Motoren versetzen Wellen und andere Komponenten in Rotation. Auf dieser Kraft-Bewegung beruht die Funktion der meisten Maschinen. Ein ruhiger Rundlauf mit minimaler Vibration zeigt, dass alles in Ordnung ist – mancher erfahrene Techniker kann das bei „seiner Maschine“ hören oder durch Berührung spüren. Allerdings sind einige der bewegten Teile, insbesondere die Lager, der Abnutzung durch Abrieb ausgesetzt. Neben diesem Verschleiß können weitere Einflüsse wie Materialermüdung oder Verschmutzung schleichende Veränderungen herbeiführen und Unwuchten verursachen. Jede mechanische Veränderung wirkt sich auf den Rundlauf der Maschine aus. Dies kann zu Lagerschäden, zur Lockerung von Getriebeverbindungen oder zum Bruch von Halterungen führen. Bei Aufstellproblemen oder einer falsch ausgerichteten Kraftkupplung können solche Effekte auch bei neuen Maschinen auftreten.
Normierte Schwingungsmessung
Je nach Größe der Einheit beeinträchtigen mechanische Schäden nicht nur die Funktion der Maschine. Bei großvolumigen Pumpen, Zentrifugen oder Gebläsen sind schwere Maschinenteile starken Fliehkräften ausgesetzt. Fehlfunktionen können zur Gefahr für das Bedienpersonal und die Anlagenumgebung werden. In solchen Fällen gelten entsprechende Sicherheitsvorschriften mit Normen für die funktionale Sicherheit, die definierte SIL- oder PL-Level vorschreiben. Eine der Voraussetzungen für das Erreichen des geforderten Levels kann die normierte Schwingungsmessung nach DIN ISO 20816 sein. Diese Norm formuliert kritische Schwinggrenzen, die zum Abschalten oder zur Wartung der Maschine herangezogen werden.
Schwingungssensoren, die auf der Norm DIN ISO 20816 basieren, erfassen die Schwinggeschwindigkeit als gefilterten (10…1000 Hz) und gemittelten (RMS) Wert in mm/s. Für eine normierte Schwingungsmessung wird der sogenannte RMS-Wert der Schwingungsbeschleunigung ermittelt. RMS steht für den quadratischen Mittelwert „Root Mean Square“, bei dem die Beschleunigungswerte gemittelt werden. Dadurch werden Spitzenausschläge mathematisch gekappt.
Kapazitive MEMS-Sensoren können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung einer Schwingungsbewegung erfassen. Pepperl+Fuchs bietet ein umfassendes Portfolio solcher Geräte, die den RMS-Wert direkt ausgeben. Durch die Mittelwertbildung filtern sie kurzzeitige, irrelevante Änderungen des Schwingungsverhaltens heraus, vermeiden die Ausgabe irreführender Werte und verhindern unnötige Alarme. Solche irrelevanten Ausschläge können zum Beispiel durch äußere Einwirkungen entstehen, etwa durch die Vibration eines vorbeifahrenden Fahrzeugs oder durch Schwingungen, die von der Umgebung oder dem Boden auf die Maschine übertragen werden.
Effektivwert und Trendbetrachtung
Der gemittelte Effektivwert (RMS-Wert) bildet den aktuellen Zustand der Maschine ab. Anhand seines Verlaufs lässt sich eine Trendbetrachtung anstellen, die Rückschlüsse auf Abnutzung durch Reibung und Verschleiß ermöglicht. Dabei können bestimmte Schwingungsmuster sogar einzelnen Maschinenteilen zugeordnet werden, was eine detaillierte Diagnose erlaubt. Zudem lassen sich Grenzwerte definieren, die einen Alarm auslösen oder eine Wartung initiieren. Ein rechtzeitiger Eingriff hilft, ungeplante Unterbrechungen zu vermeiden, während das zustandsorientierte Vorgehen den Wartungsaufwand reduziert.
Auf derselben Grundlage können Sensoren sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen. Sie erkennen und melden, wenn das Schwingverhalten einen kritischen Schwellenwert überschreitet. Damit schaffen sie eine zentrale Voraussetzung für die Einhaltung von Normen zur funktionalen Sicherheit. Ihr Signal an die Maschinensteuerung löst bei Bedarf zuverlässig eine Schutzabschaltung aus. Im Portfolio von Pepperl+Fuchs finden sich Sensoren mit den entsprechenden Zertifikaten und global gültigen Zulassungen. Da sie als Teil der Regelkette bereits als sicher eingestuft sind, wird mit ihrer Verwendung auch der Zertifizierungsaufwand reduziert.
Normgerechte Alleskönner
Eine Schwingung tritt immer dann auf, wenn sich ein Amplitudenwert, beispielsweise eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung, zyklisch über die Zeit verändert. Diese periodische Veränderung des Amplitudenwerts spiegelt das Frequenzverhalten wider, das beschreibt, wie eine Maschine schwingt. Schwingungssensoren, die auf der Norm DIN ISO 20816 basieren, erfassen die Schwinggeschwindigkeit als gefilterten (10…1000 Hz) und gemittelten (RMS) Wert in mm/s. Für normgerechte Anwendungen ist diese Messgröße völlig ausreichend. Diese Standardanwendung erfüllt der VIM3-12kHz mit IO-Link-Schnittstelle.
Wenn der Anwender jedoch zusätzlich die aktuelle Schwingfrequenz als Messgröße benötigt oder einen erweiterten Frequenzbereich (1…12.000 Hz) überwachen möchte, sind die gemittelten RMS-Werte in mm/s nicht mehr ausreichend. Dazu ist das Messen und Bereitstellen der Rohbeschleunigungswerte mit einer hohen internen Abtastrate notwendig. Doch auch für diese erweiterte Funktion ist der VIM3-12kHz mit IO-Link-Schnittstelle einsetzbar.
Die Schwingfrequenz kann nicht direkt gemessen werden, sondern muss mithilfe einer Rechenmethode, der Fast-Fourier-Transformation (FFT), aus ungefilterten und nicht gemittelten Rohdaten der Schwingbeschleunigung ermittelt werden. Dafür ist es erforderlich, eine große Menge an Daten in einer FFT zu verarbeiten, um die aktuellsten und dominantesten Schwingfrequenzen zu identifizieren.
Wenn der Sensor beispielsweise Schwingungen bis 12.000 Hz erfassen soll, muss die Abtastrate mindestens das Fünffache dieser Frequenz betragen, um eine ausreichende Messqualität zu gewährleisten. Konkret bedeutet das, dass die interne Sensorik die Rohbeschleunigungswerte der Schwingung mit einer Abtastrate von über 64.000 Hz erfasst und im internen Speicher ablegt. Das entspricht 64.000 Messwerten pro Sekunde, die notwendig sind, um kritische Schwingfrequenzen präzise zu berechnen.
Der neue VIM3-12kHz ermöglicht dies durch die Anwendung des standardisierten BLOB (Binary Large Object)-Profils von IO-Link zur Übertragung großer Datenmengen.
