Schwingungs-Monitoring wird bei Maschinen und Anlagen immer wichtiger. Die steigenden Ansprüche erfordern entsprechende Safety-Komponenten. TWK bietet eine Reihe zertifizierter SIL Geräte an. Sie erfassen Drehwinkel, Neigungswinkel und auch Schwingungen und Vibrationen - und das ‚sicher‘.
Gibt es eigentlich gute und schlechte Beschleunigung? Eine seltsame Frage, denken Sie vielleicht. Sie ist aber durchaus berechtigt. Wenn’s schüttelt und rüttelt ist das für einen Cocktail vielleicht gut. Aber in einer Anlage oder Maschine eher nicht.
Die Aufgabe besteht also darin, festzustellen, ob Beschleunigungen aufgrund von Schwingungen und Vibrationen noch toleriert werden können oder ob sie schon so hoch sind, dass die Applikation Schaden nimmt und angehalten werden muss.
Genau hierfür hat TWK den SIL2 Schwingungssensor NVA mit CANopen Safety Schnittstelle und Schaltrelais entwickelt. In einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 60 Hz kann er dynamische Beschleunigungen messen. Der Frequenzbereich kann durch Bandfilter in Teilbereiche aufgeteilt werden, damit beispielsweise kleine Frequenzen unter 5 Hz genauer betrachtet werden können und höhere Frequenzen nicht stören und umgekehrt.
Schauen wir uns ein Beispiel an.
Windkraftanlagen erzeugen Strom. Aber der Strom kommt nicht einfach aus der Steckdose, oder – wie in diesem Fall – aus der Windkraftanlage. Eine solche Anlage ist ein hochkomplexes und mittlerweile bis ins Detail ausgefeiltes Konstrukt hoher Ingenieurskunst. Ebenso hoch sind die Ansprüche an alle einzelnen Komponenten der Anlage und nicht zuletzt auch an die eingesetzte Sensorik. Aber Sensorik wird nicht nur benötigt, um eine solche Windkraftanlage zu betreiben, also ihre reine Funktion zu erfüllen. Es gibt auch eine Reihe von Sensorik-Komponenten, die die Aufgabe haben, die Anlage zu schützen, sie vor Beschädigung durch Einflüsse von außen oder durch defekte Anlagenteile zu bewahren. Auf diese Weise können in vielen Fällen größere Beschädigungen vermieden und der Wert der Anlage erhalten werden. Das ist wichtig für den Betreiber, für den sich schließlich der Betrieb rechnen muss, ohne dass ihm unnötige Kosten durch vermeidbaren Schaden und Stillstand entstehen.
Eine wichtige physikalische Messgröße, die zum Schutz der Anlage erfasst werden muss, sind die während des Betriebs entstehenden Schwingungen und Vibrationen, vornehmlich in der Gondel und im Mast. Sind die Schwingungen zu stark, wird die ganze Anlage in Mitleidenschaft gezogen. Beim Mast kann es aufgrund der entstehenden Beschleunigungskräfte zu Rissbildungen oder sogar zum Bruch kommen. Egal, aus welchem Grund zu große Beschleunigungen auftreten, die Anlage muss heruntergefahren werden, wenn Gefahr im Verzug ist.
Was sind mögliche Ursachen? Zum einen können es interne Ereignisse sein. Sollten beispielsweise das Getriebe oder die Lager einen Schaden aufweisen, kann es zu starken Schwingungen der Hauptwelle kommen. Diese Schwingungen liegen in einem Frequenzfenster von ca. 10 Hz bis 50 Hz.
Zum anderen können äußere Einflüsse ein Aufschwingen der Anlage verursachen. Hier sind unter anderem Vereisungen oder Beschädigungen der Rotorblätter zu nennen. Diese treten nicht gleichmäßig auf und verursachen deshalb eine Unwucht des Rotors, die die ganze Anlage in Schwingung versetzen kann. Oder aber ungünstige Windverhältnisse führen zu starken Bewegungen der Gondel und damit des Mastes. Hier liegen die Frequenzen typischerweise bei 0,2 Hz bis 3 Hz.
Diese Schwingungen müssen im Rahmen des Schwingungs-Monitorings einer Windkraftanlage ermittelt werden, um bei Überschreiten von zugehörigen Grenzwerten die Steuerung zu veranlassen, die Anlage herunterzufahren.
Hier kommt nun der Schwingungssensor NVA115 als SIL2 Safety Komponente oder der NVA65 als Standardgerät zum Einsatz. Der gemessene Beschleunigungswert wird ständig mit Grenzwerten verglichen. Werden diese überschritten, werden interne Sicherheitsrelais abgeschaltet. Die zwei Safety-Schaltkontakte, die ihrerseits jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Einzelrelais bestehen, werden in die Sicherheitskette der Anlage geschaltet und sorgen aufgrund der Reihenschaltung für eine sichere Trennung des Stromkreises - auch unter ungünstigen Bedingungen bei denen ein Einzelrelais vielleicht kleben würde.
Eine Besonderheit des NVA115 ist nun, dass er das Schwingungsverhalten über eine längere Zeit ‚beobachten‘ kann. Wenn das Schwingen einer Anlage einen zulässigen Amplitudenwert nicht überschreitet, ist alles in Ordnung. Wird der Wert kurz überschritten, muss aber nicht gleich gestoppt werden. Moderate und nicht zu lang anhaltende größere Schwingungswerte sind erlaubt, wenn die Anlage anschließend wieder mit kleineren Werten schwingt. Genau dieses Verhalten erfasst und bewertet der NVA115 mit seiner Integralfunktion: Die Sicherheitskette wird erst dann unterbrochen, wenn die Anlage ‚zu lang‘ stark schwingt. Sollten plötzlich auftretende Beschleunigungen jedoch zu groß sein, reagiert der NVA115 sofort (Safety-Shut-Off Funktion).
Eine weitere Besonderheit ist, dass eingestellt werden kann, die Anlage in einer bestimmten Schwingungsphase durch den NVA stoppen zu lassen. Dies geschieht über eine Abschalt-Verzögerung T und die Fähigkeit des NVA115 den Nulldurchgang der beobachteten Schwingung zu erkennen. Der Nulldurchgang ist der Startschuss für die einstellbare Zeit T.
Natürlich sind auch Standardeinstellungen, wie x-oder y-Achsenzuordnung, Momentan- oder RMS-Wert mit vielen einstellbaren Parametern möglich. Auf Wunsch gibt es auch zwei Analogsignale für die zusätzliche Werteausgabe neben CANopen Safety.
Mit dem Schwingungssensor NVA von TWK ist eine Applikation also in jedem Fall in sicheren Händen, um Schaden durch Störbeschleunigungen zu minimieren und einen effektiven Betrieb zu garantieren.