Condition Monitoring drahtlos

Forschung und Entwicklung

Condition Monitoring drahtlos

Systeme für das Condition Monitoring sollen im Idealfall Störungen erkennen, bevor es zum Maschinenstillstand kommt. Bisher wurde diese Art der Sensorik allerdings aus Kostengründen meist nur bei sehr hochwertigen Antrieben eingesetzt. Dies soll sich mit der Verfügbarkeit preiswerter, batterieloser Funklösungen ändern, weil nun der Aufwand für solche Condition-Monitoring-Systeme deutlich sinkt. Als Anwendungsbereich bietet sich insbesondere die Nachrüstung bei Ausrüstungen an, deren Stillstandskosten im Falle einen Maschinencrashs erheblich sein würden.

Sensornetzwerke in komplexen Maschinen und Anlagen eröffnen neue Wege im Condition Monitoring.

Im öffentlich geförderten Verbundprojekt „Energieautarkes Condition Monitoring System“, abgekürzt ECoMoS, wird das Anwendungsfeld drahtloser Funksensorik auf das Condition Monitoring von Industrieanlagen ausgeweitet. „Drahtlose Sensornetzwerke eröffnen durch verteilte Datenerfassung und Kommunikation völlig neue Möglichkeiten in der Messtechnik und bieten die Chance, diese in den kommenden Jahren zu revolutionieren“, meint dazu Dr. Michael Niedermayer vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin.
Auf dem Gelände des ehemaligen Gaskombinats Schwarze Pumpe zwischen Cottbus und Dresden, wo früher Braunkohle veredelt wurde, läuft seit April 2005 die Papierproduktion auf vollen Touren. 170 Mio. Euro wurden zum Bau der Papierfabrik Spremberg investiert. Mit einer Kapazität von 330 000 t Rohpapier pro Jahr kann Wellpappe aus 100 Prozent Altpapier erstellt werden. Dabei benötigt die Herstellung einer 1 000 m langen und 5,4 m breiten Papierbahn lediglich eine Minute. „Nur eine Stunde Ausfallzeit würde 5 000 Euro kosten“, informiert Olaf Franke, Leiter Elektro/MSR-Technik der Spremberg Rieger GmbH & Co. KG.
Um außerplanmäßige Stillstandszeiten fast vollständig zu vermeiden, wurde jetzt mit der Installation und dem Test eines drahtlosen Sensornetzwerkes zur Überwachung der Anlage begonnen. An der 10 m langen Papiermaschine sollen in der finale Ausbaustufe über 600 Sensoren die Anlage im Stundentakt prüfen. Sobald sie Schadensmuster erkennen, wird der Austausch von Komponenten während der planmäßigen Wartung veranlasst.
Da dabei Funktechnologie eingesetzt wird, entfallen erhebliche Material- und Installationskosten für Kupferdraht und Kabelkanäle. Damit dürfte sich die Investition in recht kurzer Zeit amortisieren.
Das Konzept der Funksensoren zum Condition Monitoring basiert auf einer Zustandsüberwachung von Maschinen durch Messung und Analyse von Schwingungen und Temperaturen. Mit Hilfe sehr rauscharmen Beschleunigungssensoren und eines digitalen Signalprozessors werden spezielle Hüllkurvenspektren berechnet. Anhand der Veränderungen von Amplituden charakteristischer Spektralanteile lassen sich spezifische Fehlerquellen zu identifizieren. So wird es möglich, beispielsweise Lagerschäden bis zu 3 Monate vorherzusagen.
Über einen Funksender und -empfänger werden die Sensorknoten konfiguriert. Sie senden dann regelmäßig den Maschinenzustand an eine bis zu 50m entfernte Basisstation. Bei Entdeckung eines Schadensmusters ist jeder Sensorknoten in der Lage, die Rohdaten über die Basisstation an eine Leitstelle zu funken. Damit können Experten bei gravierenden Fehlern die Kennlinien prüfen, bevor in kritischen Fällen kostenintensive Maßnahmen zur Schadensbeseitigung festgelegt werden. Oftmals dürfte es dann reichen, im nächsten oder übernächsten Wartungsintervall ein geschädigtes Lager auszutauschen.
Über die optionale Ankopplung der Basisstationen per Internet kann die Maschinendiagnose auch von erfahrenen, externen Dienstleistern oder vom Anlagenhersteller vorgenommen werden. Der Hersteller wird so in die Lage versetzt, die Zuverlässigkeit seinen Produkte deutlich besser einzuschätzen. Es zeigt sich, bei welchen Komponenten das Konstruktionsdesign nachgebessert werden sollte und wo sich Kosten einsparen lassen, ohne dabei die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
Die beachtlichen Fortschritte in der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik erlauben es heute, energieautarke Funksensoren zu moderaten Kosten herzustellen. Neben präziser Sensorik, einer leistungsfähigen Datenverarbeitung und der Funkanbindung bildet die Energieversorgung bei der Entwicklung wartungsfreier Funksensorknoten einen besonders wichtigen Schwerpunkt im Hardware-Design.

Das Projekt

ECoMos

Im Verbundprojekt ECoMoS wurden die ersten Funksensorknoten zum Condition Monitoring in der Papierfabrik aufgebaut und erfolgreich getestet. An der Entwicklung waren die Firmen IMC-Messysteme, Elbau, Gesellschaft für Maschinendiagnose, Converteam, Baumer-Hübner, EnOcean sowie das Fraunhofer IZM und die Technische Universität Berlin beteiligt. Dieses breite Kompetenzspektrum zur Messtechnik, Funktechnologie, Energy Harvesting, Aufbautechnik und Maschinendiagnostik war erforderlich, um die Potenziale moderner Funksensorik zum Condition Monitoring zu demonstrieren.
Gefördert wird das Projekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Projektträger ist die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH in Berlin. In der ersten Prototypgeneration wurden die Sensorik, die Datenverarbeitung, die Funkschnittstelle und die Energieversorgung als separate Module ausgeführt. Bei der nächsten Prototypgeneration werden die Module in einem besonders kompakten und robusten Aufbau vereint. Diese Funksensorknoten werden in der zweiten Jahreshälfte verfügbar sein. Dann kann das Sensornetzwerk in der Papierfabrik bis zur vollen Ausbaustufe mit 664 Sensorknoten schrittweise erweitert werden.

Bei Verwendung besonders leistungsarmer Elektronikkomponenten in Verbindung mit einem optimierten Power-Management lässt sich die Betriebsdauer von Batterien teilweise auf 10 bis 15 Jahre steigern.
Allerdings gibt es gerade im Industrieumfeld erhebliche Vorbehalte gegenüber batteriebetriebener Funksensorik. Die Anwender bevorzugen Lösungen mit Energiewandlern. Während jedoch Solarzellen in den meisten Industrieumgebungen aufgrund von erheblicher Staubentwicklung nicht geeignet sind, bieten Thermogeneratoren und Vibrationswandler eine gute Möglichkeit, die Energie aus der Umgebung zu gewinnen. Der Batteriewechsel entfällt, und es steigt die Betriebssicherheit.
Die Installation ist mittlerweile sehr komfortabel gestaltet: Wird ein Sensorknoten an einer Maschine angebracht und aktiviert, kann er existierende Funknetzwerke erkennen und sich anmelden. Über die Funk-Basisstationen werden die Sensorknoten an die jeweiligen Betriebsparameter, etwa die Häufigkeit der Messintervalle, angepasst. Falls neue Schadensmuster oder veränderte Kommunikationsprotokolle eine Programmierung der Funksensorknoten erforderlich machen, ist die Aktualisierung der Software per Funk ebenfalls möglich. So muss der Anwender nicht mehr jeden einzelnen Sensorknoten per Kabel umprogrammieren, was gerade bei schwer zugänglichen Stellen sehr aufwendig sein kann. Je nach Anforderungsprofil und Einsatzumgebung liegen die Materialkosten für einen Sensorknoten zwischen zehn bis 200 Euro. Die Kosten für ein komplettes Sensornetzwerk hängen jedoch im Wesentlichen davon ab, welche Stückzahlen erreichbar sind. Bei Nischenanwendungen dominieren bei solchen Systemen die Entwicklungskosten.
Für einen breiten Anwendungsbereich können jedoch solche Funksensorknoten zum Condition Monitoring vieler Maschinen und Anlagen in größeren Stückzahlen gefertigt werden. Design- und Softwarekosten machen dann nur noch einen kleinen Anteil der Gesamtkosten aus. Die Hebelwirkung, welche sich aus der Verfügbarkeit solcher Systeme ergibt, lässt sich im Moment nur erahnen. Sie reicht von neuen Geschäftsfeldern für den Anlagenbau mit erweiterten Dienstleistungskonzepten bis hin zum verbesserten Verständnis technischer Systeme.

Kontakt:
Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration
Tel.: 030 46403185
Email: michael.niedermayer@izm.fraunhofer.de
www.izm.fraunhofer.de

Kurzinterview

Dr.-Ing. Dr. rer. oec. Michael Niedermayer, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, Gruppenleiter Technologieorientierte Designmethoden.

Instandhaltung: Das Projekt ,ecomos’ läuft im Sommer diesen Jahres aus. Wie geht es weiter mit der Forschung und Entwicklung dieser Funksensoren?
Niedermayer: Nach ausgiebigen Tests in der Papierfabrik wird es dann zum Jahresende noch ein Redesign geben, um solche intelligenten Sensorsysteme in Produkte zu überführen. Nach derzeitiger Planung können die Funksensoren einen kritischen Verschleiß bereits 3 Monate im Voraus erkennen. Dies werden nicht alle Kunden fordern, so dass ich denke, dass es auch ein gutes Marktpotenzial für ein weniger empfindliches Sensorsystem aus Low-cost-Komponenten geben wird. Solche Produkte können wahrscheinlich Mitte 2012 erscheinen. Die im Projekt entwickelten Funksensornetze dienen zur Verschleißerkennung von Maschinen- und Anlagen, die über Antriebe verfügen, welche zumindest zeitweise mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden. In der verarbeitenden Industrie gibt es solche Fertigungsanlagen vielfach. Wenn später auch Low-cost-Funksensorik verfügbar wird, ist auch eine Überwachung zahlreicher Lüftersysteme denkbar, deren Verschleiß heute aus Kostengründen noch nicht ermittelt wird. Während die derzeitigen Systeme auf Temperatur- und Beschleunigungssensoren basieren, werden noch weitere Sensorvarianten entwickelt, die dann recht vielfältige Messgrößen erfassen können und die man dann im gleichen Funknetz betreiben kann. Auch die Unterstützung von Funkstandards sowie Basisstationen mit Ankopplungsmöglichkeiten für die verschiedene Feldbusse werden eine wichtige Option darstellen, um die breite Anwendung von solchen Sensornetzen in Industrieumgebungen, insbesondere im Nachrüstmarkt, zu erreichen.

Instandhaltung: Welche ähnlichen oder ergänzenden Projekte gibt es bei der Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland und Europa?
Niedermayer: Die weltweiten Forschungsaktivitäten zu Sensornetzen sind recht zahlreich, wobei meist der Schwerpunkt auf bestimmte Systemkomponenten ausgerichtet ist. Im Rahmen des Förderprogrammes Mikrosystemtechnik mit den Ausschreibungen „Autonome Vernetzte Systeme“ und „Energieautarke Systeme“ gibt es eine Reihe von Projekten zu energieautarker Funksensorik, die derzeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden. Ein weiteres Projekt in diesem Themenbereich nennt sich SOPRO – Selbstorganisierende Produktion, welches die Fraunhofer-Gesellschaft in enger Kooperation mit der Technischen Universität Berlin durchführt. Dahinter steht die Idee, dass Maschinen und Werkstücke miteinander kommunizieren, voneinander lernen und ihre Arbeit selbst einteilen. Die hierfür an den Werkstücken und in den beteiligten Komponenten erforderliche dezentrale Intelligenz stellen miniaturisierte Funksensoren bereit. Sie tauschen mit anderen Komponenten in der Fertigung Informationen aus und führen Planungs-, Abstimmungs- und Überwachungsaufgaben eigenverantwortlich durch. Auf diese Weise sollen Fertigungsprozesse flexibler und effizienter gestaltet werden.

Instandhaltung: Auf welchen Veranstaltungen – Messen, Tagungen, Fachkongressen – kann sich der Instandhalter über den Stand der Entwicklung von drahtlosen und batterielosen Sensorlösungen informieren?
Niedermayer: Auf der Hannover-Messe waren wir mit einem Stand und mehreren Vorträgen vertreten. Die nächste Möglichkeit bietet sich im Juni auf der Sensor+Test 2011, der Messtechnik-Messe in Nürnberg. Neben einem Vortrag zum Projekt ECoMoS kann man sich auf den Sessions zur drahtlosen Sensorik über weitere Trends in diesem Bereich informieren. Es ist weiterhin geplant, die Projektergebnisse auf dem Mikrosystemtechnik-Kongress 2011 im Oktober in Darmstadt vorzustellen.