Zustandsüberwachung - Condition monitoring

Zustandsüberwachung (umgangssprachlich CM ) ist der Prozess der Überwachung eines Zustandsparameters in einer Maschine (Vibration, Temperatur usw.), um eine signifikante Änderung zu identifizieren, die auf einen sich entwickelnden Fehler hinweist. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der vorausschauenden Wartung . Durch den Einsatz von Condition Monitoring können Wartungen geplant oder andere Maßnahmen ergriffen werden, um Folgeschäden und deren Folgen zu vermeiden. Die Zustandsüberwachung hat den einzigartigen Vorteil, dass Bedingungen, die die normale Lebensdauer verkürzen würden, behoben werden können, bevor sie sich zu einem schwerwiegenden Fehler entwickeln. Zustandsüberwachungstechniken werden normalerweise an rotierenden Geräten, Hilfssystemen und anderen Maschinen (Kompressoren, Pumpen , Elektromotoren , Verbrennungsmotoren, Pressen) verwendet, während regelmäßige Inspektionen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren (NDT) und die Bewertung der Betriebsfähigkeit (FFS) durchgeführt werden werden für statische Anlagen wie Dampfkessel , Rohrleitungen und Wärmetauscher verwendet .

Condition-Monitoring-Technologie

Die folgende Liste enthält die wichtigsten Zustandsüberwachungstechniken, die im Industrie- und Transportsektor angewendet werden:

  • Übersicht über die Zustandsüberwachung
  • Schwingungsanalyse und -diagnose
  • Schmierstoffanalyse
  • Schallemission
  • Infrarot-Thermografie
  • Ultraschall
  • Ölzustandssensoren
  • Motorzustandsüberwachung und Motorstromsignaturanalyse (MCSA)
  • Modellbasierte Spannungs- und Stromsysteme (MBVI-Systeme)

Die meisten CM-Technologien werden von ISO und ASTM standardisiert .

Rotierende Maschinen

Rotierende Ausrüstung ist ein Überbegriff der Branche , der Getriebe, Hubkolben- und Zentrifugalmaschinen umfasst.

Die am häufigsten verwendete Methode für rotierende Maschinen ist die Schwingungsanalyse .

Messungen an Lagergehäusen von Maschinen können mit Beschleunigungsmessern (seismische oder piezoelektrische Aufnehmer) zur Messung der Gehäuseschwingungen durchgeführt werden, und an den meisten kritischen Maschinen mit Wirbelstromaufnehmern , die die rotierenden Wellen direkt beobachten, um die radialen (und axiale) Verschiebung der Welle. Das Vibrationsniveau kann mit historischen Basiswerten wie früheren An- und Abschaltungen und in einigen Fällen mit etablierten Standards wie Lastwechseln verglichen werden, um die Schwere zu beurteilen. Maschinen- und Teilehersteller definieren auch Schwingungsgrenzen aufgrund der Maschinenkonstruktion oder der Innenteile, zB Fehlerhäufigkeiten von Lagern.

Die Interpretation des erhaltenen Schwingungssignals ist ein aufwendiges Verfahren, das eine spezielle Ausbildung und Erfahrung erfordert. Es wird durch den Einsatz modernster Technologien vereinfacht, die den überwiegenden Teil der Datenanalyse automatisch durchführen und Informationen statt Rohdaten liefern. Eine häufig verwendete Technik besteht darin, die einzelnen im Signal vorhandenen Frequenzen zu untersuchen. Diese Frequenzen entsprechen bestimmten mechanischen Komponenten (z. B. den verschiedenen Teilen, aus denen ein Wälzlager besteht ) oder bestimmten Fehlfunktionen (z. B. Wellenunwucht oder Fluchtungsfehler). Durch die Untersuchung dieser Frequenzen und ihrer Oberwellen kann der CM-Spezialist oft den Ort und die Art des Problems und manchmal auch die Ursache identifizieren. Zum Beispiel sind hohe Schwingungen bei der der Drehzahl entsprechenden Frequenz meistens auf Restunwuchten zurückzuführen und werden durch Auswuchten der Maschine korrigiert. Andererseits weist ein sich verschlechterndes Wälzlager in der Regel Schwingungssignale mit bestimmten Frequenzen auf, die mit zunehmendem Verschleiß an Intensität zunehmen. Spezielle Analysegeräte können diesen Verschleiß Wochen oder sogar Monate vor dem Ausfall erkennen und rechtzeitig vor einem Ausfall warnen, um einen Austausch einzuplanen, der eine viel längere Ausfallzeit verursachen könnte. Neben allen Sensoren und Datenanalysen gilt es zu bedenken, dass über 80 % aller komplexen mechanischen Geräte ungewollt und ohne Bezug zur Lebensdauer ausfallen.

Die meisten Schwingungsanalyseinstrumente verwenden heutzutage eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), die ein Spezialfall der verallgemeinerten diskreten Fourier-Transformation ist und das Schwingungssignal von seiner Zeitbereichsdarstellung in seine äquivalente Frequenzbereichsdarstellung umwandelt . Die Frequenzanalyse (manchmal auch Spektralanalyse oder Schwingungssignaturanalyse genannt) ist jedoch nur ein Aspekt der Interpretation der in einem Schwingungssignal enthaltenen Informationen. Die Frequenzanalyse ist in der Regel am nützlichsten bei Maschinen, die Wälzlager verwenden und deren Hauptausfallmodi in der Verschlechterung dieser Lager liegen, die typischerweise einen Anstieg der charakteristischen Frequenzen in Verbindung mit den Lagergeometrien und -konstruktionen aufweisen. Abhängig vom Maschinentyp, seinen typischen Störungen, den verwendeten Lagertypen, Drehzahlen und anderen Faktoren kann der CM-Spezialist zusätzliche Diagnosetools verwenden, wie die Untersuchung des Zeitbereichssignals, der Phasenbeziehung zwischen Schwingungskomponenten und einer Zeitsteuerung Markierung auf der Maschinenwelle (oft als Keyphasor bekannt ), historische Trends von Schwingungspegeln, Schwingungsform und zahlreiche andere Aspekte des Signals zusammen mit anderen Informationen aus dem Prozess wie Belastung, Lagertemperaturen, Durchflussraten, Ventilstellungen und Druck, eine genaue Diagnose zu stellen. Dies gilt insbesondere für Maschinen, die Fluidlager anstelle von Wälzlagern verwenden . Damit sie diese Daten in einer vereinfachten Form betrachten können, haben Schwingungsanalytiker oder Maschinendiagnoseingenieure eine Reihe von mathematischen Diagrammen erstellt, um Maschinenprobleme und Laufeigenschaften darzustellen, darunter das Bode-Diagramm , das Wasserfalldiagramm , das Polardiagramm und die Bahnzeitbasisdiagramm unter anderem.

Handgehaltene Datensammler und -analysatoren sind heute bei unkritischen oder ausgeglichenen Anlagenmaschinen üblich , bei denen eine permanente Online-Vibrationsinstrumentierung wirtschaftlich nicht gerechtfertigt ist. Der Techniker kann Datenproben von einer Reihe von Maschinen sammeln und die Daten dann auf einen Computer herunterladen, wo der Analyst (und manchmal die künstliche Intelligenz) die Daten auf Änderungen untersuchen kann, die auf Fehlfunktionen und drohende Ausfälle hinweisen. Bei größeren, kritischeren Maschinen, bei denen Sicherheitsauswirkungen, Produktionsunterbrechungen (sogenannte "Ausfallzeiten"), Ersatzteile und andere Ausfallkosten spürbar sein können (bestimmt durch den Kritikalitätsindex), wird in der Regel ein permanentes Überwachungssystem eingesetzt, anstatt sich darauf zu verlassen über die regelmäßige Handheld-Datenerfassung. Die diagnostischen Methoden und Werkzeuge, die von beiden Ansätzen zur Verfügung stehen, sind jedoch im Allgemeinen die gleichen.

In letzter Zeit wurden auch Online-Zustandsüberwachungssysteme in der Schwerindustrie wie Zellstoff, Papier, Bergbau, Petrochemie und Energieerzeugung eingesetzt.

Die Leistungsüberwachung ist eine weniger bekannte Zustandsüberwachungstechnik. Es kann auf rotierende Maschinen wie Pumpen und Turbinen sowie auf stationäre Gegenstände wie Kessel und Wärmetauscher angewendet werden. Gefordert werden physikalische Größen: Temperatur, Druck, Durchfluss, Geschwindigkeit, Verdrängung, je nach Anlagenteil. Absolute Genauigkeit ist selten erforderlich, aber wiederholbare Daten sind erforderlich. Üblicherweise werden kalibrierte Prüfgeräte benötigt, in Anlagen mit DCS (Distributed Control Systems) wurden jedoch einige Erfolge erzielt. Die Leistungsanalyse ist oft eng mit der Energieeffizienz verbunden und wird daher seit langem in Dampfkraftwerken angewendet. In einigen Fällen ist es möglich, den optimalen Zeitpunkt für die Überholung zu berechnen, um die verschlechterte Leistung wiederherzustellen.

Modellbasierte Spannungs- und Stromsysteme (MBVI-Systeme): Hierbei handelt es sich um eine Technik, die die verfügbaren Informationen aus den Strom- und Spannungssignalen über alle drei Phasen gleichzeitig nutzt. Modellbasierte Systeme sind in der Lage, viele der gleichen Phänomene zu identifizieren, die auch von konventionelleren Techniken beobachtet werden, und decken elektrische, mechanische und betriebliche Bereiche ab. Modellbasierte Systeme arbeiten auf den in Abbildung 6 unten gezeigten Linien und messen sowohl Strom als auch Spannung während der Motor in Betrieb ist und erstellen dann automatisch ein mathematisches Modell des Zusammenhangs zwischen Strom und Spannung. Durch Anwendung dieses Modells auf die gemessene Spannung wird ein modellierter Strom berechnet und dieser mit dem tatsächlich gemessenen Strom verglichen. Abweichungen zwischen dem gemessenen Strom und dem modellierten Strom stellen Unvollkommenheiten im Motor- und angetriebenen Gerätesystem dar, die mit einer Kombination des Park-Vektors analysiert werden können, um die dreiphasigen Ströme in zwei orthogonale Phasen (D&Q) zu vereinfachen, Fourier-Analyse, um eine Leistung zu erhalten Spektraldichtediagramm und algorithmische Bewertung des resultierenden Spektrums, um spezifische Fehler oder Fehlermodi zu identifizieren. Diese Systeme sind für den Festeinbau als Condition-Monitoring-Lösung und nicht als Kurzzeit-Diagnose-Messgerät konzipiert und können mit ihren Ausgängen in normale Anlagensysteme integriert werden. Durch die permanente Verbindung werden historische Trends automatisch erfasst.

Die Art von Ausgabe, die diese Gerätetypen erzeugen können, umfassen Einzelbildschirme, Ampelanzeigen des gesamten Gerätebetriebs, zusammen mit der Diagnose einer Reihe von mechanischen, elektrischen und betrieblichen Problemen sowie Trenddiagrammen, die zeigen, wie sich diese Parameter im Laufe der Zeit ändern . Das Konzept dieses Gerätetyps besteht darin, dass es von normalen Anlagenbetreibern und -instandhaltern verwendet werden kann, ohne dass eine spezielle Interpretation der Spektren erforderlich ist, obwohl die zugrunde liegenden Spektraldiagramme bei Bedarf verfügbar sind. Die Art von Fehlern, die erkannt werden können, umfassen eine Reihe mechanischer Probleme wie Unwucht, Fehlausrichtung und Lagerprobleme im Motor und der angetriebenen Ausrüstung sowie elektrische Probleme wie Isolationsdurchschlag, lose Statorwicklungen, Rotornutprobleme, Strom oder Spannung Ungleichgewicht und harmonische Verzerrung. Da diese Systeme sowohl Strom als auch Spannung messen, überwachen sie auch die Leistung und sind in der Lage, durch ungewöhnliche Betriebsbedingungen verursachte Probleme und Ursachen für Effizienzverluste zu erkennen. Da modellbasierte Systeme nur den Unterschied zwischen tatsächlichen und vorhergesagten Strömen untersuchen, filtern sie effektiv alle normalen elektrischen Signale heraus, die bei der herkömmlichen Motorstrom-Spektralanalyse (MCSA) so offensichtlich sind, sodass ein viel einfacherer Satz von zu analysierenden Signalen übrig bleibt. Da diese Systeme auf der Beziehung zwischen Spannung und Strom basieren, eignen sie sich gut für wechselrichterbetriebene Systeme, bei denen die Eingangsspannung eine variable Frequenz aufweisen kann und eine verrauschte Wellenform mit hohen harmonischen Komponenten auftreten kann. Modellbasierte Systeme filtern all dieses Rauschen im Spannungssignal effektiv aus dem resultierenden Stromsignal heraus und lassen nur die zugrunde liegenden Unvollkommenheiten zurück. Diese Benutzerfreundlichkeit und die geringen Kosten dieser Art von Ausrüstung machen sie für kostengünstigere Ausrüstung mit geringerer Kritikalität geeignet.

Modellbasierte Systeme
Modellbasiertes Systemkonzept

Andere Techniken

  • Visuelle Inspektionen werden oft als grundlegender Bestandteil der Zustandsüberwachung betrachtet, dies gilt jedoch nur, wenn die Inspektionsergebnisse anhand eines dokumentierten Regelwerks gemessen oder kritisiert werden können. Damit diese Inspektionen als Zustandsüberwachung gelten, müssen die Ergebnisse und die Bedingungen zum Zeitpunkt der Beobachtung zusammengeführt werden, um eine vergleichende Analyse mit den vorherigen und zukünftigen Messungen zu ermöglichen. Die bloße visuelle Inspektion eines Rohrleitungsabschnitts auf das Vorhandensein von Rissen oder Undichtigkeiten kann nicht als Zustandsüberwachung angesehen werden, es sei denn, quantifizierbare Parameter zur Unterstützung der Inspektion existieren und ein relativer Vergleich mit früheren Inspektionen wird durchgeführt. Ein Vorgang, der isoliert von früheren Inspektionen durchgeführt wird, wird als Zustandsbewertung angesehen. Zustandsüberwachungsaktivitäten erfordern, dass die Analyse mit früheren Daten verglichen wird und die Tendenz dieses Vergleichs gemeldet wird.
  • Leichte Temperaturschwankungen auf einer Oberfläche können durch visuelle Inspektion und zerstörungsfreie Prüfung mit Thermografie entdeckt werden . Hitze weist auf versagende Komponenten hin, insbesondere auf eine Verschlechterung der elektrischen Kontakte und Anschlüsse. Thermografie kann auch erfolgreich bei Hochgeschwindigkeitslagern, Flüssigkeitskupplungen, Förderrollen und internen Ablagerungen in Lagertanks angewendet werden.
  • Ein Rasterelektronenmikroskop kann ein Bild einer sorgfältig entnommenen Probe von Schmutz aufnehmen, die in Schmieröl suspendiert sind (von Filtern oder Magnetchipdetektoren). Instrumente zeigen dann die enthaltenen Elemente, ihre Proportionen, Größe und Morphologie. Mit dieser Methode können der Ort, der mechanische Versagensmechanismus und die Zeit bis zum eventuellen Versagen bestimmt werden. Dies nennt man WDA – Wear Debris Analysis.
  • Spektrographische Ölanalysen, die die chemische Zusammensetzung des Öls testen, können verwendet werden, um Ausfallarten vorherzusagen. Beispielsweise weist ein hoher Silizium- und Aluminiumgehalt auf eine Verschmutzung durch Schmutz oder Splitt (Aluminiumsilikate) etc. hin und ein hoher Eisengehalt weist auf Verschleißteile hin. Einzeln geben die Elemente gute Hinweise, aber wenn sie zusammen verwendet werden, können sie sehr genau Ausfallarten bestimmen, zB bei Verbrennungsmotoren, das Vorhandensein von Eisen (Laufbuchse), Aluminium (Kolben) und Chrom (Ringe) würde auf Verschleiß des oberen Zylinders hinweisen.
  • Ultraschall kann für mechanische Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitsanwendungen und für Hochdruckflüssigkeitssituationen verwendet werden. Digitale Ultraschallmessgeräte messen hochfrequente Signale von Peilungen und zeigen das Ergebnis als dBuV-Wert (Dezibel pro Mikrovolt) an. Dieser Wert wird im Laufe der Zeit als Trend bestimmt und verwendet, um eine Zunahme von Reibung, Reibung, Stoß und anderen Lagerfehlern vorherzusagen. Der dBuV-Wert wird auch verwendet, um die richtigen Intervalle für die Nachschmierung vorherzusagen. Die Ultraschallüberwachung erweist sich, wenn sie richtig durchgeführt wird, als großartige Begleittechnologie für die Schwingungsanalyse.
Mit Kopfhörern können Menschen auch Ultraschall hören. Ein hohes „Summen“ in den Lagern weist auf Fehler in den Kontaktflächen hin, und wenn in Hochdruckflüssigkeiten teilweise Verstopfungen auftreten, verursacht die Öffnung ein starkes Ultraschallgeräusch. Ultraschall wird bei der Shock Pulse Methode zur Zustandsüberwachung verwendet.
  • Leistungsanalyse, bei der die physikalische Effizienz, Leistung oder Bedingung durch Vergleich der tatsächlichen Parameter mit einem idealen Modell ermittelt wird. Eine Verschlechterung ist typischerweise die Ursache für Unterschiede in den Messwerten. Kreiselpumpen sind nach Motoren wohl die am weitesten verbreiteten Maschinen. Die Zustandsüberwachung durch einen einfachen Kopfströmungstest in der Nähe des Betriebspunkts unter Verwendung wiederholbarer Messungen wird seit langem verwendet, könnte jedoch breiter angewendet werden. Eine Erweiterung dieser Methode kann verwendet werden, um den besten Zeitpunkt für die Überholung einer Pumpe zu berechnen, indem die Überholungskosten gegen den steigenden Energieverbrauch durch den Verschleiß einer Pumpe abgewogen werden. Fluggasturbinen werden auch häufig mit Leistungsanalysetechniken überwacht, wobei Originalhersteller wie Rolls-Royce plc routinemäßig ganze Flotten von Flugzeugtriebwerken im Rahmen von Long Term Service Agreements (LTSAs) oder Total Care-Paketen überwachen.
  • Sensoren zur Verschleißerkennung sind in der Lage, eisenhaltige und nicht eisenhaltige Verschleißpartikel im Schmieröl zu erkennen und liefern so erhebliche Informationen über den Zustand der gemessenen Maschinen. Durch das Erstellen und Überwachen eines Trends bezüglich der erzeugten Trümmer ist es möglich, Fehler zu erkennen, bevor ein katastrophaler Ausfall von rotierenden Geräten wie Getrieben, Turbinen usw.

Der Kritikalitätsindex

Der Kritikalitätsindex wird häufig verwendet, um den Grad der Zustandsüberwachung einer bestimmten Maschine unter Berücksichtigung des Maschinenzwecks, der Redundanz (dh gibt es eine Standby-Maschine, die übernehmen kann), der Reparaturkosten, der Auswirkungen von Ausfallzeiten, Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltfragen sowie eine Reihe anderer Schlüsselfaktoren. Der Kritikalitätsindex ordnet alle Maschinen in eine von drei Kategorien ein:

  1. Kritische Maschinen – Maschinen, die für die Anlage oder den Prozess von entscheidender Bedeutung sind und ohne die die Anlage oder der Prozess nicht funktionieren kann. Zu den Maschinen dieser Kategorie zählen die Dampf- oder Gasturbine in einem Kraftwerk, die Rohölexportpumpen auf einer Bohrinsel oder der Cracker in einer Ölraffinerie. Da kritische Maschinen im Mittelpunkt des Prozesses stehen, ist eine vollständige Online-Zustandsüberwachung erforderlich, um unabhängig von den Kosten kontinuierlich so viele Daten der Maschine wie möglich aufzuzeichnen und wird oft von der Werksversicherung vorgeschrieben. Messungen wie Lasten, Drücke, Temperaturen, Gehäuseschwingungen und -verlagerungen, axiale und radiale Wellenverlagerungen, Drehzahlen und Differenzdehnungen werden nach Möglichkeit vorgenommen. Diese Werte werden oft in ein Maschinenmanagement-Softwarepaket zurückgespeist, das in der Lage ist, die historischen Daten aufzuzeichnen und den Bedienern Informationen wie Leistungsdaten zu liefern und sogar Fehler vorherzusagen und Fehler zu diagnostizieren, bevor sie auftreten.
  2. Wesentliche Maschinen – Einheiten, die ein wichtiger Teil des Prozesses sind, aber wenn ein Fehler auftritt, wird der Prozess trotzdem fortgesetzt. Redundante Einheiten (sofern verfügbar) fallen in diesen Bereich. Das Testen und Kontrollieren dieser Einheiten ist auch wichtig, um alternative Pläne zu erhalten, falls kritische Maschinen ausfallen sollten.
  3. Allgemeiner Zweck oder Gleichgewicht von Anlagenmaschinen – Dies sind die Maschinen, die den Rest der Anlage ausmachen und normalerweise mit einem tragbaren Datensammler überwacht werden, wie zuvor erwähnt, um regelmäßig ein Bild des Zustands der Maschine zu erstellen.

Siehe auch

Hinweise und Referenzen

Weiterlesen