findet sich bei Füllstands-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren. Die Wahl der Technologie ist ein Ausgleich zwischen Preis, Genauigkeit, Formfaktor, einfacher Installation/Kalibrierung, Ansprechrate und kontinuierlicher oder diskreter Überwachung. Die nächsten Abschnitte beleuchten einige der häufig in IWSNs eingesetzten Sensoren.

Ein Blick auf gängige Sensoren

Beschleunigungssensoren – Wie bereits erwähnt, sind Beschleunigungssensoren ein Eckpfeiler für die Überwachung von Maschinen auf Vibrationsdaten. Dies geschieht durch Erfassung von Parametern wie Beschleunigung, Verzögerung und Schock aus Spannungsdaten. Diese werden in Vibrationsdiagnostik entweder im Zeit- oder Frequenzbereich umgewandelt. In der Zeitbereichsanalyse ermöglichen die Erfassung und Verteilung von Signalmustern die Erkennung bemerkbarer Veränderungen im Maschinenverhalten über die Zeit. Eine einfache Form der Zeitbereichs-Vibrationsanalyse besteht in der Definition von „Alarmgrenzen“ mit der quadratischen Mittelwertgeschwindigkeit (RMS) des Maschinengehäuses (ISO 2372 Standard).

Die Zeitbereichsanalyse hat generell den Nachteil, Fehler nicht frühzeitig zu erkennen, da mehr Daten gesammelt werden müssen, um einen beobachtbaren Unterschied festzustellen; Zeitformen haben jedoch den großen Vorteil, transientere oder intermittierende Ereignisse zu klassifizieren. Im Frequenzbereich ergeben die verschiedenen Fehler offensichtliche Unterschiede im spektralen Leistungsinhalt (d. h. Peaks in der Vibrationsgeschwindigkeit bei verschiedenen Frequenzen), die eine bessere Fehlerisolierung ermöglichen. Während Zeitbereichsanalyse oft genutzt wird, um bereits bekannte Probleme oder sehr spezifische Muster zu untersuchen, erlaubt Frequenzbereichsanalyse eine breitere Übersicht des Maschinenbetriebs, wo die Fehleridentifikation weitaus offensichtlicher ist. Mehrfachachs-Beschleunigungssensoren sind besonders wertvoll, da sie Daten in sowohl axialer als auch radialer Richtung erfassen können. Beschleunigungssensoren können einem dieser Grundprinzipien folgen: kapazitiv, piezoelektrisch oder piezoresistiv.

Am häufigsten werden kapazitive Beschleunigungssensoren eingesetzt, bei denen eine federnd gelagerte Beweismasse unter Beschleunigungsbeanspruchung in Ungleichgewicht gerät. Diese Verschiebung wird dann von Elektroden durch eine Kapazitätsänderung registriert, die letztlich eine Beschleunigungsrate und -richtung ergibt. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren nutzen ebenfalls eine Beweismasse; jedoch verursachen Verschiebungen der Beweismasse Scherspannungen im piezoelektrischen Material, die direkt in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden. Ähnlich wie bei den oben genannten Druck- und Füllstandssensoren kann ein Beschleunigungssensor auch das piezoresistive Prinzip mit einer Beweismasse und Dehnungsmessstreifen nutzen, um ein Beschleunigungsergebnis zu liefern.

Stromsensor – Industrielle Anwendungen von Stromsensoren können MCSA-Analysen für Maschinen, intelligentes Messwesen und Anwendungen im Bereich Stromversorgungen (z. B. Wechselrichtersteuerung, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Schweißen etc.) umfassen. Stromsensoren nutzen eines von vier grundlegenden Prinzipien: Ohmsches Gesetz, Faradaysches Gesetz, Faraday-Effekt oder magnetische Feldmessung.

Ein Widerstands-Shunt-Stromsensor nutzt das Ohmsche Gesetz und besteht aus einem Widerstandselement, das in Reihe zum stromführenden Leiter geschaltet ist, dessen Stromwert gewünscht ist. Auf diese Weise fließt ein Teil des Stroms durch das Element, was einen Spannungsabfall verursacht, der proportional zum durchfließenden Strom ist.

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

Eine Rogowski-Spule nutzt dasselbe Prinzip, jedoch mit einem Kern, dessen magnetische Permeabilität der von Luft ähnelt. Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung ist proportional zur zeitlichen Ableitung des gewünschten Stroms. Daher wird die Sekundärwicklung in einer Rogowski-Spule mit einem Operationsverstärker-Integratorschaltkreis abgeschlossen.

Hall-Effekt-Magnetfeldsensoren werden ebenfalls in offener oder geschlossener Schleifenarchitektur eingesetzt. Der Hall-Effekt beschreibt einfach den senkrechten Spannungsvektor, der in Gegenwart eines Stroms und Magnetfelds entsteht, das durch einen Metallstreifen fließt. Eine offene Schleifenkonfiguration ähnelt dem Stromwandler, da der stromführende Leiter durch das Zentrum eines magnetischen Kerns mit hoher Permeabilität führt. 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 gering ist.

Eine geschlossene Schleifenkonfiguration beinhaltet stattdessen eine Kompensationsspule oder Sekundärwicklung, die ein Feld erzeugt, das dem Strom im stromführenden Leiter entgegenwirkt, sodass am Hall-Effekt-Sensor kein Magnetfeld wahrgenommen wird. Die Sekundärwicklung wird von Verstärkern im Strommess-IC angetrieben und mit einem Lastwiderstand abgeschlossen. Der Strom im stromführenden Leiter ist proportional zur Spannung an diesem Ausgangswiderstand.

Drucksensor – Der Begriff Drucksensor wird allgemein als Sammelbegriff verwendet, der Drucksensoren, Druckwandler und Drucktransmitter umfasst. Im Allgemeinen erzeugen Drucksensoren ein 10-mV-Ausgangssignal, das 10 bis 20 Fuß von elektrischen Komponenten entfernt ohne nennenswerten Signalverlust verwendet werden kann. Druckwandler erzeugen höhere Spannungsausgänge (0,5 bis 4,5 V), die über 20 Fuß ohne Signalverschlechterung übertragen werden können. Drucktransmitter bieten ein Stromausgangssignal von 4 bis 20 mA. Drucksensoren können in verschiedenen Konfigurationen vorliegen, darunter Wheatstone-Brücken-Typ/piezoresistiv, kapazitiv, elektromagnetisch, piezoelektrisch und optisch.

Dieser Artikel konzentriert sich auf den häufigsten Typ von Drucksensoren: die Brücken-Typ/piezoresistive Konfiguration (Abbildung 3). Die gängigsten Drucksensoren beruhen auf dem piezoresistiven Effekt, bei dem die Widerstandsänderung, die bei Verformung eines Materials auftritt, mit dem Druck korreliert, dem das Material ausgesetzt ist. Typischerweise verfügen diese Sensoren über eine Messmembran, wobei die der Gas-/Flüssigkeitsseite (z. B. Hydraulikflüssigkeit, Wasser, Öl etc.) zugewandte Seite der Membran einem „Referenz“-Druck ausgesetzt ist, während die andere Seite hohem Druck ausgesetzt ist. In diesem Fall biegt/verformt sich die Membran entsprechend, und Dehnungsmessstreifen messen den Druckunterschied zwischen beiden Seiten, um diese Information in eine elektrische Größe für die Übertragung umzuwandeln.

Dehnungsmessstreifen fungieren im Wesentlichen als Widerstandselemente, deren Widerstandsänderung proportional zur auf sie ausgeübten Dehnung ist. Diese Dehnungsmessstreifen sind entweder ein geklebter Folientyp, der durch ein Sputterabscheidungsverfahren hergestellt wird, oder ein Diffusions-, Silizium-basierter Dehnungsmessstreifen, auch als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen bekannt, da er durch Dotierung von Verunreinigungen in eine siliziumbasierte Membran erzeugt wird. Der Folien-basierte Dehnungsmessstreifen hat den Vorteil, höheren Drücken standzuhalten, während der halbleiterbasierte Dehnungsmessstreifen eine höhere Empfindlichkeit bietet und daher oft bei niedrigeren Drücken eingesetzt wird. Allerdings werden Silizium-Dehnungsmessstreifen stark von der Temperatur beeinflusst und haben daher tendenziell niedrigere Betriebstemperaturen als Folien-Dehnungsmessstreifen.

Flüssigkeits-Füllstandssensor – Füllstandssensoren erfassen die Menge an Flüssigkeit, Pulver oder granularem Material (z. B. Pellets) in einem Behälter. Nicht unähnlich dem Drucksensor kann diese Messung auf verschiedene Weisen erfolgen. Die Tabelle oben listet einige der Methoden mit Beschreibung und wichtigen Überlegungen für jeden Typ von Füllstandssensor auf. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf den hydrostatischen, membranbasierten Sensor.

Der hydrostatische Füllstandssensor basiert insbesondere auf denselben grundlegenden piezoresistiven Prinzipien wie der Brücken-Typ-Sensor im Drucksensor. Tatsächlich ist dieser Typ von Flüssigkeits-Füllstandssensor ein Drucksensor, bei dem der steigende/fallende Flüssigkeitspegel in einem Tank mit einer Druckänderung in der Membran korreliert und somit eine hochlineare Beziehung zur Flüssigkeitstiefe im Tank aufweist. Wie in der untenstehenden Gleichung gezeigt, ist der statische Druck (P) der Flüssigkeit äquivalent zum spezifischen Gewicht der Flüssigkeit (γ) und der Höhe der Flüssigkeit (h).

P=γ·h

Fazit

Das Verständnis der zugrundeliegenden Sensortechnologien, die in industriellen Überwachungsanwendungen eingesetzt werden, kann Einblicke für jeden bieten, der an der Entwicklung und Konstruktion industrieller Systeme beteiligt ist. 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 gewonnenen Daten kann entweder ein kabelgebundenes oder drahtloses Rückgrat beinhalten, wobei IIoT insbesondere das Potenzial für komplexere Datenanalysen für zukünftige industrielle Anwendungen bietet.

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. Solids Level Measurement and Detection Handbook. Momentum Press, 2014.