Condition Monitoring Systeme in Windkraftanlagen

Neben der (nicht beeinflussbaren) Windausbeute haben die z.T. sehr hohen Instandhaltungskosten einen maßgeblichen Einfluss auf die Gesamtrentabiltät einer Windkraftanlage. So lassen sich bereits schon ab der 0,8MW-Klasse wirtschaftliche Vorteile dadurch erzielen, dass neben der Schutzfunktion (Schutz der Gesamtanlage vor teuren Folgeschäden) auch das Einbeziehen von Spezialisten zustandsbezogen erfolgt. Die ifm electronic bietet mit dem Schwingungsdiagnosesystem efector octavis basierend auf der Frequenzanalyse ein modulares System an, das z.B. Schäden an Getrieben und Generatoren, verursacht durch Unwucht, Wälzlagerschäden, Ausrichtfehler und Zahneingriffe sowie Schäden an Rotorblättern, bereits in der Entstehung erkennt. Technologie und Komponenten Auf Basis der Online-Frequenzanalyse von Beschleunigungssignalen erfolgt eine breitbandige Überwachung von allgemeinen Schwingkenngrößen. Die gewünschten zusätzlichen Diagnose-Kennwerte können mittels FFT-Analyse (Schnelle Fourier-Transformation) oder der Hüllkurvenanalyse (HFFT) schmalbandig ermittelt werden. Die Verschleiß- und Zustandsüberwachung kann dabei in Echtzeit und Historie durchgeführt werden und erfolgt frequenzselektiv. Bis zu 24 Kenngrößen/Online-Diagnosemerkmale können über die Diagnoseelektroniken parallel überwacht werden. Die Kenngrößen können aus max. 80 Einzelfrequenzen bestehen, die von der Drehzahl und der Last abhängig sind. Prozessbedingungen wie z.B. Leistung und Drehzahl, Temperatur und Druck werden bei Diagnose und Alarmierung berücksichtigt. Alle Geräte der octavis-Familie haben einen internen Trendspeicher mit Zeitstempel, der eine detaillierte Analyse und Optimierung der Applikation ohne externe Datenaufzeichnung ermöglicht. Durch frei einstellbare Speicherintervalle wird die Speicherlänge des nicht flüchtigen Ringspeichers an die Bedürfnisse angepasst. Eine offene Daten-Schnittstelle z.B. für Visualisierung, Scada und Datenbänke ermöglicht vereinfacht die Anbindung an die übergeordneten Systeme. In Bezug auf Diagnose und zustandsorientierte Instandhaltung können sowohl der Antriebsstrang (Getriebe und Generator) als auch Motoren und Pumpen überwacht werden. In Lagern treten durch Abnutzung Defekte von Lagerschalen und Wälzkörpern auf. Weiterhin kann in Wellen eine Rissbildung vorkommen. Getriebe können auf Abnutzung, Bruch von Zähnen, Versatz und Exzentrizität von Zahnrädern überwacht werden. Im Generator können Wicklungsschäden, Läuferunsymmetrien, Stabbruch und Überhitzung diagnostiziert werden. In Bezug auf die Anlagensicherheit ergänzt eine Überwachung der Rotorblätter und Turmschwingungen die Funktionen des efector octavis. Die Rotorblätter können auf Ermüdung, Rissbildung, Fehler der Blattverstellung und Beschädigungen durch Blitzschlag abgfragt werden. Nutzen des Diagnosesystems Die frühzeitige Erkennung eines Schadens kann z.B. den Totalausfall eines Getriebes verhindern. Ein neues Getriebe für eine Windkraftanlage kostet ca. 160.000E und hat eine Lieferzeit von ca. sechs Monaten, die kostenspielige Nutzungsausfälle hervorruft. Hinzu kommt die aufwendige Montage des Getriebes für die ein Mobilkran benötigt wird. Die Kosten eines Mobilkranes fallen dann mit ca. 30.000E Transportkosten und täglichen Nutzungskosten von ca. 4.000E zu buche. Ein permanenter Schutz von Windkraftanlagen kann durch das Diagnosesystem erreicht werden. Rotor, Getriebe, Generator, Pumpen, Motoren und weitere Anlagenteile können detailliert diagnostiziert werden. Bei Schadensereignissen kann eine Ursachenanalyse durch die automatisiert erstellte Dokumentation durchgeführt werden. Das Schwingungsdiagnosesystem efector octaris kann im Vergleich zu Wettbewerbssystemen durch vergleichsweise niedrige Anschaffungskosten ein hohes Maß an Sicherheit durch permanente Überwachung gewährleisten, ohne dabei auf die Diagnosequalität gewohnter teurerer Systeme verzichten zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist die Hardware-integrierte Algorithmik. Nur so kann lokal das Datenvolumen sinnvoll in Information übergeführt werden und in übergeordneten Systemen angezeigt und abgelegt werden. Durch die Hardware-Konfiguration mit einem Parmameterfile ist außerdem eine Reproduzierbarkeit gewährleistet. Hardware des Diagnosesystems Mit der Diagnoseelektronik VSE100 ist es möglich, gleichzeitig die Messsignale von bis zu vier Schwingungssensoren (z.B. VSA001 oder VSA002) kontinuierlich auszulesen, zu analysieren und zu bewerten. Die Schwingungssensoren werden so nah wie möglich am zu diagnostizierenden Objekt montiert und über vorkonfektionierte M12-Steckverbindungen mit der Diagnoselektronik im Schaltschrank verbunden. Neben den Standardalarm- und Analogausgängen kann die Diagnoseelektronik auf bis zu acht weiteren frei konfigurierbaren Ein-/Ausgängen Zustände von Diagnoseobjekten signalisieren. Ebenso können die Ein-/Ausgänge, als Eingänge genutzt, Diagnosen elektrisch triggern und Schaltzustände anderer Sensoren einsammeln. Die Übertragung an übergeordnete Systeme (z.B. Scada-Systeme) erfolgt mittel Ethernet-Schnittstelle (z.B. per OPC oder Datenbankanbindungssoftware). Über zwei statische Eingänge (0/4 bis 20mA, 0 bis 10V oder Impuls 24V) können Prozessgrößen wie z.B. Last und Drehzahl bei Alarmierung und Diagnose berücksichtigt werden. Der integrierte Fifo-Historienspeicher kann 30.000 Werte mit Zeitstempel speichern. Vorort-Diagnose & Parametrierung Die Schadenzustände der einzelnen Sensoren werden mit je einer mehrfarbigen LED an der Diagnoseelektronik angezeigt. Grün leuchtende LEDs zeigen den OK-Zustand an. Gelb leuchtende LEDs leuchten bei der Voralarmstufe, hier entstehen bereits Schäden. Bei fortgeschrittener Schädigung leuchten die LEDs rot. Service- und Wartungsmitarbeiter können somit auch visuell vor Ort kontrollieren und entsprechend handeln. Die Konfiguration der Diagnoseelektroniken bezüglich Erstellung, Verwaltung und Archivierung der Überwachungsparameter erfolgt mittels assistenzgeführter Software. Die so einmal erstellte Parametrierung ist auf andere Diagnoseelektroniken übertragbar. Zur Konfiguration der Lagerüberwachung kann auf eine Wälzlagerdatenbank zugegriffen werden. Eine aufwendige Datenrecherche nach Frequenz- und Verhaltensmustern für verschiedene Lagertypen entfällt. Die Software kann von der ifm electronic Internetseite heruntergeladen werden. Das Einlernen des Referenzzustandes erfolgt im installierten Zustand mittels Teach-In. Datenanalyse und Eigenschaften Eine detaillierte Tiefenanalyse als FFT- oder Hüllkurven-FFT-Spektren ist über eine Software zum automatisierten Speichern der Rohdaten als FFT-Spektren bei Alarmüberschreitung in Dateiformat möglich. Die automatisierte Datenspeicherung kann durch ein Zustandssignal, ein Zeitsignal oder ein Analogeingangssignal getriggert werden. Die Daten werden in einem Datenbanksystem oder Dateformat auf einem externen PC zur weiteren Auswertung in Langzeit gespeichert. Im Jahr 2008 waren ca. 1.000 Systeme weltweit installiert – mit namhaften Referenzen im Bereich der Windkraft. Pro Jahr werden ca. 30.000 Systeme welweit in alle Industrien verkauft. Durch das Diagnosesystem efector octavis können Instandsetzungsmaßnahmen frühzeitig geplant und effizient durchgeführt werden. Kostenintensive Totalausfälle können durch fühzeitige Reparatur in der Gondel vermieden werden. Die Verfügbarkeit von Windkraftanlagen kann durch Einsatz von das Diagnosesystem erhöht und die Instandhaltungskosten gesenkt werden. Instandhaltung zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort, mit dem richtigen Material und Personal bedeutet Instandhaltung in Echtzeit.