NI-Systeme zur Zustandsüberwachung für NI InsightCM™ Enterprise

Überblick

Die Lösung NI InsightCM Enterprise stellt zusammen mit Zustandsüberwachungssystemen von NI auf Basis von CompactRIO kompatible, sofort einsatzbereite Hardware bereit, die einen flexiblen Satz an Eingängen für Analog- und Digitalsensoren bietet. Mit der CompactRIO-Plattform sind Unternehmen dazu in der Lage, Online-Systeme zur Zustandsüberwachung kosteneffizient auf einem höheren Anteil an unternehmenseigenen Anlagen einzusetzen und damit sowohl kritische als auch andere rotierende Maschinenteile abzudecken. Damit die Inbetriebnahme problemlos vonstatten geht, sind sämtliche Messmodule bei der Auslieferung bereits installiert. Sie müssen lediglich noch Ihre spezifischen Kanal- und Sensorinformationen angeben.

Inhalt

Anwendungs-Firmware und Server-Kommunikation

NI InsightCM Enterprise umfasst Anwendungs-Firmware für die CompactRIO-basierten NI-Zustandsüberwachungssysteme, sodass diese Daten erfassen, puffern und an den NI InsightCM Server leiten können. Die Daten werden im offenen TDMS-Dateiformat gespeichert. Besteht keine Verbindung zur Server-Software, speichern die NI-Zustandsüberwachungssysteme die erfassten Daten lokal. Der Speicherplatz reicht, je nach den Konfigurationsparamentern, auch noch aus, wenn die Systeme mehrere Monate keine Verbindung zum Server haben. Sobald die Verbindung wieder aktiv ist, werden lokal gespeicherte Daten an den Server weitergeleitet.

 

 

Anwendungs-Firmware und Modi für die Datenerfassung

Zum Verständnis der unterschiedlichen Modi zur Datenerfassung auf den NI-Zustandsüberwachungssystemen sollten Grundlagenkenntnisse über die Maschinen vorhanden sein, mit denen diese Systeme verbunden sind. Dafür kann die Lösung in zwei Hauptkategorien von Maschinen (siehe Abbildung 1) aufgeteilt werden:

 

 

Abb. 1: Klassifikation von Maschinen

 

Die erste Kategorie bilden die sekundären oder „Balance of Plant“-Geräte. Dazu gehören etwa kleine bis mittelgroße Motoren, Ventilatoren, Pumpen usw. Diese sind zwar wichtig, werden aber oft als sekundär bzw. weniger risikobehaftet für den Betrieb einer Anlage eingestuft. In diesem Fall liefern zyklus- oder ereignisbasierte Messungen den Fachexperten genug Informationen, um Probleme zu diagnostizieren. Meist fallen ca. 80 Prozent der Maschinen innerhalb einer Anlage in diese Kategorie. Zur Überwachung dieser Maschinenklasse wurde das System Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9068) konzipiert.

Die zweite Kategorie bezeichnet „hochwertige“ oder kritische Maschinen, die unabdingbar für den Geschäftsbetrieb sind. Dazu gehören beispielsweise Turbinen oder Kompressoren. In den meisten Fällen laufen diese Maschinen in einem stabilen Zustand, sodass auch hier zyklus- oder ereignisbasierte Messungen ausreichen. Doch in kritischen Zeiten, z. B. beim Start einer Turbine, müssen transiente Daten kontinuierlich übertragen werden. Zur Überwachung dieser Maschinenklasse wurde das System Transienten-, Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9024) entwickelt.

 

 

Zyklus- und ereignisbasierte Erfassung

Die NI-Systeme für die Zustandsüberwachung erfassen und überwachen Daten für außerordentliche Ereignisse kontinuierlich. Protokolliert werden die Daten nur dann, wenn ein bestimmtes Ereignis oder eine konfigurierte Alarmbedingung auftritt. Zu diesen Ereignissen gehören:

  • Zyklische Erfassung: Daten werden in vom Anwender konfigurierten, regelmäßigen Abständen erfasst, z. B. einmal pro Stunde, einmal pro Tag, dreimal pro Tag usw.
  • Abweichungen von Werten: Daten werden erfasst, wenn eine oder mehrere Bedingungen, etwa der Schwingungspegel, die Temperatur oder Spektralbänder sich um mindestens einen spezifizierten Wert ändern. Sowohl positive als auch negative Wertänderungen lösen einen Trigger aus. Der Wert für den Ausgangszustand wird bei der Inbetriebnahme der NI-Zustandsüberwachungssysteme eingestellt.

Als Beispiel soll hier bei der Inbetriebnahme ein Effektivwert (g) von 1 vorliegen. Der Ausgangszustand ist deshalb 1. Der Triggerpegel wird auf # gesetzt. Damit überprüft das Gerät bei Werten von weniger als -2 und mehr als 4, ob die Bedingung erfüllt wird. Liegt ein Wert etwa bei 5, erfasst ihn das Gerät und setzt den neuen Triggerwert auf 5.

  • Erzwungene Trigger: Diese Trigger sind nützlich, wenn der Zustand von Equipment nach einem Alarm oder einem anderen Problem schnell überprüft werden soll. Erzwungene Trigger können durch den Anwender in verschiedenen Menüpunkten in der Software NI InsightCM Enterprise ausgelöst werden.

 

 

Erfassung von Transienten

Neben zyklus- und ereignisbasierter Erfassung eignen sich Systeme des Typs CMS-9024 auch für die Erfassung transienter Daten. Diese müssen häufig auf den zuvor erwähnten kritischen Maschinen erfasst werden. Abbildung 2 zeigt ein Transientenereignis, in diesem Fall den Nachlauf einer Gasturbine.

 

Abb. 2: Transientenereignis

 

Das System CMS-9024 kann so konfiguriert werden, dass es während des Transientenereignisses kontinuierlich zeitlich korrelierte Signalverlaufsdaten überträgt. In diesem Beispiel konfigurierte der Anwender das Transientenereignis so, dass die Datenerfassung beginnt, sobald der Pegel unter 3450 Umdrehungen pro Minute fällt und vom Streaming wieder zur zyklusbasierten Datenerfassung gewechselt wird, wenn die Geschwindigkeit unter 750 Umdrehungen pro Minute sinkt.

Hier kann das NI-Zustandsüberwachungssystem so konfiguriert werden, dass es nur die transienten Daten auf Grundlage der Geschwindigkeitsveränderungen speichert. Außerdem kann die Transientenerfassung so konfiguriert werden, dass sie Daten basierend auf Änderungen der Geschwindigkeit jeweils z. B. alle 10, 20, 100 U/min erfasst.

 

 

Gating

Beide Zustandsüberwachungssysteme von NI unterstützen das Konzept des sogenannten Gating von Erfassungen. Das bedeutet einfach, dass Daten nur dann gespeichert werden, wenn bestimmte Schwellwerte erreicht werden, unabhängig von anderen Erfassungseinstellungen. So ist es nicht sinnvoll, auf einer Maschine, die gerade nicht in Betrieb ist, jede Stunde Daten zu erfassen. Falls ein Anwender unbeabsichtigt ein vorhin erwähntes zyklisches Datenerfassungsereignis, aber keine andere Art von Gating einstellt, werden Daten unabhängig vom Maschinenzustand erfasst. Stattdessen sollte ein Gate so gesetzt werden, dass etwa eine Schwingung einen bestimmten Pegel oder eine Temperatur eine gewisse Grenze überschreitet. Dann geschieht die Erfassung nur dann, wenn diese Gate-Bedingungen erfüllt werden.

 

 

Alarme

Die Systeme können mithilfe von integrierten Analysefunktionen Alarmbedingungen auch in Echtzeit erkennen. Anwenderkonfigurierte Alarme werden vom Server auf das Erfassungsgerät geladen. Wenn die Alarmbedingungen erfüllt werden, speichert das Gerät die relevanten Informationen im TDMS-Dateiformat und schickt eine Alarmnachricht zurück an den Server.

 

 

Puffern

Wie bereits erwähnt, überwachen NI-Zustandsüberwachungssysteme Daten von außerordentlichen Ereignissen kontinuierlich, doch sie protokollieren nicht alle Daten. Die kontinuierlich gesammelten Daten werden in einem systemeigenen Puffer gespeichert. Die Größe des Onboard-Puffers wird von den Einstellungen für die Dauer bestimmt, die auf der Registerkarte mit den Erfassungseinstellungen im NI InsightCM Systems Manager konfiguriert wurde. Sowohl die Gesamtdauer als auch die Dauer bis zum Erkennen des Triggers werden vom Anwender definiert. In vielen Fällen sind die Daten vor dem Erkennen des Triggers oder die Daten unmittelbar vor einem Ereignis oder Trigger die wichtigsten. Da das System kontinuierlich überwacht, können Sie sowohl die Daten vor dem Trigger (bzw. Ereignis) und nach dem Trigger (bzw. Ereignis) erfassen. Sobald ein Ereignis (wie bereits beschrieben) auftritt, werden alle Daten (Rohdaten zu Signalverlauf und Funktion) für alle Kanäle des jeweiligen NI-Zustandsüberwachungssystems in eine TDMS-Datei gespeichert.

 

 

Sensorunterstützung

Sowohl der Transienten-, Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9024) und der Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9068) können vielfältige Sensoreingänge verarbeiten. Beide Systeme unterstützen die Standardeingänge für Beschleunigungsmesser, Luftströmungsmesser, Geschwindigkeits- und Näherungssensoren.

  • Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9068)
    Neben Eingängen für Beschleunigungsmesser, Luftströmungsmesser, Geschwindigkeits- und Näherungssensoren akzeptiert das System CMS-9068 Eingänge von vielen weiteren Sensoren, darunter RTDs, Thermoelemente, Digitaleingänge und allen anderen Sensoren mit einem Ausgangsbereich zwischen 0 und 10 V. Für Sensoren mit diesem Ausgabebereich bietet die Software NI InsightCM Systems Manager Mechanismen zum Skalieren der Daten in passende Einheiten nach der Gleichung y=mx+b. Statische Module erfassen mit einer Abtastrate von 1 Hz, dynamische Module dagegen mit bis zu 102,4 kHz. Tabelle 1 zeigt den vollen Umfang der verfügbaren Sensoreingänge.

 

 

Module zur Messung von dynamischer Beschleunigung, Geschwindigkeit, Abstand
und Spannungssignalen

NI 9232

DSA mit 3 Kanälen, ±30 V

Statische Spannung

NI 9205

16 differenzielle Eingangskanäle

NI 9207

8 Spannungs-/8 Stromkanäle

NI 9229

Hoch isoliertes Analogeingangsmodul mit 4 Kanälen, ±60 V

NI 9239

Hoch isoliertes Analogeingangsmodul mit 4 Kanälen, ±10 V

Strom

NI 9207

8 Spannungs-/8 Stromkanäle

NI 9208

16 Kanäle, 4 mA bis 2 mA

Temperatur

NI 9211

Thermoelement mit 4 Kanälen

NI 9213

Thermoelement mit 16 Kanälen

NI 9214

Hochpräzises Thermoelement mit 16 Kanälen

NI 9217

RTD mit 4 Kanälen

Digitaleingang

NI 9425

Digitaleingang mit 32 Kanälen, stromziehend (Kontaktschluss)

NI 9426

Digitaleingang mit 32 Kanälen, stromliefernd (Kontaktschluss)

Verschiedene

NI 9219

Universelle Unterstützung für diverse Sensoren (V, mA, Ω, offener Kontakt, Thermoelement, RTD) mit 4 Kanälen

NI-Messmodule für CMS-9068

  • Transienten-, Zyklus- und Ereignisrekorder (CMS-9024)
    Das System CMS-9024 ist nur zum Erfassen von Daten von Beschleunigungs-, Schwingungs- und Näherungssensoren konzipiert. Im Gegensatz zum CMS-9068 unterstützt das CMS-9024 Keyphasor-Sensoren an bis zu drei Kanälen. Die Keyphasor-Kanäle sind nur am Steckplatz 1 des Embedded-Real-Time-Controllers cRIO-9024 zulässig.