Condition Monitoring Zustandsbasierte Instandhaltung mit drahtlosen MEMS (Teil 1)

MEMS-Sensorik ist so ausgereift, dass sie IEPE-Sensoren zur vorausscheuenden Wartung in Antrieben ablösen können. Diese dreiteilige Artikelserie zeigt Vorzüge und Nutzen anhand einer MEMS-Entwicklung.

Für eine frühe Fehlererkennung bzw. Fehlervorhersage ist unter anderem die Sensor-Bandbreite wichtig, um Anlagen-/Motorfehler wie Kavitation, Lagerprobleme und Zahnradeingriffe zu erkennen. MEMS-Sensoren haben sich enorm weiterentwickelt und können in modernen CbM-Systemen althergebrachte Schwingungssensoren vorteilhaft ersetzen. Dennoch ist die Entwicklung eines für CbM-Anwendungen geeignet MEMS-Sensors nicht trivial, lohnt sich aber. Ergebnis: eine noch sensiblere und sicherere Zustandsüberwachung. In aller Ausführlichkeit zeigt daher dieser dreiteilige Technologieartikel die Vorzüge, den Nutzen und die immensen Kostenersparnis durch Condition based Monitoring (CbM).

Was Sie in dieser Artikelserie erwartet:

Der vorliegende Teil 1 diskutiert beispielhaft Design-Einschränkungen bei der Auswahl eines geeigneten MEMS-Sensors und drahtlosen Transceivers zur zustandsbasierten Wartung beim Einsatz in rauen HF-Umgebungen. Im Verlauf erklärt dieser Artikel die Voyager-Plattform, eine robuste, drahtlose Mesh- Vibrations-Überwachungs-Plattform mit geringem Stromverbrauch. Diese erlaubt es den Entwicklern, schnell ein drahtloses Überwachungssystem in einer Maschine oder einen Testaufbau zu integrieren.

Im Teil 2 geht es u.a. um die Analysefähigkeit bei Pumpen-Anwendungen. Markttrends und Umsatzwachstum werden skizziert. Es folgen technische Betrachtungen zum drahtlosen CbM-Modul EV-CBM-VOYAGER3-1Z, zu SmartMesh-Netzwerken, Signalketten und den Stromverbrauch.

Teil 3 thematisiert die unterschiedlichen mechanischen Fehlerarten wie Unwucht, Ausricht- und Lagerfehler am Motor, die das System Voyager aufdecken kann. Weiterhin diskutiert der Artikel am Beispiel Voyager detailliert die reale Leistung sowie mehrere unterschiedliche Betriebsmodi, die zwischen Arbeitsweisen mit höheren Datenraten und extrem geringem Stromverbrauch variieren.

Der aktuelle Stand der MEMS-Technik

Die Leistungsfähigkeit von MEMS-Beschleunigungsaufnehmern ist inzwischen so sehr gestiegen, dass MEMS jetzt mit den weit verbreiteten Piezo-Vibrationssensoren konkurrieren können. MEMS haben verschiedene Vorteile, wie eine geringe Verlustleistung, geringere Ausmaße und höhere Integrationsdichte, gekoppelt mit großen Bandbreiten sowie Rauschpegeln unter 100 µg/√Hz. Dies bedeutet, dass diese MEMS-Beschleunigungsaufnehmer völlig neue Möglichkeiten zur zustandsbasierten Instandhaltung (CbM=Condition Based Monitoring) bieten. Wartungs- und Anlageningenieure können damit Fehler in ihren Maschinen frühzeitig erkennen, schneller diagnostizieren, genauer vorhersagen und letztendlich vermeiden. Wegen des extrem geringen Leistungsbedarfs von MEMS-Beschleunigungssensoren, können nun auch drahtgebundene Systeme durch drahtlose Lösungen ersetzt und voluminöse einachsige Piezo-Sensoren von kleinen, leichten dreiachsigen Komponenten abgelöst werden. Daduch ist nun eine größere Palette an Maschinen kosteneffektiv und kontinuierlich überwachbar.

Ausfallkosten, die Condition Based Monitoring vermeidet

Es gibt Millionen von Elektromotoren, die kontinuierlich arbeiten und rund 45% der global benötigten Elektrizität verbrauchen. Die meisten dieser Motoren in kritischen Anwendungen werden vermutlich von einem drahtgebundenen CbM-System überwacht. Laut einer Studie mussten 82% der befragten Unternehmen ungeplante Wartungen durchführen, die bis zu 250.000 US-$/Stunde kosteten. Bei den Unternehmen, die ungeplante Stillstandzeiten hinnehmen mussten, dauerten diese durchschnittlich vier Stunden und kosteten, basierend auf zwei Stillstandzeiten im Durchschnitt, im Mittel 2 Mio. US-$.

Eine andere Studie fand heraus, dass 70% der Unternehmen sich nicht bewusst sind, dass Anlagen auch wegen Wartungs- oder Aktualisierungsarbeiten stillstehen. Dieser Bewusstseinsmangel, gekoppelt mit den Kosten der Stillstandzeiten, treibt die Firmen zur Digitalisierung, wobei 50% planen, in digitale Zwillinge und künstliche Intelligenz (KI) zu investieren. Mit dieser Massenbewegung hin zu Industrie 4.0 evaluieren Unternehmen die Digitalisierung der Industrielandschaft, um damit die Effizienz und Produktivität zu steigern.

Installieren und Warten des CbM-Systems

Ein wesentlicher Aspekt dieser Bewegung ist der Trend hin zu drahtlosen Sensorsystemen. Die CbM-Industrie wird in den nächsten Jahren von einem signifikanten Wachstum gekennzeichnet sein, wobei die drahtlosen Installationen für einen Großteil dieses Wachstums sorgen werden. Es wird erwartet, dass bis 2030 weltweit nahezu 5 Mrd. drahtlose Module in der smarten Fertigung eingesetzt werden. Dabei ist klar, dass die meisten kritischen Anlagen weiterhin ein drahtgebundenes CbM-System benutzen, aber was ist mit all den anderen Anlagen, die vor kurzem in Betrieb genommen wurden? Das Installieren von drahtgebundenen Lösungen ist in vielen bestehenden Fabriken meist nicht praktikabel, was die Nachfrage nach drahtlosen CbM-Lösungen weiter steigern wird. Da drahtgebundene CbM-Systeme die beste Leistungsfähigkeit, hohe Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit sowie Sicherheit bieten, werden sie auch weiterhin in den meisten kritischen Anlagen eingesetzt. Wegen dieser Vorteile werden drahtgebundene Systeme auch nach wie vor in Fabrikneubauten installiert. Bei einer Installation von drahtgebundenen CbM-Systemen müssen die Kabel in den Werkhallen verlegt werden, was schwierig sein kann, besonders wenn bestimmte Maschinen nicht in ihrem Betrieb unterbrochen werden dürfen. In drahtgebundenen Sensor-Netzwerken werden üblicherweise 60 m Kabel verlegt, was einschließlich Material und Arbeitsaufwand in einer Installation zwischen 3.000 und 20.000 US-$ kosten kann. In einigen Fällen sind auch Kabelbäume erforderlich, die weitere Komplexität einbringen und die zeitaufwändig zu installieren sein können. Werden Kabel durch die bestehende Infrastruktur geführt, kann es später unmöglich sein, sie zu ersetzen oder neu zu verlegen, wenn sie beschädigt sind oder ausgebaut werden müssen.

Obwohl ein drahtloses System anfangs teurer erscheinen mag, können einfachere Wartungsroutinen und die leichtere Skalierbarkeit über die gesamte Lebenszeit des CbM-Systems zu signifikanten Kosteneinsparungen führen.

Zu diesen Kosteneinsparungen tragen auch ein geringerer Wartungsaufwand und einfachere Verkabelung mit der dazugehörigen Hardware bei. Abhängig davon, wie häufig Informationen abgerufen werden müssen, können Batterien von drahtlosen CbM-Systemen mehrere Jahre lang einwandfrei arbeiten. Wenn zudem ein drahtloses System, das auf Energy Harvesting basiert, zum Einsatz kommt, wird die Wartung noch einfacher und preisgünstiger. Hat man sich für ein drahtloses System entschieden, muss man sich als nächstes darauf konzentrieren, welche Technologie sich am besten für die eigene CbM-Anwendung eignet.

Ein Vergleich drahtloser Sensor-Netzwerke

Obwohl drahtlose Netzwerke bereits seit Jahrzehnten Verwendung finden, werden sie erst seit kurzem wegen ihrer Vorteile bezüglich geringem Leistungsverbrauch und hoher Immunität gegenüber starken HF-Interferenzen verbreitet in Fabriken genutzt. Nachfolgend erklärt der Artikel die Vorzüge der verschiedenen vermaschten Netzwerke (mesh networks).

Es gibt dazu mehrere gängige Techniken für den Aufbau von Netzwerken geringer Datenrate mit geringem Leistungsverbrauch, wie Bluetooth-Low Energy, Zigbee und 6LoWPAN. Wenn man ein Netz mit dicht beieinander liegenden drahtlosen Sensorknoten entwickelt, die relativ geringe Datenmengen über kurze Entfernungen übertragen, wie man es in einer Fabrikhalle vorfindet, dann ist dieses Netzwerktechnik, ein so genanntes vermaschtes Netzwerk mit geringer Datenübertragung (mesh) oder Many-to-Many-Netzwerk, gut geeignet.

Mesh-Netzwerke können für Infrastruktur-Knoten verwendet werden, die alle drahtlos miteinander verbunden sind, wie in Bild 1 zu sehen. Diese Knoten können sich gegenseitig helfen, ein Funksignal zu verstärken oder sogar umzuleiten, wenn die Kommunikationsverbindung zwischen zwei bestimmten Knoten durch Interferenzen oder Rauschen gestört ist. Eine der wichtigsten Eigenschaften der Mesh-Technik ist die Fähigkeit, Daten von einem Sensor-Mess/Sende/Empfangs-Modul (Mote) zu einem anderen im Netzwerk via andere Motes zu senden, was den Aufbau eines großen Netzwerks von miteinander verbundenen Geräten erlaubt, das große Bereiche abdeckt, dabei aber nur sehr wenig Energie verbraucht. Der Abstand von Mote 1 zu Mote 3 in Bild 1 bedeutet beispielsweise, dass diese beiden nicht direkt miteinander kommunizieren können. Mote 1 kann aber Daten an Mote 3 via Mote 2 senden, ohne dass eine direkte Verbindung zwischen Mote 1 und Mote 3 besteht.

Bild 2 zeigt das Beispiel einer Fabrikhalle in dem Mote 1 die Vibrationen eines Motors erfasst. Diese Daten müssen an Mote 6 übertragen werden, aber die Entfernung ist für die Leistung des Senders von Mote 1 zu groß. Um Daten direkt von Mote 1 zu Mote 6 zu übertragen, wären eine höhere Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit nötig. Eine höhere Sendeleistung führt jedoch normalerweise zu höherem Verbrauch durch höhere Spitzenströme und erfordert größere Batterien. In einem Mesh-Netzwerk können diese Daten entlang der Reihe von Mote 1 bis Mote 6 geleitet werden. Die von jedem dieser Geräte erforderliche Leistung, um über die kürzere Distanz zu senden, ist wesentlich geringer als die von einer direkten drahtlosen Verbindung über den größeren Bereich der gesamten Werkhalle hinweg.

Die Hauptvorteile eines Mesh-Netzwerks sind die Folgenden:

• Selbstkonfigurierend: Da Industrie 4.0 zur Realität wird, streben Werkleiter nach höherer Leistung, weil ihre Unternehmen immer stärker digitalisiert werden. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Fähigkeit hochdichte Cluster von drahtlosen Geräten für kleine geografische Standorte hinzuzufügen und dabei eine sehr zuverlässige Übertragungsleistung beizubehalten – in manchen Fällen bereits so gut wie bei drahtgebundenen Systemen – wobei keine oder nur eine geringe manuelle Konfiguration nötig ist, da sich die Motes selbst konfigurieren.

• Selbstheilend: Mesh-Netzwerke übertragen kontinuierlich Daten und sind deshalb auch kontinuierlich Störungen in der Fabrikhalle aufgrund von Rauschen, Interferenzen, Mehrwegeausbreitung (mulitipath), störender Reflexionen (fading reflections) etc. ausgesetzt. Das SmartMesh-IP-System (Manager und Knoten) erkennt den Rauschpegel eines jeden Knotens und nutzt diese Daten, um Signale von potentiell verrauschten Pfaden wegzuleiten.

• Abdeckung: Die Größe des Netzwerks kann einfach modifiziert werden durch Hinzufügen oder Entfernen von Motes. Wie in Bild 2 dargestellt, kann der Bereich der Abdeckung einfach erweitert werden, ohne einen erhöhten Energieverbrauch bei den drahtlosen Geräten zu verursachen.

Drahtlos-Techniken mit geringem Strombedarf

LoRa oder LoRaWAN erlauben die Kommunikation mit geringen Datenraten über große Entfernungen bis 6 km (bis zu sechs Meilen), und verbrauchen dabei nur wenig Energie. Sie basieren auf unterschiedlichen Frequenzbändern und implementieren die direkte (peer-to-peer) Kommunikation. Deshalb sind diese Lösungen ideal für die direkte Kommunikationen über große Entfernungen bei geringem Leistungsbedarf. NB-IoT oder zellulare Kommunikation ist teurer sowie komplex in der Implementierung und verbraucht auch mehr Leistung als Mesh-Techniken – bei geringeren Datenübertragungsraten. Sie bietet jedoch einen qualitativ hochwertigen zellularen Service und direkten Zugriff auf die Cloud. Wenn die drahtlose Lösung im Vergleich zu Zigbee einen zellularen Zugriff über große Entfernungen benötigt, kann es Wert sein LTE-M in Betracht zu ziehen.

MEMS ersetzen piezoelektrische Vibrationssensoren

Bis vor kurzem konnten MEMS-Sensoren bei der Früherkennung von fehlerhaften Vibrationssignaturen bei kritischen Anlagen und rotierenden Maschinen noch nicht mit IEPE-Vibrationssensoren konkurrieren, wie in Bild 3 dargestellt. Die Haupteinschränkungen von MEMS-Sensoren betrafen Rauschen, Bandbreite und Beschleunigungsbereich. Die Bandbreite ist wichtig, weil ein Großteil von Anlagen/Motorfehlern, wie Kavitation, Lagerprobleme und Zahnflankenspiel häufig erst bei Frequenzen über 5 kHz auftreten und die Zeit natürlich ein wichtiger Faktor bei der Erkennung dieser Fehler ist. Der Beschleunigungsbereich (g-range) ist wichtig, weil größere Anlagen Stoßbelastungen mit einigen Hundert g erzeugen können, und damit MEMS-Sensoren zerstören, die für weniger raue Betriebsbedingungen ausgelegt sind.

Ursprünglich wurden die meisten MEMS-Sensoren speziell für unterschiedliche Applikationen entwickelt und besaßen deshalb meist nicht mehr als nur eine anwendungsspezifische Eigenschaft, wobei für CbM mindestens drei davon erforderlich sind. Aufprallsensoren im Automobil sind ein gutes Beispiel für ein applikationsspezifisches Bauteil mit nur einer hochentwickelten Eigenschaft. Sie sind für einen großen Beschleunigungsbereich ausgelegt, haben aber für den Einsatz in CbM und vielen anderen Anwendungen eine unzureichende Bandbreite und/oder zu hohes Rauschen. Einen MEMS-Sensor zu entwickeln, der sich für den Einsatz in CbM-Applikationen eignet, ist äußerst schwierig, weshalb dies bis heute auch nur sehr wenige Anbieter gemacht haben.

Um die Verbesserungen bezüglich der Leistungsfähigkeit der MEMS-Sensoren für CbM zu illustrieren, wurde ein Vergleich zwischen zwei Einachsen-MEMS-Beschleunigungsaufnehmern mit analogem Ausgang durchgeführt, die 2010 und 2017 auf den Markt kamen. Tabelle 2 zeigt diesen Vergleich. Beide MEMS-Beschleunigungsaufnehmer wurden für Vibrationsmessungen in CbM-Anwendungen entwickelt. Während die Bandbreite beider Sensoren ziemlich hoch ist, sind die Verbesserungen bezüglich des Rauschens am signifikantesten. Damit können MEMS-Sensoren nun auch mit IEPE-Piezo-Vibrationssensoren konkurrieren.

Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurden diese Rauschverbesserungen auch in einige dreiachsige industrielle Hochleistungs-MEMS-Sensoren implementiert. Obwohl diese Sensoren nicht speziell nur für die Vibrationsmessung entwickelt wurden, sind es extrem hochleistungsfähige MEMS-Sensoren, die bei voller Bandbreite Vibrationen unter 1 mg(rms) erkennen. Gekoppelt mit einer exzellenten Stabilität und Zuverlässigkeit haben diese Sensoren auf einer großen Palette von Maschinen sehr effektive CbM-Applikationen bewiesen, entweder als alleiniger Vibrationssensor oder zusammen mit anderen MEMS/IEPE-Sensoren großer Bandbreite.

MEMS-Sensoren mit extrem geringem Rauschen und schmaler Bandbreite (<5 kHz) spielen in vielen Anlagen bei der Erkennung von Vibrationen eine wichtige Rolle. Dies besonders in solchen, in denen die Rotationsgeschwindigkeit gering und eine Antwort im Sub-Hertz-Bereich von Vorteil ist. Dies ist bei Anlagen in der Papierverarbeitung/Fräsen, Lebensmittel/Pharmazie, Windgeneratoren und der metallverarbeitenden Industrie der Fall. Tabelle 3 illustriert die Leistungsverbesserungen bei mehrachsigen MEMS-Sensoren von 2009 bis 2017. Man sollte beachten, dass zum Erreichen größerer Bandbreiten, geringerem Rauschen und weiteren Beschleunigungsbereichen, andere Spezifikationen wie der Standby-Strom mehr mit universelleren MEMS-Sensoren verglichen werden.

Welche Vibrationssensoren üblicherweise eingesetzt sind

Unternehmen, die aufgrund ungeplanter Stillstandzeiten große Umsatzeinbußen zu befürchten haben, werden auch weiterhin auf drahtgebundene Lösungen setzen, da sie basierend auf 12- bis 20-Bit-Sensoren, die höchstmögliche Zuverlässigkeit und Genauigkeit bieten. Auch lassen sich hier die höheren Kosten einer Kabelinstallation leichter rechtfertigen. Für weniger kritische Anlagen sind die Leistungsanforderungen nicht so streng und die Einschränkungen für Kapitalausgaben deutlich höher. Vibrationssensoren mit Auflösungen von 10 bis 16 Bit sind dabei akzeptabel und dies ist auch der Bereich, der heute von den meisten drahtlosen MEMS-basierten CbM-Systemen abgedeckt wird.

MEMS-Hauptvorteil ist der geringe Leistungsverbrauch

Für weniger kritische Anlagen gibt es eine Nachfrage nach Hochleistungs-Vibrationsmessungen und diese Nachfrage wächst, da Industrieunternehmen immer stärker digitalisieren und ihre Anstrengungen erhöhen, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern sowie Produktion und Effizienz zu steigern. Traditionell waren die Kosten der limitierende Faktor für die Nutzung von Piezo-Vibrationssensoren in weniger kritischen Anlagen. Da immer mehr Entwickler den Wert und die Flexibilität erkennen, die ihnen MEMS-Sensoren in diesen Szenarien bieten können, ändert sich dies jetzt jedoch zunehmend. Bild 4 illustriert die potenzielle Auflösung von Vibrationssensoren mit 10 bis 24 Bit. Obwohl die Auflösung von MEMS-Sensoren deutlich geringer ist, ist der Leistungs-/Kostenvergleich attraktiv genug, um auch die Überwachung von weniger kritischen Anlagen zu rechtfertigen.

Einer der Hauptvorteile von MEMS-Sensoren ist ihr geringer Leistungsverbrauch, der typisch im Bereich von µA liegt, aber auch hinunter bis in den nA-Bereich reichen kann. Damit eignen sie sich ideal für den Einsatz in drahtlosen CbM-Applikationen. Obwohl auch einige Piezo-Sensoren einen geringen Leistungsverbrauch von rund 200 µA haben, fehlen ihnen integrierte Funktionen und sie sind verglichen mit MEMS-Sensoren teuer. Es existieren zwar einige spezialisierte drahtlose Vibrationssensoren, die auf Piezo-Sensoren basieren und die bei Abtastraten von bis zu 104 kHz eine Auflösung von 24 Bit bieten, aber verglichen mit MEMS-Sensoren ist ihre Batterielebenszeit sehr begrenzt. Diese drahtlosen Vibrations-Sensorsysteme haben bei kontinuierlichem Betrieb eine Batterielaufzeit von typisch nur acht Stunden. Ein weiterer wichtiger Vorteil von MEMS ist die Tatsache, dass man bis zu drei Achsen in ein kleines Gehäuse integrieren kann. Ein dreiachsiger Piezo-Sensor wird hingegen noch teurer sowie größer und benötigt mehr Schaltungen für die Signalkonditionierung, womit er sich noch weniger für drahtlose Anwendungen eignet.

An dieser Stelle endet der Teil 1 der Serie. Alle Folgen finden Sie auf der Seite www.leistungselektronik.de im Themenkanal Motion Control. Sie sind untereinander wie eingangs beschrieben verlinkt.

* * Chris Murphy ... ist Applications Engineer bei ADI in Dublin, Irland.

* Richard Anslow ... ist System Applications Engineer bei ADI.

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