Frequenzumrichter Zustandsüberwachung mit intelligenten Antrieben

Von Martin Cerny

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In der Instandhaltung geht es um die Sicherung des Betriebs von Anlagen, Maschinen und Arbeitsmitteln. Oberstes Gebot ist es Betriebsstörungen und Stillstände zu vermeiden und Wartungsmassnahmen gezielt zu planen. Eine entscheidende Rolle können hier intelligente Umrichter spielen.

(Bild: Danfoss )

Drehzahlvariable Antriebe werden seit über einem halben Jahrhundert eingesetzt. Mit Industrie 4.0 verschiebt sich die Rolle des Frequenzumrichters weiter im Antriebssystem: Vom einst reinen Drehzahlsteller hin zu einem intelligenten Bestandteil des Automatisierungssystems. Mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet, arbeiten beispielsweise Danfoss-Frequenzumrichter als intelligente Sensoren in der Anlage und ermöglichen dem Betreiber die Zustandsüberwachung. Denn was im Büro schon lange selbstverständlich ist, wird auch Standard bei der Instandhaltung von Anlagen. So wie uns der Drucker über den Tonerstand auf dem Laufenden hält, können auch Frequenzumrichter frühzeitig warnen, bevor es zum Motor- und Anlagenstillstand kommt. Das Konzept dahinter nennt sich zustandsorientierte Wartung. Im Mittelpunkt stehen drei einzigartige Funktionen für die Zustandsüberwachung von mechanischen Schwingungen, Statorwicklung und Lasthüllkurve.

Was den Frequenzumrichter zum intelligenten Sensor macht

Intelligente Umrichter von Danfoss sammeln Daten aus verschiedenen Quellen. Sie kombinieren dafür Signale von internen und externen Sensoren wie beispielsweise Schwingungs- und Drucksensoren. Mit Edge Intelligence werden die wertvollen Informationen lokal im Gerät ausgewertet und gegebenenfalls in die Cloud oder an das unternehmensinterne System gesendet. So stehen die Daten dort bereit, wo sie benötigt werden, und ermöglichen eine vorausschauende, zustandsorientierte Wartung, die die Leistung, Effizienz und Betriebszeit von Anlagen erhöht, die Lebensdauer der Anlagenkomponenten verlängert und gleichzeitig die Komplexität verringert.

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Überwachung mechanischer Schwingungen

Viele mechanische Fehler wie beispielsweise Lagerverschleiß, Wellenversatz und Unwuchten erzeugen Schwingungen. Die beschleunigte Abnutzung mechanischer Teile eines Antriebssystems lässt sich vermeiden, indem der Danfoss-Frequenzumrichter zusammen mit einem Sensor – einem externen Schwingungstransmitter – verwendet wird, der die Vibration in einem Motor oder einer Anwendung überwacht. Indem das Transmittersignal mit antriebsinternen Signalen, wie beispielsweise der Drehzahl oder anderen für die Anwendung relevanten Signalen korreliert wird, kann der Antrieb Fehler frühzeitig erkennen. Er informiert über den Zustand des Systems, um einen Funktionsausfall zu verhindern. Die Wartung kann im Voraus vorbereitet und geplant werden, während die Anlage bis zur nächstmöglichen Wartungspause weiter betrieben werden kann.

Die Schwingungsüberwachung erfolgt mittels standardisierter Methoden und Schwellwerte, welche in Normen wie ISO 13373 zur Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen oder ISO 10816/​20816 zur Messung und Klassifizierung mechanischer Schwingungen vorgesehen sind. Der Vorteil einer derartigen Überwachung im Umrichter besteht darin, dass sie es ermöglicht, Daten mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen bei Dauerbetrieb/Rampen, Lastbedingungen oder Drehzahl gegeneinander abzugleichen.

Fehler bei Motorwicklung erkennen, bevor der Motor ausfällt

Fehler bei Motorwicklungen treten nicht plötzlich auf; sie entwickeln sich im Laufe der Zeit. Alles beginnt mit einem kleinen Kurzschluss an einer Windung, der zu zusätzlicher Erwärmung führt. Nun setzt sich der Schaden unerkannt weiter fort, bis der Überstromschutz aktiviert und der Betrieb gestoppt wird. Dies führt zu unerwünschten Ausfallzeiten. Abhilfe schafft die kontinuierliche Zustandsüberwachung des Motors mittels Analyse der elektrischen Signaturen.

Aus den Motorströmen und Spannungssignalen können Zustandsinformationen gezogen und mit Motor- oder Anwendungsfehlern in Verbindung gebracht werden, wie beispielsweise mit Wellenversatz oder Fehlern in der Statorwicklung. Die Strom- und Spannungssensoren, die diese Informationen liefern, sind ohnehin wesentliche Bestandteile von Frequenzumrichtern. Es fallen also keine zusätzlichen Kosten für den Einsatz externer Sensoren an.

Überwachung der Lasthüllkurve

Die Pumpe scheint normal zu arbeiten, doch der intelligente Frequenzumrichter von Danfoss löst Wartungsalarm aus. Er erkennt eine größere Last. Damit gibt er den entscheidenden Hinweis: Die Pumpe ist versandet. Bevor es zu größeren Problemen kommt, kann sie schneller als bisher gereinigt werden und die Anlage normal weiterlaufen. Ganz nebenbei trägt die Zustandsüberwachung so zu Energieeinsparungen bei, da die Pumpe stets unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann.

Um diesen Fehler zu ermitteln, greift der Frequenzumrichter wieder auf die Werte der Strom- und Spannungsmessung zur Steuerung des Motors zurück. Auch hier können die aus ihnen berechneten Parameter wie Motorleistung, Energie, aktuelle Motordrehzahl oder Drehmoment zur Überwachung der Motorlast zweitverwendet werden. Erkennt der Frequenzumrichter Über- oder Unterlastbedingungen, die bei Pumpenanwendungen durch Verockerungen, Versandungen, Korrosion oder anderem auftreten, schlägt er Wartungsalarm.

Dank Software noch einfacher zustandsbasiert warten

Mit der PC-Software VLT Motion Control Tool MCT10, die zur Konfiguration und Dokumentation der Einstellungen von VLT-Frequenzumrichtern oder -Softstartern dient, können Anwender, die Condition-based Monitoring mit Frequenzumrichtern verwenden, die CBM-Funktionen über ihren Computer voll nutzen. Sie ermöglicht unter anderem die Konfiguration von zwei Vibrationssensoren oder einen Zeitstempel in Echtzeit beim Baseline-Lauf (Identifizierungslauf). Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, das Softwaretool direkt über WLAN mit dem VLT Wireless Communication Panel LCP 103 zu verbinden. Damit kann die Programmierung des Umrichters kabellos erfolgen. Über die Zustandsüberwachung mit intelligenten Frequenzumrichtern können Anlagen vorausschauend instand gehalten werden.

Zustandsüberwachung als Grundlage für vorausschauende Wartung

Dies bietet zahlreiche Vorteile gegenüber korrektiven und präventiven Wartungskonzepten. Allerdings ist die Zustandsüberwachung auf Sensordaten angewiesen und die Installation zusätzlicher Sensoren in Anlagen kann teuer sein. Wenn jedoch Frequenzumrichter von Danfoss in der Anwendung eingesetzt werden, sind sie eine wertvolle Datenquelle, die für die Zustandsüberwachung genutzt werden kann. Das schafft Mehrwert durch Wissensvorsprung und spart unnötige Kosten durch Anlagenstillstand oder erhöhten Verschleiß. Danfoss CBM ist in diesem Kontext ein einfach einzusetzendes, doch entscheidendes Tool, um die Wartungsstrategie zu unterstützen.

* Martin Cerny ist Product Marketing Manager bei Danfoss Drives

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