23.07.2014

Aprol ConMon:

Von der reaktiven zur zustandsorientierten Instandhaltung

Als Condition-Monitoring-Systeme (CMS) werden Systeme bezeichnet, die den Zustand von Maschinen und Anlagen überwachen. Das primäre Ziel von CMS ist das Erfassen und Weitergeben des aktuellen Anlagenzustandes sowie die frühzeitige Erkennung oder Prognose von Schäden. Während wir im ersten Teil dieses Beitrages grundsätzliche Instandhaltungsstrategien beleuchtet haben, dreht sich in diesem zweiten und letzten Teil alles um die Beschreibung eines Condition-Monitoring-Systems am Beispiel von Aprol ConMon.

Autor: Martin Reichinger, B&R Industrial Automation GmbH.


Bild: B&R Industrie-Elektronik GmbH

Damit eventuelle Schäden und Ausfälle vor ihrem Eintritt erkannt werden können, sind folgende Funktionalitäten erforderlich:

  • • Messwerterfassung, -speicherung und -verdichtung
  • • Online-Überwachung von Messwerten
  • • Online-Verknüpfung von Messwerten
  • • Auswertung der Messdaten
  • • Erfassung und Verarbeitung von Zusatzinformationen

Ein Condition-Monitoring-System (CMS) umfasst auch dynamische Parameter wie Drehmomente und Schwingzustände. Der Unterschied zu reinen Überwachungssystemen besteht darin, dass Condition-Monitoring-Systeme nicht nur quasi-statische Parameter wie Temperatur, Druck, Motorstrom, Leistung, Drehzahl etc. erfassen, speichern und verdichten, sondern auch dynamische Parameter wie Drehmomente und Schwingzustände. Basierend auf diesen dynamischen Parametern, können Aussagen über den Verschleißfortschritt sowie die Maschinen- und Anlagenbelastung getroffen werden. Die von den CMS erfassten Daten stellen eine wertvolle Informationsquelle für die Instandhaltung dar. Condition-Monitoring-Systeme werden im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus vor allem im Bereich der Schwingungsüberwachung (Vibration, Körperschall), Stromaufnahmemessung, Druckluftverbrauchsmessung, Drehmomentmessung, Thermografie und der Ölanalyse eingesetzt. Der Schwingungsdiagnose liegt zugrunde, dass alle mechanischen Vorgänge Kraftumsetzungsprozesse zur Folge haben, die letztlich an die Oberfläche weitergeleitet werden. Ursache für erhöhte Schwingungen an Maschinen mit rotierenden Massen sind häufig Unwuchten. Daraus können erhöhter Verschleiß, Schädigungen an Lagerungen, rotierenden Teilen, Maschinenrahmen, Fundamenten oder sogar Gebäudeschäden entstehen. Bei Lüfteranlagen entstehen Unwuchten beispielsweise durch Abnutzung und Anbackungen auf den Laufschaufeln. Anschlagende oder lose Teile, Ausrichtfehler und Passungsprobleme verursachen ebenfalls erhöhte Schwingungen. Das Schwingungssignal wird erfasst und mittels Fast-Fourier-Transformation auf seine Zusammensetzung aus Einzelsignalen und deren Messgrößen untersucht. Damit werden charakteristische Frequenzen identifiziert, die im optimalen Zustand nicht auftreten. Die ermittelten Effektivwerte der Signale geben einen Anhaltspunkt für den Grad der bereits vorhandenen Schädigung. Eine Identifikation der beschädigten Bauteile ist auch möglich, wenn die kinematischen Eigenschaften der Maschine bekannt sind (Zahnanzahl bei Getriebe, Wälzlagertypen, Drehzahl.…)

Stand-Alone-Lösung für Messung und Monitoring in allen Branchen

B&R bietet mit Aprol ConMon eine Lösung zum Messen, Aufzeichnen und Auswerten aller relevanten Messgrößen an und unterstützt so beim kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Das System kann wahlweise als Stand-Alone-Lösung unabhängig von den bereits vorhandenen Gebäudeleittechnik-Systemen, Scada-Systemen, Prozessleitsystemen oder SPS-Lösungen eingesetzt oder in bereits bestehende Aprol-Prozessleitsysteme integriert werden. Aprol ConMon ist eine skalierbare Lösung und kann maßgeschneidert eingesetzt werden, je nachdem, ob Maschinen, eine ganze Fabrik, ein Gebäude, ein Prozess oder eine Anlage überwacht werden soll.

  • • Maschinenautomation: Im Bereich der Maschinenautomation wird bei der Neuentwicklung einer Serienmaschine meist ein leistungsfähiges Equipment zum Messen, Aufzeichnen und Auswerten aller relevanten Messgrößen benötigt. Aprol ConMon unterstützt bei dieser Aufgabe.
  • • 'Recording Box' für den Maschinenbauer: Eine weitere interessante Anwendung ist die Verwendung der der Stand-Alone-Lösung von Aprol ConMon als 'Recording Box' für den Maschinenbauer, um während der Gewährleistung sicher und lückenlos zu überwachen, ob die Maschine vom Anwender ausschließlich im vom Hersteller spezifizierten Bereich betrieben wurde.
  • • Plant Automation: Im Bereich Plant Automation handelt es sich meist um mittlere Anlagengrößen mit mehreren Controllern. Da Condition Monitoring meist auch zum Schutz der Komponenten herangezogen wird, stellt in diesem Fall die Integration in das Aprol-System die optimale Lösung dar.
  • • Process Automation: Bei einem bestehenden Aprol-Prozessleitsystem bietet sich die Integration von Condition Monitoring in das Prozessleitsystem an, da dadurch alle Systemfunktionalitäten auf die Condition-Monitoring-Daten uneingeschränkt zugreifen können. Bei bestehenden 3rd-party-Prozessleitsystemen wird Condition Monitoring meist mit separaten Systemen (Sensoren mit Auswerteelektronik) realisiert. Dabei bietet sich die Ankopplung via Schnittstellen und eine anschließende Darstellung im 3rd-party-Prozessleitsystem an. Die Detailauswertung der Schwingungsmessung kann direkt in der Stand-Alone-Lösung von Aprol ConMon gemacht werden.
  • • Factory Automation: Bei der Fabrikautomatisierung ist häufig eine Erweiterung um die Erfassung von Condition-Monitoring-Daten einzelner Maschinen gefordert. Diese zusätzlichen Messstellen werden mit zusätzlichen dezentralen Remote I/Os zur anschließenden Verarbeitung in einem separaten Aprol-ConMon-System erfasst.

Aprol ConMon - Condition Monitoring out-of-the-box

Aprol ConMon ist eine 'Out-of-the-box-Lösung'. Sie basiert auf dem Prozessleitsystem Aprol. Die Umsetzung von Condition-Monitoring-Systemen (CMS) und Aufgaben des Plant Asset Management (PAM) wird dadurch wesentlich erleichtert. Mit der Aprol-Plattform sind auch Lösungen möglich, die weit über gewöhnliche Condition-Monitoring-Aufgaben hinausgehen. Aufgrund der Skalierbarkeit wächst das System mit den Anforderungen. Ein Investitionsschutz ist somit gegeben.

Systemtopologie

Aprol ConMon besteht aus einem schaltschranktauglichen Industrie-PC APC910. Dieser wird vorinstalliert ausgeliefert und beinhaltet das komplette System. Neben der Engineering Software und der Operator Software verfügt das System über eine hochperformante Datenbank mit SQL-Interface. Sie basiert auf dem Betriebssystem Suse Linux Enterprise Server. Alle benötigten Daten werden historisch gespeichert. Das System wird meist ohne Monitor in einem Schaltschrank verbaut, der Zugriff erfolgt mittels Webbrowser oder VNC-Client von den Arbeitsplatzrechnern der zuständigen Fachleute. Die Messgrößen werden mit den kompakten X20-E/A-Modulen von B&R erfasst. Um die Condition-Monitoring-Daten von den E/A-Modulen einzulesen und eine Vorverarbeitung dieser Werte vorzunehmen wird eine Steuerung benötigt. Je nach Anzahl der E/As können beliebig viele weitere Steuerungen hinzugefügt werden. Die Steuerungen und E/A-Module kommunizieren via Powerlink miteinander. Falls eine vorhandene Busverkabelung genutzt werden soll, kann alternativ auch auf Modbus TCP oder Profibus DP zurückgegriffen werden. In einer umfangreichen Bibliothek stehen dem Anwender leistungsfähige Control-Module zur Verfügung, die wir in einem gesonderten Dokument (siehe QR-Code) ausführlich erläutern. Zur Übersicht und zur Einschätung der Leistungsfähigkeit von ConMon soll an dieser Stelle eine Aufzählung der Module genügen.

Empfehlungen der Redaktion

Control-Module in Aprol ConMon

  • • Erfassung von binären Zuständen
  • • Zeiten-, Betriebsstunden- und Schaltspielzähler
  • • Monitoring von Mengen
  • • Monitoring von Prozessgrößen
  • • Monitoring von Schwingungen
  • • Monitoring elektrischer Größen
  • • Monitoring für Regelkreise

Konfiguration/Parametrierung

Ein Controller zur Erfassung der relevanten Messgrößen ist Bestandteil jedes Aprol-ConMon-Systems. Die erforderliche Hardware-Topologie ist kundenspezifisch und muss als 1. Schritt im integrierten Automation Studio projektabhängig konfiguriert werden. Im 2. Schritt werden die Messstellen mit den zugehörigen Parametern erfasst und passenden Templates zugeordnet. Diese Daten sind die Grundlage für die nachfolgende automatische Erstellung aller Programme zur Erfassung, Weiterverarbeitung und Archivierung aller Messdaten. Abhängig von den verwendeten E/A- und Control-Modulen ist nach der Erzeugung der Programme eventuell eine Nachbearbeitung der Programme erforderlich (Parametrierung). Der 3. Schritt umfasst die automatische Prüfung und Fehlerausgabe aller Projektierungsteile (Anwendersoftware) vor dem abschließenden Download in Aprol ConMon (Controller und Control Computer).

Aprol ConMon Operator Station

Aprol ConMon stellt für die Anwender eine einfach erlernbare Bedienoberfläche zur Verfügung. Zusätzlich steht neben der Operator-Station eine webbasierte Berichtsumgebung mit einem Dash-board als Einstiegsseite zur Verfügung. Für besondere Aufgaben (wie Inbetriebsetzung, Wartung und Instandhaltung), die meist von Mess- und Regeltechnikern wahrgenommen werden, stellt Aprol ConMon zusätzlich zur webbasierten Berichtsumgebung eine leistungsfähige Systemdiagnose- und Operatorumgebung bereit.

Aprol ConMon Reports

Der Alarm Report liefert detaillierte Informationen über Prozessalarme: Anzahl der Alarme, Alarmanzahl pro Zeiteinheit, Prioritäten, Beginn/Ende des Ereignisses, etc. Unter den zahlreich vorhandenen Detailberichten bietet sich der Alarm Report als primäres Instrument für einen Überblick des Alarmzustands der überwachten Messgrößen an. Es können alle historischen und aktuell anstehenden Alarme zeitfolgerichtig dargestellt werden. Umfangreiche Filtermöglichkeiten und grafische Darstellungsmöglichkeiten (Häufigkeitsverteilung, Hitliste, Laufzeitanalyse) unterstützen optimal bei der Analyse von Störungsursachen. Das Schichtlogbuch sichert eine nahtlose schichtübergreifende Kommunikation in Unternehmen mit Mehrschichtbetrieb. Für die Schichtübergabe steht meist nur ein sehr begrenzter Zeitraum zur Verfügung, es ist jedoch unerlässlich, die Vorkommnisse einer Schicht an die nachfolgenden lückenlos weiterzugeben, um einen reibungslosen Produktionsablauf sicherzustellen. Das Schichtlogbuch ermöglicht eine effiziente elektronische Schichtübergabe, die durch Einfachheit besticht. Mit dem Logbuch stellen Sie sicher, dass Vorkommnisse lückenlos dokumentiert und anschließend nach Kategorien ausgewertet werden können. Auch Instandhaltungsanforderungen können im Schichtlogbuch zur weiteren Bearbeitung erstellt werden. Der Audit Trail Report beinhaltet alle Bedienhandlungen des Operators. Das Versionsmanagement im CaeManager verwaltet die Versionshistorie (z.B. Software, Hardware, Firmware, Applikationsparameter) über den gesamten Lebenszyklus der Assets mit Angabe der relevanten Änderungen in der Projektdatenbank.

Asset Historie

In Aprol ConMon stehen ein Alarm-System und ein Trend-System zur Verfügung. In Templates definierte Alarm- und Trenddatenpunkte werden automatisch überwacht und im Ereignisfall automatisch im jeweiligen Archiv aufgezeichnet. Alle Daten sind über webbasierte Standardreports zugänglich. Bei größeren Endanwendern sind häufig sogenannte Business-Intelligence-Systeme zur systematischen Analyse von Daten in elektronischer Form vorhanden. Ziel ist hier die Gewinnung von Erkenntnissen, die eine Verbesserung der operativen oder strategische Entscheidungen in Hinsicht auf Erreichung der definierten Unternehmensziele ermöglichen. Aprol ConMon stellt für BI-Systeme ein SQL-Interface der integrierten Berkeley-Database zur Verfügung. Damit können alle historischen Daten ausgelesen werden. Damit ist ConMon von der IT-Welt sauber getrennt und geschützt.

Enterprise Resource Planning (ERP)

Aprol ConMon ermöglicht über das Iosys-Interface einen lesenden und schreibenden Zugriff auf beliebige Prozessvariablen. Damit können vom ERP z.B. aktuelle Verbräuche/Bestände gelesen oder geschrieben werden. Teure Schnittstellenabstimmungen zwischen ERP und Condition Monitoring entfallen dadurch.

TrendViewer zur Analyse von Signalverläufen und Abhängigkeiten

Der TrendViewer ermöglicht es, zusätzlich zur Anzeige von stetigen Prozessdaten (20 Slots), auch Ereignisdaten (Alarme, Meldungen, Schalthandlungen, Kommentare etc.) gemeinsam in einem Diagramm darzustellen. Durch diese Art der Darstellung werden Abhängigkeiten wie z.B. erhöhte Vibration durch Lastspitzen in der Energieversorgung durch Zuschaltung großer Verbraucher, Zuschaltung von Förderanlagen etc. für den Betreiber klar ersichtlich. Für eine übersichtliche Darstellung können z.B. Anlagen-, Teilanlagen-, Maschinenübersichten, oder andere Darstellungsformen in Aprol ConMon erstellt werden. Durch Drag-and-Drop werden dynamisierte Grafikmakros platziert. Durch Anklicken der Grafikmakros wird das zugehörige Faceplate eingeblendet, dieses zeigt alle vorhandenen Detailwerte der Messstelle. Zugehörige Trendkurven und Alarme können durch weiteres Anklicken dargestellt werden. Ein Bilderbaum erlaubt es, beliebige Hierarchien aufzubauen.

System- und Eigendiagnose

Mit dem Aprol System Diagnostics Manager steht eine webbasierte Oberfläche für Diagnosezwecke zur Verfügung. Alle für den Betreiber relevanten Daten des Condition-Monitoring-Systems sind damit leicht zugänglich. Im Hintergrund läuft eine System- und Eigendiagnose, die Probleme aller Art (Lüfterausfall, Verbindungsunterbrechung, Speicherplatzmangel, CPU-Last.…) automatisch erkennt, Alarme generiert und Signalverläufe auch in Kurvenform aufzeichnet. Diese Art der webbasierten Oberfläche für Diagnosezwecke ermöglicht auch den Zugriff auf die Controller, damit können z.B. E/A-Module und deren Kanäle detailliert dargestellt und diagnostiziert werden.

Fazit

Der Weg zum zustandsorientierten Instandhaltungsmanagement ist klar vorgezeichnet. Die technischen Systeme werden immer ausgereifter und ermöglichen eine verlässliche Voraussage über zu erwartende Ausfälle. Mit Aprol ConMon steht Anwendern ein leistungsfähiges Condition-Monitoring-System zur Verfügung, das auf die Anforderungen industrieller Anwender zugeschnitten ist. Daher lässt es sich einfach in bestehende Applikationen, aber auch in überlagerte Ebenen einbetten. Und gerade die Fähigkeit als 'Teamplayer' auftreten zu können, ist heute in Produktionsumgebungen unabdingbar.

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