Motoren versetzen Wellen und andere Komponenten in Rotation. Auf dieser Kraft-Bewegung beruht die Funktion der allermeisten Maschinen. Ein ruhiger Rundlauf mit minimaler Vibration zeigt, dass alles in Ordnung ist – mancher erfahrene Techniker kann das bei „seiner Maschine“ hören oder bei Berührung spüren. Allerdings sind einige der bewegten Teile, insbesondere die Lager, der Abnutzung durch Abrieb ausgesetzt. Neben diesem Verschleiß können weitere Einflüsse wie Materialermüdung oder Verschmutzung schleichende Veränderungen herbeiführen und Unwuchten verursachen. Jede solche mechanische Veränderung wirkt sich auf den Rundlauf der Maschine aus. Es kann zu Lagerschäden, zur Lockerung von Getriebeverbindungen oder zum Bruch von Halterungen kommen. Bei Aufstellproblemen oder einer falsch ausgerichteten Kraftkupplung können solche Effekte auch bei neuen Maschinen entstehen.
Normierte Schwingungsmessung
Je nach Größe der Einheit kompromittieren mechanische Schäden nicht nur die Funktion der Maschine. Bei großvolumige Pumpen, Zentrifugen oder Gebläsen sind schwere Maschinenteile starken Fliehkräften ausgesetzt. Fehlfunktionen können zur Gefahr für das Bedienpersonal und die Anlagenumgebung werden. In solchen Fällen gelten entsprechende Sicherheitsvorschriften mit Normen für die Funktionale Sicherheit, die definierte SIL- oder PL-Level vorschreiben. Eine der Voraussetzungen für das Erreichen des geforderten Levels kann hier die normierte Schwingungsmessung sein.
Für eine normierte Schwingungsmessung wird der sogenannte RMS-Wert der Schwingungsbeschleunigung ermittelt. RMS steht für den quadrierten Mittelwert „Root Mean Square“, bei dem die Beschleunigungswerte während einer definierten Zeitspanne von bis zu 12 Sekunden erfasst und gemittelt werden. Damit werden Spitzenausschläge mathematisch gekappt.
Kapazitiver MEMS-Sensoren können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung einer Schwingungsbewegung erfassen. Pepperl+Fuchs bietet ein umfassendes Portfolie solcher Geräte, die den RMS-Wert direkt ausgeben. Mit der Mittelwertbildung filtern sie kurzzeitige, irrelevante Änderungen des Schwingungsverhaltens heraus, vermeiden so die Ausgabe irreführender Werte und das Auslösen unnötiger Alarme. Solche irrelevanten Ausschläge können zum Beispiel auf Einwirkungen von außen zurückgehen, etwa auf die Vibration eines vorbeifahrenden Fahrzeugs oder auf Schwingungen, die vom umgebenden Gebäude oder durch den Boden auf die Maschine übertragen werden.
Effektivwert und Trendbetrachtung
Der gemittelte Effektivwert bildet den tatsächlichen aktuellen Zustand der Maschine ab. Aufgrund seines Verlaufs lässt sich eine Trendbetrachtung anstellen, aus der die Abnutzung durch Reibung und Verschleiß erkennbar wird. Dabei kann man bestimmte Schwingungsmuster sogar einzelnen Maschinenteilen zuordnen und so eine sehr detaillierte Diagnose ableiten. Zudem lassen sich Grenzwerte definieren, die einen vorgegebenen Alarm auslösen beziehungsweise einen Wartungseinsatz initiieren. Der rechtzeitige Eingriff hilft beim Vermeiden ungeplanter Unterbrechungen, zugleich wird durch das zustandsorientierte Vorgehen der Wartungsaufwand gesenkt.
Auf derselben Grundlage können die Sensoren sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen. Sie erkennen und melden, wenn das Schwingverhalten einen kritischen Schwellenwert überschreitet. Damit schaffen sie eine zentrale Voraussetzung für die Normen-Compliance im Hinblick auf die Funktionale Sicherheit. Ihr Signal an die Maschinensteuerung löst bei Bedarf zuverlässig die Schaltung in den sicheren Zustand aus. Im Portfolio von Pepperl+Fuchs finden sich Sensoren mit den entsprechenden Zertifikaten und global gültigen Zulassungen. Da sie damit als Teil der Regelkette bereits als sicher eingestuft sind, wird mit ihrer Verwendung auch der Zertifizierungsaufwand reduziert. Geräte für verschiedene Anwendungen Drei verschiedene Geräteserien der VIM-Reihe bieten spezifische Antworten die Vielfalt der möglichen Anwendungen. Darunter gibt es Sensoren mit Ex-Schutz, mit einem besonders großen Temperaturbereich, mit robusten Gehäusematerialien für unterschiedliche Einsatzzwecke und Schutzart bis IP67 sowie mit der Option der webbasierten Fernwartung per IO-Link. Der Frequenzbereich reicht jeweils von 1 bis 1000 Hz:
- VIM3 – besonders kompakt, für Anwendungen bis SIL 1/PL c
- VIM6 – für explosionsgefährdete Bereiche bis Zone 1/21, Temperaturbereich von -40 bis +125 °C
- VIM8 – robustes Gehäuses aus Duplexstahl für den Einsatz in rauen Offshore-Anwendungen, für die Ex-Zone 1/21 sowie für SIL 2/PL d zertifiziert.
Die Inbetriebnahme der Sensoren ist ohne Programmieraufwand möglich, die Parametrierung kann direkt am Gerät durchgeführt werden. Bei der Serie VIM3 eröffnet die optionale IO-Link-Schnittstelle die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Messwerte zu erheben und sie für eine fein abgestimmte, nachhaltige Zustandsüberwachung zu verwenden. So können neben der gemittelten Schwingbeschleunigung (g rms) auch Spitzenwerte (g peak), der Lagerzustandskennwert zur direkten Beurteilung von Kugellagern sowie ein Temperaturwert ausgegeben werden.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, diesen Sensor zur Anpassung an die jeweilige Applikation optimal einzustellen. Unter anderem kann ein einstellbares Schaltsignal parallel zur IO-Link-Kommunikation eingerichtet werden, um einen definierten Wartungseinsatz unmittelbar auszulösen. Eine Betriebszeitmessung oder ein zusätzlich implementierter Zähler kann genutzt werden, um einen „Toleranzbereich“ einzurichten, in dem die Maschine einen kritischen Schwingungswert überschreiten darf, bevor der Folgeschritt ausgelöst wird. Das Gerät führt die nötigen Rechenschritte selbst durch und schont damit die Kapazität der Steuerungsebene.
Mit dem IO-Link-Gerät wird es möglich, die zustandsabhängige Wartung der Maschine an relevanten und präzise definierten Parametern auszurichten. Damit lassen sich gegenüber der zyklischen Wartung zu beträchtlichen Einspareffekte erzielen, da Instandhaltungsmaßnahmen nach tatsächlichem Bedarf geplant und entsprechend effizient durchgeführt werden. Da die passende Trigger-Einstellung zur Wartung direkt im Sensor vorgenommen werden kann, sind dafür keine weiteren Anpassungen nötig.
