Auswahl des am besten geeigneten Sensors für die vorausschauende Wartung für Industrie 4.0
Viele Industriemotoren sind über längere Zeiträume in Betrieb. Zum Beispiel arbeiten Motoren in Chemie-, Lebensmittel- und Energieerzeugungsanlagen routinemäßig für 20 Jahre (und mehr) in kontinuierlichen Produktionsanwendungen. Einige Motoren erfüllen ihre prognostizierte Lebensdauer jedoch leider nicht. Ein solcher vorzeitiger Ausfall kann aufgrund eines unzureichenden Motorbetriebs, unzureichender Wartungsprogramme, fehlender Investitionen in PdM-Systeme oder sogar des Fehlens eines PdM-Systems auftreten.
PdM hilft Wartungstechnikern, Maschinenfehler zu erkennen und vorherzusagen. Diese Technik ermöglicht es Wartungsteams, Reparaturen zu planen und ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden. Wartungspersonal verwendet die PdM, um ineffiziente Motoren zu lokalisieren und zu reparieren, was eine höhere Leistung, Produktivität, Anlagenverfügbarkeit und Lebensdauer ermöglicht.
Abbildung1: Vorausschauende Wartungslösung
Eine richtige Auswahl der Sensoren ist für eine erfolgreiche PdM-Implementierung unerlässlich. Um einen bestimmten Sensor auszuwählen, müssen Sie die möglichen Fehlermodi der Maschine verstehen. Beachten Sie auch die Warnsignale, die mit diesen Modi verbunden sind. Unwucht, Lagerschäden, Kavitation (Pumpen), zunehmende Maschinenvibrationen, erhöhte Temperatur der Maschinenbauelemente, Verlust oder Reduzierung des Schmierflusses und Kühlwasserflusses sind typische Warnsignale für Geräte mit sich drehenden Teilen.
Die entsprechende Sensorik kann jedes Warnsignal überwachen. Der folgende Inhalt befasst sich mit einigen Sensoren, die Sie für die Aufnahme in Ihren neuen Instrumentationsplan in Betracht ziehen könnten.
Bewegungs-, Positions- und Näherungssensoren
Auf Produktionslinien sind bewegungsbasierte Tastköpfe montiert. Diese Tastköpfe oder Positions- und Bewegungssensoren verwenden induktive, optische, photoelektrische, potentiometrische (widerstandsbasierte) und andere Erfassungsmethoden, um die Position des Produkts oder der Maschine zu überwachen. Bewegungssensoren müssen mehrere Kriterien erfüllen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Sie müssen langlebig sein, einen geringen Energieverbrauch aufweisen und für die Massenproduktion geeignet sein, um die Anforderungen der Endverbraucher zu erfüllen. Bewegungsbasierte Sensoren in Gesundheitssystemen verwenden eine Kombination aus Gyroskop, Linearbeschleunigung, Beschleunigungsmesser und Magnetometer. Näherungssensoren erfassen die Anwesenheit eines Objekts ohne physischen Kontakt. Diese Sensoren können magnetisch, kapazitiv und induktiv sein. Induktive Näherungssensoren erfassen magnetische Verluste. Dieser Verlust ist auf Wirbelströme zurückzuführen, die durch ein externes Magnetfeld auf einer leitfähigen Oberfläche erzeugt werden. An der Detektionsspule wird ein AC-Magnetfeld erzeugt und Sie können Änderungen der Impedanz aufgrund der erzeugten Wirbelströme an einem metallischen Objekt erfassen. Andere Methoden umfassen Aluminiumdetektionssensoren (das Phasenteil der Frequenz wird erfasst), Ganzmetallsensoren (bei denen die Arbeitsspule nur den geladenen Teil der Impedanz erfasst) und Impulsantwortsensoren (bei denen ein Wirbelstrom in Impulsen erzeugt wird und die Zeitänderung des Wirbelstroms mit der in der Spule induzierten Spannung erfasst wird).
Abbildung 2: Induktiver Näherungssensor
Kapazitive Näherungssensoren erfassen Kapazitätsänderungen zwischen dem Sensor und dem Messobjekt. Die Kapazität variiert abhängig vom Abstand und von der Größe des Messobjekts. Ein üblicher kapazitiver Näherungssensor ähnelt einem Kondensator mit zwei parallelen Platten, wobei die Kapazität der beiden Platten erfasst wird. Eine Platte ist das Messobjekt (mit einer imaginären Masse), die andere ist die Tastfläche des Sensors. Die zwischen diesen beiden Platten entstehenden Kapazitätsänderungen werden erfasst. Die Dielektrizitätskonstante der Objekte bestimmt, ob sie erfasst werden können. Die Liste der Objekte umfasst Metalle, Wasser und Harz.
Abbildung3: Kapazitiver Näherungssensor
Ein Magnet betätigt das Reed-Ende des Schalters als magnetischen Näherungssensor. Der Sensor wird eingeschaltet, wenn der Reed-Schalter eingeschaltet wird.
Abbildung4: Magnetischer Näherungssensor
Vibrations- und Drehmomentsensoren
Vibrationssensoren überwachen die Beschleunigung und Maschinenvibration, die auf ein mögliches Maschinenproblem hinweist. Einige wenige Sensoren verfügen über eine moderne schnelle Fourier-Transformationssignalverarbeitung, um Ausfälle von Maschinenbauteilen zu erkennen. Vibrationssensoren bilden das Herzstück der vorbeugenden Wartung und helfen, den Zustand des Geräts zu bestimmen.
Torsionssensoren (Drehmoment, drehend) messen statische oder dynamische Größen, indem sie eine Drehmomentreaktion und Drehung in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese sind in Motoren, Turbinen oder Generatoren zu finden.Die folgende Abbildung zeigt den Vibrationssensor, der für Lagerausfälle verwendet werden kann.
Abbildung5: Vibrationssensor
Akustische Sensoren
Die akustische Sensorik ist eine neue Anwendung und hat die Nachfrage nach dem geräuschärmeren MEMS (mikroelektromechanischem System) und kleineren akustischen Sensoren angeregt.
Die folgende Abbildung zeigt die Bauelemente eines akustischen MEMS-Sensormoduls. Ein Substrat trägt einen MEMS-Sensorchip zur Schallerfassung und einen IC-Chip zur Signalauslesung. Ein Deckel bedeckt die gesamte Anordnung.
Abbildung6: Akustischer MEMS-Sensor
Diese Gruppe von Sensoren verwendet Mikrofongeräte, um Schall zu erfassen. Wenn ein Schallsensor Schall erfasst, erzeugt er einen Strom oder eine Spannung. Diese Spannung ist proportional zum Schallpegel. Schallsensoren verwenden Techniken des maschinellen Lernens (ML), um relevante Informationen wie den Charakter eines Objekts und seinen Standort zu schätzen.
Ultraschallsensoren
Ultraschallsensoren sind berührungslose Geräte, die den Flug der Schallwelle über dem vom Menschen hörbaren Bereich verwenden, typischerweise 40 kHz oder größer. Ultraschallübertragung und -empfang verwendet piezoelektrische Keramiken. Das Vorhandensein eines Objekts wird durch Messen der Größe und der Zeitverzögerung von Ultraschallwellen erfasst, welche vom Keramikmaterial erzeugt werden, um den Abstand vom Sensor zum Messobjekt zu bestimmen.
Sie können Ultraschallwellen zur stabilen Erfassung von transparenten Objekten wie Flachglas und transparenten Folien mit Einweg- oder Reflexionssensoren verwenden.
Druck-, Kraft-, Berührungs- und Spannungssensoren
Drucksensoren messen die Druckdifferenzen in den Messobjekten oder der Messumgebung. Die Veränderungen werden basierend auf barometrischen, piezoelektrischen, kapazitiven, optischen oder resonanten Sensorprinzipien erfasst. Bourdon-Röhren, Membrane, Druckmesser oder Manometer sind solche Sensortypen.
Zugsensoren helfen dabei, die Verformung und Bewegung des Bandes im automatisierten Materialtransportsystem zu überwachen. Diese Sensoren unterstützen die intelligente zustandsbasierte Wartung. Kraftsensoren überwachen Zug- und Druckkraftsignale und wandeln sie in ein elektrisches Ausgangssignal um. Kraftmessdosen, Dehnungsmesser oder Messwiderstände verwenden Kraftsensoren. Piezoelektrische und magnetostriktive Technologien sind weit verbreitet. Kraftsensoren können auch pneumatische und hydraulische Kräfte überwachen.
Optische, Licht- und Bildverarbeitungssensoren
Die Bildverarbeitungstechnologie hat die Entwicklung von fortschrittlichen autonomen Fahrzeugen, intelligenten Systemen und Robotik ermöglicht. Die Integration optischer Sensoreingänge in die Systeme hilft ihnen dabei, qualitativ hochwertige Entscheidungen zu treffen. Bilder stellen die erfassten visuellen Daten dar, wobei ein ML-Algorithmus den Digitalisierungsprozess antreibt. Die dreidimensionalen (3D-) Sensoren stellen eine neue Methode der Beschaffung technischer Informationen dar. Diese Sensoren können das Ausmaß des Materialverschleißes des Objekts ermitteln und berechnen. Dreidimensionale Daten bieten reichhaltigere Informationen und können jede Abweichung von den ursprünglichen Messungen des Objekts erkennen.
Infrarotsensoren (IR-Sensoren) arbeiten nach optischen Prinzipien und können in reflektierende und transmissive IR-Sensoren unterteilt werden. Bei reflektierenden IR-Sensoren sind Sender und Detektor dem Objekt zugewandt und benachbart. Transmissive Sensoren verwenden LED und Fotodioden, um zu erkennen, was zwischen ihnen passiert.
Temperatursensoren
Temperatursensoren erfassen Änderungen der Maschinenzustände oder kritische Zustände in der Fertigungsstätte (insbesondere in explosionsgefährdeten Umgebungen). Die Sensoren können Temperaturinformationen direkt (resistive Temperaturfühler, Thermistoren und Thermoelemente) oder indirekt (Infrarotsensoren) erfassen. Einige Sensoren haben eingebaute Temperaturanzeigen. Die Tastköpfe zur Messung von Temperatur und Feuchtigkeit umfassen eine weitere Sensorgruppe. Die Materialzusammensetzung dieser einzigartigen Sensoren ermöglicht ihren Einsatz in tragbaren Einweggeräten und medizinischen Implantaten. Andere Anwendungen sind genaue Scans von inneren Organen und biologischem Gewebe. Diese Sensoren sind auch in der Lebensmittel- und Textilindustrie vorhanden.
Flüssigkeits-, Durchfluss-, Gas- und chemische Sensoren
Durchflusssensoren können den Kühlwasser- und Schmiermitteldurchfluss . Diese Sensoren verwenden magnetische, Ultraschall- oder thermische Detektoren, um die Durchflussintensität innerhalb der Rohrleitung zu überwachen. Ölpartikelsensoren können Verschmutzungsniveaus innerhalb von Schmiersystemen (z. B. Getrieben) überwachen. Diese Sensoren ändern den Verschmutzungsgrad in Abhängigkeit von der verarbeiteten Anzahl der Stoffe. Der Sensor verwendet einen Laserstrahl und einen Fotodetektor, um die Lichtintensität zu .
Feuchtigkeitssensoren diagnostizieren den Wassergehalt in Ölen und sind in der Regel in Schmier- oder Hydrauliktanks installiert. Diese Sensoren verhindern Korrosionsereignisse bei Maschinen. Feuchtigkeitssensoren haben eine entscheidende Funktion in automatisierten Fertigungsprozessen. Sie helfen dabei, die gewünschte Umgebung durch Erfassen, Überwachen und Regeln der Luftfeuchtigkeit bei schwankenden Bedingungen zu erreichen. Feuchtigkeitserfassungssensoren finden in der Landwirtschaft als Überwachungseinrichtung Verwendung. Sie sind ein Tool zur Bestimmung der Bodenfeuchtigkeit während der Bewässerung. Diese Sensoren sind hilfreich bei der Korrosionsdiagnose in den Bereichen Infrastruktur und Bau.
Abbildung 7 zeigt einen Durchfluss- und Temperatursensor E8FC, der dazu verwendet werden kann, Anzeichen von Anomalien in Kühlwasser und Hydrauliköl durch das gleichzeitige Messen von Durchfluss und Temperatur zu erkennen.
Abbildung7: Durchflusssensor
Strom- und Energiesensoren
Der Zweck von Energie- und Strommesssensoren besteht darin, die Strommenge zu messen, die eine Maschine aufnimmt. Diese Sensoren sind branchenübergreifend im Einsatz. Eine der Methoden zur Messung des durch Drähte fließenden Stroms ist die Verwendung von Stromwandlern. Die Stromwandler wenden das Prinzip der Transformatoren an.
Bei einem Stromwandler weist seine Primärwicklung in der Regel nur eine Windung auf, die der stromführende Leiter durch seinen zentralen Kern hindurchführt. Er hat nur wenige Umdrehungen in seiner Primärwicklung. Die Sekundärwicklung des Transformators weist in Abhängigkeit von der Größe des Stroms zur Abwärtsregelung viele Windungen auf. Die Sekundärspule ist um einen laminierten ferromagnetischen Kern gewickelt und die Messeinrichtungen können mit ihren Anschlüssen verbunden werden.Abbildung 8 zeigt die Stromsensoreinrichtung, die zur „umfassenden Stromdiagnose“ verwendet werden kann. Sie kann nicht nur Motorprobleme, sondern auch ungewöhnliche lastseitige Zustände überwachen.
