Schwingungsmessung So ermitteln Schwingungssensoren den Maschinenzustand

Von Markus Egerer*

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Die rotierenden Teile einer Maschine erzeugen ein charakteristisches Schwingungsmuster. Es verändert sich langsam mit dem unvermeidlichen Verschleiß und schnell, wenn relevante Schäden auftreten. Aus den Abweichungen lässt sich mit Schwingungssensoren viel über den aktuellen Zustand der Maschine erfahren.

Schwingungssensoren erfassen neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung der Schwingungsbewegung.
Schwingungssensoren erfassen neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung der Schwingungsbewegung.
(Bild: Pepperl+Fuchs )

Der sprichwörtliche „Rundlauf“ einer Maschine ist Ausweis einwandfreier Funktion. Die rotierenden Teile bewegen sich mit minimalem Spiel, ihre Kraftwirkung entfaltet sich in die gewünschte Richtung. Das entsprechende Schwingungsmuster bildet die Referenz, Abweichungen können zugeordnet und quantifiziert werden. Ihr Auftreten ist nur eine Frage der Zeit.

Wo sich Teile bewegen, gibt es Reibung und Verschleiß, die sich auf die Rotationsbewegung auswirken. Hinzu kommen weitere Effekte, die zu schleichenden Veränderungen und Unwuchten führen können wie Materialermüdung, Verschmutzung und die – anfangs noch minimale – Schwingung selbst. Sie wiederum verursachen Folgewirkungen: Getriebeverbindungen werden locker, Halterungen brechen, Kugellager nehmen Schaden. Gelegentlich treten Probleme auch bei neuen Maschinen auf, zum Beispiel bei einem unbemerkten Montagefehler oder nach mangelhafter Aufstellung.

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Risikofaktor Fliehkraft

Je größer die Maschine, desto größer sind auch wirkenden Kräfte. Wo in Zentrifugen, Gebläsen oder Pumpen schwere Komponenten rotieren, kann eine Unwucht oder ein beschädigtes Lager nicht nur teure Folgeschäden verursachen, sondern auch eine Gefahr für die dort arbeitenden Menschen darstellen.

Daher unterliegen solche Anlagen strengen Normen im Hinblick auf Funktionale Sicherheit; die Maschinen müssen je nach den Gegebenheiten definierte Sicherheitsstufen nach SIL oder PL vorweisen. Zu den Voraussetzungen dafür gehört hier unter anderem die normierte Schwingungsmessung.

Damit ist kurz gesagt eine gemittelte Erfassung von Schwingungswerten gemeint, in der kurzzeitige Ausschläge herausgefiltert werden. Das ist notwendig, um falsch-kritische Werte auszublenden und Fehlalarme zu vermeiden, da nicht jede Schwingung von der Maschine selbst verursacht wird. Einwirkungen von außen, wie etwa die Vibration eines vorbeifahrenden Fahrzeugs, werden ebenfalls vom Schwingungssensor erfasst. Das gleiche gilt für Erschütterungen, die durch den Boden übertragen werden. Mit einer Mittelwertbildung werden solche irrelevanten Störgrößen herausgerechnet.

Die normierte Schwingungsmessung gibt einen quadrierten Mittelwert aus, den sogenannten „Root Mean Square“ oder RMS-Wert der Beschleunigung. Dafür werden die Beschleunigungswerte über eine bestimmte Zeitspanne (bis zu 12 s) erfasst und gemittelt.

Als robuste Technologie zur Erfassung von Schwingungswerten stehen kapazitive MEMS-Sensoren zur Verfügung. Sie erfassen neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung der Schwingungsbewegung.

Bedarfsgesteuerte Wartung etablieren

Pepperl+Fuchs bietet mit den Baureihen VIM eine Reihe verschiedener kapazitiver Schwingungssensoren an. Sie führen die RMS-Berechnung intern durch und geben den bereits gemittelten Effektivwert aus. Aus einer Trendbetrachtung lässt sich die allmähliche Veränderung ablesen, die mit der Zeit zur Abnutzung der belasteten Komponenten führt. Dabei lassen sich bestimmte Schwingungsmuster sogar einzelnen Maschinenteilen zuordnen.

Die Wartungsplanung kann durch definierte Grenzwerte für Alarme ergänzt werden, um eine am konkreten Bedarf orientierte Wartung zu etablieren. Nicht zu früh, aber immer rechtzeitig einzugreifen hilft ungeplanten Stillstand zu vermeiden und gleichzeitig die Anlagenverfügbarkeit zu steigern.

Die Geräte erkennen zuverlässig kritische Veränderungen im Schwingverhalten, die Maschinensteuerung kann bei definierten Schwellenwerten in den sicheren Zustand schalten. Damit wird, wo dies gefordert ist, eine zentrale Voraussetzung für vorgeschriebene Funktionale Sicherheit erfüllt.

Die VIM-Baureihe umfasst Geräte, jeweils als Teil der Regelkette als sicher eingestuft und mit den entsprechenden Zertifikaten ausgestattet sind. Mit ihrem Einsatz sinkt der Aufwand für die Anlagenzertifizierung.

Breites Portfolio an VIM-Schwingungssensoren

Der Frequenzbereich der VIM-Schwingungssensoren reicht von 1 bis 1000 Hz. Das Portfolio umfasst unter anderem Geräte mit Ex-Schutz, mit besonders robusten Gehäusen für unterschiedliche Einsatzzwecke sowie mit einem großen Temperaturbereich sowie mit Schutzart bis IP67.

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Zum Leistungsumfang gehören je nach Ausstattung global gültige Zulassungen und die Möglichkeit zur webbasierten Fernwartung per IO-Link. Drei Basis-Bauformen sind auf unterschiedliche Anforderungen ausgerichtet:

  • Die Geräte der Serie VIM3 eignen sich für Anwendungen bis SIL 1/PL c. Sie sind besonders kompakt und finden auch unter sehr beengten Verhältnissen Platz.
  • Für explosionsgefährdete Bereiche bis Zone 1/21 sind die Geräte der Serie VIM6 zugelassen. Sie eignen sich zudem für den Einsatz bei extremen Temperaturen zwischen -40 und +125 °C.
  • Für besonders raue Bedingungen ist die Serie VIM8 prädestiniert. Die Geräte sind in einem robusten Gehäuse aus Duplexstahl untergebracht. Sie sind für den Einsatz in Offshore-Anwendungen geeignet und für die Ex-Zone 1/21 sowie für SIL 2/PL d zertifiziert.

Zustandsüberwachung per IO-Link

Die Inbetriebnahme kann ohne Programmieraufwand, die Parametrierung direkt am Gerät erfolgen. Die Serie VIM3 ist optional mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgerüstet und bietet die Möglichkeit, mehrere Messwerte gleichzeitig zu erheben und eine detaillierte Zustandsüberwachung einzurichten. Dazu dient zum Beispiel eine Kombination der gemittelten Schwingbeschleunigung (g rms), der erfassten Spitzenwerte (g peak), des Lagerzustandskennwerts zur direkten Beurteilung von Kugellagern sowie der Gerätetemperatur. Hier stehen auch zahlreiche Einstellungsmöglichkeiten zur Anpassung an die jeweilige Applikation zur Verfügung, wie etwa ein einstellbares Schaltsignal. Es kann parallel zur IO-Link-Kommunikation eingerichtet werden, um einen definierten Wartungseinsatz unmittelbar auszulösen.

Weitere Optionen sind ein zusätzlich implementierter Zähler oder eine Betriebszeitmessung. Damit lässt sich genau festlegen, wie lange eine Maschine einen kritischen Schwingungswert überschreiten darf, bevor der Folgeschritt nötig wird. Da das Gerät die nötigen Rechenschritte selbst durchführt, wird zugleich die Rechenkapazität der Steuerungsebene entlastet.

Mit dem IO-Link-Gerät lassen sich beträchtliche Einsparungen realisieren, da es anstatt einer zyklischen, eine an präzise definierten Parametern ausgerichtete zustandsabhängige Wartung der Maschine erlaubt. Die gewünschte Trigger-Einstellung lässt sich direkt im Sensor vornehmen. (in)

* Markus Egerer, Produktmanager bei Pepperl+Fuchs

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