Trend

Der Trend weg von verdrahteten hin zu drahtlosen Lösungen

Die vier Hauptfaktoren bei der industriellen Zustandsüberwachung

EINFÜHRUNG

Die zustandsbasierte Überwachung rotierender Geräte ist eine bewährte Methode zur Verwaltung der Anlagenzuverlässigkeit und -sicherheit, die seit Jahrzehnten praktiziert wird. Die Vibrationsüberwachung ist ein wichtiger Teil davon. Bisher wurden Vibrationssensoren an der Maschine installiert und über festen Draht mit einem zentralen Maschinenschutzsystem (z.B. der Vibrationsüberwachung) verbunden. Diese Technik ist zwar zuverlässig, aber kostspielig und daher in der Regel großen rotierenden Maschinen vorbehalten, üblicherweise den dampfbetriebenen Turbinen oder großen Verbrennungsturbinen (Gas), die für den Betrieb der Anlage als „entscheidend” gelten. Bei weniger kritischen Anlagen (der sogenannten Anlagenperipherie), wie Zentrifugalpumpen und Kompressoren, ist das Geschäftsszenario für die Installation eines solchen Zustandsüberwachungssystems weniger klar oder sogar unhaltbar. Der Verlust der Verfügbarkeit solcher Maschinen ist jedoch in einigen Fällen nicht weniger entscheidend für den sicheren und zuverlässigen Betrieb einer Anlage. Es besteht also nach wie vor die Notwendigkeit, den Zustand der Anlagenperipherie kostengünstig zu überwachen.

FAKTOREN AUS DER INDUSTRIE

Als Lösung werden seit über einem Jahrzehnt drahtlose Vibrationssensoren vorgeschlagen.  Viele gewerbliche Umsetzungen sind aus mehreren Gründen auf gemischte Ergebnisse gestoßen.  TE Connectivity (TE) ist jedoch der Ansicht, dass Technologie und Marktkräfte inzwischen ausreichend konvergiert haben, um einen solchen drahtlosen Sensor einzuführen.  Wir stellen fest, dass mindestens vier Faktoren diesen Marktbereich prägen:  

 
  • 1. Faktor: Ständig steigende Nachfrage der Anlagenbetreiber nach Daten zu einem günstigen Preis
  • 2. Faktor: Die durchgehende Elektrifizierung hat die Akkuleistung erheblich verbessert
  • 3. Faktor: Der Aufstieg des Internets der Dinge (IoT) hat die digitale Radioleistung verbessert
  • 4. Faktor: Edge Computing in IoT-Geräten verbessert die drahtlose Kommunikation weiter
8911 Drahtloser Beschleunigungsmesser von TE Connectivity (TE)

1. FAKTOR

Ständig steigende Nachfrage der Anlagenbetreiber nach Daten zu einem günstigen Preis

Während der Trend zur Digitalisierung unvermindert anhält, erkennen wir ganz deutlich, dass die Nachfrage nach Daten unendlich bleiben wird.  Die Bereitstellung dieser Daten muss jedoch wirtschaftlich erfolgen.  Das gleiche gilt für die Zustandsüberwachung von Anlagen. 

Herkömmliche Installationen erfordern, dass ein abgeschirmtes Mehrleiterkabel an den an der Maschine installierten Sensor angeschlossen und bis zu einem zentralen Maschinenschutzsystem zurückgeführt wird. Die gesamte Kabellauflänge kann dabei mehr als hundert Meter betragen. Jeder Sensor braucht dieses Kabel. Bei mehreren Sensoren werden also mehrere hundert Meter Kabel benötigt. Um außerdem den Anforderungen des US-Elektrovorschrift National Electrical Code® und örtlichen Anforderungen hinsichtlich Anlagen gerecht zu werden, müssen in der Regel gut ein Dutzend Meter Kabel des Sensors an der Maschine innerhalb des Kabelkanals installiert werden. Die verbleibende Länge bis zur zentralen Station zurück wird oft in größeren Kabelkanälen oder Kabelträgern gebündelt. All dies summiert sich zu teuren Arbeitskräften und Materialien und ist nicht leicht skalierbar.

Drahtlose Sensoren lösen dieses Problem. Das drahtlose Gateway wird über festen Draht wieder mit der zentralen Station verbunden. Viele drahtlose Sensoren werden jedoch von einem einzigen Gateway verwaltet, wodurch Kabel und Leitungen von der Maschine hinfällig werden. Somit transportiert das einzelne Kabel vom Gateway zurück zur zentralen Station die Daten vieler Sensoren, nicht nur eines einzigen. Diese Architektur ist leicht skalierbar, da das Gateway mit hoher Wahrscheinlichkeit zusätzliche drahtlose Sensoren verarbeiten kann, oder ein zusätzliches Gateway installiert werden könnte, um zusätzlich die doppelte oder dreifache Anzahl von Sensoren aufzunehmen – eine Aufgabe, die bei gleichem Kostenaufwand mit der herkömmlichen Methode unmöglich wäre.

2. FAKTOR

Die durchgehende Elektrifizierung hat die Akkuleistung erheblich verbessert

Drahtlose Sensoren brauchen selbstverständlich Batterien, um wie erwartet zu funktionieren.  Den entscheidenden Faktor für den Erfolg oder Misserfolg der Verwendung drahtloser Sensoren stellt die Leistung der Batterien dar.  Wenn Batterien häufig ersetzt werden müssen, verliert dieses Geschäftsszenario schnell an Wirtschaftlichkeit – vom im Moment des Batteriewechsels entstehenden Datenverlust ganz zu schweigen.

Bis vor kurzem konnten technologische Verbesserungen in der Batterieleistung mit anderen elektronischen Leistungsverbesserungen noch nicht Schritt halten. Der Elektrifizierungstrend in den Transportsektoren (Elektrofahrzeuge) und bei den Drohnen hat die Kosten für Batterien drastisch gesenkt und ihre Leistung verbessert. Der Preis von Lithium-basierten Batterien – immer noch die beste Technologie und bevorzugte Wahl für drahtlose Anwendungen – ist deutlich gesunken, von derzeit etwa 1.040 Euro pro kWh im Jahr 2010 auf knapp 160 Euro pro kWh im Jahr 2018. Es wird daher nicht mehr lange dauern, bis der Betrieb eines Elektrofahrzeugs billiger sein wird als der eines gasbetriebenen Fahrzeugs. Die verbesserte Akkulaufzeit macht den Einsatz drahtloser Sensoren wirtschaftlich tragbar. Wenn Batterien nicht mehr alle paar Monate, sondern nur einmal im Jahr oder irgendwann sogar nur jedes zweite Jahr (und so weiter) ersetzt werden müssen, kann der Einsatz drahtloser Sensoren plötzlich mit dem Einsatz verdrahteter Sensoren konkurrieren.

3. FAKTOR

Der Aufstieg des Internets der Dinge (IoT) hat die digitale Radioleistung verbessert

Vor vielen Jahren prophezeite Gordon Moore bekanntlich einmal, dass sich die Leistung bei digitalen Geräten etwa alle 18 Monate verdoppeln würde (als Moor'sches Gesetz bekannt).  Diese Prophezeiung hat sich im Allgemeinen bewahrheitet und zwar so weit, dass inzwischen bereits handflächengroße, oft mobile Geräte (beispielsweise eine Smart Watch) enorme Rechenleistungen bieten können.  Dadurch gelang das Edge Computing. Die Möglichkeit, Daten direkt am oder nahe am „Rande” des Netzwerks zu verarbeiten, anstatt diese Daten in roher Form zu einer zentralen Station zurückzusenden, damit sie dort verarbeitet werden.

Für einen drahtlosen Vibrationssensor erfolgt die Berechnung der FFT (Fast Fourier Transform; schnelle Fourier-Transformation) einer abgetasteten Vibrationswellenform am Sensor selbst durch eine vielleicht offensichtliche Edge Computing-Anwendung.  In einem konventionellen System würde die rohe Vibrationswellenform (als analoges Signal) an die zentrale Station gesendet und die FFT dort berechnet werden.  Dank Edge Computing kann die FFT im Sensor berechnet und die verarbeiteten Daten zurückgesendet werden.  Anders als beim Zurücksenden roher Vibrationssignale reduziert dies den Bandbreiten-Overhead und die aufgewendete Batterieleistung.  Das ist jedoch nur ein einfaches Beispiel.  Letztlich könnten am Sensor viel mehr Berechnungen ausgeführt werden.  Mit den entsprechenden Algorithmen könnte der Sensor Einzelheiten über die Maschine „lernen”, auf der er installiert ist und erkennen, wann sie einwandfrei läuft und wann nicht.  Die Bausteine für einen wahrlich intelligenten Vibrationssensor zur Zustandsüberwachung gibt es nun.

4. FAKTOR

Edge Computing in IoT-Geräten verbessert die drahtlose Kommunikation weiter

Vor vielen Jahren prophezeite Gordon Moore bekanntlich einmal, dass sich die Leistung bei digitalen Geräten etwa alle 18 Monate verdoppeln würde (als Moor'sches Gesetz bekannt).  Diese Prophezeiung hat sich im Allgemeinen bewahrheitet und zwar so weit, dass inzwischen bereits handflächengroße, oft mobile Geräte (beispielsweise eine Smart Watch) enorme Rechenleistungen bieten können.  Dadurch gelang das Edge Computing. Die Möglichkeit, Daten direkt am oder nahe am „Rande” des Netzwerks zu verarbeiten, anstatt diese Daten in roher Form zu einer zentralen Station zurückzusenden, damit sie dort verarbeitet werden.

Für einen drahtlosen Vibrationssensor erfolgt die Berechnung der FFT (Fast Fourier Transform; schnelle Fourier-Transformation) einer abgetasteten Vibrationswellenform am Sensor selbst durch eine vielleicht offensichtliche Edge Computing-Anwendung.  In einem konventionellen System würde die rohe Vibrationswellenform (als analoges Signal) an die zentrale Station gesendet und die FFT dort berechnet werden.  Dank Edge Computing kann die FFT im Sensor berechnet und die verarbeiteten Daten zurückgesendet werden.  Anders als beim Zurücksenden roher Vibrationssignale reduziert dies den Bandbreiten-Overhead und die aufgewendete Batterieleistung.  Das ist jedoch nur ein einfaches Beispiel.  Letztlich könnten am Sensor viel mehr Berechnungen ausgeführt werden.  Mit den entsprechenden Algorithmen könnte der Sensor Einzelheiten über die Maschine „lernen”, auf der er installiert ist und erkennen, wann sie einwandfrei läuft und wann nicht.  Die Bausteine für einen wahrlich intelligenten Vibrationssensor zur Zustandsüberwachung gibt es nun.

Schlussfolgerung

Angesichts dieser Markttreiber führt TE den drahtlosen Vibrationssensor 8911 ein. Das Modell 8911 erfüllt die Nachfrage von Anlagenbetreibern nach Daten zum Zustand von Maschinen mit einer einfach skalierbaren drahtlosen Architektur. Mit eingebautem LoRa™-Radio und unter Nutzung des LoRaWANTM-Protokolls zur Kommunikation zurück zu einem drahtlosen Gateway erreicht das Modell 8911 je nach Abtastrate eine Akkulaufzeit von bis zu 10 Jahren. Das Modell 8911 kann in einer komplexen Anlagenumgebung installiert werden, ohne dass Sie sich Sorgen über Probleme mit der Signalintegrität machen müssen, und verfügt über Edge Computing-Fähigkeiten zur Berechnung verarbeiteter Maschinendaten. Der drahtlose Vibrationssensor 8911 ist der Zustandsüberwachungssensor, den Sie für Ihre Anlage des 21. Jahrhunderts benötigen.

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