Stromversorgung zustandsorientierter Wartungssensoren

Was wäre wenn?

In den Industrieländern wird ein immer höherer Grad an industrieller Automatisierung angestrebt, der eine höhere Produktionsleistung bei niedrigeren Kosten und größerer Flexibilität ermöglicht. Auch Rechenzentren, Distributionslager und Infrastruktureinrichtungen haben das Ziel, mit wenig manuellen Eingriffen „ohne Licht“ zu arbeiten, um die Arbeitskosten zu senken. „Industrie 4.0“ oder IIoT, das industrielle Internet der Dinge, ist ein integraler Bestandteil davon, wobei die Intelligenz an die „Ränder“ von Prozessen verlagert wird, so dass die Überwachung und Steuerung nahe an dem Ort erfolgt, wo sie für schnelle Reaktionszeiten benötigt wird, mit einem übergreifenden Kommunikationsnetz zwischen den Überwachungs- und Sensorelementen und einer zentralen Steuerung. Dies könnte über die „Cloud“ erfolgen, über die Daten gesammelt, analysiert und als Input für Steuerungsalgorithmen verwendet werden, um die Prozesse in einer so genannten intelligenten Fabrik zu optimieren.

Die Vorteile intelligenter Fabriken sind weitreichend: Sie ermöglichen kostengünstige Produkte und Dienstleistungen bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs. Aber was ist, wenn etwas schief geht? Wir sprechen hier nicht vom „Aufstieg der Maschinen“, sondern von einem einfachen mechanischen Bruch oder einem Verbindungsfehler in einem Prozessor aufgrund eines direkten Einschlags eines kosmischen Strahls oder einer der unzähligen anderen „zufälligen“ Fehlerarten. Ein hoher Prozentsatz der weltweiten elektrischen Infrastruktur ist älter als 25 Jahre, so dass steigende Ausfallraten ein Problem darstellen. Aus diesem Grund sehen die Systementwickler Redundanz für kritische Systemelemente vor, um je nach Anwendung Einzel- oder sogar Doppelausfälle abdecken zu können, und bemessen die verwendeten Komponenten mit großen Spielräumen für einen zuverlässigeren Betrieb. „Verschleiß“ ist jedoch eine Tatsache bei mechanischen Komponenten und sogar in der Elektronik, wo Kondensatoren austrocknen, Überspannungsbegrenzer beeinträchtigt werden und Halbleiter im Laufe der Zeit Kristallgitterdefekte ansammeln.

Wartung ist weiterhin erforderlich

Man kann zwar warten, bis ein Fehler auftritt, und ihn an der Quelle beheben, nach dem Motto „wenn es nicht kaputt ist, repariere es nicht“, aber Ausfälle treten selten zu einem günstigen Zeitpunkt auf. Eine solche „korrigierende“ Wartung ist eindeutig ein attraktiver Ansatz für unkritische Funktionen, wie z. B. eine durchgebrannte LED in einer Beleuchtungsgruppe, oder wenn man auf das Beispiel eines mehrfach redundanten Systems zurückkommt, das so ausgelegt ist, dass es von einzelnen Ausfällen nicht beeinträchtigt wird. Man muss natürlich wissen, dass der Fehler aufgetreten ist, deswegen ist die Überwachung der Schlüssel. Ein Lager mit Ersatzteilen und ausreichend Personal, vielleicht rund um die Uhr, muss „nur für den Fall der Fälle“ ebenfalls bereitgehalten werden.

Bei den meisten Prozessen besteht die bessere Möglichkeit zur Aufrechterhaltung des Produktionsdurchsatzes traditionell darin, sich auf eine regelmäßige „vorbeugende“ Wartung und Inspektion zu verlassen. Für ein einfaches mechanisches System könnte dies bedeuten, dass Filter regelmäßig ausgetauscht, Öl gewechselt, Lager überprüft oder das Spiel auf Verschleiß eingestellt wird usw. In der Elektronik könnten funktionierende, aber veraltete Sicherungen ausgetauscht und Überspannungsableiter und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Die Schwierigkeit besteht darin, den richtigen Zeitpunkt für diese Maßnahmen zu finden. Zu spät ist ein Totalausfall möglich, zu früh werden gute Teile aussortiert, wobei unnötige Kosten und Mühen entstehen. Das Timing ist deswegen eine Herausforderung, wobei die Planung der Arbeiten auf der Grundlage der verstrichenen Zeit, der Nutzung oder einfach des Bauchgefühls und der Erfahrung erfolgt. Bei Hochverfügbarkeitssystemen wird in der Regel eine Fehleranalyse (Failure Modes and Effects and Criticality Analysis, FMECA) durchgeführt, um die vorhergesagte Fehlerhäufigkeit und ihre Auswirkungen wissenschaftlich zu untermauern. Die Lagerhaltung von Teilen kann jedoch minimiert und das Wartungspersonal so eingeteilt werden, dass die Arbeiten zu günstigen Zeiten durchgeführt werden können.

Eine zustandsabhängige Wartung ist das Ideal

Bei großen, komplexen Prozessen ist es sehr schwierig, vorbeugende Wartungspläne mit ausreichender Genauigkeit festzulegen, deswegen ist eine Alternative die zustandsorientierte Wartung (CBM). Dies ist der Idealfall, bei dem Teile in Abhängigkeit von ihrer gemessenen Restlebensdauer ersetzt oder angepasst werden. Dazu muss der aktuelle Zustand eines Teils bekannt sein, auch wenn es noch einwandfrei funktioniert, aber seine „Verschleißphase“ bereits begonnen hat.

So kann beispielsweise ein Ölfilter heute einen ausreichenden Schmiermittelfluss ermöglichen, wenn er auch 10% seiner Filterwirkung einbüßt. Wenn man jedoch weiß, dass 50% inakzeptabel sind und es 10 Wochen dauert, bis dieser Zustand erreicht ist, kann man den Austausch in 8 Wochen planen. In ähnlicher Weise kann eine Veränderung der Schwingungssignatur eines Motors oder einer Maschine in Echtzeit analysiert werden, um zu prognostizieren, wann ein Lagerschaden auftreten würde.

Zu den Parametern, die überwacht werden können, um Veränderungen und Trends in der Leistung zu erkennen, gehören Änderungen der Flüssigkeitsstände, Schwingungssignaturen, Infrarot-Thermografie zur berührungslosen Temperaturmessung, Öltrübung, Strom- und Spannungssignaturen in den elektrischen Versorgungen, Ultraschall-Leckerkennung, Ozonsensoren für Lichtbögen und Koronaentladung und vieles mehr. Wenn CBM in bestehende Systeme implementiert wird, könnten die Investitionskosten für die Hinzufügung dieser intensiven Überwachung ein kurzfristiges Hindernis darstellen, aber die langfristigen Einsparungen, die erzielt werden können, sind entscheidend.

Glücklicherweise liefert die Implementierung von IIoT Big Data für die Prozessplanung und -optimierung auch Daten, die für die CBM-Analyse verwendet werden können. Jede spezifische zusätzliche Sensorfunktion, die für CBM erforderlich ist, kann relativ einfach in die vorhandenen Prozessorknoten an den „Prozesskanten“ integriert werden. CBM-Daten ändern sich naturgemäß nur langsam und verursachen nur einen vernachlässigbaren Mehraufwand bei den Rechen- und Kommunikationsanforderungen des IIoT, sei es drahtgebunden oder drahtlos. Die verschiedenen Wartungsregime sind in Abbildung 1 dargestellt.

CBM benötigt eine zuverlässige Stromversorgung für die Sensoren

Die Stromversorgung für die dezentralen Sensoren und ihre Datenschnittstellen kann bereits an den IIoT-Knoten vorhanden sein, und zwar über eine kabelgebundene Gleichstromversorgung, On-Board-Batterien, lokale Energiegewinnung oder über AC/DC-Wandler. Die Umgebung des Sensors, des IIoT-Knotens und seiner Stromversorgung kann rau und variabel sein und hohe Stromspitzen aufweisen, wenn schwere Maschinen gestartet oder gestoppt werden, so dass eine Isolierung sowohl der Gleichstrom- als auch der Wechselstromversorgung erforderlich ist. Außerdem muss die Überwachung weiterhin zuverlässig funktionieren, während der Prozess selbst sich verschlechtert, mit möglicherweise höheren Temperaturen und Vibrationen, und es wäre selbstzerstörerisch, wenn die CBM-Hardware selbst regelmäßig gewartet werden müsste oder eine begrenzte Lebensdauer hätte. Robustheit ist deswegen von entscheidender Bedeutung, und insbesondere der Stromrichter muss einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um den Energieverbrauch und die Wärmebelastung zu minimieren, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt.

Ein Beispiel für einen isolierten DC/DC-Wandler mit hoher Umgebungstemperatur (maximal 140°C) ist die Serie RxxCT(E)xx von RECOM, die 0,5W oder 1W bei 5V oder 3,3V Ausgangsspannung von einem nominalen 5V Eingang liefert, und das alles in einem flachen SOIC-16 Gehäuse. Die Ausgangsspannungen sind mit typischen aktiven Sensoren und Mikrocontroller- oder DSP-Frontends für die Datenanalyse kompatibel. Für die isolierte CANBusTM-, MODBusTM- oder PROFIBusTM-Schnittstellenspannung ist eine Isolierung mit 5kVac verstärkter Leistung oder optional 3kVDC Basisleistung für weniger anspruchsvolle Anwendungen vorgesehen.

Wenn die verfügbare Versorgung stark schwankt, wie z. B. bei Solarzellen, die eine Batterie laden, ist ein geregelter Gleichstromausgang erforderlich. Ein einfacher linearer Regler wäre zu ineffizient und würde die Batterie schnell entleeren. Der R-78Exx-1.0 von RECOM ist in diesem Fall ein ideales Schaltreglermodul mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97 % für solarbetriebene Anwendungen, die in der Regel im Freien stattfinden, oder für die Überwachung mobiler Geräte wie z. B. Eisenbahnachsenlager.

Kleine AC/DC-Wandler sind oft eine bequeme Lösung für die Stromversorgung von Knotenpunkten über das lokale Wechselstromnetz, manchmal mit bis zu 277VAC Nennspannung. Diese könnten mit dem kommenden industriellen Sensorsystem IO-Link gekoppelt werden, einer digitalen bidirektionalen seriellen Schnittstelle, die einen Standard-M12-Stecker verwendet. Das System benötigt 24V mit einer maximalen Last von 410mA pro Knoten. Die platinenmontierten AC/DCs der Serien RAC10, RAC20 und RACM40 von RECOM decken den Bedarf von bis zu 40W für vier IO-Link-Ports. Die RAC03-Serie mit geringerer Leistung könnte auch in einer Prozesssteuerung mit drahtloser Verbindung eingesetzt werden, um einen Prozess fernzusteuern und eine Temperatur außerhalb der Spezifikation zu melden.

Das in Abbildung 2 dargestellte Beispiel kann in einem Volumen von nur etwa 40x25x25 mm hergestellt werden. Die Prozessrückmeldung ist nicht nur auf die Temperatur beschränkt; ein akustischer Geräusch-, Flüssigkeitsdurchfluss- oder Gassensor könnte ebenso leicht integriert werden.

Häufig werden Gasleck-, Schall- und IR-Temperatursensoren an der Decke montiert, und es steht ein geeigneter Wechselstrom aus dem Beleuchtungskreislauf zur Verfügung, der 115V, 230V oder 277V Wechselstrom sein kann, die Spannung zwischen Phase und Nullleiter in einem 480V-Drehstromsystem. Die Daten können über LPWAN-Funk mit großer Reichweite (LoRa, sigfox, KNX-RF usw.) oder über das Mobilfunknetz (5G, NB-IoT, GSM usw.) übertragen werden. Die Leistungsanforderungen sind in der Regel gering, so dass das RECOM RAC05-K/277 mit Universaleingang, 5 W, auf der Platine montiert, gut geeignet ist.

Für ein Höchstmaß an Autonomie können einige Sensorknoten mit selbst gewonnener Energie betrieben werden. Dabei kann es sich um Sonnenenergie, aber auch um akustische, HF-, Vibrations- oder Temperaturgradienten handeln. Die Spannungsquelle kann sehr niedrig sein, so dass eine effiziente Leistungsumwandlung erforderlich ist, um sie auf typische Sensor- und Prozessorspannungen zu erhöhen. Das RECOM-Modul REH-3-31.8 wurde speziell für diese Aufgabe entwickelt und arbeitet mit einer Eingangsspannung von bis zu 50mV für einen dualen 3,3V/1,8V-Ausgang. Das Bauteil verfügt über eine MPP-Tracking-Funktion (Maximum Power Point) für PV-Zellen und kann zur Energiespeicherung mit einer Batterie oder einem Superkondensator gekoppelt werden.

Condition-Based Monitoring ist der ideale Weg, um die Prozessverfügbarkeit zu niedrigsten Kosten aufrechtzuerhalten und lässt sich bequem in das IIoT integrieren. Eine zuverlässige und kosteneffiziente Energieumwandlung ist ein wesentliches Element von CBM und die Produktpalette von RECOM deckt die Anforderungen der Anwendung umfassend ab.