Condition Monitoring Systeme als Grundlage für Smart Data€¦ · Mit dem VIBGUARD XP* können...

© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 1

Marcel Kenzler / Dr. Edwin Becker - Windenergietage, 06.-08. November 2018, Linstow

Condition Monitoring Systeme als Grundlage für Smart Data

Erfahrungen, Potentiale und Beispiele

PRÜFTECHNIK Condition Monitoring GmbH

1. Problemstellung und Motivation

2. CMS als Datenlieferant

3. Zusammenfassung & Ausblick

Inhalt


Vorstellung Prüftechnik

Prüftechnik Condition Monitoring GmbH

• Entwicklung und Produktion von Messsystemen für die Ausrichtung

und Überwachung von Maschinen

• Service im Bereich industrielle Instandhaltung und

Qualitätssicherung

• Hauptsitz: Ismaning (bei München)

• Weltweit 20 Tochter- und 60 Vertriebsgesellschaften

• 300 Patente und 150 Warenzeichen

• Gegründet 1972 von Dieter Busch

• Mitglied der Prüftechnik Gruppe mit weltweit über 550 Mitarbeitern

• Homepage: www.pruftechnik.com

http://www.pruftechnik.com/


Condition Monitoring von WEA

- Condition Monitoring und die Zustandsdiagnose von Triebsträngen in

Windenergieanlagen basiert auf der Bewertung und Veränderung von:

Maschinenschwingungen (0,1 Hz…2 kHz)

Beschleunigungen (10 Hz….10 kHz)

Bewegungen (0 Hz…20 Hz)

Körperschallschwingungen (10kHz … 30kHz)

- Zunehmend werden aber auch Trends und Veränderungen in Schwingkennwerten

in Anlehnung an VDI 3834/ DIN ISO 10816-21 beim Condition Monitoring von

Triebsträngen in Windenergieanlagen verwendet.

- Beim Condition Monitoring werden Spektralanalysen und Trendbewertungen

durchgeführt. Es werden aber auch hochabgetastete Zeitsignale zur Identifikation von

Schädigungen aufgezeichnet.

- CMS werden in der Windbranche meist nur als „Insellösung“ eingesetzt. Sie sollen

nach DNV GL Daten in zwei Betriebszuständen liefern.

Ist - Situation:


DIN ISO 10816-21:2015 (VDI 3834)

Mechanische Schwingungen - Bewertung der

Schwingungen von Maschinen durch

Messungen an nicht-rotierenden Teilen

Teil 21: Windenergieanlagen mit horizontaler

Drehachse und Getriebe

Typisches Triebstrangkonzept mit Messpositionen an den Komponenten


Condition Monitoring von Anlagen und Systemen

Solch Schwingungsgrenzwerte und deren Überwachung mit CMS etablieren sich

zunehmend auch in anderen Branchen und die CMS liefern die Daten zur „klassischen“

Zustandsüberwachung.

Tendenziell zeigt sich bei einigen Anwendungen, dass die zugehörige diagnostische

Auswertung Wissens basiert, Daten getrieben und/oder hybrid erfolgt.

Wissensbasiert

Bearing Description BPFI (Hz) BPFI (O.) BPFO (Hz)BPFO (O.) BPF (Hz) BPF (O.) FTF (Hz) FTF (O.)

Main Bearing, SKF 240/900 ECA/CNLV012RE10 4,719 0,189 3,992 0,160 3,151 0,126 0,128 0,005

Main Bearing, FAG 240/900 F-601258.PRL-WOPS4,575 0,183 3,922 0,157 3,115 0,125 0,114 0,005

Main Bearing, NTN 240/900 BL1 4,572 0,183 3,867 0,155 3,184 0,127 0,123 0,005

Planet carrier PLS1 RS, NCF 28/900 V 0,000 0,343 0,000 0,310 0,000 0,207 0,000 0,005

Planet carrier PLS1 GS,NCF 18/750 V 0,000 0,327 0,000 0,293 0,000 0,197 0,000 0,005

Planet PLS1, LV 240 0,000 0,287 0,000 0,206 0,000 0,184 0,000 0,017

Planet carrier PLS2 RS,R 539 Z-1U303 0,000 1,637 0,000 1,513 0,000 1,248 0,000 0,024

Planet carrier PLS2 GS, R 390-3U303 0,000 0,922 0,000 0,806 0,000 0,658 0,000 0,023

Planeten PLS2, STFRN 2240 0,000 1,283 0,000 0,950 0,000 0,818 0,000 0,070

Low Speed shaft RS1, NU 2968 0,000 6,193 0,000 5,269 0,000 4,296 0,000 0,159

Low Speed shaft RS2,NU 240 0,000 3,765 0,000 2,834 0,000 2,407 0,000 0,149

Low Speed shaft GS1, QJ 240 0,000 3,330 0,000 2,560 0,000 2,150 0,000 0,149

Low Speed shaft (Cable Guide brg.), 6032 DDU 0,000 0,091 0,000 0,072 0,000 0,090 0,000 0,005

High speed shaft SRS RS1, NU 2220 0,000 9,820 0,000 7,170 0,000 6,250 0,000 0,422

High speed shaft SRS RS2,HR 30240 0,000 11,370 0,000 8,630 0,000 6,880 0,000 0,430

High speed shaft SRS GS1,NU 2232 0,000 10,350 0,000 7,650 0,000 6,530 0,000 0,430

High speed shaft SRS GS2,STF 32240 0,000 11,370 0,000 8,630 0,000 6,890 0,000 0,430

Generator A&B-Bearing, 1034M-SKF 317,500 12,700 257,500 10,300 241,750 9,670 11,250 0,450

Generator A-Bearing, 6034-SKF 211,000 8,440 164,000 6,560 196,000 7,840 11,000 0,440

Rotor PLS1 PLS2 SRS Generator

1 2 4

3

5

6

7 8

9 10

11 12w1

w2

w3

w4

w5

w6w

7

Z1

Z5

Z6

Z4

Z2

Z3

Z7

Z8

ID Description No. of teethNo. of planets

Z1 Ring PLS1 88

Z2 Planet PLS1 31 3

Z3 Sun PLS1 24

Z4 Ring PLS2 105

Z5 Planet PLS2 43 3

Z6 Sun PLS2 18

Z7 Gear SRS 95

Z8 Pinion SRS 33

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

01WT 80560\Bo sch-Re xro th B01\Pla ne ta ry Ge a r [A2_BS2]\1050 V200Hz_O 06.03.2018 00:04:22

07.02.2018

08.02.2018

09.02.2018

10.02.2018

12.02.2018

13.02.2018

14.02.2018

15.02.2018

16.02.2018

17.02.2018

19.02.2018

20.02.2018

22.02.2018

23.02.2018

24.02.2018

25.02.2018

01.03.2018

02.03.2018

03.03.2018

05.03.2018

Orders [-]

v rms [mm/s]

RPM : 1169 (19,48Hz)

Load : 2649,20

Datengetrieben

Hybrid

•Kennlinien

•Statistische

Auswertungen

•Kennfelder/Schaubilder

•KPI

•Prognostik

•…

•Konstruktiver Aufbau der

Anlage und Komponente

•Funktionsverhalten

•Fehlerbaumanalysen

FMEA/FMECA

•Spektralanalysen

•Schwingungsdiagnosen

…


Besondere Bedingungen / Gegebenheiten bei Windenergieanlagen

WEA sind sehr schwingungsfreudige / -sensitive Systeme und dauerhaft

ausfallkritisch

WEA müssen mit Eigenschwingungen und Resonanzen leben und sind

damit ausfallkritisch

Folgende Schwingungsarten sind bei WEA zu berücksichtigen:

aerodynamisch bedingte Schwingungen, Strukturschwingungen,

Maschinenschwingungen, Körperschallschwingungen, elektrisch bedingte

Schwingungen und Eigenschwingungen

Einige Schwingungsarten sind stark wetter- und betriebsabhängig!

Eine Orientierungsmöglichkeit für unzulässige Schwingungen bietet VDI

3834/ DIN ISO 10816-21 und natürlich Erfahrungen au

s IS

O 1

08

16

-21 / V

DI 3

83

4

Was in Daten nicht erfasst wurde, kann auch bei der Analyse nicht berücksichtigt werden!

Warum ist es sinnvoll, Windenergieanlagen hybrid auszuwerten?


Daten als Ware für den gesamten CM-Prozess

Messung Diagnose Prognose Produkt- / Prozess-

verbesserung

• Wissensbasierte

Diagnose

• Zustandsbasierte

Diagnose

• Präskriptive

Diagnose

• Flotten-Vergleich

Überlebens - /

Ausfallwahr-

scheinlichkeiten

• Musterkennung

• Lernen aus

Mustern

• Konstruktion und

Designverbes-

serung

• Optimale

Arbeitsbereiche

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,45

0,55

0,65

0,75

0,80

0,90

0,95

1,05

1,15

02WT 81312\Eickho ff E24\Sp ur Ge a r [A3] \1072 E800Hz6.0kHz_O 02.09.2016 01:13:46

02.09.2016

10.09.2016

05.11.2016

14.01.2017

02.04.2017

07.05.2017

02.07.2017

16.09.2017

18.10.2017

03.11.2017

10.11.2017

28.11.2017

M

Orders [-]

a rms [m/s²]

RPM : 1003 (16,71Hz)

Load : 552,91

M(x) : 50,91 - (850,84 Hz)

M(y) : 0,001 m/s²

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiv7PD-tNfaAhVQ3qQKHX2GCCkQjRx6BAgAEAU&url=http://www.gbe-bund.de/gbe10/f?f%3D16563D::Todesursachenstatistik&psig=AOvVaw3fYUTxP2jtDxKdOT72in2d&ust=1524814009343163

http://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiv7PD-tNfaAhVQ3qQKHX2GCCkQjRx6BAgAEAU&url=http://www.gbe-bund.de/gbe10/f?f%3D16563D::Todesursachenstatistik&psig=AOvVaw3fYUTxP2jtDxKdOT72in2d&ust=1524814009343163


Datenkategorien bei Windenergieanlagen

Ursachendaten Daten zur Beschreibung der Auswirkung

Zustandsdaten Technische Daten Zeitbezogene Daten

Schwingwerte zur

Identifikation von

Abweichungen

Daten zur

Charakterisierung

des technologischen

Turbinenzustands

(bspw. Leistung)

Ermittlung von

Komponenten- und

Turbinenzuständen

und Veränderungen

über die Zeit

Verschiedene Datenkategorien sind bei der Beurteilung von WEA zu

berücksichtigen


- Daten aus SCADA Systemen sind meist nur begrenzt verfügbar und

sind oft viel zu statisch. (teilweise nur als 10 Minuten Mittelwerte)

- Turbulenzeffekte werden nicht erfasst und berücksichtigt.

- CMS und SCADA sind zu wenig miteinander vernetzt, so dass

Potential verloren geht.

- Erfahrungen und Wissen werden zu wenig global benutzt.

Bedingungen / Gegebenheiten bezüglich Daten bei Windenergieanlagen



Flottenmanagement erlaubt Anlagenvergleich

KP

Assets

Zu

stä

nd

eD

ate

n

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000

-8,0

-7,5

-7,0

-6,5

-6,0

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

02WT 81312\Eickho ff E24\Sp ur Ge a r [A3] \1080 T 1.0kHz 01.05.2018 11:13:19

t [ms]

a [m/s²]

RPM : 1135 (18,92Hz)

Load : 2064,48

KPIs


IoT ermöglicht globale Vernetzung





Inhalt


Wind als Datenlieferant für das CMS

XY-Darstellungen erlauben das Bewerten von Zusammenhängen sowohl zwischen

Betriebs- und SCADA Zustandsparametern als auch zwischen Schwingungen und

Betriebsparametern

Beispiel: XY-Diagramm Leistung zu Windgeschwindigkeit

Wurden hier Turbulenzen berücksichtigt?



Änderungen der Windgeschwindigkeit…

…Über Monate

…Über Stunden

…Kurzzeitige Turbulenzen



…Über Monate

…Über Stunden



Wind als ein Datenlieferant

Quelle: Wind Energy Handbook, Burton, Sharpe

Frequenzspektrum der Windgeschwindigkeit

• Turbulenzen haben einen hohen Einfluss auf WEA

• Dauerhafte Turbulenzen, bspw. durch Wirbelschleppen anderer Turbinen, führen zu

Zusatzbeanspruchungen. Einige Hersteller reduzieren deshalb Drehzahlen, um dies

bei Windparks zu vermeiden.


Hochauflösend gemessen mit VIBGUARD®

XY-Darstellungen erlauben auch das Bewerten von Turbulenzen

– hier wurden Windgeschwindigkeit und Leistung sekündlich gemessen


Bei ~1200 U/min und bei ~1600 U/min sind die

Schwingbeanspruchungen etwas höher.

Diese Werte sind laut ISO 10816-21 zulässig und werden hier

„kompakt“ dargestellt

Dynamische Bewertung der Schwingungen am Hauptlagermesspunkt

Zweimonatige Aufzeichnung der Schwinggeschwindigkeitskennwerte

über die Rotordrehzahl am Hauptlagermesspunkt


Identifikation von Resonanzbereichen

Durch kontinuierliche Datenaufzeichnung werden Resonanzbereiche erfasst

Resonanzen werden / müssen auch außerhalb der Betriebszustände erfasst werden

Dargestellt sind generatorseitige Resonanzen an der Antriebseite

Resonanzbereiche können dem Anlagenbetreiber kommuniziert werden, damit die

Bereiche während des Betriebs schnell gemieden oder durchfahren werden

1. Resonanz

2. Resonanz

3. Resonanz


Mit dem VIBGUARD XP* können neben dem klassischen Condition Monitoring u.a. auch

Gondelbewegungen in Bezug zum Erdmittelpunkt gemessen werden.

Damit wird es möglich, eine kontinuierliche Beanspruchungsmessung der gesamten WEA

auszuführen und Veränderungen von Drehzahlen auf Schwingungen und Verkippung der

Gondel zu analysieren.

Identifikation von Quer- und Längsschwingungen in der Gondel

* VIBGUARD XP… DNV GL zertifiziertes CMS der Prüftechnik

Querschwingungen und Längsschwingungen der Gondel in Abhängigkeit von der Drehzahl


MODBUS (Statusparameter, Alarme, Warnungen etc.)

Austausch von Smarten Daten – Intelligente Maschinendiagnose

Datenverarbeitung

Originale CMS

Data

Statistische

Analye

Wissensbasierte

Verarbeitung

Level 1)

Klassifikation

Level 2)

Gewichtung

PRÜFTECHNIK

Service CloudEthernet

Fiber Optic

LEITWARTE / CLOUD

Wireless (WLAN…)

Cellular telephony (4G, 5G…)

Ethernet LAN

Galvanische Trennung

PLC

FELDEBENESignals (4-20mA…)

Ist-Werte der SPS

(z.B. Temperatur)

Kunden Report

& Cloud

Verbindung

Kundenseitig

Visualisierung

CMS Daten-

übertragung

Zustands-

basierte

Logik

PRÜFTECHNIK Services

Der datengetriebene Austausch und die ganzheitliche

Auswertung von Daten hilft:

• Menschliche Fehler zu reduzieren / verhindern

• Betriebskosten zu reduzieren

• Die Sicherheit und Verfügbarkeit der WEA zu steigern

• Proaktive Minderung von schwingungsreichen Zuständen

• Gezielte Planung von Instandhaltungsarbeiten

Reduzierung der Cost of Energy

Cloud Computing / Big Data





Inhalt


Zusammenfassung

Schwingungen bei Windenergieanlagen

WEA sind schwingungsfreudige / -sensitive Systeme, die eine hohe Datendichte

erfordern

Eigenschwingungen und Resonanzen sind kritisch und erfordern eine dynamische

Überwachung

Schwingungsarten sind stark wetter- und betriebsabhängig, was bei hoher Datendichte

mehr Sicherheit im CM-Prozess bringt

Direkte Datenanbindung an die Anlagensteuerung oder SCADA erhöht die Möglichkeit

zeitnah die Verfahrweise der Anlage zu optimieren

CMS sind somit ein wertvoller Datenlieferant deren Potential genutzt werden sollte!


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

VIBGUARD XP, Advanced Online CMS

Condition Monitoring Systeme als Grundlage für Smart Data€¦ · Mit dem VIBGUARD XP* können...

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