DE10228389B4 - Schwingungssensor und Verfahren zur Zustandsüberwachung von rotierenden Bauteilen und Lagern - Google Patents

Abstract

Schwingungssensor zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern, mit einem Gehäuse (2), mit einem Sensorelement (3), mit einer Auswerteelektronik (4) und mit mindestens einer Schnittstelle (5, 6), wobei die Auswerteelektronik (4) einen Analog/Digital-Wandler (7) und eine Signalaufbereitungseinrichtung (8) aufweist
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Signalaufbereitungseinrichtung (8) eine Vielzahl von durch das eine Sensorelement (3) erfaßten Signalen mit Hilfe einer Signalanalyse und eines Diagnosealgorithmus in einen den Zustand des überwachten Bauteils oder Lagers wiedergebenden Zustandswert umgewandelt werden,
daß eine Anzeigeeinrichtung (9) mit einem Anzeige-Display (10) zur Anzeige des ermittelten Zustandswerts und mit mindestens einem Bedienelement (11, 12, 13) zur Parametereingabe und/oder zur Einstellung von Grenzwerten und/oder zur Auswahl einer Betriebsart vorgesehen ist, und
daß die Schnittstelle (5) zwei Schaltausgänge aufweist, wobei der eine Schaltausgang einen Voralarm und der andere Schaltausgang einen Hauptalarm auslöst.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern, mit einem Gehäuse, mit einem Sensorelement, mit einer Auswerteelektronik und mit mindestens einer Schnittstelle, wobei die Auswerteelektronik einen Analog/Digital-Wandler und eine Signalaufbereitungseinrichtung aufweist. Daneben betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern mit einem ein Sensorelement und eine Auswerteelektronik aufweisenden Schwingungssensor.
• Im Maschinen- und Anlagenbau gibt es eine Vielzahl von Maschinen und Anlagen, die jeweils rotierende Bauteile, in der Regel eine Welle aufweisen. Die Welle ist dabei über ein Lager, insbesondere ein Wälzlager in dem stationären Gehäuse der Maschine oder Anlage gelagert, wobei je nach Ausführungsform der Innenring oder der Außenring des Lagers beweglich angeordnet ist, während dann entsprechend der Außenring bzw. der Innenring ortsfest gelagert ist. Als kraftübertragende und bewegte Komponente ist die einwandfreie Funktionsfähigkeit des Lagers entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Maschine oder Anlage. Aufgrund hoher dynamischer und statischer Belastungen im Betrieb sowie aufgrund konstruktiver Einschränkungen stellt das Lager häufig die "Achillesferse" der Maschine oder Anlage dar. So sind Lagerdefekte die bei weitem häufigste Ausfallursache für elektrische Antriebe.
• Aus diesem Grund gibt es eine Vielzahl verschiedener Sensoren und Methoden zur Zustandsüberwachung und Erkennung von Lagerschäden. Neben der Temperaturmessung des Lagers und der Analyse der Lagerschmierstoffe, insbesondere des Lageröls, werden hauptsächlich schwingungsdiagnostische Methoden zur Beurteilung des Lagerzustandes herangezogen. Mit Hilfe eines Beschleunigungssensors wird dabei das Körperschallsignal des zu überwachenden Lagers an der Maschinenoberfläche erfaßt und analysiert. Dabei lassen jedoch einfache Kennwerte des Schwingungssignals, wie Effektivwert, Spitzenwert oder Betragsmittelwert, keine zuverlässige Aussage über den Zustand des überwachten Lagers zu. Insbesondere für eine Schadensfrüherken nung sind derartige Kennwerte vollkommen ungeeignet. Dies liegt insbesondere auch an den komplexen Betriebsbedingungen sowie an der Vielzahl der einsetzbaren und eingesetzten Lagern mit ihren unterschiedlichen Abmessungen und Kennwerten.
• Eine zuverlässige Frühdiagnose von Lagerschäden oder Unwuchten der rotierenden Bauteile ist daher nur bei einer umfassenden Auswertung der von dem Schwingungssensor gelieferten hochfrequenten Signale im Bereich von bis zu einigen Kilohertz möglich. Die Auswertung dieser hochfrequenten Signale erfolgt dabei in der Regel mit Hilfe spektraler Signalanalyse. Dadurch ist es nicht nur möglich, eine Aussage darüber zu treffen, ob ein Lager intakt oder geschädigt ist, sondern es kann auch eine Aussage über die Art des Schadens getroffen werden. Ebenso kann eine Aussage über die noch zu erwartende Restlaufzeit des Lagers getroffen werden. Obwohl es somit meßtechnisch möglich ist, unterschiedliche Schäden frühzeitig zu erkennen, werden Schwingungssensoren zur Zustandsüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern in der Praxis nur selten eingesetzt.
• Der Stand der Technik bei der industriellen Lagerüberwachung beschränkt sich dabei zum einen auf intermittierende Messungen mit Handmeßgeräten (vgl. z. B. DE 199 17 541 A1 ), zum anderen auf den Einsatz relativ teurer zentraler Meßsysteme (vgl. z. B. US 6,331,823 B1 ), die sich aufgrund der hohen Anschaffungskosten lediglich für die Überwachung hochpreisiger Maschinen, wie beispielsweise Turbinen oder Großgetriebe, als sinnvoll erweisen. Die intermittierende Messung mit Handmeßgeräten hat den Nachteil, daß dabei keine kontinuierliche Überprüfung des Zustandes der Lager erfolgt, so daß auch keine zuverlässige Schadensfrühdiagnose möglich ist. Darüber hinaus ist es aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen nur schwer möglich, aus den unterschiedlichen Mewerten eine zuverlässige Aussage über den Zustand der Lager zu machen. Hierzu ist entsprechendes Experten Know-How erforderlich, was mit einem hohen personellen Aufwand und damit auch mit hohen Kosten verbunden ist.
• Aus der US 6,331,823 B1 ist ein System zur Zustandsüberwachung von rotierenden Bauteilen bekannt, wobei eine Vielzahl von Lagereinheiten jeweils eine Sensoreinheit mit mehreren Sensorelementen aufweist, die jeweils zum Er fassen einer unterschiedlich ausgewählten Sensorinformation dienen, und wobei die lokalen Sensoreinheiten jeweils einen lokalen Sender aufweisen und über eine Busleitung mit einem zentralen Überwachungsprozessor verbunden sind, in dem dann die zentrale Auswertung der gemessenen Daten erfolgt. Dabei können die lokalen Sender der lokalen Sensoreinheiten eine Anfangsanalyse der Sensorinformationen durchführen, so daß die Sensorinformationen als Diagnosedaten an den Zentralprozessor geliefert werden können. Die Sensorinformationen können dadurch in serieller digitaler Form übertragen werden, so daß die Sensorinformationen ein vorbestimmtes Format aufweisen und die Menge der an den Zentralprozessor zu übertragenden Daten reduziert werden kann.
• Bei der Realisierung eines zentralen Meßsystems ergibt sich aufgrund der großen Anzahl der auszuwertenden Daten zum einen eine aufwendige Verkabelung der einzelnen Schwingungssensoren mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage, zum anderen werden aufgrund der oftmals geforderten Echtzeit-Fähigkeit sehr hohe Anforderungen an die zentrale Datenverarbeitungsanlage gestellt, wobei die zentrale Datenverarbeitungsanlage aus Sicherheitsgründen zusätzlich noch redundant ausgeführt sein muß. Doch selbst bei der Verwendung einer entsprechend leistungsstarken und schnellen Datenverarbeitungsanlage ist aufgrund der großen auszuwertenden Datenmenge die Anzahl der an die Datenverarbeitungsanlage anschließbaren Sensoren stark beschränkt, wenn die einzelnen Sensoren in Echtzeit und nicht nur im Multiplexverfahren ausgewertet werden sollen. Dadurch, daß die einzelnen Sensoren über separate Leitungen an die zentrale Datenverarbeitungsanlage angeschlossen werden müssen, verfügt ein solches zentrales Meßsysteme über keine oder nur eine sehr beschränkt ausgebildete Erweiterbarkeit. Somit erfordert die Planung eines zentralen Meßsystems eine gründlich Vorbereitung, wobei möglicherweise zu einem späteren Zeitpunkt hinzukommende Maschinen und Sensoren schon in der Planungsphase mitberücksichtigt werden müssen.
• Die DE 199 17 541 A1 offenbart einen eingangs beschriebenen Schwingungssensor, welcher als Handgerät ausgebildet ist, so daß keine Schnittstelle vorgesehen ist. Zur Anzeige des ermittelten Zustandswertes ist ein Anzeige-Display vorgesehen, welches eine LCD-Anzeige aufweist. Die Ermittlung des Zustandswertes erfolgt dadurch, daß ein durch das Bauteil erzeugtes Meß signal erfaßt wird, eine Amplitudenwahrscheinlichkeits-Dichtefunktion einer Wellenform des Meßsignals durch eine Gram-Charlier-Reihe orthogonal erweitert wird und die Gram-Charlier-Reihe berechnet wird.
• Aus der DE 44 06 723 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Maschine oder Anlage bekannt, bei dem Schwingungssignale an Teilen der Maschine aufgenommen, einer Signalaufbereitung unterzogen und die daraus erhaltenen Größen zusammen mit weiteren, dem Betriebszustand der Maschine oder Anlage beschreibenden physikalischen Größen zu einem Betriebszustandsvektor zusammengefaßt und zum Zwecke der Interpretation des Betriebszustandsvektors mit gespeicherten, typische Betriebszustände kennzeichnenden und die gleiche Struktur wie der Betriebzustand aufweisende Mustervektoren verglichen werden, wobei im Ergebnis ein eine Kenngröße für den Betriebszustand der Maschine oder Anlage beinhaltendes Identifikationssignal ausgegeben wird. Die Signalaufbereitung weist dabei eine Fourier-Analyse und einen Vergleich mit vorgegebenen Bezugswerten auf. Als Mustervektoren werden dreidimensionale Matrizen verwendet, die in jedem Element eine den Vergleich mit einem entsprechenden Element des Betriebszustandsvektors betreffende Wahrscheinlichkeitsaussage enthalten, wobei der Vergleich des Betriebszustandsvektors mit den Mustervektoren jeweils als Vergleich der einzelnen Elemente ausgeführt wird.
• Durch die bei dem bekannten Verfahren durchgeführte Mustererkennung durch Vergleich dreidimensionaler Matrizen ist eine relativ große Anzahl an Vergleichsdaten erforderlich, wobei durch die Mustererkennung hohe Anforderungen an die Auswerteelektronik gestellt werden, damit das Identifikationssignal möglichst zeitnah zur Verfügung steht.
• Die DE 199 02 326 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Schadensfrüherkennung von rotierenden Maschinen, wobei akustische Signale der rotierenden Maschine sowie die Drehzahl einer Bezugskomponente der Maschine aufgezeichnet, digitalisiert und durch eine signalverarbeitende Methode analysiert werden. Die Signalverarbeitung erfolgt dabei dadurch, daß das gemessene Schallsignal mittels Ordnungsanalyse bearbeitet und ein bestimmtes Änderungsmaß berechnet wird, das mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Schwingungssensor bzw. das eingangs beschriebene Verfahren dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, daß eine zuverlässige Zustandsüberwachung von rotierenden Bauteilen und Lagern einfach und damit kostengünstig durchgeführt werden kann, wobei darüber hinaus der Schwingungssensor möglichst einfach bedienbar und kompakt aufgebaut sein soll.
• Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Schwingungssensor dadurch gelöst, daß in der Signalaufbereitungseinrichtung eine Vielzahl von durch das Sensorelement erfaßten Signalen mit Hilfe einer Signalanalyse und eines Diagnosealgorithmus in einen den Zustand des überwachten Bauteils oder Lagers wiedergebenden Zustandswert umgewandelt werden, daß eine Anzeigeeinrichtung mit einem Anzeige-Display zur Anzeige des ermittelten Zustandswerts und und mit mindestens einem Bedienelement zur Parametereingabe und/oder zur Einstellung von Grenzwerten und/oder zur Auswahl einer Betriebart des Schwingungssensors vorgesehen ist, und daß die Schnittstelle zwei Schaltausgänge auf, wobei der eine Schaltausgang einen Voralarm und der andere Schaltausgang einen Hauptalarm auslöst.
• Durch die Integration und die Ausbildung der Signalaufbereitungseinrichtung wird somit die Lagerdiagnose in den Schwingungssensor integriert. Durch die Umwandlung der Vielzahl der gemessenen Signale mit Hilfe der Signalanalyse und des Diagnosealgorithmus in einen einfachen Zustandswert kann auf teures Experten Know-How zur sicheren Lagerdiagnose und zur Erkennung von Lagerschäden verzichtet werden.
• Mit Hilfe des Anzeige-Displays ist dabei eine einfache Anzeige des ermittelten Zustandswerts vor Ort möglich, so daß der Zustand des überwachten Bauteils oder des überwachten Lagers jederzeit einfach ablesbar ist. Mit Hilfe der Bedienelemente kann zum einen der Schwingungssensor in den gewünschten Betriebsmodus geschaltet werden, ist zum anderen eine Anpassung an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen durch die Eingabe von bestimmten Parametern oder Grenzwerten möglich. Vorzugsweise weist das Anzeige-Display eine Farbanzeige mit den Farbwerten grün, gelb und rot auf, so daß dadurch auf einfache und dennoch eindeutige Art und Weise der je weilige Zustand des Lagers sowie eine Verschlechterung des Lagerzustandes angezeigt werden kann.
• Über die Schaltausgänge, die jeweils als Öffner oder Schließer geschaltet werden können, ist somit zusätzlich zum Anzeige-Display eine Anzeige des jeweiligen Zustandes des rotierenden Bauteils oder des Lagers auch an einem entfernten Ort, beispielsweise einer zentralen Überwachungsstelle, möglich. Der den Hauptalarm auslösende Schaltausgang, der einen die Funktionsfähigkeit des rotierenden Bauteils und/oder des Lagers beeinträchtigenden Schaden anzeigt, kann mit einem Notausschalter der Maschine und einer optischen und/oder akustischen Signaleinrichtung verbunden sein.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwingungssensors weist die Schnittstelle mindestens einen Schaltausgang, einen Parametriereingang und einen Strom- bzw. Spannungsversorgungseingang auf. Die Schnittestelle kann darüber hinaus auch noch einen Signaleingang für ein externes Signal und einen Strom- bzw. Spannungsversorgungsausgang für einen externen Sensor aufweisen. Aufgrund des Parametriereingangs ist dabei eine besonders einfache PC-gestützte Parametrierung über eine Standardschnittstelle, beispielsweise eine RS 232-Schnittstelle, möglich. Hierdurch ist eine benutzerfreundliche Eingabe und Einstellung aller überwachungsrelevanten Parameter, wie Lagerdaten, Drehzahl, Grenzwerte und Schaltfunktion der Ausgänge, am PC möglich, wobei insbesondere die Lagerdaten in entsprechenden Datenbanken im PC abgespeichert sein können, so daß der Benutzer nur die entsprechende Typenbezeichnung des Lagers eingeben muß und dann alle relevanten Daten vom PC über die Schnittstelle als Parametersatz an den Schwingungssensor übergeben werden.
• Durch die Ausbildung eines Signaleingangs für ein externes Signal kann der Schwingungssensor auch bei sich ändernder Drehzahl kontinuierlich die Zustandsüberwachung durchführen. Die auf den Signaleingang geführte Information über die aktuelle Drehzahl kann dabei entweder über ein analoges Stromsignal (4 bis 20 mA) von der Motorsteuerung des rotierenden Bauteils oder von einem externen Sensor, beispielsweise einem Näherungsschalter oder Impulsgeber, kommen. Dadurch, daß auch ein Strom- bzw. Spannungsversorgungsausgang vorgesehen ist, kann die Strom- bzw. Spannungsversor gung eines externen Sensors über den Schwingungssensor bzw. den Strom- bzw. Spannungsversorgungsanschluß erfolgen. Dadurch ist eine weitere Reduzierung des Verkabelungsaufwandes möglich, da der externe Sensor nur an den räumlich benachbarten Schwingungssensor – und nicht an eine räumlich entfernte Versorgungseinheit – angeschlossen werden muß.
• Die Auswertelektronik, die beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildet wird, weist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eine Selbstlernlogik auf. Mit Hilfe einer solchen Selbstlernlogik, in der definierte und voreingestellte Schadensmuster kontinuierlich mit den aktuellen Meßwerten verglichen werden, ist eine selbstlernende Schadensmustererkennung möglich.
• Gemäß einer letzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwingungssensors, die hier noch kurz beschrieben werden soll, ist der Schwingungssensor zur Zustandsüberwachung mehrerer rotierender Bauteile oder Lager ausgelegt, wobei für jedes überwachte Bauteil oder für jedes Lager die erfaßten Signale mit Hilfe der Signalanalyse und des Diagnosealgorithmus in einen Zustandswert umgewandelt werden und am Schaltausgang des Schwingungssensors der Zustandswert des Bauteils oder des Lagers mit dem höchsten Schädigungsgrad, d. h. dem schlechtesten bzw. kritischsten Zustandswert, anliegt. Die Auswertelektronik nimmt somit einen Vergleich der Zustandswerte der einzelnen überwachten Bauteile und Lager vor, wobei jeweils nur der "kritischste" Zustandswert auf den Schaltausgang gegeben wird. Hierdurch ist mit einem einzigen erfindungsgemäßen Schwingungssensors die Überwachung mehrerer rotierender Bauteile oder Lager möglich, wobei auf teures Experten Know-How zur Auswertung und Diagnose der einzelnen Meßwerte verzichtet werden kann, da der relevante Zustand von dem Schwingungssensor einfach erfaßbar und übersichtlich angezeigt wird.
• Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die von dem Sensorelement erfaßten Signale mit Hilfe einer Signalanalyse und eines Diagnosealgorithmus in einen den Zustand des überwachten Bauteils oder Lagers wiedergebenden Zustandswert umgewandelt werden, wobei die Signale von dem Sensorelement kontinuierlich oder quasi kontinuierlich erfaßten werden, die Signalanalyse sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich erfolgt und wobei im Zeitbereich dynamische Betrags-Mittelwerte und/oder Peakwerte berechnet werden. Der Diagnosealgorithmus erfolgt dabei in Abhängigkeit von abgespeicherten und/oder berechneten Parametrierdaten und Grenzwerten, wobei mit Hilfe des Diagnosealgorithmus einzelne Signale zu Kennwerten zusammengefaßt werden und die Kennwerte mit Grenzwerten verglichen werden. Die einzelnen Signale werden dabei außerdem entsprechend ihrer Relevanz gewichtet, wobei die einzelnen Kennwerte gegebenenfalls unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gewichtung und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes zu einem Zustandswert zusammengefaßt werden.
• Dadurch, daß die Signalanalyse sowohl in Zeitbereich als auch in Frequenzbereich erfolgt, ist eine hohe Signalauflösung erreichbar, so daß auch bei schwierigen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Zustandsüberwachung realisiert werden kann.
• Um die große Anzahl an Meßwerten mit vertretbarem Aufwand und in Echtzeit auswerten zu können, werden im Zeitbereich dynamische Betrags-Mittelwerte und Peakwerte berechnet. Parallel dazu werden im Frequenzbereich die der Signalanalyse zugeführten Werte manipuliert, d. h. einzelne Signale werden gewichtet und/oder gefiltert und/oder gefenstert und/oder moduliert.
• Mit Hilfe des Diagnosealgorithmus werden einzelne Signale zu Kennwerten zusammengefaßt, die mit Grenzwerten verglichen werden, wobei einzelne Signale entsprechend ihrer Relevanz gewichtet werden. Die Berechung der einzelnen Kennwerte erfolgt dabei in Abhängigkeit von abgespeicherten und/oder berechneten Parameterdaten, so daß das erfindungsgemäße Verfahren bei unterschiedlichen Bauteilen und unterschiedlichen Lagern eingesetzt werden kann. Die einzelnen Kennwerte werden dann ebenfalls unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gewichtung und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes zum Zustandswert zusammengefaßt, der vom Schwingungssensor ausgegeben wird.
• Mit Hilfe des zuvor beschriebenen Diagnosealgorithmus wird somit die Vielzahl der insgesamt gemessenen Signale zu einigen charakteristischen Kennwerten zusammengefaßt, wobei die einzelnen Kennwerte unterschiedliche Schadensarten des rotierenden Bauteils oder des Lagers darstellen. Bei der rechnerischen Zusammenfassung der einzelnen Signale zu den Kennwerten kann dabei die unterschiedliche Relevanz einzelner Signale bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen und unterschiedlichen – zuvor eingegebenen – Parameterdaten berücksichtigt werden.
• Um die Vielzahl der gemessenen Signale mit einer hohen Genauigkeit aber dennoch mit einem möglichst geringen Rechenaufwand bearbeiten zu können, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Signalanalyse die alternativ oder bevorzugt kombiniert angewendet werden. Die Signalanalyse erfolgt dabei zunächst auf der Basis einer Fourier-Transformation (FT), einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder einer Hüllkurven-Fast-Fourier-Transformation (HFFT). Die an sich bekannten mathematischen Transformationsmöglichkeiten werden dabei so modifiziert, daß eine sehr feine spektrale Auflösung erreicht wird. Hierzu kann beispielsweise eine sogenannte Zoom-FFT als Frequenzanalyse verwendet werden, durch die die Genauigkeit in der Frequenzauflösung (Trennschärfe) erhöht wird. Darüber hinaus wird vorzugsweise eine intelligente dynamische Skalierung des jeweiligen Frequenzbandes realisiert, wodurch die Genauigkeit bei den Amplituden erhöht wird.
• Zur Verhinderung des Anti-Aliasing-Problems erfolgt eine Begrenzung des Frequenzbereichs mit Hilfe eines Analog-Filters. Vorzugsweise sind dabei die Grenzwerte des Filters in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen variabel einstellbar bzw. passen sich automatisch selber an veränderte Betriebsbedingungen an. Anschließend erfolgt eine Analog/Digital-Wandlung beispielsweise mit Hilfe eines Sigma-Delta-Wandlers, so daß die gemessenen analogen Signale in der Auswertelektronik digital verarbeitet werden können.
• Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kennwerte und/oder der Zustandswert einer Plausibilitätsüberprüfung unterzogen, so daß Meßfehler erkannt werden und nicht ein fehlerhafter Zustandswert ausgegeben wird. Bei der Plausibilitätsüberprüfung der Kennwerte und/oder des Zustandswerts wird dabei berücksichtigt, daß die an dem rotierenden Bauteil oder dem Lager auftretenden Schäden in der Regel nicht spontan auftreten, sondern sich im Laufe der Zeit entstehen und vergrößern, so daß durch einen Vergleich der Kennwerte und/oder des Zustands werts zu einem zurückliegenden Zeitpunkt mit dem aktuellen Kennwert und/oder dem aktuellen Zustandswert ein Meßfehler feststellbar ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sowohl des erfindungsgemäßen Schwingungssensors als auch des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Schwingungssensor unterschiedliche Betriebsarten auf. In einem sogenannten Teach In Modus werden dabei die Grenzwerte in Abhängigkeit der Parametrierdaten und der aktuellen Betriebsbedingungen von der Auswerteelektronik automatisch berechnet. In einem solchen automatischen Selbstlernvorgang werden somit zu Beginn der Zustandsüberwachung die aktuellen Meßwerte als Referenzwerte gespeichert, so daß bei einer Abweichung dieser Referenzwerte von den theoretisch aufgrund der Parameterdaten erwarteten Meßwerte eine automatische Anpassung der gewählten Grenzwerte erfolgen kann.
• Zuvor ist ausgeführt worden, daß mit dem erfindungsgemäßen Schwingungssensor gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eine Zustandsüberwachung auch bei unterschiedlichen Drehzahlen möglich ist. In diesem Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren derart weiter ausgebildet, daß die zuvor eingegebenen oder berechneten Grenzwerte automatisch an die jeweilige Drehzahl angepaßt werden. Der Teach In Modus muß somit nur bei einer typischen Betriebsdrehzahl durchgeführt werden; bei einer anderen Drehzahl werden dann die entsprechenden Grenzwerte automatisch von der Auswerteelektronik berechnet, so daß der Teach In Modus nicht für jede mögliche Betriebsdrehzahl durchgeführt werden muß.
• Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die hier noch kurz beschrieben werden soll, werden die ermittelten Zustandswerte kontinuierlich gespeichert und wird aufgrund der bisher ermittelten Zustandswerte eine Berechnung der noch zu erwartenden Zeitdauer (Restlaufzeit) bis zum Auftreten eines die Funktionsfähigkeit des rotierenden Bauteils und/oder des Lagers beeinträchtigenden Schadens ermitteln. Dadurch wird dem Benutzer nicht nur der jeweils aktuelle Zustand des überwachten Bauteils oder der überwachten Lager angezeigt, sondern er bekommt auch eine Aussage darüber, wie lange die überwachte Maschine oder Anlage noch weiter betrieben werden kann und wann eine Reparatur oder ein Austausch eines Lagers durchgeführt werden muß, bevor eine Beschädigung oder ein Ausfall der Maschine oder Anlage zu erwarten ist.
• Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Schwingungssensor und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. dem Patentanspruch 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
• 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schwingungssensors,
• 2 eine erste konkrete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungssensors, in Frontansicht und
• 3 eine zweite konkrete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungssensors, in Seitenansicht.
• Die Figuren zeigen einen Schwingungssensor 1 mit einem aus Kunststoff oder Aluminium bestehenden Gehäuse 2, mit einem in dem Gehäuse 2 angeordneten – nur in 1 schematisch dargestellten – Sensorelement 3, mit einer – ebenfalls nur schematisch dargestellten – Auswertelektronik 4 und mit zwei Schnittstellen 5, 6. Die lediglich in 1 schematisch dargestellte Auswerteelektronik 4 weist einen mit dem Sensorelement 3 verbundenen Analog/Digital-Wandler 7 und eine mit dem Analog/Digital-Wandler 7 verbundene Signalaufbereitungseinrichtung 8 auf. Die Signalaufbereitungseinrichtung 8 wird dabei in der Regel von einem Mikroprozessor realisiert, der dann insgesamt die Auswertelektronik 4 bilden kann, so daß auch der Analog/Digital-Wandler 7 in dem Mikroprozessor integriert ist.
• Wie anhand von 2 zu erkennen ist, weist der Schwingungssensor 1 eine Anzeigeeinrichtung 9 mit einem Anzeige-Display 10 und drei Bedienelementen 11, 12, 13 auf. Die Bedienelemente 11 und 12 dienen dabei zum einen zum Einstellen von Grenzwerten, bei deren Erreichen ein Voralarm bzw. ein Hauptalarm von dem Schwingungssensor 1 ausgelöst wird. Darüber hinaus kann über die Bedienelemente 11, 12 auch der Betriebsmodus und/oder der Anzeigemodus des Schwingungssensors 1 ausgewählt werden. Das Bedienelement 13 dient zum Starten eines Teach In Modus, in dem der Schwingungssensor 1 nach einer erfolgten Parametrierung im installierten Zustand automatisch an die aktuellen Betriebbedingungen angepaßt wird.
• Das Anzeige-Display 10 weist gemäß der bevorzugten Ausgestaltung eine Farbanzeige auf, wobei mehrere grüne LED's 14, mehrere gelbe LED's 15 und mehrere rote LED's 16 vorgesehen sind. Über die erste grüne LED 14 wird dabei eine ordnungsgemäße Stromversorgung des Schwingungssensors 1 angezeigt, während über die zweite grüne LED 14 der Betriebsstatus des Schwingungssensors angezeigt werden kann (Parametrierung, Teach In Modus, Überwachungsmodus). Mit Hilfe der mehreren gelben LED's 15 wird ein Fortschritt des Schädigungsgrades des überwachten Bauteils bzw. des überwachten Lagers angezeigt. Je nach Einstellung der Grenzwerte erfolgt parallel zur Anzeige über eine gelbe LED 15 die Ausgabe eines Voralarms. Über die roten LED's 16 wird schließlich die Beschädigung eines Bauteils oder eines Lagers angezeigt, wobei mit dem dargestellten Schwingungssensor 1 mehrere Lager gleichzeitig überwacht werden können, so daß die einzelnen roten LED's 16 den einzelnen Lagern zugeordnet sind. Parallel zum Aufleuchten einer roten LED 16 erfolgt über die Schnittstelle 5 die Ausgabe eines Hauptalarms.
• Die in 1 schematisch dargestellten Schnittstellen 5, 6 sind bei den in den 2 und 3 dargestellten konkreten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schwingungssensors 1 durch zwei Steckeranschlüsse 17, 18 realisiert, wobei die beiden Schnittstellen 5, 6 als RS 232-Schnittstellen ausgebildet sind und die beiden Stecker 17, 18 als M12 bzw. M8-Steckverbinder ausgeführt sind. Der Stecker 17 weist dabei einen Strom- bzw. Spannungsversorgungsanschluß zwei jeweils als Öffner oder Schließer programmierbare Schaltausgänge – für den Voralarm bzw. den Hauptalarm – und einen Signaleingang für ein externes, der aktuellen Drehzahl entsprechendes Signal auf. Der Stecker 18 weist ebenfalls einen Signaleingang für ein externes Signal auf und darüber hinaus noch einen Strom- bzw. Spannungsversorgungsausgang, über den ein externer Sensor versorgt werden kann. Darüber hinaus kann der Schwingungssensor 1 auch über den Stecker 17 mit einem Rechner, insbesondere einem PC, verbunden werden, wobei dann von dem PC die Parametrierungsdaten als Datenpakete übertragen werden. Dieser Datentransfer kann außer über eine RS 232-Schnittstelle beispielsweise auch über eine RS 485-Schnittstelle erfolgen.
• Bei den einstellbaren Parametern kann es sich insbesondere um Kenndaten der Lager, um Betriebdaten der Anlage oder Maschine sowie um Grenzwerte handeln. Bei den Kenndaten der Lager handelt es sich dabei insbesondere um die Anzahl der Wälzkörper, d. h. der Kugeln, Rillen oder Tonnen-Wälzkörper, der Wälzkörperdurchmesser sowie der Durchmesser des Lagerinnenrings und des Lageraußenrings. Diese einzelnen Parameter können entweder manuell am PC eingegeben werden oder sie werden bevorzugt aus einer Datenbank lediglich durch Angabe des Lager-Herstellers und der Lager-Kennnummer automatisch zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus können auch die Betriebsdrehzahl bzw. bei variabler Drehzahl der mögliche Drehzahlbereich, die Art der Drehzahlbereitstellung, die Grenzwerte und die Einstellung der Schaltausgänge (Öffner oder Schließer) im Parametrierungsmodus eingestellt werden.
• Aus 1 ist darüber hinaus noch entnehmbar, daß die Auswerteelektronik 4 zwei Speicher 19, 20 aufweist, wobei in dem einen Speicher 19 die eingestellten Parameterwerte und Grenzwerte sowie aktuelle Betriebsdaten abgespeichert werden, während der andere Speicher 20 als Historienspeicher fungiert, in dem die von dem Schwingungssensor 1 ermittelten Zustandswerte fortlaufend abgespeichert werden.
• Den 2 und 3 ist darüber hinaus entnehmbar, daß der erfindungsgemäße Schwingungssensor 1 nährungsweise quaderförmig ausgebildet ist, wobei er vorzugsweise eine sehr kompakte Bauform aufweist, beispielsweise eine Kantenlänge von weniger als fünf Zentimetern hat, wobei an der Frontseite des Gehäuses 2 eine angeschrägte Oberseite 21 ausgebildet ist, in der die Anzeigeeinrichtung 9 integriert ist. Dadurch wird sowohl die Bedienbarkeit der Bedienelemente 11, 12, 13 als auch die Ablesbarkeit des Anzeige-Displays 10 erleichtert bzw. erhöht. Die Befestigung des dargestellten Schwingungssensors 1 an einer zu überwachenden Maschine oder Anlage erfolgt über eine Schraubverbindung 22, kann darüber hinaus jedoch auch durch Verkleben realisiert werden. Schließlich ist aus 2 noch ersichtlich, daß oberhalb des Anzeige-Displays 10 Beschriftungsfelder 23 vorgesehen sind, die zum einen den Fortschritt des Schadenszustandes bei der Anzeige über die gelben LED's 15 symbolisieren, zum anderen eine Zuordnung der einzelnen roten LED' 16 zu den einzelnen Lagern ermöglichen.

Claims (21)

1. Schwingungssensor zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern, mit einem Gehäuse (2), mit einem Sensorelement (3), mit einer Auswerteelektronik (4) und mit mindestens einer Schnittstelle (5, 6), wobei die Auswerteelektronik (4) einen Analog/Digital-Wandler (7) und eine Signalaufbereitungseinrichtung (8) aufweist dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalaufbereitungseinrichtung (8) eine Vielzahl von durch das eine Sensorelement (3) erfaßten Signalen mit Hilfe einer Signalanalyse und eines Diagnosealgorithmus in einen den Zustand des überwachten Bauteils oder Lagers wiedergebenden Zustandswert umgewandelt werden, daß eine Anzeigeeinrichtung (9) mit einem Anzeige-Display (10) zur Anzeige des ermittelten Zustandswerts und mit mindestens einem Bedienelement (11, 12, 13) zur Parametereingabe und/oder zur Einstellung von Grenzwerten und/oder zur Auswahl einer Betriebsart vorgesehen ist, und daß die Schnittstelle (5) zwei Schaltausgänge aufweist, wobei der eine Schaltausgang einen Voralarm und der andere Schaltausgang einen Hauptalarm auslöst.
2. Schwingungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeige-Display (10) eine Farbanzeige, mit den Farbwerten grün, gelb, rot aufweist.
3. Schwingungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (5, 6) mindestens einen Schaltausgang, einen Parametriereingang und einen Strom- bzw. Spannungsversorgungseingang aufweist.
4. Schwingungssensor mit zwei Schnittstellen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Schnittstelle (6) einen Signaleingang für ein Signal beispielsweise eines externen Sensors aufweist und daß die zweite Schnittstelle (6) einen Strom- bzw. Spannungsversorgungsausgang für einen externen Sensor, beispielsweise einen Näherungsschalter aufweist.
5. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Speicher (19, 20) vorgesehen ist, der mit der Auswerteelektronik (4) verbunden ist, wobei in dem Speicher (19, 20) Parameterwerte und/oder Grenzwerte speicherbar sind.
6. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (4) eine Selbstlernlogik aufweist.
7. Schwingungssensor zur Zustandüberwachung mehrerer rotierender Bauteile oder Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Schaltausgang der Zustandswert des Bauteils oder des Lagers mit dem höchsten Schädigungsgrad anliegt.
8. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) näherungsweise quaderförmig ausgeführt ist und eine angeschrägte Oberseite (21) aufweist, und daß in der angeschrägten Oberseite (21) die Anzeigeeinrichtung (9) integriert ist.
9. Schwingungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Metall, insbesondere Aluminium, oder aus Kunststoff besteht und mindestens der Schutzart IP 65 genügt.
10. Verfahren zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern mit einem ein Sensorelement und eine Auswerteelektronik aufweisenden Schwingungssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die von dem Sensorelement erfaßten Signale mit Hilfe einer Signalanalyse und eines Diagnosealgorithmus in einen den Zustand des überwachten Bauteils oder Lagers wiedergebenden Zustandswert umgewandelt werden, wobei die Signale von dem Sensorelement kontinuierlich oder quasi kontinuierlich erfaßten werden, die Signalanalyse sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich erfolgt und wobei im Zeitbereich dynamische Betrags-Mittelwerte und/oder Peakwerte berechnet werden, wobei der Diagnosealgorithmus in Abhängigkeit von abgespeicherten und/oder berechneten Parametrierdaten und Grenzwerten erfolgt, wobei mit Hilfe des Diagnosealgorithmus einzelne Signale zu Kennwerten zusammengefaßt werden und die Kennwerte mit Grenzwerten verglichen werden, wobei die einzelnen Signale entsprechend ihrer Relevanz gewichtet werden, und wobei die einzelnen Kennwerte gegebenenfalls unter Berücksichtigung unterschiedlicher Gewichtung und unter Berücksichtigung des Betriebszustandes zu einem Zustandswert zusammengefaßt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanalyse auf Basis einer Fourier-Transformation (FT), einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder einer Hüllkurven-Fast-Fourier-Transformation durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Frequenzbereich die der Signalanalyse zugeführten Werte manipuliert, d.h. einzelne Signale gewichtet, gefiltert, gefenstert und/oder moduliert werden.
13. Verfahren Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grenzwerte der Filterung in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen variabel einstellen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennwerte und/oder der Zustandswert einer Plausibilitätsüberprüfung unterzogen wird, so daß Meßfehler erkannt werden und nicht zu einem fehlerhaften Zustandswert führen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte in Abhängigkeit der Parametrierdaten und der aktuellen Betriebsbedingungen in einem Teach In Modus automatisch berechnet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Parametrierdaten aus einer graphischen und/oder tabellarischen modellhaften Beschreibung der zu überwachenden Maschine, Bauteile oder Lager selbstständig generiert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabe der Parametrierdaten über eine Eingabeeinheit, insbesondere einen Rechner oder PC erfolgt.
18. Verfahren zur Zustandüberwachung von rotierenden Bauteilen oder Lagern bei verschiedenen Drehzahlen nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte automatisch an die jeweilige Drehzahl angepaßt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl selbstständig erkannt bzw. gemessen wird und einer Plausibilitätsüberprüfung unterzogen wird, so daß ein Fehler in der Drehzahlbestimmung erkannt und korrigiert werden kann.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Teach In Modus die Grenzwerte in Abhängigkeit der Parametrierdaten bei einer Betriebsdrehzahl berechnet werden und eine selbstlernende Auswertelogik die Grenzwerte bei anderen Drehzahlen automatisch berechnet.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandswerte kontinuierlich gespeichert werden und aufgrund der bisher ermittelten Zustandswerte eine Berechnung der noch zu erwartenden Zeitdauer bis zum Auftreten eines die Funktionsfähigkeit des rotierenden Bauteils und/oder des Lagers beeinträchtigenden Schadens ermittelt wird.