SSV Condition Monitoring

[Zum Vergrößern klicken] Bei einem pneumatischen Subsystem zum Materialtransport in einer Fertigungszelle, z. B. einem Führungszylinder mit einem Druckluft-bewegten und SPS-gesteuerten Schlitten, lassen sich durch Cloud-basiertes Condition Monitoring und den damit möglichen Service- und Wartungskonzepten die Ausfallzeiten der gesamten Baugruppe erheblich reduzieren und die Lebensdauer steigern. Ein Teil der dafür benötigten Daten steht in der SPS bereits zur Verfügung. Die zusätzlich erforderlichen Sensoren verursachen lediglich geringe Mehrkosten. - Bild: SSV Software Systems

SSV Condition Monitoring

[Zum Vergrößern klicken] Bei einem pneumatischen Subsystem zum Materialtransport in einer Fertigungszelle, z. B. einem Führungszylinder mit einem Druckluft-bewegten und SPS-gesteuerten Schlitten, lassen sich durch Cloud-basiertes Condition Monitoring und den damit möglichen Service- und Wartungskonzepten die Ausfallzeiten der gesamten Baugruppe erheblich reduzieren und die Lebensdauer steigern. Ein Teil der dafür benötigten Daten steht in der SPS bereits zur Verfügung. Die zusätzlich erforderlichen Sensoren verursachen lediglich geringe Mehrkosten. – Bild: SSV Software Systems

Die technischen Entwicklungen etwa zum Internet der Dinge machen Monitoring-Sensoren immer kommunikationsfähiger und preiswerter. Darüber hinaus bieten die meisten Anlagen durch die vorhandenen Steuerungen (SPS) bereits sehr viele geeignete Daten. Diese sind bisher allerdings in der SPS verborgen bzw. isoliert. Um sie zu nutzen, ist zunächst der Zugriff auf diese Daten zu erlangen und im Detail zu klären, welche – für die Zustandsüberwachung relevanten – Informationen sich daraus gewinnen lassen.

Als Beispiel hier ein pneumatisches Subsystem zum Materialtransport in einer Fertigungszelle. Es besteht aus einem Führungszylinder mit einem von Druckluft bewegten und SPS-gesteuerten Schlitten, der sich zwischen zwei Endpositionen bewegt. An den beiden Endpunkten befindet sich ein Näherungssensor mit einem Schaltpunkt, um der SPS (Siemens S7-1200) die aktuelle Endposition des Schlittens anzuzeigen (Positionen X1 und X4 in der Abbildung 1). Allein durch den LAN-Zugriff per RFC1006-Protokoll (ISO-on-TCP) auf die beiden S7-1200-Eingänge für X1 und X4 lassen sich schon einmal die folgenden für ein Condition Monitoring relevanten Informationen gewinnen:

  • Bisherige Gesamtstrecke des Schlittens: Der Schlitten auf dem Führungszylinder hat eine maximal Laufleistung, beispielsweise 3.000 km. Durch Zählen der erreichten Endpositionen X1 und X4 lässt die sich Gesamtstrecke errechnen und eine Aussage zur möglichen Restlaufleistung ableiten.
  • Genaue Anzahl aller Ventilbetätigungen in der Ventilinsel: Für alle zum pneumatischen Subsystem gehörenden Ventile können anhand der Endpositionen X1 und X4 die Anzahl der Ventilschaltvorgänge gezählt und die gemäß Datenblatt mögliche Restlebensdauer errechnet werden.
  • Zeitspanne für die Schlittenbewegung von links nach rechts und umgekehrt: Über die Zeitmessungen zwischen den Betätigungen der Schaltkontakte an den Endposition X1 und X4 lässt sich z. B. ein Überdruck (Schlitten zu schnell), ein Unterdruck oder eine mechanische Überlastung (Schlitten zu langsam) sowie Verschleiß an Schlitten und Führungszylinder erkennen.
  • Stoßdämpfernutzung: Durch Errechnen der Schlittengeschwindigkeit und Zählen der Schlittenbewegungen zwischen den Endpunkten X1 und X4 ist die Auffahrgeschwindigkeit sowie die maximale Energieaufnahme pro Hub und pro Stunde grob bestimmbar. Diese Daten reichen allerdings in der Praxis nicht aus, um die Restlebensdauer eines Stoßdämpfers zu ermitteln.
SSV Dashboard

[Zum Vergrößern klicken] Die in einer Cloud-Datenbank gespeicherten Zustandsdaten lassen sich über ein Condition Monitoring Dash Board jederzeit betrachten. In den einzelnen Informationskacheln werden Echtzeit-Zustandsdaten zu wichtigen Baugruppen und Komponenten angezeigt. Die jeweils verbleibende Restlaufzeit einer Komponente wird zu einem errechnet und zum anderen als Fazit einer prädiktiven Datenanalyse ermittelt. Damit lassen sich auch Wartungs- und Servicetermine automatisch in die Terminkalender der zuständigen Mitarbeiter eintragen. – Bild: SSV Software Systems

Alle Zeitmessungen und Berechnungen zur Schlittengeschwindigkeit sind relativ ungenau, solange nur die digitalen Näherungssensorsignale der Endpunkte X1 und X4 zur Verfügung stehen. In der Schlittenlaufzeit zwischen diesen Endpunkten sind auch die von verschiedenen Parametern abhängigen Dämpfungsphasen der Stoßdämpfer-Hubstrecken (Zeitspannen t1 und t2 in der Abbildung 1) enthalten. Insofern wird der Schaltzeitpunkt der Näherungssensoren an X1 und X4 stets um die nicht konstante Energieabsorptionszeit der Stoßdämpfer verzögert.

Betrachtung der kritischen Komponenten

Die beiden Stoßdämpfer an den Schlittenenden sind aber auch die kritischen Komponenten des gesamten pneumatischen Subsystems. Reicht die Dämpfung nicht mehr aus, fährt der Schlitten ungebremst an den Anschlag des Führungszylinders. Infolgedessen kann es zu irreparablen Schäden am gesamten Subsystem kommen. Deshalb ist es sinnvoll, den Zustand der Stoßdämpfer in das Cloud-basierte Condition Monitoring einzubeziehen und hierfür zusätzliche Sensoren zu installieren.

Um die Wirkung der Stoßdämpfer im Rahmen des Condition Monitorings zu messen, sollten die einfachen Näherungssensoren mit je einem Schaltkontakt durch eine spezielle Variante mit zwei Schaltkontakten ersetzt werden. Der räumliche Abstand zwischen den beiden Schaltern in einem Näherungssensor wird bei der Inbetriebnahme in einen direkten räumlichen Zusammenhang zur Stoßdämpfer-Hubstrecke gesetzt.

SSV Plattformen

[Zum Vergrößern klicken] Technologisch führende Cloud-Serviceplattformen für IoT-Anwendungen unterscheiden sich durch unterschiedliche Services. In der IBM Bluemix Cloud findet man beispielsweise ein sehr umfangreiches Angebot hinsichtlich Datenspeicherung und Analytics. Die Cloudant NoSQL-Datenbank eignet sich als Condition Monitoring-Datenspeicher, der dazu passende Predictive Analytics-Service als Basis für ein Predictive Maintenance-Wartungskonzept. – Bild: SSV Software Systems

Diese Erweiterung ergibt mit X2 (Anfang der Hubstrecke linker Stoßdämpfer) und X3 (Anfang der Hubstrecke rechter Stoßdämpfer) zwei neue Punkte auf der X-Achse. Da X1 und X4 ja nicht nur den Schlittenendpunkten auf dem Führungszylinder, sondern auch dem jeweiligen Ende der Stoßdämpfer-Hubstrecken entsprechen, lassen sich nun die Zeitspannen t1 (Hubzeit linker Stoßdämpfer) und t2 (Hubzeit rechter Stoßdämpfer) für jede Schlittenbewegung Millisekunden-genau ermitteln. Diese Hubzeiten werden sich bei längerer Betriebsdauer und damit einhergehenden nachlassendem Stoßdämpferöldruck verändern und immer kleiner werden.

Um für den Führungszylinder eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen, sollten alle Daten, die sich per RFC1006-Protokoll über die Ein- und Ausgänge der SPS erfassen bzw. errechnen lassen, in bestimmten Zeitabständen an einen Cloud-Service übertragen und dort gespeichert werden. Wegen der in Deutschland unzureichenden Internet-Bandbreiten sollten die Datenmengen, die per Mobilfunknetz oder xDSL-Netzzugang an die Cloud weitergegeben werden, mithilfe einer Datenvorverarbeitung reduziert werden. So kann eine geeignete Mittelwertbildung für t1 und t2 über eine bestimmte Zeitspanne, beispielsweise zwei Stunden, zu lediglich zwei t1/t2-Werten führen, die an den Cloud-Service gesendet werden, obwohl in dieser Zeitspanne insgesamt einige tausend Messwerte angefallen sind.

Klaus-Dieter Walter

Kontakt:
SSV Software Systems, Tel. 0511 400000, E-Mail: kdw@ssv-embedded.de