DE102022127057A1

DE102022127057A1 - Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors

Info

Publication number: DE102022127057A1
Application number: DE102022127057.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Berger; Alexander Rieser; Eva Silmbroth; Benedikt Obermaier; Moritz Veith; Ulrike van den Tol
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors ermöglicht die Speicherung und Analyse der Schwingungsrohdaten auch vor einem kurzfristigen auslösenden Eventereignis (wie z. B. Schlag / Crash).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors.
Heutige Schwingungssensoren weisen in der Regel einen Mikrocontroller auf, deshalb werden sie auch als intelligente Sensoren bezeichnet. Sie werden in der Automatisierungstechnik häufig z. B. zur Schadensdetektion insbesondere bei rotierenden Maschinen bzw. Anlagenteilen eingesetzt. Dabei werden verschiedene Zustandskennwerte wie z. B. der Effektivwerte der Schwingungsgeschwindigkeit v-RMS, der Spitzenwert der Beschleunigung a-Peak, der Effektivwert der Beschleunigung a-RMS bzw. der Crest-Wert (Crest=a-Peak/a-RMS) aus den Schwingungsrohdaten permanent berechnet. Anhand dieser Kennwerte können unterschiedliche Maschinenschäden z.B. Unwucht, Fehlausrichtung, Lagerschäden, Kavitation oder Reibungen, erkannt werden. Die Berechnung erfolgt typischerweise aus einem gleitenden Messintervalle von 500ms
Zur Schwingungsanalyse können on-demand Rohdaten erfasst werden, um anschließend mittels Post-Processing (z.B.Spektrum-Analyse) die genaue Schadensursache zu analysieren.
Stand der Technik ist hierbei eine manuelle Erfassung von Rohdaten mittels Offline-Messsystemen, hierbei werden bei zyklischen Routengängen die Rohdaten mit Hilfe eines Schwingungshandmessgerät erfasst - dies hat den Nachteil, dass die Erfassung sehr aufwendig und oftmals nicht zum richtigen Zeitpunkt erfolgt.
Eine weitere Methode mittels Online-Schwingungsmesssystemen ist eine azyklische Erfassung von Rohdaten, sobald ein Kennwert eine Alarm-Schwelle überschritten hat.
Zur azyklischen Erfassung von Rohdaten durch ein Trigger-Event (Ereignis) muss dieses Event vom Sensor oder einem übergeordneten System, z.B. einer Steuereinheit (SPS) oder einem SCADA-System, bereits detektiert worden sein. Dies hat zur Folge, dass die Aufnahme der Rohdaten erst nach dem Event startet. Die Rohdaten des eigentlichen auslösenden Event stehen deshalb nicht zur Verfügung.
In der Praxis können einmalige Events z.B. ein Schlag / Crash oder Fremdkörper in den Maschinenlager nur kurzzeitig für wenige Milisekunden auftreten. Im Fall einer anschließenden Tiefenanalyse der Rohdaten können diese einmaligen Events nicht mehr in der Tiefenanalyse identifiziert werden und machen eine Schwingungsanalyse obsolet. Dies ist auch den unvermeidbaren internen Verarbeitungszeiten eines Sensors geschuldet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist und mit dem insbesondere auch einmalige Events zuverlässig analysiert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:

1 Blockschaltbild eines Schwingungssensors
2 Zeit-Diagramm mit der Erfassung der Beschleunigungsrohdaten gemäß dem Stand der Technik

3 Zeit-Diagramm mit der Erfassung der Beschleunigungsrohdaten gemäß der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Schwingungssensors z. B. WB ifm electronic gmbh, mit einem Beschleunigungssensor. Das Sensorelement ist das als MEMS-Bauteil ausgebildet. Mit diesem wird das Beschleunigungsverhalten eines Maschinenbauteils z. B. eines Lagers erfasst. Der Sensor berechnet kontinuierlich Zustandskennwert (z.B. a-RMS, v-RMS, a-Peak, Crest) aus einem gleitenden Zeitfenster von 500ms Das MEMS-Bauteil weist einen A/D-Wandler auf und speichert bedarfsgesteuert durch einen internen (Kennwertüberschreitung) oder externen (Steuerungsbefehl) Trigger die Beschleunigungsrohdaten SRD(t) mit einer Abtastrate von 25.000 Hz.
Erfindungsgemäß ist der RAM-Speicher also Ringspeicher nach dem FIFO-Prinzip (=First-in - First out) konzipiert. Das bedeutet, der Microcontroller schreibt kontiniuerlich Rohdaten SRD(t) in einen RAM mit fester Größe, sobald der Ringspeicher voll ist, werden die ältesten Rohdaten durch die neuesten Rohdaten überschrieben.
Somit wird eine Möglichkeit geschaffen, die interne Verzögerungszeit zu überbrücken und die Rohdaten SRD(t) mit dem auslösenden Event zu erfassen.
Sobald ein Schwingungs-Kennwert SKW1 (t_k) bzw. SKW2(t_k) eine entsprechende Alarm-Schwelle GSKW1 bzw. GSKW2 überschreitet, stoppt der Microcontroller µC die Rohdaten-Speicherung und sichert die Rohdaten im RAM. Aufgrund der kontinuierlichen Speicherung nach dem FIFO-Prinzip sind die älteren Rohdaten vor und während dem Event noch enthalten.
2 zeigt ein Zeit-Diagramm mit der Erfassung der Beschleunigungsrohdaten gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt ein Zeit-Diagramm mit der Erfassung der Beschleunigungsrohdaten gemäß der Erfindung.
Die wesentlichen Verfahrensschritte sind:

Kontinuierliche Verarbeitung der von einem Sensorelement MEMS aufgenommenen Beschleunigungsrohdaten SRD(ti) zu Kennwerten
Kontinuierliche Speicherung der Beschleunigungsrohdaten SRD(t_i) in einem Ringspeicher mit FIFO-Prinzip
Kontinuierliche Berechnung von Schwingungs-Kennwerten SKW1 (t_k), SKW2(t_k) aus einer definierten Zeitfenster von Beschleunigungsrohdaten SRD(ti)
Kontinuierliches Vergleichen der berechneten Schwingungs-Kennwerten SKW1(t_k), SKW2(t_k) mit entsprechend gespeicherten Grenzwerten GSKW1, GSKW2

Wird ein Grenzwert GSKW1, GSKW2 zu einem Zeitpunkt t_x überschritten so wird ein Eventsignal generiert und die kontinuierliche Speicherung der Beschleunigungsrohdaten SRD(ti) zum Zeitpunkt t_x+Δ gestoppt, wobei Δ kleiner als die FIFO-Speicherlänge ist
Sicherung der aktuell gespeicherten Beschleunigungsrohdaten in einem Permanentspeicher, so dass Beschleunigungsrohdaten zur Auswertung zur Verfügung stehen, die sowohl vor dem Zeitpunkt t_x als auch nach dem Zeitpunkt t_x gespeichert wurden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen, insbesondere stehen die Beschleunigungsrohdaten um eines auslösenden Events (Schlag/Crash) für eine nachträgliche Tiefen-Analyse (z.B. Spektrum, H-FFT, Autokorrelation, Ordnungsanalyse,...) zur Verfügung. Solche Events dauern meist nur für eine sehr kurze Zeit (z. B. Millisekunden). Für die Analyse ist es sehr wichtig, dass auch das auslösende Event genau analysiert werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Schwingungssensors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: A. Kontinuierliche Verarbeitung der von einem Sensorelement MEMS aufgenommenen Beschleunigungsrohdaten SRD(ti) zu Kennwerten B. Kontinuierliche Speicherung der Beschleunigungsrohdaten SRD(t_i) in einem Ringspeicher C. Kontinuierliche Berechnung von Schwingungs-Kennwerten SKW1(t_k), SKW2(t_k) aus einer definierten Serie von Beschleunigungsrohdaten SRD(t_i) D. Kontinuierliches Vergleichen der berechneten Schwingungs-Kennwerten SKW1(t_k), SKW2(t_k) mit entsprechend gespeicherten Grenzwerten GSKW1, GSKW2 E. Wenn ein Grenzwert GSKW1, GSKW2 zu einem Zeitpunkt t₁ überschritten dann wird ein Eventsignal generiert und die kontinuierliche Speicherung der Beschleunigungsrohdaten SRD(t_i) zum Zeitpunkt t₁+Δ gestoppt, wobei Δ kleiner als die FIFO-Speicherlänge ist F. Sicherung der aktuell gespeicherten Beschleunigungsrohdaten in einem Permanentspeicher, so dass Beschleunigungsrohdaten zur Auswertung zur Verfügung stehen, die sowohl vor dem Zeitpunkt t₁ als auch nach dem Zeitpunkt t₁ gespeichert wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die SchwingungsRohdaten SRD(1i) mit einer Taktrate von 25.000 1/s generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsrohdaten SRD(t₁+Δ) für 10 Sekunden im FIFO-Speicher zwischengespeichert werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.