Pepperl+Fuchs VIM: Detaillierte Auskunft vom Schwingungssensor

Die Schwingungssensoren der VIM-Reihe erfassen einen Frequenzbereich von 1 bis 1.000 Hz. Das breite Portfolio umfasst Geräte mit Ex-Schutz, robuste Gehäusematerialien für unterschiedliche Einsatzzwecke sowie einen großen Temperaturbereich, Schutzart bis IP67 u. v. m.

Die Arbeit einer Maschine beruht in der Regel auf der Rotation von Wellen und anderen Komponenten. Bei einwandfreier Funktion „läuft sie rund“ und weist ein bestimmtes Schwingungsmuster auf. Während ihrer Lebensdauer sind die bewegten Teile der Maschine der Abnutzung durch Verschleiß ausgesetzt, die sich auf den Rundlauf auswirkt. Effekte wie Verschmutzung, Materialermüdung und Vibration können ebenfalls schleichende Veränderungen und Unwuchten herbeiführen – sie machen sich im Schwingungsverhalten bemerkbar. Typische Folgen sind z. B. die Lockerung von Getriebeverbindungen, der Bruch von Halterungen oder Schäden an Kugellagern. Es kann auch vorkommen, dass eine Maschine von vornherein „angeschlagen“ ist, etwa aufgrund von Aufstellproblemen oder einer unbemerkten Fehlausrichtung an einer Kupplung.

Die Serie VIM3 ist besonders kompakt und eignet sich für Anwendungen bis SIL 1/PL c.

Schwingungsmuster zeigen Risiken an

Bei großen Motoren und Maschinen wie Zentrifugen, Gebläsen oder Pumpen kann einiges auf dem Spiel stehen: Hier kann die Kombination aus schweren Maschinenteilen und starken Fliehkräften nicht nur einen schweren Maschinenschaden verursachen, sondern auch ein beträchtliches Risiko für das Bedienpersonal darstellen. Sicherheitsvorschriften mit Normen für die funktionale Sicherheit sollen diese Gefahr ausschließen, indem sie definierte Level – wie SIL oder PL – verlangen. Zu den vorgeschriebenen Sicherheitsvorkehrungen gehört bei größeren Maschinen u. a. die normierte Schwingungsmessung.

Kapazitive MEMS-Sensoren können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung erfassen, die bei einer Schwingungsbewegung entsteht. Die normierte Schwingungsmessung beruht auf dem sogenannten RMS-Wert der Beschleunigung. Das Akronym steht für „Root Mean Square“, also einem quadrierten Mittelwert: Die Beschleunigungswerte werden über eine definierte Zeitspanne von bis zu 12 Sekunden erfasst und gemittelt, die Spitzen also mathematisch abgeschnitten.

Mit der Mittelwertbildung werden kurzzeitige, irrelevante Änderungen des Schwingungsverhaltens herausgefiltert, damit nicht fälschlicherweise kritische Werte gemeldet und Alarme ausgelöst werden. Hier können Einwirkungen von außen eine Rolle spielen, wie etwa die Vibration eines vorbeifahrenden Fahrzeugs. Auch vom umgebenden Gebäude bzw. durch den Boden können Schwingungen auf die Maschine übertragen werden und zu einem Ausschlag der Schwingungswerte ohne Bezug zum Maschinenzustand führen.

Effektivwert und Sicherheitsschaltung

Die Schwingungssensoren der VIM-Baureihen von Pepperl+Fuchs erledigen die RMS-Berechnung selbst und geben den gemittelten Effektivwert an die Steuerung weiter. Eine Trendbetrachtung bildet die allmähliche Veränderung ab, die in der Maschine über einen längeren Zeitraum durch Reibung und Verschleiß zu Abnutzungserscheinungen führt. Bestimmte Schwingungsmuster können sogar spezifischen Maschinenteilen zugeordnet werden, so dass eine sehr detaillierte Diagnose möglich ist. Man kann Grenzwerte für Alarme definieren und so eine bedarfsgestützte vorausschauende Wartung etablieren. Das ist zugleich ein Beitrag zur Vermeidung von ungeplantem Stillstand und zur Steigerung der Anlagenverfügbarkeit.

Wo besondere Anforderungen an die Funktionale Sicherheit gestellt sind, übernehmen die Sensoren die entsprechende Überwachung: Sie gewährleisten, dass ein kritisches Schwingverhalten erkannt und an die Maschinensteuerung gemeldet wird, die auf dieser Grundlage in den sicheren Zustand schaltet. Pepperl+Fuchs bietet Schwingungssensoren mit den entsprechenden Zertifikaten an. Ihr Einsatz reduziert den Zertifizierungsaufwand, da der Sensor jeweils als Teil der Regelkette als sicher eingestuft ist.

Gerätevarianten für verschiedene Einsatzzwecke

Die Schwingungssensoren der VIM-Reihe erfassen einen Frequenzbereich von 1 bis 1.000 Hz. Das breite Portfolio umfasst u. a. Geräte mit Ex-Schutz, robuste Gehäusematerialien für unterschiedliche Einsatzzwecke sowie einen großen Temperaturbereich, Schutzart bis IP67, global gültige Zulassungen und die Möglichkeit zur webbasierten Fernwartung per IO-Link. Es gibt drei Bauformen für unterschiedliche Anforderungen: Die Serie VIM3 ist besonders kompakt und eignet sich für Anwendungen bis SIL 1/PL c. Weiters die Serie VIM6 ist für explosionsgefährdete Bereiche bis Zone 1/21 zugelassen. Mit einem Temperaturbereich von -40 bis +125 °C eignen sich diese Sensoren zudem für den Einsatz bei extremen Temperaturen. Und die Serie VIM8 besitzt ein besonders robustes Gehäuse aus rostfreiem Stahl. Sie ist für den Einsatz in rauen Offshore-Anwendungen ausgelegt und darüber hinaus für die Ex-Zone 1/21 sowie für SIL 2/PL d zertifiziert.

Die Sensoren erlauben die einfache Inbetriebnahme ohne Programmieraufwand und eine Parametrierung direkt am Gerät. Die Serie VIM3 bietet zusätzlich optional eine IO-Link-Schnittstelle und die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Messwerte für eine nachhaltige Zustandsüberwachung zu erheben. Neben der gemittelten Schwingbeschleunigung (g rms) können auch Spitzenwerte (g peak), der Lagerzustandskennwert zur direkten Beurteilung von Kugellagern sowie die Temperatur ausgegeben werden. Der Sensor bietet eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten zur optimalen Anpassung an die jeweilige Applikation. Dazu gehört z. B. ein einstellbares Schaltsignal, das parallel zur IO-Link-Kommunikation eingerichtet werden kann, um unmittelbar einen definierten Wartungseinsatz auszulösen.

Mit einem zusätzlich implementierten Zähler oder einer Betriebszeitmessung kann man festlegen, wie lange eine Maschine einen kritischen Schwingungswert überschreiten darf, bevor ein Folgeschritt ausgelöst wird. Zugleich wird die Kapazität der Steuerungsebene geschont, da das Gerät die nötigen Rechenschritte selbst durchführt.

Das IO-Link-Gerät erlaubt damit eine an präzise definierten Parametern ausgerichtete zustandsabhängige Wartung der Maschine, die gegenüber der zyklischen Wartung zu beträchtlichen Einsparungen führen kann. Instandhaltungsmaßnahmen können effizient und nach tatsächlichem Bedarf geplant werden. Gleichzeitig entfallen weitere Anpassungen, da die passende Trigger-Einstellung zur Wartung direkt im Sensor vorgenommen werden kann.