29.10.2013

Modernes Motormanagement

Hohe Anlagenverfügbarkeit sichergestellt

Drehstrom-Asynchronmotoren treiben die meisten Prozesse in Maschinen und Anlagen an. Damit sie zuverlässig und wirtschaftlich vor Überlast oder Blockaden geschützt werden, bieten sich die Elektronischen Motormanager (EMM) von Phoenix Contact an. Die Geräte erlauben durch Diagnose eine prädiktive Wartung und beugen so Stillstand oder Zerstörung vor (Bild 1).

Autor: Dr.rer.nat. Guido Mertens, PHOENIX CONTACT Electronics GmbH.


Bild 1:
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

In der Automatisierungstechnik geht es hauptsächlich um Bewegung. Beispielsweise müssen Einzelteile befördert oder in die richtige Position gebracht werden. Maschinen, die Werkstücke bearbeiten, verfahren Werkzeuge wie Bohrer, Fräsen oder Sägen an den jeweils notwendigen Ort, an dem sie ausschließlich durch Drehbewegungen auf das Werkstück einwirken. Von der Montage bis zur Verpackung des fertigen Produkts wird zudem eine erhebliche Menge an Energie zum Ausführen rotatorischer oder translatorischer Bewegungen aufgewendet. Dabei müssen die Bewegungen mit einem hohen Automatisierungsgrad - also ohne jeglichen menschlichen Eingriff in die Prozesskette - aufeinander abgestimmt werden. Neben Servo-, Synchron- und DC-Motoren ist der Drehstrom-Asynchronmotor für die überwiegende Zahl an Bewegungen in den automatisierten Prozessabläufen verantwortlich. Handelt es sich um nicht-frequenzgeregelte Maschinen, kommen mechanische Schaltgeräte zum Einsatz. Die so-genannten Schütze schalten die Antriebe typischerweise ein und aus. Motorschutz-Relais überwachen den Motorstrom auf Überlast oder Blockaden. Im Störungsfall übermitteln sie einem Schütz den Befehl, den Motor stillzusetzen. Die beschriebene Vorgehensweise ist seit vielen Jahrzehnten gängige Praxis. Dies vor dem Hintergrund, weil es wenig zugelassene Alternativen gibt, wenn die Komponenten z.B. in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden müssen.

Kontrollierte zustandsorientierte Wartung

Die spezifischen Anforderungen lassen sich auf Basis des aktuellen Stands der Technik jedoch besser umsetzen. Um eine möglichst hohe Anlagenverfügbarkeit zu erreichen und geplante präventive Wartungszyklen zu reduzieren, müssen allerdings mehr Maßnahmen ergriffen werden, als den Motor und die dahinterliegende Anlage durch ein Motorschutz-Relais oder einen Motorschutz-Schalter vor Schaden zu bewahren. Denn ein plötzlicher, unerwarteter Ausfall kann zu erheblichen Kosten für den Anlagenbetreiber führen. Aus diesem Szenario resultiert der Wunsch nach einer kontinuierlichen Messung des Anlagen- oder Maschinenzustands. So lässt sich der bevorstehende Ausfall unter Umständen vorhersagen, sodass eine kontrollierte zustandsorientierte Wartung möglich wäre. In diesem Zusammenhang wird häufig von 'Predictive Maintenance' gesprochen. Neben aufwändigen Verfahren wie der Vibrationsmessung an unterschiedlichen Positionen in der Applikation bietet die elektrische Wirkleistungsmessung an den Zuleitungen zum Motor eine vielversprechende und kostengünstige Möglichkeit, die notwendigen Daten für eine prädiktive Diagnose zur Verfügung zu stellen. Da es sich außerdem nur um einen permanent aktualisierten Zahlenwert handelt, gestaltet sich seine Interpretation bei guter Kenntnis der Anlage und deren Physik als relativ einfach. Auf diese Weise kann der Anlagenbetreiber z.B. einen Werkzeugverschleiß oder -bruch frühzeitig erkennen, bevor es zu Schäden in der Anlage oder zu Produktionsausfällen kommt.

Aussagekräftige Wirkleistungsmessung

Zum besseren Verständnis des Verfahrens muss der Verlauf der für die Wirkleistung erforderlichen Messgrößen in Abhängigkeit von der Motorlast genauer betrachtet werden. In Abbildung 2 sind die Kenngrößen Strom (I), cos und die Wirkleistung (P) gegen die Motorlast eingetragen. Dabei wird offensichtlich, dass sich die Strommessung und die Bestimmung des cos für eine Über-respektive Unterlasterkennung eignen. Werden jedoch Daten aus dem normalen betrieblichen Zustand im mittleren Lastbereich der Anlage benötigt, reichen die Signalhübe von Strom und cos zur Analyse und Beurteilung der Applikation nicht aus. Die Multiplikation der aufgenommenen Größen mit der Spannung führt zu einem linearen Kurvenverlauf und wird als Wirkleistung bezeichnet. Durch die Beobachtung der Wirkleistung lässt sich der Zustand der Anlage in jeder Lastsituation überprüfen. Ist dem Betreiber die Anlagenphysik bekannt, kann er die Daten derart interpretieren, dass die Automatisierungstechnik automatisch auf etwaige Abweichungen zum Normalbetrieb reagiert. Bei einer Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten werden beispielsweise Warnmeldungen verschickt, die dem Service-Techniker die Anweisung zu einem Wartungseinsatz geben, ehe die Anlage aufgrund einer zu erwartenden Überlast zerstört wird und/oder für eine längere Zeit ausfällt.

Individuell parametrierbare Leistungsschwellen

Das beschriebene Szenario lässt sich am Beispiel einer werkzeugverarbeitenden Maschine wie einer Bohr-, Fräs- oder Schleifmaschine verdeutlichen. Abbildung 3 stellt die Wirkleistung über ihren zeitlichen Verlauf dar. Ein- und Ausschaltvorgänge können über eine 'Inrush Suppression' ausgeblendet werden. Ist der Vorschub bei der Fräsmaschine zu groß eingestellt, bricht das Werkzeug im schlimmsten Fall. Eine entsprechend parametrierte Leistungsschwelle schafft hier Abhilfe. Darüber hinaus signalisiert eine Meldeschwelle einen sich ankündigenden Verschleiß. Abbildung 4 zeigt beispielhaft den Lastfall einer motorisch angetriebenen Pumpe. In diesem Fall schützt eine untere Leistungsschwelle die Applikation vor dem gefährlichen Trockenlauf. Die 'Delay Time' sorgt dafür, dass vereinzelt auftretende Luftblasen nicht falsch ausgelegt werden. Die obere Leistungsschwelle reagiert sofort auf mögliche Blockaden durch Fremdkörper, während eine zusätzliche Meldeschwelle eine Filterverschmutzung oder Lagerschäden zur Anzeige bringt.

Empfehlungen der Redaktion

Vollständiger Motorschutz

Die Elektronischen Motormanager (EMM) von Phoenix Contact stellen in diesem Umfeld alle Vorteile einer leistungsfähigen Wirkleistungs-Überwachung zur Verfügung (Bild 5). Die Geräte, die sich über Gateways in die bewährten Feldbussysteme einbinden lassen, erweisen sich als idealer Ersatz oder als Ergänzung zu sensorbasierten Schutzmaßnahmen in der jeweiligen Anlage. Die frei parametrierbaren Warn- oder Abschaltschwellwerte wirken über digitale Ausgänge direkt auf das Schaltgerät ein und geben somit Signale zum Ein- oder Ausschalten des Antriebs. Außerdem kann der Anwender mit dem Elektronischen Motormanager einen vollständigen Motorschutz über auswählbare Auslöseklassen von Class 5 bis Class 40 sowie über Thermistor-Eingänge umsetzen. Die Geräte sind ferner gemäß Atex zertifiziert und damit für die Überwachung von Motoren in explosionsgefährdeten Bereichen verwendbar. Über ein Feldbussystem oder die kostenfrei erhältliche FDT/DTM-Konfigurations-Software liefern die Elektronischen Motormanager bei Bedarf auch sämtliche direkt messbare elektrische und berechnete Größen aus der Motorleistung wie Strom, Spannung, cos sowie Wirk-, Schein- und Blindleistung. Schaltzyklen und Betriebsstundenzähler runden das Gesamtsystem ab.

Anlagenschutz steht im Vordergrund

Elektromotoren werden in den meisten Fällen überdimensioniert ausgelegt. Zu den häufigsten Gründen hierfür zählen Logistik- und Lagerhaltungskosten, um die benötigte Vielfalt an Normmotoren zur Verfügung zu stellen. Deshalb sind die Motoren oftmals mit einer größeren Leistung ausgestattet, als sie die jeweilige Applikation erfordert. Neben der Tatsache, dass die Antriebe mit einem eher schlechten Wirkungsgrad laufen, kann die vorhandene Kraft des Motors im Fehlerfall zu einer Zerstörung von Anlagenteilen führen. Hier ist zu bedenken, dass die meisten Anlagenteile wertvoller und schwerer zu ersetzen sind als der Motor. Vor diesem Hintergrund hilft der Motormanager ein solches Szenario mit der Wirkleistungsmessung zu verhindern, da der Motorschutz zu spät oder gar nicht auslösen würde.

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