Zustandsüberwachung mit intelligentem Frequenzumrichter

Im Internet der Dinge und Dienste kommunizieren intelligente und vernetzte Frequenzumrichter selbständig mit anderen Geräten und dienen der Zustandüberwachung: Sie erheben, sammeln und werten Motordaten aus, um genaue Informationen über den Zustand einer Anlage zu übermitteln. Auf diese Weise wird der Frequenzumrichter zum intelligenten Sensor, der dabei hilft, Motoren und Anlagen sicher und zuverlässig in den gewünschten Bahnen zu betreiben.

Drehzahlvariable Antriebe werden seit über einem halben Jahrhundert eingesetzt. Mit Industrie 4.0 verschiebt sich die Rolle des Frequenzumrichters weiter im Antriebssystem: Vom einst reinen Drehzahlsteller mehr und mehr hin zu einem intelligenten Bestandteil des Automatisierungssystems.

Mit drei zusätzlichen Funktionen ausgestattet, arbeiten Danfoss Frequenzumrichter als intelligente Sensoren in der Anlage und ermöglichen dem Betreiber die Zustandsüberwachung. Denn was im Büro schon lange selbstverständlich ist, wird auch Standard bei der Instandhaltung von Anlagen. So wie uns der Drucker über den Tonerstand auf dem Laufenden hält, können auch Frequenzumrichter frühzeitig warnen, bevor es zum Motor- und Anlagenstillstand kommt.

Das Konzept dahinter nennt sich zustandsorientierte Wartung. Im Mittelpunkt stehen drei einzigartige Funktionen für die Überwachung von Lasthüllkurve, Motorstatorwicklung und mechanischer Schwingungen.

Immer mehr Elektromotoren werden heute von Frequenzumrichtern angetrieben – vor allem um den Energieverbrauch von Anlagen zu minimieren. Daneben gibt es aber auch zahlreiche weitere gute Gründe, Frequenzumrichter in Wasser- und Abwasseranwendungen einzusetzen. Seit der Einführung von Mikroprozessoren wurde die ursprüngliche Steuerungsfunktion der Frequenzumrichter kontinuierlich um zusätzliche Funktionen erweitert. Dazu zählt unter anderem auch die gezielte Prozesssteuerung: Durch die Konstanthaltung des Wasserdrucks mithilfe der Frequenzumrichter werden beispielsweise Risse und undichte Stellen, die durch zu hohen Druck in der Anlage entstehen können, vermieden.

Im Internet der Dinge und Dienste kommunizieren intelligente und vernetzte Frequenzumrichter selbständig mit anderen Geräten. Sie erheben, sammeln und werten Motordaten aus, um genaue Informationen über den Zustand einer Anlage zu übermitteln. Auf diese Weise wird der Frequenzumrichter zum intelligenten Sensor, der dabei hilft, Motoren und Anlagen sicher und zuverlässig in den gewünschten Bahnen zu betreiben.

Eines dieser Projekte richtet Danfoss derzeit in einer Brauerei in Südosteuropa ein: Der Betreiber setzt auf die Zustandsüberwachung mit Danfoss Aqua Drive Frequenzumrichtern, um den Zustand seiner Abwasseranlage stets im Blick zu haben. Dazu wurden Vibrationssensoren an Pumpen installiert, deren Daten die Frequenzumrichter überwachen und auswerten. Jede Information, die die Frequenzumrichter nun sammeln, ist wertvoll. Denn auf diese Weise können vorbeugend Störungen und Schäden erkannt und vermieden werden, bevor einer der kritischen Motoren ausfällt. So wird der Produktionsprozess nicht gestört und die Produktion läuft reibungslos.

Die Inbetriebnahme war einfach: Die Steuerkarte im Frequenzumrichter wurde aufgerüstet und die SW-Lizenz freigeschaltet. Im zweiten Schritt wurden Schwingungssensoren installiert, die Parameter für die Zustandsüberwachung eingestellt und die Überwachung von Motorwicklung, Schwingung und Lasthüllkurve freigegeben.

Intelligente Umrichter von Danfoss sammeln Daten aus verschiedenen Quellen. Sie kombinieren dafür Signale von internen und externen Sensoren wie beispielsweise Schwingungs- und Drucksensoren. Mit Edge Intelligence werden die wertvollen Informationen lokal im Gerät ausgewertet und gegebenenfalls in die Cloud oder an das unternehmensinterne System gesendet. So stehen die Daten dort bereit, wo sie benötigt werden und ermöglichen eine vorausschauende, zustandsorientierte Wartung, die die Leistung, Effizienz und Betriebszeit von Anlagen erhöht, die Lebensdauer der Anlagenkomponenten verlängert und gleichzeitig die Komplexität verringert.

Viele mechanische Fehler wie beispielsweise Lagerverschleiß, Wellenversatz und Unwuchten erzeugen Schwingungen. Die beschleunigte Abnutzung mechanischer Teile eines Antriebssystems lässt sich vermeiden, indem der Danfoss Frequenzumrichter zusammen mit einem Sensor – einem externen Schwingungstransmitter – verwendet wird, der die Vibration in einem Motor oder einer Anwendung überwacht. Indem das Transmittersignal mit antriebsinternen Signalen, wie beispielsweise der Drehzahl, oder anderen für die Anwendung relevanten Signalen korreliert wird, kann der Antrieb Fehler frühzeitig erkennen und über den Zustand des Systems informieren, um einen Funktionsausfall zu verhindern. Die Wartung kann im Voraus vorbereitet und geplant werden, während die Anlage bis zur nächstmöglichen Wartungspause weiter betrieben werden kann.

Die Schwingungsüberwachung erfolgt mittels standardisierter Methoden und Schwellwerte, welche in Normen wie ISO 13373 zur Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen oder ISO 10816/20816 zur Messung und Klassifizierung mechanischer Schwingungen vorgesehen sind. Der Vorteil einer derartigen Überwachung im Umrichter besteht darin, dass sie es ermöglicht, Daten mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen bei Dauerbetrieb/Rampen, Lastbedingungen oder Drehzahl gegeneinander abzugleichen.

Fehler bei Motorwicklungen treten nicht plötzlich auf; sie entwickeln sich im Laufe der Zeit. Alles beginnt mit einem kleinen Kurzschluss an einer Windung, der zu zusätzlicher Erwärmung führt. Nun setzt sich der Schaden unerkannt weiter fort, bis der Überstromschutz aktiviert und der Betrieb gestoppt wird, was zu unerwünschten Ausfallzeiten führt.

Abhilfe schafft die kontinuierliche Zustandsüberwachung des Motors mittels Analyse der elektrischen Signaturen. Aus den Motorströmen und Spannungssignalen können Zustandsinformationen gezogen und mit Motor- oder Anwendungsfehlern in Verbindung gebracht werden, wie beispielsweise mit Wellenversatz oder Fehlern in der Statorwicklung. Die Strom- und Spannungssensoren, die diese Informationen liefern, sind ohnehin wesentliche Bestandteile von Frequenzumrichtern. Es fallen also keine zusätzlichen Kosten für den Einsatz externer Sensoren an.

Die Pumpe scheint normal zu arbeiten, doch der intelligente Frequenzumrichter von Danfoss löst Wartungsalarm aus. Er erkennt eine größere Last. Damit gibt er den entscheidenden Hinweis: Die Pumpe ist versandet. Bevor es zu größeren Problemen kommt, kann sie schneller als bisher gereinigt werden und die Anlage normal weiterlaufen. Ganz nebenbei trägt die Zustandsüberwachung so zu Energieeinsparungen bei, da die Pumpe stets unter optimalen Bedingungen betrieben werden kann.

Um diesen Fehler zu ermitteln, greift der Frequenzumrichter wieder auf die Werte der Strom- und Spannungsmessung zur Steuerung des Motors zurück. Auch hier können die aus ihnen berechneten Parameter wie Motorleistung, Energie, aktuelle Motordrehzahl oder Drehmoment zur Überwachung der Motorlast zweitverwendet werden. Erkennt der Frequenzumrichter Über- oder Unterlastbedingungen, die bei Pumpenanwendungen durch Verockerungen, Versandungen, Korrosion oder anderem auftreten, schlägt er Wartungsalarm.

Über die Zustandsüberwachung mit intelligenten Frequenzumrichtern können Anlagen vorausschauend instandgehalten werden. Dies bietet zahlreiche Vorteile gegenüber korrektiven und präventiven Wartungskonzepten. Allerdings ist die Zustandsüberwachung auf Sensordaten angewiesen und die Installation zusätzlicher Sensoren in Anlagen kann teuer sein. Wenn jedoch Frequenzumrichter von Danfoss in der Anwendung eingesetzt werden, sind sie eine wertvolle Datenquelle, die für die Zustandsüberwachung genutzt werden können. Das schafft Mehrwert durch Wissensvorsprung und spart unnötige Kosten durch Anlagenstillstand oder erhöhten Verschleiß.

Dr. Norbert Hanigovszki und Dr.-Ing. Jörg Dannehl