condition monitoring systeme als grundlage für smart data€¦ · mit dem vibguard xp* können...
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© 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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 2
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 3
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:
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 4
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 5
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
…
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 6
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?
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 7
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
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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
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- 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
Was in Daten nicht erfasst wurde, kann auch bei der Analyse nicht berücksichtigt werden!
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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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 12
1. Problemstellung und Motivation
2. CMS als Datenlieferant
3. Zusammenfassung & Ausblick
Inhalt
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 13
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?
Was in Daten nicht erfasst wurde, kann auch bei der Analyse nicht berücksichtigt werden!
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 14
Änderungen der Windgeschwindigkeit…
…Über Monate
…Über Stunden
…Kurzzeitige Turbulenzen
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 15
Änderungen der Windgeschwindigkeit…
…Über Monate
…Über Stunden
…Kurzzeitige Turbulenzen
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 16
Änderungen der Windgeschwindigkeit…
…Über Monate
…Über Stunden
…Kurzzeitige Turbulenzen
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 17
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.
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 18
Hochauflösend gemessen mit VIBGUARD®
XY-Darstellungen erlauben auch das Bewerten von Turbulenzen
– hier wurden Windgeschwindigkeit und Leistung sekündlich gemessen
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 19
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 20
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 21
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 22
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
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 23
1. Problemstellung und Motivation
2. CMS als Datenlieferant
3. Zusammenfassung & Ausblick
Inhalt
© PRÜFTECHNIK Group – Windenergietage 2018 Seite 24
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!
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