So funktioniert Schwingungsmessung: Technik und Mess-Systeme

Das unübersichtliche Angebot an Schwingungsmesstechnik macht es für Maschinenbauer, vor allem Neulinge auf diesem Gebiet, schwer, die bestmögliche Technik beziehungsweise das am besten geeignete Messsystem herauszufinden. Diese Zusammenfassung gibt eine Übersicht der Anwendungsfälle und den aktuellen Stand der Technik.

Die Ursachen für gefährliche Schwingungen in Maschinen und Anlagen mit bewegten Massen können sehr vielfältig sein: Unwuchten, Ausrichtfehler, Wellenkrümmung, Fundamentprobleme, Kavitation, Verzahnungsfehler in Getrieben, Anbackungen an Lüfterschaufeln, Wirbelschwingungen in Gasen und Flüssigkeiten, elektrische oder magnetische Störungen und viele weitere Ursachen. Für so gut wie jeden Anwendungsfall gibt es den passenden Experten – und diese werden auch tatsächlich benötigt. Die Vibrationsmessung und vor allem die kompetente Analyse von Schwingungsproblemen, erfordert ein solides Grundlagenwissen, Erfahrung oder zumindest eine gute Beratung.

Dabei ist der Bedarf groß, in industriellen Anlagen Schwingungen zu messen, zu bewerten und zu überwachen – nicht nur bei Prozessmaschinen, sondern zunehmend auch an Fertigungsmaschinen. So haben viele Anbieter von Automatisierungstechnik ihr Produktangebot um Komponenten für die Schwingungsmessung erweitert und bieten für einige Anwendungen Schwingungsklemmen an, passend für ihr Gesamtsystem. Diese Entwicklung belegt den wachsenden Bedarf in der Fabrik- und Fertigungsautomatisierung. Schwingungen und Anlagenzustand sollen am besten gleich zusammen mit den automatisierungstechnischen Komponenten erfasst werden.

Wie sich große Maschinen vor Schwingungen schützen lassen

Schwingungen an großen rotierenden Maschinen wie Turbinen und Generatoren, Kompressoren oder Großverdichtern sind besonders kritisch. Werden die Schwingungsamplituden zu hoch, drohen schwerste und sehr teure Schäden. Um für diese Fälle besondere Sicherheit zu bieten, wurden entsprechende Anforderungen für Schutzsysteme definiert, zum Beispiel in der DIN ISO 10816 (neu 20816) und der API 670. Typische Überwachungsgrößen in diesen Maschinen sind die Messung der absoluten Lagerschwingung (mit Beschleunigungs- oder Schwinggeschwindigkeitssensoren), die relative Wellenschwingung (mit berührungslosen Wegsensoren) und die Messung der axialen Wellenbewegung (ebenfalls mit berührungslosen Wegsensoren).

Schwingungen treten mit unterschiedlichen Phasenlagen auf. Erst das Messen der Phasenlage ermöglicht die Analyse der Schwingungsursachen. Aus diesem Grund wird meist zusätzlich mittels Referenz-Sensoren die Wellenposition erfasst (und gleichzeitig die Drehzahl gemessen). Überwacht werden dann Kennwerte, die die Höhe der Schwingung bewerten (etwa die Schwingungsweite Smax, die Schwingungsamplitude vRMS, RMS-Werte harmonischer Schwingungsanteile, …).

Mit einer nachgelagerten Analyse-Software ist eine tiefergehende Diagnose der Schwingungsursachen möglich. FFT-, Kaskade-, Wasserfall-, Orbit-, Polar-, Bode, oder Nyquist- und Wellenmittelpunktdiagramm sind die typischen Analyseformen im Zeit- oder Frequenzbereich.

Für die Erfassung der Schwingungswerte kommen berührungslose Wegsensoren, Piezo- Beschleunigungssensoren, linearisierte (oft elektrodynamische) Schwinggeschwindigkeitssensoren und Luftspaltsensoren zum Einsatz.

Maschinenüberwachung nach DIN ISO 10816

An Lüfter, Motoren, Pumpen wird häufig die Maschinenüberwachung nach DIN ISO 10816 / 20816 zugrunde gelegt. Charakteristisch für diese Norm ist das Ausweisen des Schwingungszustandes durch vier Bewertungszonen A, B, C und D:

• A = neue Maschine
• B = geeignet für Dauerbetrieb
• C = nur noch begrenzte Zeit lauffähig. Bei nächster Gelegenheit Abhilfe schaffen
• D = Schäden an der Maschine können entstehen

Für diese Art der zustandsorientierten Überwachung ist es essentiell, dass das Überwachungsgerät auch tatsächlich den Vorgaben der Norm bezüglich der Signalaufbereitung folgt. Auf dem Markt sind stationäre und modulare Systeme lieferbar, die von einem Kanal aufwärts skaliert werden können. Stationäre Systeme sind für die Hutschienenmontage geeignet und verfügen über Schnittstellen (Feldbus, 4…20 mA, Digitalausgänge) zu einer SPS oder Leittechnik. Handgeräte kommen in mobilen Applikationen zum Einsatz und können von Routengängern verwendet werden. Hilfreich ist, dass einige Handgeräte eine automatische Messstellenerkennung über RFID nutzen und so ohne große Einarbeitung einsetzbar sind.

Gemessen wird häufig der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in einem festen Frequenzbereich von 3 bis 1.000 Hz als Summenkennwert. Dieser Kennwert ist besonders aussagekräftig, weil die Höhe der Schwinggeschwindigkeit gleichzeitig ein Maß für die Höhe der an der Maschine erzeugten Schwingungsenergie ist. Die Schwinggeschwindigkeit ist für die Überwachung meist wichtiger als die Messung der Beschleunigung.

So wird der Zustand von Wälzlagern überwacht

Die Zustandsüberwachung von Wälzlagern ist eine etablierte Technik. Motoren, Pumpen und Lüfter mit Wälzlagern werden entweder mit Handmessgeräten in regelmäßigen Abständen geprüft oder mit fest installierten Systemen überwacht. Bedeutungsvoll sind in diesem Zusammenhang Lagerschadenskennwerte wie der BCU- oder k(t)-Wert, sogenannte Stossimpulskennwerte. Diese Kennwerte fassen den Gesundheitszustand eines Wälzlagers zu einem Summenwert zusammen. Instandhalter erhalten damit eine zuverlässige Entscheidungsgrundlage für einen präventiven Austausch des Lagers. Aus der Sicht vieler Instandhaltungsleiter ist eine Online-Überwachung des BCU-Wertes, auch mittlerer und kleinerer Aggregate, wünschenswert.

Zur Wälzlagerdiagnose kommen aufgrund Ihrer Empfindlichkeit und hohen Bandbreite meist Beschleunigungssensoren zum Einsatz. Neben den oben dargestellten Kennwerten ist eine gängige Auswertung die Berechnung eines Hüllkurvenfrequenzspektrums. Dieses Auswertungsverfahren ermöglicht die Beurteilung verschiedener, sogenannter Schadenssymptomfrequenzen. Wälzlager haben bauartbedingte, feste Schadenssymptomfrequenzen für Schäden am Innen- und Außenring, den Wälzkörpern (Kugeln oder Walzen) und dem Käfig. Jede Schadenssymptomfrequenz kann einzeln bewertet werden. So sind genaue Aussagen zum Lagerzustand möglich. Die Basis dieser Messtechnik ist, dass Lagerschäden hochfrequente periodische Stoßanregungen erzeugen. Das Hüllkurvenfrequenzspektrum ermöglicht durch eine geschickte signaltechnische Verarbeitung (Hochpass + Gleichrichtung + Tiefpass) eine präzise Auswertung.

Intelligente Signalanalyse und Industrial Analytics

In einigen Fällen reichen die hier bislang beschriebenen Verfahren nicht aus, um die Ursachen von Schwingungsproblemen zu finden und zu überwachen. In solchen Fällen werden weitere Messwerte und Anlagenparameter erfasst und zusammenhängend mit den Schwingungen analysiert. Erst die Korrelation von mehreren Einflussfaktoren liefert dann einen aussagekräftigen Wert, der überwacht werden kann. Dafür erforderlich sind Methoden der intelligenten Signalanalyse, auch bekannt unter ‚Industrial Analytics‘ oder ‚Maschine Learning‘. Ob Korrelationsverfahren oder tiefergehende statistische Verfahren notwendig sind muss je nach Anwendungsfall entschieden werden.

Mit Hilfe von Industrial Analytics-Methoden ist es zusätzlich möglich, Optimierungspotenziale in Maschinen aufzudecken, Qualitätsprobleme zu analysieren oder auch den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern. Hinter den Korrelationsverfahren stecken aufwändige und berechnungsintensive Algorithmen. Insbesondere wenn die Anzahl der Eingangsgrößen hoch ist, reicht ein PC nicht mehr aus um die Daten zu verarbeiten und die Berechnung muss in die Cloud verschoben werden. Namhafte Cloud-Plattformen bieten längst Möglichkeiten an die Messwerte – auch Schwingungsmesswerte – statistisch zu analysieren. Die notwendigen Auswertungsmethoden, Regeln und Algorithmen werden von Data Analysten erstellt und in die Cloud-Systeme integriert. Ist der Einsatz cloud-basierter Systeme geplant, muss darauf geachtet werden, dass die Schwingungsmesstechnik über geeignete IIoT-Schnittstellen verfügt. MQTT ist eines der Standardprotokolle, das zur Kommunikation zwischen Feldgeräten und der Cloud verwendet werden kann.

Systeme für eine webbasierte Schwingungsüberwachung

Die Web-Technologie hat längst Einzug in die Schwingungsmessung gehalten. Verfügbar sind Erfassungs- und Überwachungsgeräte die direkt als IIoT-Gerät mit dynamischen Eingangskanälen und integrierter, webbasierter Visualisierungs- und Analysesoftware in die Cloud integriert werden können. Die Konfiguration und die Onlinedarstellung von Schwingungen und Kennwerten erfolgt bei diesen Geräten direkt über ausgereifte Analysediagramme und praxistaugliche Diagnosefunktionen mit dem Web-Browser. Oft verfügen solche Geräte über einen internen Datenspeicher, der Daten – autark von der Cloud – zwischenpuffern kann.

Schwingungsüberwachung im Ex-Bereich

Im Ex-Bereich oder bei verteilten Maschinen werden oft drahtlose Überwachungssysteme eingesetzt. Solche Systeme können Maschinenschwingungen und Temperatur synchron messen und den Maschinenzustand überwachen. Ein drahtloses System besteht aus drei Einzelkomponenten: Funksensoren, drahtlose Messwerterfassungsstation und Analysesoftware. Die Software dient der Überwachung des Maschinenzustandes in Echtzeit und ermöglicht den Anwendern, Fehler der Maschine im Voraus zu erkennen.

In weit verteilten Industriearealen wird zunehmend Long Range-WAN, kurz LoRaWAN, als Übertragungsmedium für die Messsignale eingesetzt. LoRaWAN bietet die Möglichkeit mit autark arbeitenden, batteriegespeisten Sensoren große Industrieareale abzudecken. LoRaWAN eignet sich besonders für die Schwingungsmessung im Sinne von Condition Monitoring und es ist davon auszugehen, dass in Kürze intelligente Sensoren verfügbar sein werden.

Motorstromanalyse als Überwachungswerkzeug

Die Motorstromanalyse beruht darauf, dass sich mechanische Defekte wie Lagerschäden, Unwuchten oder Kavitation direkt im Motorstrom abbilden und durch präzise Strom- und Spannungsmessung – quasi aus der Distanz – erfasst werden können. Solche CMS-Systeme sind für die meisten elektromotorisch angetriebenen Geräte und Generatoren geeignet. Diagnostiziert wird ein sehr breites Spektrum an elektrischen und mechanischen Fehlern, die nicht nur den Motor oder Generator, sondern auch die angeschlossenen Maschinen wie Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Turbinen umfassen. Solche Systeme liefern Hinweise auf die Art und Schwere der Entwicklung von Fehlern. Für eine Untersuchung wird ein Motor mit Stromzangen und Spannungswandlern verbunden. Ein Auswertungsgerät erfasst über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten die Messwerte, erstellt eine Maschinenanalyse und generiert daraus einen übersichtlichen Bericht, in dem die Schadenssymptome beziehungsweise der Gesundheitszustand der Maschine bewertet wird. Entsprechende Lösungen sind sowohl für den stationären als auch den mobilen Einsatz verfügbar.