Produktionstrend 2009/10, Technische Diagnoseabteilung

 "Anstatt Feuerwehr und Großreparatur"

Es ist unbestreitbar, dass die Expertensysteme die Zukunft der Fehlerdiagnose von Maschinen sind. Einer der Gründe dafür ist der häufige Versuch, hochqualifizierte Arbeitskräfte einzusparen. Andererseits erleichtert und beschleunigt die automatische Diagnoseauswertung die Schwingungsmessung und macht das diagnostische Ergebnis unabhängig vom subjektiven menschlichen Urteil.

Zusammen mit der Informationstechnologie haben die Geräte und Technologien zur Zustandsbewertung rotierender Maschinen in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Zuerst kamen Geräte zur Messung des Schwingungspegels, dann tragbare Breitband-Schwingungsdatenerfassungsgeräte auf den Markt. Ihre Verbreitung war hauptsächlich auf ihre einfache Anwendbarkeit (zum Beispiel ihre benutzerfreundliche und einfache Bedienung ohne Fachkenntnisse) und ihre relativ niedrigen Preise zurückzuführen. Später begannen sich Schwingungsanalysatoren (Spektrumanalysatoren) und Datenerfassungs-Spektrumanalysatoren zu verbreiten. Die aus diesen Geräten gewonnenen Daten (Spektren) enthalten diagnostische Informationen, die zur Erkennung mehrerer Maschinenfehler geeignet sind, erfordern jedoch angemessenes Fachwissen und Erfahrung.

Die Entwicklungsstufen

Vor allem die fachgerechte Interpretation und Auswertung der Daten von Spektrumanalysatoren bereitet – insbesondere Anfängern und Gelegenheitsnutzern ohne diagnostische Erfahrung – Schwierigkeiten. Fast alle Unternehmen, die maschinendiagnostische Geräte und Software entwickeln, haben versucht, dies zu erleichtern. Ein Mittel dazu ist, dass die PC-Software, die zu diesen Geräten gehört, nicht nur verschiedene grafische Darstellungen der Messdaten bietet, sondern auch bestimmte numerische Auswertungen durchführt. Dazu gehören beispielsweise das Verhältnis von harmonischen, nicht harmonischen und Subharmonischen in der aufgezeichneten Vibration, die Anzeige verschiedener Vibrationskomponentengruppen sowie die numerische Auflistung von Vibrationspeaks. Ein weiterer Meilenstein war die Ergänzung der Liste der Vibrationspeaks um die Information, mit welcher numerisch festgelegten Fehlerfrequenz (zum Beispiel Drehfrequenz, Lagerfehlerfrequenz, Schaufelfrequenz, Zahnfrequenz) oder einem Vielfachen davon oder einer Kombination von Seitenbändern der angezeigte Vibrationspeak übereinstimmt. Wer Schwierigkeiten hat, die Spektren zu "lesen", erhält sofort eine Text-Zahlen-Zusammenstellung, anhand derer auf vorhandene Maschinenfehler geschlossen werden kann. Das größte Problem dieser Methode ist jedoch, dass die typische Frequenz vieler Maschinenfehler identisch ist, sodass ihre Trennung anhand der Tabelle oder Liste selten durchführbar oder sehr unsicher ist.

Maschinenfehlerdiagnosesysteme

Um diese genannten Mängel zu beheben, sind PC-Softwarelösungen auf den Markt gekommen (zum Beispiel von der amerikanischen Firma CSi seit mehr als zwei Jahrzehnten), die eine Schwingungsdiagnose durchführen und mithilfe logischer Regeln sowie statistischer Zusammenhänge die wahrscheinlichsten Maschinenfehler textuell anzeigen können. Diese Auswertungssysteme werden als automatische Diagnose- oder Expertensysteme bezeichnet. In ihrem Fall wurden die maschinendiagnostischen Kenntnisse (genauer gesagt die Logik des Diagnoseverfahrens und die Entscheidungsmechanismen) praktisch in die Software integriert. Die Hersteller von Messgeräten sind der Meinung, dass das in solche Systeme integrierte Wissen oft tiefergehend, umfassender, vielschichtiger und logisch strukturierter ist als das, was jemand in vielen Jahren erwerben könnte. Es ist unbestreitbar, dass die Expertensysteme die Zukunft sind. Einer der Gründe dafür ist der häufige Versuch, hochqualifizierte Arbeitskräfte einzusparen. Andererseits erleichtert und beschleunigt die automatische Diagnoseauswertung die Schwingungsmessung und -analyse (insbesondere bei der regelmäßigen oder kontinuierlichen Zustandsüberwachung großer Maschinen), und macht das diagnostische Ergebnis unabhängig vom subjektiven menschlichen Urteil. Aufgrund dieser Aspekte und Bestrebungen ist der Einsatz und die Verbreitung von Expertensystemen vollkommen gerechtfertigt. Es gibt jedoch auch Fallstricke bei der Anwendung, auf die wir im Folgenden hinweisen möchten.

Grundidee der Maschinenexperten-Systeme

Die Expertensysteme werden in der Regel als optionales Zubehör zu Schwingungsdiagnosesoftware vertrieben, was verständlich ist, da sie hauptsächlich Schwingungsspektren verarbeiten. Es ist bekannt, dass anhand der in der gemessenen Schwingung enthaltenen Frequenzpeaks die grundlegendsten Schlussfolgerungen gezogen werden können. Der Grund dafür ist, dass die meisten Maschinenfehler durch eine numerisch bestimmte Fehlerfrequenz (zum Beispiel Drehfrequenz, Lagerfehlerfrequenz, Schaufelfrequenz, Zahnfrequenz) oder deren Vielfaches oder Kombination mit Seitenbändern charakterisiert werden können. Zur Auswertung muss lediglich das Spektrum der Schwingung auf die Frequenzen der Komponenten im Gerät und der wahrscheinlichen Maschinenfehler überprüft werden – natürlich unter Berücksichtigung der aktuellen Drehzahl. Das Auftreten eines Frequenzpeaks deutet auf das Vorhandensein eines Fehlers hin, die Größe der Schwingung (Amplitude) gibt Aufschluss über den Grad des Fehlers.

Typische Resonanzfrequenzen bei häufigen Fehlern

Unwucht	1-fache Rotationsfrequenz
Achsausrichtungsfehler	1-, 2-, 3-fache Rotationsfrequenz
Spiel, mechanische Lockerheit	1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9-fache Rotationsfrequenz
Zahnfehler (Zahnräder)	1-, 2-, 3-fache Zahnzahl×Rotationsfrequenz
Schaufelfehler (Lüfter, Pumpe)	1-, 2-, 3-fache Schaufelzahl×Rotationsfrequenz
Keilriemenfrequenz (Keilriemenantrieb)	basierend auf den geometrischen Abmessungen der Riemenscheiben, der Riemenlänge und der Rotationsfrequenz zu berechnen
Wälzlagerfehler	basierend auf den geometrischen Abmessungen des Lagers und der Rotationsfrequenz zu berechnen
Elektrische Fehler des Elektromotors	2-fache Netzwerkfrequenz

Die Analyse der obigen Tabelle zeigt, dass es Fehler gibt, die eindeutig nachgewiesen werden können, während andere nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit diagnostiziert werden können. Eindeutig nachweisbare Fehler sind solche, deren Frequenzen von anderen Fehlerfrequenzen getrennt werden können, wie z. B. Ölfilminstabilitäten, Zahnradantriebe, Keilriemenantriebe und in vielen Fällen Wälzlagerfehler. Zu den schwer oder schwieriger zu diagnostizierenden gehören beispielsweise Achsfehler, Spiel oder mechanische Lockerheit sowie Resonanzen - insbesondere, wenn sie in bestimmten Kombinationen und zusammen mit Unwucht auftreten. Die Schwierigkeit liegt darin, dass Fehler aufgrund ihrer Natur von vornherein ähnliche Schwingungsspektren erzeugen und die durch sie verursachten Vibrationen auch vom nichtlinearen Verhalten der Maschine abhängen.

Die Geschwindigkeit des Zustandsabbaus ist wichtig Von Expertensystemen erwarten wir natürlich nicht nur die Anzeige der Art des Maschinenfehlers, sondern auch Informationen darüber, wie schnell sich der Zustand der Maschine ändert. Die Geschwindigkeit des Maschinenzustandsabbaus ist die wertvollste Information für die Organisation zustandsabhängiger Maschinenwartung, da dies eine Schätzung ermöglicht, wann und welche Eingriffe erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Maschine ohne unerwartete Ausfälle und unnötige Reparaturen betrieben wird, aber gleichzeitig aufgrund vorhandener Anfangsfehler keine größeren Schäden erleidet. Dazu muss der Trend der Schwere der Maschinenfehler erstellt werden, wobei der Anstieg Informationen über die erwartete Lebensdauer liefert. Die Grundlage und Methode der Trendanalyse ist letztendlich sehr einfach: Die Schwingungen der Maschinen müssen regelmäßig erneut gemessen werden (an denselben Stellen, in derselben Richtung und idealerweise mit denselben Messgeräten), und diese Daten müssen mit dem Expertensystem analysiert werden, wobei die Schwere der gefundenen Fehler grafisch im Laufe der Zeit bewertet werden muss. Unter Berücksichtigung der interpretierbaren Grenzwerte für die jeweiligen Maschinenfehler kann abgeschätzt werden, wie lange die Maschine unter unveränderten Last- und Betriebsbedingungen noch betrieben werden kann und wann und wie eingegriffen werden muss.

PC-Software und ihre Funktionsweise Basierend auf ihrer interaktiven Funktionsweise unterscheiden wir grundsätzlich zwei Arten von Expertensystemen: dialogbasierte und rückgeführte Auswertungssysteme. Bei einem dialogbasierten Expertensystem muss der Bediener des Systems (Diagnosespezialist, Maschinenbauingenieur, Wartungspersonal, Maschinenbediener) während der Analyse der Messdaten beantworten, welche Fehlerphänomene welchen Maschinenelementen und -fehlern zugeordnet werden sollen, um festzustellen, welche Teile und Eigenschaften die untersuchte Maschine hat. Im Gegensatz dazu funktioniert die Auswertung bei rückgeführten Systemen automatisch ohne interaktiven Dialog mit dem Experten, da das System alle Informationen verwendet, die bereits bei der Erstellung der Datenbank angegeben wurden. Während bei dialogbasierten Systemen nur grundlegende Informationen in die vorab erstellte Datenbank eingegeben werden müssen - der Rest muss basierend auf den Annahmen während der Analyse der Messungen angegeben werden -, ist der Aufbau der Datenbank für rückgeführte Auswertungssysteme eine anspruchsvolle Aufgabe: Nur anhand der bereitgestellten Informationen kann es Entscheidungen treffen, und bei falschen oder fehlenden Daten werden fehlerhafte Auswertungen gemacht. Der Vorteil solcher schlussfolgernden Systeme besteht darin, dass die Auswertung (Expertise) vollständig automatisiert werden kann, basierend auf einer guten Datenbank. Dialogbasierte Systeme haben den Vorteil einer schnelleren und kostengünstigeren Inbetriebnahme (kleinere und einfachere Datenbank), aber der Bedarf an qualifizierten Bedienern während des Betriebs frisst diesen Vorteil schnell auf (ganz zu schweigen davon, dass die gleichen Fragen immer wieder beantwortet werden müssen). Offensichtlich entsprechen rückgeführte Systeme besser den Anforderungen unserer Zeit, daher werden wir uns in Zukunft ausführlicher mit ihnen befassen.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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