DE10228389B4 - Vibration sensor and method for condition monitoring of rotating components and bearings - Google Patents
Vibration sensor and method for condition monitoring of rotating components and bearings Download PDFInfo
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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.Vibration sensor for condition monitoring of rotating components or bearings, with a housing (2), with a sensor element (3), with evaluation electronics (4) and with at least one interface (5, 6), wherein the evaluation electronics (4) an analog / digital Converter (7) and a signal conditioning device (8)
characterized,
in the signal conditioning device (8) a multiplicity of signals detected by the one sensor element (3) are converted into a state value representing the state of the monitored component or bearing by means of a signal analysis and a diagnostic algorithm,
in that a display device (9) is provided with a display display (10) for displaying the determined state value and with at least one operating element (11, 12, 13) for entering parameters and / or setting limit values and / or selecting a mode of operation, and
the interface (5) has two switching outputs, one switching output triggering a pre-alarm and the other switching output triggering a main alarm.
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.The The invention relates to a vibration sensor for condition monitoring of rotating components or bearings, with a housing, with a sensor element, with an evaluation and at least an interface, wherein the evaluation an analog / digital converter and having a signal conditioning device. In addition, the concerns Invention also a method for condition monitoring of rotating Components or bearings with a sensor element and an evaluation having a vibration sensor.
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.in the Machinery and plant engineering, there are a variety of machines and Equipment, each rotating components, usually a shaft exhibit. The wave is over a bearing, in particular a rolling bearing in the stationary one casing the machine or equipment stored, depending on the embodiment the inner ring or the outer ring the bearing is movably arranged while then according to the outer ring or the inner ring is mounted stationary. As a force-transmitting and moving component is the proper functioning of the camp crucial for the functionality the machine or plant. Due to high dynamic and static Loads during operation and due to constructive restrictions put the stock frequently the "Achilles heel" of the machine or Warehouse defects are by far the most common cause of failure for electrical Drives.
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.Out For this reason, there are a variety of different sensors and methods for condition monitoring and detection of bearing damage. In addition to the temperature measurement of the bearing and the analysis of the bearing lubricants, in particular of the bearing oil, become mainly Vibration diagnostic methods for assessing the condition of the bearing used. With the help of an acceleration sensor is doing the structure-borne sound signal to be monitored Bearing on the machine surface detected and analyzed. However, simple characteristics of the vibration signal, like rms value, peak value or mean value, no reliable statement about the Condition of the monitored Warehouse too. Especially for a damage early warning Such characteristics are completely unsuitable. This is especially true also at the complex operating conditions as well as at the multiplicity of the usable and used bearings with their different Dimensions and characteristics.
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.A reliable early diagnosis of bearing damage or imbalance of the rotating components is therefore only one comprehensive evaluation of the vibration sensor supplied high-frequency signals in the range of up to several kilohertz possible. The Evaluation of these high-frequency signals is usually done using spectral signal analysis. This not only makes it possible Statement about it to make sure that a camp is intact or damaged, but it can too a statement about the nature of the damage will be taken. Likewise, a statement about the to be expected remaining maturity of the camp. Even though it thus metrologically possible is, different damages early to detect vibration sensors for condition monitoring of rotating components or bearings rarely used in practice.
Der
Stand der Technik bei der industriellen Lagerüberwachung beschränkt sich
dabei zum einen auf intermittierende Messungen mit Handmeßgeräten (vgl.
z. B.
Aus
der
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.In the realization of a central Meß systems results due to the large number of data to be evaluated on the one hand, a complex wiring of the individual vibration sensors with the central data processing system, on the other hand, due to the often required real-time capability very high demands placed on the central data processing system, the central data processing system for security reasons additionally must be redundant. However, even with the use of a correspondingly powerful and fast data processing system, the number of sensors that can be connected to the data processing system is severely limited due to the large amount of data to be analyzed if the individual sensors are to be evaluated in real time and not just in multiplexing. Characterized in that the individual sensors must be connected via separate lines to the central data processing system, such a central measuring systems has no or only a very limited trained expandability. Thus, the planning of a centralized measurement system requires thorough preparation, possibly involving additional machines and sensors at a later date, as early as the design phase.
Die
Aus
der
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.By the performed by the known method pattern recognition by Comparison of three-dimensional matrices is a relatively large number required to comparative data, with the pattern recognition high demands are placed on the evaluation electronics, so that the identification signal as possible promptly available stands.
Die
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.Of the present invention is the object of the above described vibration sensor or the method described above to design and further develop that a reliable condition monitoring of rotating components and bearings are simple and therefore cost-effective can, being about it In addition, the vibration sensor as possible should be easy to use and compact.
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.These Task is in the vibration sensor described above thereby solved that in the Signal processing device a variety of by the sensor element detected Signals using a signal analysis and a diagnostic algorithm in a the state of the monitored component or bearing reproducing state value that a display device with a display for displaying the determined state value and and at least one parameter input control and / or setting limit values and / or selecting a Operation of the vibration sensor is provided, and that the interface two switching outputs on, where one switching output is a pre-alarm and the other Switching output triggers a main alarm.
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.Due to the integration and the design of the signal conditioning device thus the bearings Diagnosis integrated into the vibration sensor. By converting the large number of measured signals with the aid of the signal analysis and the diagnostic algorithm into a simple state value, it is possible to dispense with expensive expert know-how for reliable bearing diagnosis and for detecting bearing damage.
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.With Help of the display is a simple display of the determined State value locally possible, so that the Condition of the monitored component or supervised Storage is easy to read at any time. With the help of the controls On the one hand, the vibration sensor can be switched to the desired operating mode on the other hand is an adaptation to the respective present Operating conditions by entering certain parameters or limit values possible. Preferably the display shows a color display with the green, yellow color values and red on, so that in a simple yet clear way the respective Condition of the warehouse and a deterioration of the storage condition can be displayed.
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.About the Switching outputs, each as an opener or closer can be switched is thus additional to the display display an indication of the respective state of the rotating Component or the warehouse even at a remote location, for example a central monitoring point, possible. Of the triggering the main alarm Switching output, the one the functionality of the rotating component and / or of the camp interfering Damage can be indicated with an emergency stop button of the machine and an optical and / or acoustic signaling device connected be.
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.According to one Another preferred embodiment of the vibration sensor according to the invention the interface has at least one switching output, one parameter input and a power supply input. The interface can over it addition, a signal input for an external signal and a current or power supply output for an external sensor. Due to the parameter input, a particularly simple PC-based parameterization via a Standard interface, for example an RS 232 interface, possible. This provides a user-friendly input and setting of all monitoring relevant Parameters such as bearing data, speed, limits and switching function the exits, possible on the PC, where in particular the storage data in corresponding databases in the PC can be stored, so that the Users only enter the corresponding type designation of the warehouse must and then all relevant data from the PC via the interface as a parameter set passed to the vibration sensor become.
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.By the formation of a signal input for an external signal can the vibration sensor continuously even with changing speed the condition monitoring carry out. The guided to the signal input information about The current speed can be either via an analog current signal (4 to 20 mA) from the motor control of the rotating component or from an external sensor, such as a proximity switch or Pulse generator, come. The fact that also a power or power supply output is provided, the power supply or voltage supply of an external Sensors over the vibration sensor or the power or voltage supply connection. As a result, a further reduction of the cabling effort is possible since the external sensor only to the spatially adjacent vibration sensor - and not to a spatially remote supply unit - to be connected got to.
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.The Evaluation electronics, for example, by a microprocessor is formed, according to one Another preferred embodiment of a self-learning logic. With Help of such self-learning logic, in the defined and preset Damage pattern continuously compared with the current measured values become self-learning damage pattern recognition possible.
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.According to one last embodiment of the vibration sensor according to the invention, the Here is a short description, is the vibration sensor for condition monitoring designed for multiple rotating components or bearings, with each monitored Component or for every camp that seized Signals using the signal analysis and the diagnostic algorithm be converted into a state value and at the switching output of Vibration sensor the state value of the component or the bearing with the highest Degree of damage, d. H. the worst or most critical state value, is present. The evaluation electronics thus takes a comparison of the state values the individual monitored Components and bearings before, where in each case only the "most critical" state value on the switching output is given. As a result, with a single vibration sensor according to the invention The supervision multiple rotating components or bearings possible, paying attention to expensive experts Know-how for evaluation and diagnosis of the individual measured values omitted can be because the relevant state of the vibration sensor easily detectable and clear is shown.
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.In the method described above, the object underlying the invention is achieved in that detected by the sensor element signals are converted by means of a signal analysis and a diagnostic algorithm into a state value representing the state of the monitored component or bearing, wherein the signals are continuously or quasi continuously detected by the sensor element, the signal analysis takes place both in the time domain and in the frequency domain and in the time domain dynamic magnitude averages and / or peak values are calculated. The diagnostic algorithm is carried out as a function of stored and / or calculated parameterization data and limit values, with the aid of the diagnostic algorithm individual signals being combined into characteristic values and the characteristic values being compared with limit values. The individual signals are also weighted according to their relevance, wherein the individual characteristic values are optionally combined taking into account different weighting and taking into account the operating state to a state value.
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.Thereby, that the Signal analysis in both time domain and frequency domain takes place, a high signal resolution is achievable, so that at difficult operating conditions a reliable condition monitoring can be realized.
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.Around the size Number of measured values be evaluated with reasonable effort and in real time calculated in the time domain dynamic magnitude averages and peak values. Parallel to this, in the frequency domain, the values supplied to the signal analysis become manipulated, d. H. individual signals are weighted and / or filtered and / or fenestrated and / or modulated.
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.With Using the diagnostic algorithm, individual signals become characteristic values summarized, the are compared with limits, with individual signals accordingly weighted by their relevance. The calculation of the individual characteristic values takes place depending on stored and / or calculated parameter data, so that the inventive method be used with different components and different bearings can. The individual characteristic values are then also taken into account different weighting and taking into account the operating condition summarized to state value, which is output from the vibration sensor.
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.With Help of the diagnostic algorithm described above is thus the Variety of total measured signals to some characteristic characteristics summarized, wherein the individual characteristics different types of damage of represent rotating component or the bearing. At the arithmetic Summary of the individual signals to the characteristic values can thereby the different relevance of individual signals at different Operating conditions and different - previously entered - parameter data considered become.
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.Around the large number of measured signals with high accuracy but still with one possible to be able to process small computational expenditure, there are different options the signal analysis applied alternatively or preferably combined become. The signal analysis is carried out on the basis of a Fourier transform (FT), a fast Fourier transform (FFT) or an envelope Fast Fourier Transform (HFFT). The known mathematical transformation possibilities are modified so that a very fine spectral resolution is reached. For this purpose, for example, a so-called zoom FFT be used as frequency analysis, by which the accuracy in the frequency resolution (Selectivity) elevated becomes. About that In addition, preferably, an intelligent dynamic scale realized the respective frequency band, whereby the accuracy is increased at the amplitudes.
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.to Prevention of the anti-aliasing problem is limited of the frequency range using an analog filter. Preferably while the limits of the filter depending on the operating conditions variably adjustable or adapt automatically to changing operating conditions at. Subsequently An analog / digital conversion takes place, for example, with the aid of a Sigma-delta converter, so that the digitally processed measured analog signals in the evaluation electronics can be.
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.According to one further advantageous embodiment of the method according to the invention the characteristic values and / or the state value are subjected to a plausibility check, so that measurement error be recognized and not issued a faulty state value becomes. During the plausibility check of the Characteristic values and / or the state value are taken into account, that the damage occurring to the rotating component or the bearing in the Usually not spontaneous, but arise over time and enlarge, so that by a comparison of the characteristic values and / or the state value to a past Time with the current characteristic value and / or the current state value a measurement error is detectable.
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.According to a preferred embodiment of both the vibration sensor according to the invention and the method according to the invention, the vibration sensor has different operating modes. In a so-called teach-in mode, the limit values are dependent on the para automatically calculated by the evaluation electronics and the current operating conditions. In such an automatic self-learning process, the current measured values are thus stored as reference values at the beginning of the condition monitoring so that, given a deviation of these reference values from the theoretical values expected based on the parameter data, an automatic adaptation of the selected limit values can take place.
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.before is executed been that with the vibration sensor according to the invention according to a preferred Design a condition monitoring even at different speeds is possible. In this case is the inventive method further developed such that the previously entered or calculated limits automatically to the adapted respective speed become. The Teach In mode must therefore only be carried out at a typical operating speed; at a different speed then the corresponding limits automatically calculated by the transmitter, so that the teach In mode not for every possible one Operating speed performed must become.
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.According to one last advantageous embodiment of the method according to the invention, which will be briefly described here are the determined State values are stored continuously and will be due to date determined state values a calculation of the still to be expected Duration (remaining time) until the occurrence of a functionality the rotating component and / or the bearing impairing Determine damage. This not only gives the user the respective current state of the monitored Component or supervised Stock displayed but he also gets a statement about how long the supervised Machine or plant can be operated even further and when repair or replacement of a warehouse must, before a damage or a failure of the machine or plant is to be expected.
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 zeigenin the Individual there are now a variety of ways, the vibration sensor according to the invention and to design the method according to the invention and further education. Reference is made on the one hand to the claim 1 or the claim 10 subordinate claims, on the other to the description of a preferred embodiment in connection with the drawing. In the drawing show
Die
Figuren zeigen einen Schwingungssensor
Wie
anhand von
Das
Anzeige-Display
Die
in
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.at the adjustable parameters may be, in particular, characteristic data the bearings, operating data of the plant or machine as well as limit values act. The characteristics of the bearings are in particular around the number of rolling elements, d. H. the balls, grooves or barrel rolling elements, the rolling element diameter and the diameter the bearing inner ring and the bearing outer ring. These individual parameters can either manually entered on the PC or they are preferably from a Database only by specifying the warehouse manufacturer and the warehouse identification number automatically available posed. About that can out also the operating speed or at variable speed the possible speed range, the type of speed provision, the limits and the setting the switching outputs (normally closed or contact) be set in the parameterization mode.
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