Für den produzierenden Sektor und die Prozessindustrie in aller Welt nimmt der Druck zur Leistungssteigerung in der Produktion und zur Kostensenkung immer weiter zu. Der Zustandsüberwachung kommt dabei wachsende Bedeutung bei.

Wenn Unternehmen angesichts des intensiver werdenden globalen Wettbewerbs nach Möglichkeiten suchen, ihre Kosten zu senken, ihre Produktivität zu steigern und den Gesamtwirkungsgrad ihrer Anlagen auf Weltniveau zu bringen, geht es meist um optimale Nutzung von Investitionsgütern, Abbau von Aus- und Überschuss, Reduzierung des Energieverbrauchs und Maximierung der Laufzeiten. Die Kosten für jede Stunde außerplanmäßige Betriebsunterbrechung können schnell in die Zehntausende gehen. Deshalb ist es enorm wichtig, dass man Probleme vorhersehen und ihnen im Vorfeld während der planmäßigen Wartung begegnen kann.

Ein wirksames Mittel für diese Aufgabe ist die Zustandsüberwachung. Hierbei werden Schlüsselparameter, die den Zustand und den Betrieb der Anlagen und Maschinen anzeigen, kontinuierlich beobachtet, beispielsweise im Hinblick auf ausgeprägte Veränderungen, die auf einen sich anbahnenden Fehler hindeuten. Parameter, die typischerweise überwacht werden, sind z. B. Schwingungen, Temperatur, Schmierstoffreinheit, Geräuschemission und Stromaufnahme.

Anwendungsbereich

Unabdingbar ist eine derartige Zustandsüberwachung bei wertvollen Investitionsgütern wie Windkraftanlagen, aber neue Verfahren und Technologien bei der Zustandsüberwachung machen es möglich, dass auch kleinere Maschinen kostenwirksam geschützt werden können. So kann praktisch jeder die Wirkungsgrade seiner Anlagen steigern bzw. Energieverbrauch und Ausfallzeiten reduzieren. Alle Pumpen, Lüfter, Elektromotoren, Zentrifugen, Turbinen und Schwingsiebe können ihren eigenen Überwachungskanal bekommen und zu einem effektiven und bezahlbaren Zustandsüberwachungssystem zusammengefasst werden.

Die Hauptfaktoren für die vermehrte Anwendung von Verfahren zur Zustandsüberwachung sind die neuen Smart Devices sowie die verbesserten Anschlussmöglichkeiten und Feldbus- bzw. Ethernet-basierten Netzwerke in allen Industriesektoren. Wichtig ist nun die Überlegung, wie die enormen, von den zahlreichen Zustandsüberwachungsgeräten erzeugen Datenmengen, gespeichert, organisiert, analysiert und in Output umgesetzt werden sollen.

Außerdem ist die Weitergabe der enormen Datenströme von der Anlagenebene an übergeordnete Datenbanken häufig problematisch: bei herkömmlichen PC-Datenbanksystemen kann die Integration in die Steuerungen auf Produktionsebene kompliziert, teuer und zeitaufwändig sein, noch dazu bei begrenztem Tempo und Volumen bei der Datenübertragung. Obendrein ist nach erfolgreicher Datenanalyse die Rückgabe entsprechender Korrekturinformationen an die Automatisierung ein schwer zu optimierender Prozess.

Hier ist ein ganz neuer Ansatz gefragt, und der muss bereits bei der Automatisierungsarchitektur beginnen. Mitsubishi Electric hat mit dem C Controller in einer rack-basierten PC-Lösung reagiert - einer speziellen C-Language-CPU, die eigenständig arbeitet oder in Standard-SPS-Hardware der Melsec Q Serie integriert werden kann.

Kooperation

Der C Controller bietet das Beste aus zwei Welten, indem er Entwicklern, die in C und C++ programmieren, mit der Standard-Hardware der Melsec Q Serie einen Zugang zur Automatisierung ermöglicht und für eine hohe Systemzuverlässigkeit, stabile Langzeitversorgung und niedrigere Management- und Instandhaltungskosten sorgt. Alle CPU werden mit vorinstalliertem Echtzeitbetriebssystem Wind River VXWorks geliefert. Optionen für die Programmentwicklungsumgebung sind CW Workbench von Mitsubishi Electric und Work Bench von Wind River.

CW Workbench ermöglicht die Entwicklung kompletter Embedded-Systeme und bietet alle hierfür notwendigen Funktionen, inklusive Editor, Compiler und Debugger. Außerdem steht ein Tool-Set für Einstellung und Überwachung der C-Controller-CPU zur Verfügung, das eine programmierfreie Parametereinstellung und Diagnose ermöglicht.

In einem nächsten Schritt und im Hinblick auf die Erfassung, Speicherung, Verwaltung und Analyse großer Datenmengen aus der Zustandsüberwachung hat Mitsubishi Electric mit Raima zusammengearbeitet, um dessen RDM-Embedded-Datenbanktechnologie auf der C-Controller-CPU lauffähig zu machen.

Das Ergebnis ist eine robuste Datenbankplattform, auf der Daten direkt mit dem Controller gespeichert, verwaltet und abgerufen werden können, ohne auf eine übergeordnete PC-Datenbank zurückgreifen zu müssen. Anwender können nun sowohl aus dem Echtzeit-Betriebssystem Nutzen ziehen wie auch aus der Tatsache, dass die CPU in C programmiert werden kann, um RDM Embedded an die spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung anzupassen.

Datenbanktechnologie

Die kombinierte C-NetDB-Lösung von Mitsubishi Electric und Raima bietet eine Datenbank, die Steuerungsdaten aufnehmen und in Echtzeit auf schnell wechselnde Ereignisse und häufige Datenaktualisierungen reagieren kann. Die Datenbank ist ACID-kompatibel, wodurch die Präzision der aufgenommenen Informationen garantiert wird. Automatische Funktionen zur Datensicherung gewährleisten, dass niemals Daten aufgrund eines Systemausfalls beschädigt werden.

Zu den Schlüsselmerkmalen zählt die Möglichkeit, eine Einzelabfrage an mehrere Ziele zu richten, wobei Circular Tables per SQL abgefragt werden. Darüber hinaus bietet RDM Embedded Eigenschaften wie Datenbank-Cursor, Shared-Memory-Protokoll, multiple Datentypen, Bulk-Insert-API, Dirty Read'-Isolationsebene, verbesserte Verschlüsselung sowie selektive Replikation und Meldung.

Leistungsfähigkeit

Eine Schwingungsüberwachung kann beispielsweise bei rotierenden Maschinen frühzeitig auf sich entwickelnde Fehler hinweisen. Mithilfe von Beschleunigungssensoren können an den Lagergehäusen von Maschinen Schwingungsmessungen vorgenommen werden, während andere Aufnehmer den radialen und axialen Versatz rotierender Wellen messen können. Durch Vergleich der Schwingungsintensitäten mit historischen Ausgangswerten können sich anbahnende Lagerschäden erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Drehzahlregelungen bieten heute Diagnosemöglichkeiten wie Warnungen aufgrund von Stromaufnahmewerten, die auf ein Nachlassen der Motorleistung hindeuten können oder auf Probleme bei den mit der Motorwelle verbundenen Komponenten.

Die Fähigkeit, Maschinen und Komponenten zu identifizieren, die aus dem Toleranzbereich auswandern, bedeutet zuverlässig hohe Produktqualität und weniger Ausschuss. Optimierte Wartungsplanung senkt Kosten, ebenso wie die Fähigkeit zur Überwachung und Steuerung des Energieverbrauchs. Verbesserter Einsatz von Investitionsgütern reduziert den Investitionsbedarf für zusätzliche Maschinen, und die Fähigkeit zur Fehlererkennung vor einem endgültigen Komponentenausfall reduziert die Notwendigkeit zur Unterhaltung teurer Ersatzteilbestände.

Ausblick

Die Entwicklung von Technologien zur Zustandsüberwachung und von Analysestrategien geht weiter und ein Ende ist noch lange nicht in Sicht. Wir sehen bereits erste Analysepakete, die Parameter ableiten, die nur schwer direkt zu überwachen sind. Indem man zwei beobachtbare Parameter überwacht, kann man unter Umständen die Werte eines dritten Parameters ableiten und auf dieser ermittelten Grundlage Wartungs- oder Produktionsentscheidungen treffen. Wir können außerdem davon ausgehen, dass sich die mathematischen Modelle verbessern werden und die entsprechende Software die Zustandsüberwachungs- und Ereignisdaten noch besser aufbereiten wird, wodurch sich die Entscheidungssicherheit weiter erhöht.

Mit dem Intelligenzzuwachs der Sensoren und Überwachungsgeräte werden auch Qualität und Menge der Daten zunehmen, einschließlich ganz neuer Datenebenen über Zustand, Produktionseffizienz, Energieverbrauch, Maschinenverfügbarkeit u.v.m. Gleichzeitig fördert das Voranschreiten der Machine-to-Machine-Kommunikation ein neues Modell der ‚Connected Intelligence', die effiziente Kommunikation mit kostengünstiger Datenübertragung vereint. Durch M2M -Kommunikation werden Daten zum ultimativen Management-Tool. Hierdurch können Anwender deutlich anspruchsvollere und komplexere Systeme implementieren und betreiben und trotzdem wirksam überwachen, was innerhalb diese Systeme vor sich geht.