In der Industrie ist Vibration mehr als nur Lärm; sie ist ein frühes Warnsignal für eine Fehlfunktion, die, wenn sie ignoriert wird, zu Geräteabschaltungen und schweren Verlusten führen kann. Ein plötzlicher Lagerschaden an einer kritischen Pumpe oder einem Getriebe kann stundenlange Ausfallzeiten zur Folge haben, die Zehntausende von Dollar an Schäden kosten, ganz zu schweigen von den Sicherheitsrisiken.

Seit Jahrzehnten verlassen sich Ingenieure auf die präventive Wartung (PM) oder, im schlimmsten Fall, auf die reaktive Reparatur. Im Kontext von Industrie 4.0 ist dieser Ansatz jedoch nicht mehr effektiv. Die prädiktive Wartung (Predictive Maintenance), basierend auf kontinuierlicher Schwingungsüberwachung, wird zum Standard und ermöglicht die präzise Bestimmung von Ausfällen Wochen oder sogar Monate vor ihrem Eintreten. Der Erfolg der prädiktiven Wartung hängt von drei Schlüsselkomponenten ab:

• Datenerfassung;
• intelligente Datenverarbeitung (vorzugsweise am Rand – so genanntes „Edge Computing“);
• nahtlose Integration mit der übergeordneten Ebene.

Die moderne Industrie bietet bereits Lösungen mit integrierter Fehlerdiagnose und prädiktiver Analytik an. Nehmen wir zum Beispiel SKF Insight, das einen Schwingungssensor in das Lager integriert. Obwohl diese Lösung unter dem Gesichtspunkt der Installation praktisch erscheint, ist es wichtig, die Kompromisse zu bedenken:

• Optimaler Messpunkt: Ein Ingenieur/Analytiker, der externe Messwerkzeuge verwendet, kann einen hochsensiblen Sensor an der optimalen Stelle installieren – so nah wie möglich am verdächtigen Lager oder Getriebe, was mit einem im Lager eingebauten Sensor unmöglich zu erreichen ist;

• Datenqualität und Diagnose: Anforderungen an die Miniaturisierung wirken sich oft auf die Datenqualität aus, da diese auf ein allgemeines Niveau vereinfacht werden müssen, was eine tiefe Spektralanalyse verhindert. Diese ist jedoch entscheidend für die genaue Identifizierung der Art des Defekts (z. B. Fehlausrichtung oder Verschleiß eines bestimmten Lagerelements);

• Betriebskosten (Cost of Ownership): Ein weiterer wesentlicher Nachteil solcher innovativen Lösungen ist der erhebliche Anstieg der Kosten des Hauptgeräts (Lager), was die Betriebskosten für den Austausch erhöht.

Die Schwingungsüberwachung ist ein Schlüsselelement beim Übergang von „Reparatur nach Bedarf“ zur geplanten Wartung. Sie basiert auf Messungen der Schwingungen des Maschinengehäuses und der Datenanalyse nach Zonen (A-D) der Norm ISO 20816*, wobei der Effektivwert (RMS, mm/s) der Schwinggeschwindigkeit die primäre Kennzahl für eine breite Palette von Maschinen ist. Da die Diagnose auf einer Frequenzgang-Analyse basiert, bestimmt der unterstützte Frequenzbereich direkt die Genauigkeit der Defekterkennung. Beispielsweise reicht eine Bandbreite von bis zu 1 kHz für die Unwuchtdiagnose aus, aber ein Bereich von 10 kHz und mehr ist entscheidend für die Früherkennung von Lagerdefekten.

IPC2U bietet externe Überwachungs- und Diagnoselösungen an, die auf Lösungen von Advantech und ICP DAS basieren. Diese Lösungen senken die Kosten, beschleunigen die Implementierung und gewährleisten qualitativ hochwertige Diagnosedaten.

Drahtlose Steuerung: Einfachheit und Skalierbarkeit

Wenn das Ziel darin besteht, schnell eine verteilte Überwachung ohne Kabelverlegung aufzubauen oder hunderte von Geräten an schwer zugänglichen Stellen massenhaft zu überwachen, ist der drahtlose Sensor WISE-2410-EB von Advantech die optimale Lösung. Er nutzt die drahtlose LoRaWAN-Technologie zur Datenübertragung über große Entfernungen, verfügt über einen integrierten 3-Achsen-Beschleunigungssensor sowie einen Temperatursensor und berechnet acht Schwingungscharakteristiken direkt an Bord, wodurch er Diagnosezeichen anstelle von Rohsignalformen senden kann:

Die drei Schlüsselindikatoren sind:

• Geschwindigkeits-Effektivwert (VRMS);
• Beschleunigungs-Effektivwert (ARMS);
• Spitzenwert (Peak);

5 Indikatoren für Schwingungs- und statische Analysen sind:

• Bias (Verschiebung);
• Kurtosis (Wölbung/Steilheit);
• Crest-Faktor (Scheitelfaktor);
• Asymmetrie;
• Standardabweichung.

Die Schutzklasse dieses Geräts ist IP66, der Betriebstemperaturbereich liegt bei -20 bis +85°C, und die Konformität mit ISO 10816 und 20816 wird erklärt. Typische Objekte sind Pumpen, Kompressoren, Elektromotoren und Getriebe, die bei mittleren und niedrigen Geschwindigkeiten arbeiten. Dieser Ansatz ist praktisch für schwer zugängliche Komponenten und große Bereiche mit Dutzenden von Punkten. Der Messbereich von 5 bis 1000 Hz zeigt an, dass der Sensor für die Diagnose mechanischer Probleme geeignet ist, die bei niedrigen und mittleren Frequenzen auftreten.

Die Einrichtung des Sensors dauert nur wenige Minuten:

1. Öffnen Sie das Gehäuse, setzen Sie zwei AA 3,6V-Batterien ein (das Gerät arbeitet bis zu zwei Jahre lang autonom) und drücken Sie den Netzschalter.
2. Verbinden Sie den WISE-2410 über Micro-USB mit einem Computer und verwenden Sie das Dienstprogramm Advantech WISE Studio, um den Status und die Grundkonfiguration zu überprüfen und zu bestätigen, dass der Sensor alle 8 Diagnosefunktionen berechnet;

Um Daten von WISE-2410-EB Geräten zu übertragen, ist ein spezielles Gateway erforderlich. Die ideale Lösung ist das WISE-6610-EB – ein industrielles LoRaWAN-Gateway, das bis zu 5.000 Knoten unterstützt.

WISE-6610 fungiert als Hub und Edge-Server:

• Empfängt vorverarbeitete Diagnosedaten (VRMS, Crest-Faktor) von Hunderten von WISE-2410-Sensoren per Funk;
• aggregiert Daten und wandelt sie in Standardprotokolle um (z. B. MQTT oder Modbus TCP);
• veröffentlicht Daten auf einem Anwendungsserver und ermöglicht so eine nahtlose Integration in jedes Cloud- oder On-Premises-SCADA-System.

Kabelgebundene Diagnose und Hochfrequenzmessung

Dort, wo kabelgebundene Kommunikation, stabile Abfragezyklen und raue Umgebungsbedingungen erforderlich sind, ist der intelligente Schwingungssensor WISE-2460-MA von Advantech geeignet. Das Gerät arbeitet über einen RS-485-Bus und das Modbus-RTU-Protokoll. Es misst Schwingungen entlang einer einzelnen Z-Achse in einer Bandbreite von 5 Hz bis 10 kHz. Es unterstützt Berechnungen von VRMS/ARMS/Peak und Verschiebung. Es verfügt über einen weiten Temperaturbereich von -20 bis +105 °C und ist nach IP68 zertifiziert. Dadurch eignet es sich für verrauschte EMV-Umgebungen und für Anwendungen, bei denen der Sensor direkt in eine bestehende SPS/SCADA-Infrastruktur ohne zusätzliche Gateways integriert werden muss.

In Fällen, in denen eine hohe obere Frequenzgrenze entscheidend ist und die Speisung von IEPE-Beschleunigungssensoren erforderlich ist, kann der Ingenieur einen Messpfad auf der Grundlage von ICP DAS-Lösungen aufbauen. iSN-701-F15-L0xx IEPE-Beschleunigungssensoren (z. B. Optionen mit 15 kHz, 100 mV/g) sind als Sensoren erhältlich, die über einen BNC-Anschluss mit den Rekordern der AR-Serie verbunden werden. Diese Kombination ermöglicht die Aufzeichnung von Stoßereignissen, Lagerdefekten sowie Demodulations-/Spektralanalysen mit der erforderlichen Bandbreite. Für Anwendungen, die eine Integration in bestehende SCADA-Infrastrukturen ohne die Notwendigkeit einer Hochgeschwindigkeits-Digitalisierung erfordern, bietet ICP DAS MEMS-basierte Schwingungssensormodule mit Frequenzbereichen bis zu 1 kHz an ( iSN-711 , iSN-713 Serie, wobei die letzte Ziffer im Modellnamen die Anzahl der Achsen angibt). Sie berechnen die wichtigsten Diagnoseindikatoren an Bord und übertragen die Daten über den RS-485-Bus unter Verwendung des Modbus-RTU-Protokolls.

Die Serien AR-200 / AR-300-T / AR-400 sind leistungsstarke Eingangsmodule für dynamische Signale zur Schwingungsüberwachung und -analyse: bis zu 200 kHz (AR-200) und bis zu 125 kHz (AR-300-T/AR-400) gleichzeitig auf jedem Kanal, ein 16-Bit-ADC, integrierte 3 mA IEPE-Stromversorgung, Datenaufzeichnung auf einer microSD-Karte für die anschließende Offline-Analyse, Modbus-TCP-Unterstützung und erweiterte Triggermodi (Taste, Scheduler, Schwellenwert, diskreter Eingang, Fernbefehl). Die Software umfasst Berechnungen von Geschwindigkeit/Beschleunigung/Verschiebung und FFT sowie Werkzeuge zum Extrahieren und Analysieren von Aufzeichnungen. Dies deckt detaillierte Diagnose- und Untersuchungsaufgaben ab, bei denen Momentanspektren, Rohdaten und langfristige Trends wichtig sind.

Und wenn die Aufgabe nur darin besteht, Rohdaten für die spätere Verarbeitung zu gewinnen, schlägt ICP DAS die Verwendung vor:

• MEMS-Beschleunigungssensoren: iSN-703-F1-L015 + Ethernet-Modul mit Geschwindigkeitsmessfunktion PET-7H16M oder Signalwandler SG-3037-G;
• IEPE-Beschleunigungssensoren: iSN-701-F15-L030 / iSN-701-F15-L060 + Hochgeschwindigkeits-Eingangsmodul PET-AR400 oder Konverter SG-3227.

Für Pilotprojekte zur vorausschauenden Wartung (PHM), Desktop-Anwendungen und Fälle, die hohe Abtastraten und die Arbeit mit Rohwellenformen erfordern, ist das Advantech WISE-750 (Intelligent Vibration Sensing Gateway) eine kluge Wahl. Dieser einsatzbereite Knoten verfügt über vier simultan digitalisierte Analogeingänge mit bis zu 200.000 Abtastungen pro Sekunde, Trigger, Ethernet-Protokollierung, digitale Alarmausgänge, zwei Ethernet-Ports (mit Daisy-Chaining) und ein integriertes ML-Trainingsprogramm. Es deckt typische PHM-Szenarien ab, ohne dass eine stückweise Montage erforderlich ist.

Offene Plattform von ICP DAS für fortschrittliche Edge-Analytics

Für Integratoren und Ingenieure, die eine völlig offene Umgebung für die Entwicklung und Implementierung eigener Algorithmen benötigen (z. B. ML-Modelle oder benutzerdefinierte FFT-Analysen), bietet ICP DAS eine Plattform an, die auf den Controller-Serien AXP-9000-IoT (Windows 10 IoT) und ALX-9000 (Linux Ubuntu mit einem Kernel von 6.9) basiert, zur Installation in den Gehäusen der Module der Serien e-AR300T und e-AR400 e-9K, die wiederum mit iSN-701 IEPE-Beschleunigungssensoren verbunden sind.

Diese Lösung ist im Wesentlichen ein leistungsstarker Industriecomputer mit einer offenen Entwicklungsumgebung. Er kombiniert die hohe Rechenleistung des Controllers mit der Fähigkeit zur dynamischen Hochgeschwindigkeits-Signal-Digitalisierung (einschließlich der integrierten IEPE-Schnittstelle). Das System ermöglicht die Verarbeitung von Rohdaten (in den Formaten .csv, .txt und .tdm) und die Berechnung aller wichtigen Merkmale (Geschwindigkeit, RMS, Peak, Crest-Faktor und FFT) innerhalb eines einzigen Geräts. Um die Anwendungsentwicklung zu beschleunigen, stellt der Hersteller ein SDK mit Demos in Visual C++, Visual Basic, C#.NET, Visual Basic.NET und LabVIEW zur Verfügung. Die Vorteile für Ingenieure sind klar: maximale Flexibilität und vollständige Kontrolle über den Datenanalyseprozess an der Edge.

Empfehlungen für die Auswahl einer Lösung

Praktische Anwendungen des gesamten Stacks umfassen klassische Pumpen-Lüfter-Einheiten, Kompressoren, Walzwerksantriebe, Transportwagen usw. Hier ermöglichen drahtlose WISE-2410-Zugangspunkte eine schnelle Überwachung über ein breites Spektrum auf VRMS- und Schwellenwert-Alarmebene; kabelgebundene WISE-2460-Zugangspunkte bieten stabile Kommunikation und größere Reichweiten in rauen Umgebungen; WISE-750 bietet Hochgeschwindigkeitserfassung, lokale Trigger und ML für PHM; und eine Kombination aus ICP DAS IEPE-Sensoren und AR-Rekordern bietet eine vollwertige Schwingungsdiagnose mit einer hohen Frequenz von bis zu Hunderten von Kilohertz und der Speicherung von Datenarrays. Dieser kombinierte Ansatz skaliert von einem einzelnen kritischen Punkt bis hin zu einem Netzwerk von Knoten mit zentralisierter Visualisierung und Benachrichtigungen.

Aus der Integrationsperspektive ist alles recht einfach für Integratoren (Ingenieure):

• WISE-2410 veröffentlicht Merkmale über LoRaWAN durch ein Gateway an den Anwendungsserver;
• der WISE-2460 wird über RS-485/Modbus RTU mit einer SPS/Panel/SCADA verbunden;
• die WISE-750- und AR-Module kommunizieren über Ethernet (Modbus TCP), verfügen über Hardware-Ein-/Ausgänge und integrierte Protokollierung, was sowohl die lokale Alarmquittierung als auch die Datenaggregation auf einer höheren Ebene vereinfacht. Die AR-Serie bietet Benachrichtigungen und Unterstützung für Standard-RMS-Schwellenwerte in der ISO 20816-Logik sowie historische Daten und Spektren für eine verfeinerte Diagnose.

Die Empfehlungen für die Wahl einer Konfiguration lassen sich auf vier Fragen reduzieren:

1. Welcher Frequenzbereich wird tatsächlich benötigt: Wenn bis zu ~10 kHz pro Achse ausreichen, deckt der kabelgebundene WISE-2460 die Aufgabe ab; wenn höhere Frequenzen oder Rohwellenformen und FFTs für Lager/Stoßereignisse erforderlich sind, ist die IEPE + AR-Serie geeignet.
2. Welche Konnektivität und Stromversorgungsumgebung ist vorhanden: Wenn keine Kabel vorhanden sind und die Stromversorgung vor Ort möglich ist, lässt sich der WISE-2410 (LPWAN) schneller einsetzen.
3. Benötigen Sie lokale Trigger-Logik/ML und Wellenform-Archivierung? Argumente zugunsten des WISE-750 oder AR sind eine Überlegung wert.
4. Welche Einstellungen sollten vorgenommen werden: ISO 20816 Zonen für eine bestimmte Maschinenklasse (A-D) sind der Ausgangspunkt für Alarme (sie werden anschließend basierend auf Pilotergebnissen und Anlagenstatistiken angepasst).

Das Ergebnis für den Kunden ist ein umfassendes Messsystem, das drahtlose Überwachung, zuverlässige kabelgebundene Steuerung und umfassende Schwingungsdiagnose kombiniert. Dieser Ansatz reduziert Ausfallzeiten, vereinfacht die Wartung und erhöht die Zuverlässigkeit der Ausrüstung.