Zustandsüberwachung eines Lüfters anhand der Stromaufnahme
Use Case
Die zentrale Absauganlage einer Fertigungshalle verfügt über mehrere Lüfter. Die Lüfterleistung ist entscheidend für die Qualität der Absaugung in der gesamten Fertigungshalle.
In verschiedenen Produktionsprozessen wird Abluft benötigt, diese dient der Absaugung von Lötdämpfen, der Absaugung von Dämpfen des Laserbeschrifters und der Sicherung der Maschinenverfügbarkeit und damit des gesamten Fertigungsprozesses. Die Organisation einer bedarfsgerechten Wartung ist deshalb unerlässlich.
Um dies zu realisieren werden an einem der Lüfter, ergänzend zur bereits integrierten Schwingungsüberwachung, die Stromwerte aller drei Phasen erfasst. Das Messen der Phasendifferenz bietet zusätzliche Informationen über den Zustand des Lüftermotors.
Die Ausgangslage
Ein Ausfall des Kompressors an dieser Anlage hat weitreichende Folgen:
- Maschinenstillstände, da die Abwärme nicht ausreichend abgeführt wird
- Kosten für den Produktionsausfall
- Unter Umständen hohe Reparaturkosten
- Gesundheitsgefährdung des Produktionspersonals, da Lötdämpfe nicht abgesaugt werden
- Qualitätsprobleme beim Laserbeschriften, da Feinstäube nicht adäquat abgesaugt werden
Dies führt im schlechtesten Fall zu einem Totalausfall des kompletten Produktionsbereichs.
Die Schwingungsüberwachung des Lüfters und deren Datenanbindung an moneo liefert bereits Informationen, um mögliche Schäden zu detektieren.
Für ein umfassendes Beurteilungsbild fehlen die zusätzlichen Daten zum elektrischen Zustand des Lüfters und des vorgeschalteten Frequenzumrichters.
Ziel des Projekts
Erweiterte Zustandsüberwachung des Lüfters durch die Messung der Phasendifferenz
Das Ziel ist es, eine umfangreiche Überwachung der Funktionsfähigkeit des Lüfters zu realisieren:
- die Überwachung der Motorwicklungen
- die Freigängigkeit der sich drehenden Komponenten
- die Elektronik im Frequenzumrichter
Durchführung
moneo RTM ist zentral auf einem Server installiert. Die IO-Link Master sind über ein internes VLAN mit dem Server verbunden.
Die ifm bietet ein breites Portfolio an Automatisierungskomponenten an. Für diese Anwendung wurden drei Stromwandler ZJF056 und das IO-Link-Eingangs-/Ausgangsmodul AL2605 gewählt.
Die Stromwandler umschließen alle Zuleitungen der drei Wechselstromphasen U/V/W zwischen Frequenzumrichter und den Anschlussklemmen am Lüfter. Die Messwerte der Wandler liegen als 4...20mA Analogsignal an den Signalausgängen an. Diese Werte werden über den AL2605 von 4...20mA auf IO-Link umgesetzt.
Über einen IO-Link Master der Baureihe AL1352 werden die Daten moneo RTM bereitgestellt.
Die Werte der Stromaufnahme der drei Zuleitungen U/V/W, sollen mit Hilfe von drei Stromwandlern gemessen werden.
Um aussagekräftige Prozesswerte zu erhalten, muss der Messwert des Stromwandlers in den eigentlichen Stromwert (4 mA ≙ 0 A, 20 mA ≙ 50 A*) des Wandlers umgerechnet werden. Dies erfolgt in moneo RTM über die Funktion „Kalkulierte Werte“ (Calculated values).
Folgende elektrische und mechanische Schadensbilder können erfasst werden:
- Kurzschlüsse an der Motorwicklung
- Schwergängigkeit von drehenden Komponenten
- Störung im Frequenzumrichter
Aus den ermittelten Stromwerten werden:
- die Differenz der drei Phasen berechnet
- der Durschnittstrom aller drei Phasen ermittelt
- die Werte untereinander verglichen
* Der ZJF056 Werkseinstellung = 100A. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, wurde der Messbereich über den Dip-Schalter am Wandler auf 50A angepasst.
Erfolg
Prozessoptimierung von zeitbasierter Wartung hin zu zustandsorientierter Wartung
Dank der umfassenden Datenaufzeichnung können sich anbahnende Störungen frühzeitig erkannt werden. Wartungsarbeiten können somit bedarfsgerecht eingeplant und durchgeführt werden. Die Prozesssicherheit der gesamten Anlage ist damit um einen entscheidenden Faktor ergänzt.
Stromwerte ermöglichen Rückschlüsse auf evtl. vorhandene Kurzschlüsse an der Motorwicklung, Schwergängigkeit von drehenden Komponenten und Störungen im Frequenzumrichter.
Systemaufbau
Dashboard
Verschaffen Sie sich den Überblick im moneo Dashboard.
Im Dashboard erhält der Benutzer eine Übersicht der relevanten Prozesswerte für diese Anlage.
- Aktuell gemessener Stromwert in mA
U | V | W - Phasendifferenz
U-V | V-W | W-U - Stromunsymmetrie
U-V | V-W | W-U - Durschnittsstrom aller drei Phasen
Analyse
Über die Analysefunktion kann der Benutzer auf die Historiendaten zugreifen und verschiedene Prozesswerte miteinander vergleichen. Im Diagramm werden die Stromwerte von U, V und W in mA dargestellt.
Hierbei ist gut zu sehen, in der Anlaufphase
- kommt es zu einem Überschwinger, im Normalbetrieb
- pendelt sich der Stromwerte ein. Im Abschaltmoment
- kommt es aufgrund der Induktivitäten im Motor zu einem kleinen Peak.
Settings & Rules: Grenzwerte verwalten
Die sogenannte Stromunsymmetrie sollte bei dreiphasigen Maschinen nicht mehr als 10% betragen. Für jeden Differenzwert wird jeweils ein Alarm bei für den Wert ≥10% angelegt.
- Alarm beim Überschreiten von 10% Abweichung von U-V
- Alarm beim Überschreiten von 10% Abweichung von V-W
- Alarm beim Überschreiten von 10% Abweichung von W-U
Eine Überwachung auf einen Warngrenzwert wird nicht angelegt, da das Toleranzband bis 10% beim Anlaufen des Lüftermotors oder plötzlichen Lastwechseln genutzt werden darf.
- Grenzwert für die Alarmgrenze
- Verzögerungszeit für die Alarmgrenze
Ticket Verarbeitungsregeln
Über diese Funktion kann einfach definiert werden, was nach dem Auslösen einer Warnung oder eines Alarms geschehen soll, z.B.:
- E-Mail-Benachrichtigung
- SAP-Integration
Für Applikationen bei denen Wartungsmaßnahmen notwendig sind, bietet sich hier eine vorzeitige Planung des Serviceeinsatzes an.
Calculated Values: kalkulierte Werte
Über die kalkulierten Werte können Prozessdaten weiterverarbeitet werden. In diesem UseCase werden dabei verschieden Weiterverarbeitungen durchgeführt:
- Umrechnung Analog 4..20 mA in Stromwert des Stromwandlers zur Berechnung des Motorstrom
- Berechnung der Phasendifferenz
- Berechnung Durchschnittsstrom der drei Phasen
- Berechnung Stromunsymmetrie
Bei diesem UseCase werden alle 3 Phasen des Antriebmotors überwacht, dadurch muss zum Teil die Berechnung mehrfach vollzogen werden.
Umrechnung Analog 4...20 mA in Stromwert des Stromwandlers zur Berechnung des Motorstroms
Der eingesetzte Stromwandler liefert ein Analogsignal von 4..20 mA, dieses muss zuerst in einen Prozesswert in mA umgerechnet werden. Dies muss jeweils für alle 3 Phasen durchgeführt werden.
Motor Current = (AIN-4.000) * ((AEP-ASP)/(16.000)) + ASP
- Analoger Stromwert des Stromwandlers (4…20 mA)
- Konstante: Analoger Startpunkt (0 mA = 4 mA)
- Konstante: Analoger Endpunkt (50.000 mA = 20 mA)
- Stromspanne: Analogwert (20.000 – 4.000 = 16.000)
- Offset Analogwert (4…20 mA zu 0 … 16 mA)
- Berechnung: Delta Startpunkt zu Endpunkt (AEP – ASP = ∆A)
- Berechnung: Faktor für Strom zu Strom in mA (∆A / 16 mA = Faktor)
- Multiplikation Stromwert (0…16 mA) mit Faktor
- Ergebnis Stromwert in mA
Berechnung Phasendifferenz
Zur Berechnung der Stromunsymmetrie muss zunächst der Differenzstrom zwischen den einzelnen Phasen (U-V, V-W und W-U) berechnet werden.
∆Motor Current=Motor Current U-Motor Current V
- Stromwert 1 eines Stromwandlers in mA, z.B. U
- Stromwert 2 eines Stromwandlers in mA, z.B. V
- Berechnung der absoluten Differenz zwischen Phase U und V
- Stromdifferenz in mA
Berechnung Durchschnittsstrom der drei Phasen
Um nachgelagert die Stromunsymmetrie in % angeben zu können, muss zuvor eine Basis von 100% geschaffen werden, hierfür wird der Durchschnittswert der 3 Phasen ermittelt.
Average Current = (Motor Current U + Motor Current V + Motor Current W)/3
- Stromwert U in mA
- Stromwert V in mA
- Stromwert W in mA
- Addition der Stromwerte von U und V
- Addition des Stromwerts von W
- Konstante Anzahl der Phasen = 3
- Teilung des Summenstrom durch die Anzahl der Phasen
- Ergebnis Stromdurchschnitt in mA
Berechnung Stromunsymmetrie
Aus den Stromdifferenzen (U-V, V-W und W-U) und dem durchschnittlichen Strom aller drei Phasen wird die Stromunsymmetrie in Prozent berechnet. Dieser Wert wird für das Anlegen von Grenzwerten in diesem UseCase benötigt.
Current Asymmetry = (∆Motor Current)/(Average Current) * 100%
- Stromdifferenz U - V in mA
- Stromdurschnitt U – V – W
- Stromdifferenz dividiert mit Stromdurchschnitt
- Konstante 100%
- Verhältnis Stromdifferenz zu Stromdurchschnitt multipliziert mit 100%
- Runden des Ergebnisses auf 1 Nachkommastelle
- Ausgabe der Stromunsymmetrie in Prozent
