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update: 06.10.2009 page 1 © ifm electronic gmbh Windkraft Condition Monitoring Condition Monitoring Systeme (CMS) in Windkraftanlagen CMS Autoren: Martin Kluge Michael Danitschek

Condition Monitoring Systeme (CMS) in Windkraftanlagen · Condition Monitoring Info zu VSE Recorder: Software zum automatisierten Speichern der Rohdaten als FFT-Spektren bei Alarmüberschreitung

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WindkraftCondition Monitoring

Condition Monitoring Systeme (CMS) in Windkraftanlag en

CMS

Autoren:Martin KlugeMichael Danitschek

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WindkraftCondition Monitoring

Condition Monitoring Systeme in Windkraftanlagen

� Kernziele:

� Permanenter Anlagenschutz

� Reduzierung der Instandhaltungskosten

� Verfügbarkeitssteigerung durch permanente Online-Überwachung

� Planbarkeit der Instandsetzung

� Ursachenanalyse durch Dokumentation von Schadensereignissen

� Vermeidung von ungeplanten Produktionsausfällen

� Zustandsorientierte Instandhaltung gemäß DIN 31051 „Grundlagen der Instandhaltung“

CMS

Condition Monitoring = Zustandsüberwachung

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WindkraftCondition Monitoring

Überwachungsmöglichkeiten an Windkraftanlagen

Antriebsstrang (Diagnose)

Turmschwingungen (Sicherheit)

Rotorblätter (Sicherheit)

Motoren u. Pumpen (Diagnose)

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WindkraftCondition Monitoring

*Resonanzen der Blätter führen zu Ausfällen durch Ermüdung

<10%Rotorblätter *

11 %Hauptlager

23 %Generator

32 %Hauptgetriebe

Ausfälle in ProzentMechanische Komponente

� Angaben des Versicherers Germanischer Lloyd

Ausfallmöglichkeiten an einer Windkraftanlage

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WindkraftCondition Monitoring

Einsparpotentiale am Beispiel eines Getriebes einer Windkraftanlage

� Kostenfaktoren eines Getriebes:� Ein neues Getriebe kostet ca. 160.000 €

� Die Lieferzeit eines neuen Getriebes beträgt ca. 6 Monate

� Zum Austausch des Getriebes wird ein Mobilkran mit folgenden Kosten benötigt� Transport des Kranes zur Anlage: ca. 30.000 €

� Tägliche Nutzungskosten: 4.000 €

� Kostenvorteile durch den Einsatz von Condition Monitoring Systemen:� Schäden können frühzeitig erkannt werden

� Reparaturkosten sind deutlich geringer als Austausc hkosten

� Reparaturen können im frühzeitigen Stadium in der Gondel durchgeführt werden

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WindkraftCondition Monitoring

Einsatzmöglichkeiten von Condition Monitoring System en

Rotor• Ermüdung, Rissbildung

• Fehler der Blattverstellung

• Beschädigungen (z.B. durch Blitzschlag)

Getriebe• Abnutzung, Bruch von Zähnen

• Versatz, Exzentrizität von Zahnrädern

Lager, Wellen• Abnutzung, Defekt von Lagerschalen und Wälzkörpern

• Ermüdung, Rissbildung in Wellen

Gondelverstellung• Fehler der Windrichtungsnachführung

• Überwachung der Gleitlager

Generator/Netzkopplung• Wicklungsschäden

• Läuferunsymmetrien, Stabbruch

• Überhitzung

Turmschwingungen• Anlagenverhalten

• Umwelteinflüsse

• Rissbildung, Ermüdung

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WindkraftCondition Monitoring

Grundlegende Vorteile des Systems efector octavis

� Permanenter Schutz von Windkraftanlagen

� Detaillierte Diagnose von Rotor, Getriebe, Generator und weiteren Anlagenteilen

� Ursachenanalyse durch Dokumentation von Schadensereignissen

� Trendaufzeichnung (Route cause analysis, Crash Recorder)

� FFT Recorder (FFT: Schnelle Fourier-Transformation)

Frequenzanalyse u. -auswertung

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WindkraftCondition Monitoring

Technische Möglichkeiten der Produktreihe efector octavi s

� Verschleiß-/Zustandsüberwachung in Echtzeit und Historie (Langzeitdiagnose, Trendspeicher / Ringspeicher mit frei einstellbaren Zeitintervallen)

� Frequenzselektive Diagnose der Schadensobjekte nach folgenden Methoden: - Schnelle Fouriertransformation / FFT (für z.B. Unwucht, Zahneingriffsfrequenz, Getriebe) - Hüllkurvenanalyse / HFFT (für z.B. Lagerzustand, Seitenbandanalyse)

� Breitbandige Überwachung von allgemeinen Schwingkenngrößen (nach DIN ISO 10816)

� Instandhaltungsmeldung als digitale Alarmsignale oder Datenübergabe an übergeordnete Systeme (OPC, Visualisierungen, SCADA)

SchnelleFouriertransformation

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WindkraftCondition Monitoring

Die digitalen Alarmsignale von efector octavis:

Hauptalarm

VoralarmNormalbereich - OK

Arbeitszyklus

Sch

äden Abschaltzeiten von bis zu 10 ms werden realisiert !

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WindkraftCondition Monitoring

Technische Vorteile des Systems efector octavis

ifm electronic WettbewerbOnline Diagnose efector octavis

Diagnose-Kennwerte mit FFT-Analyse a a

Diagnose-Kennwerte mit Hüllkurvenanalyse (HFFT) a a

Bis zu 7 (VE) bzw. 24 (VSE) Kenngrößen parallel übe rwachbar a r

Kennwerte im Zeitbereich (Echtzeitdiagnose) a a

DIN-ISO 10816 Kennwerte (Echtzeitdiagnose) a a

Berücksichtigung der Prozessbedingungen bei Diagnos e a a

Berücksichtigung der Prozessbedingungen bei Alarmie rung a a

MaschinenschutzAlarmierung direkt an PLC (ohne PC Software) a a

Differenzierte Alarmierung an PLC a r

Echtzeitdatenerfassung a r

TrendaufzeichnungInterne Datenaufzeichnung mit Zeitstempel a r

Offene Daten-Schnittstelle (z.B. für Visualisierung und Datenbänke) a r

a ja

r teilweise

r nein

FFT: Schnelle Fourier-TransformationProzessbedingungen: z.B. Leistung und Drehzahl

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WindkraftCondition Monitoring

Produktmerkmale:� Ethernetschnittstelle / OPC-Schnittstelle

� Auswertung von bis zu 4 Schwingungssensoren (0...10 mA) je Diagnoseelektronik möglich

� Pegelüberwachung nach DIN ISO 10816

� Bis zu 24 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 80 Einzelfrequenzen

� Interner Historienspeicher bis zu 30.000 Einträge inklusive Zeitstempel (Echtzeituhr)

� 2x statische Eingänge 0/4...20 mA / 0...10 V oder Impuls 24 V für Prozessgrößen (z.B. Last und Drehzahl)

� 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 mA) oder 1x digitaler Alarm-Ausgang + 1x analoger Ausgang 0/4...20 mA / 0...10 V

� 8x digitale Aus-/Eingänge (frei konfigurierbar) (PNP 100 mA) als Trigger- oder Alarmsignale

Schwingungssensoren VSA mit erweiterter Diagnoseelektr onik VSE1xx

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WindkraftCondition Monitoring

Produktmerkmale:� Ethernetschnittstelle / OPC-Schnittstelle

� Auswertung von bis zu 4 Schwingungssensoren (0...10 mA) je Diagnoseelektronik möglich

� Pegelüberwachung nach DIN ISO 10816

� Bis zu 24 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 80 Einzelfrequenzen

� Interner Historienspeicher bis zu 30.000 Einträge inklusive Zeitstempel (Echtzeituhr)

� 2x statische Eingänge 0/4...20 mA oder Impuls 24 V für Prozessgrößen (z.B. Last und Drehzahl)

� 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 mA) oder 1x digitaler Alarm-Ausgang + 1x analoger Ausgang 0/4...20 mA / 0...10 V

� Einsatz von Schwingungssensoren Typ VSA001 bis +125 °C

Schwingungssensoren VSA mit getrennter Diagnoseelektro nik VSE0xx

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WindkraftCondition Monitoring

Produktmerkmale:� Sensor und Diagnoseelektronik in einem

Gehäuse (kein Schaltschrank erforderlich!)

� LED-Anzeige am Gerät

� Pegelüberwachung nach DIN ISO 10816

� Bis zu 5 Online-Diagnosemerkmale bestehend aus max. 20 Einzelfrequenzen

� Historienspeicher/Trendverlauf im Sensor (bis zu 2.850 Werte oder Stunden je Objekt)

� 2x digitale Alarm-Ausgänge (PNP 100 mA)

� Datenübertragung von Diagnosedaten optional auch über lange Distanzen (RS485 / Profibus DP über Gateway)

� Als mobiles Messsystem einsetzbar (Analyzer)

� In ATEX 2D/2G erhältlich

Kompakte Schwingungsdiagnosegeräte Typ VE

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WindkraftCondition Monitoring

Produktmerkmale:� Kompakter Schwingungswächter

mit Transmitter- und Schaltausgang

� Für permanenten Maschinenschutz

� Permanente Schwingungsüberwachung nach DIN ISO 10816

� Schaltausgang mit einstellbarem Schaltpunkt und Ansprechverzögerung (PNP 500 mA)

� Analogausgangssignal 4...20 mA (4 mA = 0 mm/s; 20 mA = 25 mm/s) für die direkte Anzeige am Leitstand

� LED-Anzeige am Gerät

� Einfache Einstellung über zwei optimal ablesbare Stellringe

Kompakte Schwingungsdiagnosegeräte Typ VK

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WindkraftCondition Monitoring

Binäre u. analoge Alarmsignale

Datenübertragung der Online-Schwingungsdiagnose Typ VSE

CMS Condition Monitoring SystemeWKA-Steuerung

SPS

Router / Switch

DiagnoseelektronikVSExxx

SchwingungssensorenVSAxxx

Temperatur-sensor

Parametrierung

Weitere Eingangssignale

Binäre u. analogeAlarmsignale

Datenserver mit OPC-Serverund Visualisierung

Optionale Datenerfassung

Leit- und Planungsebene

Real Time Maintenance-Projektierung

SchwingungssensorenVSAxxx

Parametrierung

Analoges Lastsignal

DiagnoseelektronikVSExxx

Analoges Drehzahlsignal

Enterprise ResourcePlanning System

Induktiver Sensor zur Drehzahlüberwachung

Analoges Lastsignal

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WindkraftCondition Monitoring

Condition Monitoring in Windparks über Ethernet/OPC- Schnittstelle

Info zu Prozessorleistung:Die Aufnahme 1 Wertes per OPC mit der Abtastrate 1s benötigt 1 MHz Prozessorleistung.Beispiel: 2,4 GHz = 2400 Werte.

SCADA-System(Leitsystem)

Windparkbetreiber

Anbindung per OPC-Server E30114

Info zu OPC-Server:Die Geräteanzahl der VSE ist abhängig von der Anzahl der übertragenen Variablen und Bandbreite des verwendeten Netzwerkes.

Router / Switch

Serviceunternehmen für Wartung und Instandhaltung

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WindkraftCondition Monitoring

Info zu VSE Recorder: Software zum automatisierten Speichern der Rohdaten als FFT-Spektren bei Alarmüberschreitung in Dateiformat

Condition Monitoring in Windparks über VSE Recorder- Software.Detaillierte Tiefenanalyse als FFT- oder Hüllkurven- FFT-Spektren.

Serviceunternehmen für Wartung und Instandhaltung

Datenauswertung aus WKA-PCs

WKA-PC

Router / SwitchMöglichkeiten der automatisierten Speicherungbei Triggerung durch:• Zustandssignsal• Zeitsignal• Analogeingangssignal

SCADA-System(Leitsystem)

Windparkbetreiber

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WindkraftCondition Monitoring

Zusammenfassung der Technik

� Signalauswertung erfolgt bereits im System

� Online-Schwingungsdiagnose mit einem herausragenden Preis- / Leistungs-Verhältnis

� Dezentrale maschinenintegrierte Anlagenüberwachung

� Verschiedene Ausführungsformen: Kompakte Feldgeräte (Typ VK / VE) oder Schaltschrankmodule (Typ VSE)

� Interne Trendaufzeichnung aller überwachten Diagnosegrößen (Typ VE / VSE)

� Beide Prozessgrößen (z.B. Last und Drehzahl, Temperatur und Druck, etc.) können hinsichtlich Über- und Unterschreitung überwacht und im Historienspeicher abgelegt werden

� Digitale und analoge Alarmausgänge

� Gateway-Funktion für zusätzliche Prozess-Signale

� Standard-Datenschnittstelle (OPC ) zur Einbindung in übergeordnete Systeme (Typ VSE)

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WindkraftCondition Monitoring

Das richtige Produkt für jeden Anwendungsfall

Eckdaten Ziel VK VE VSE

Maschinenschwingungen allgemein SCHUTZ √ √ √

Integrierte Trendaufzeichnung DOKUMENTATION x √ √

Diagnose SCHADENSFRÜHERKENNUNG x x √

Vernetzbarkeit SYSTEM x x √

Produktreihe

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WindkraftCondition Monitoring

Applikationsbeispiele in Windkraftanlagen

Bereiche:

� „Economy“ – CMS: Condition Monitoring System für Generator + Getriebe + Rotorlager

� „Premium“ – CMS: Condition Monitoring System für Generator + Getriebe + Rotorlager

� Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose

� Diagnose von Pumpen und Motoren in der Peripherie

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WindkraftCondition Monitoring

„Economy“ - Condition Monitoring System für Generator + Getriebe + Rotorlager unter 1000 €*

Eckdaten:� Online-Diagnose + Alarmmeldung +

Trendaufzeichnung unter 1000 €*

� Bestehend aus 4 Schwingungssensoren VSA001 und 1 Diagnoselektronik VSE002

� 1) Überwachung Lager, Konverter

� 2) Überwachung Lager, Rotor

� 3) Überwachung Lager, Rotorwelle (Getriebeausgang)

� 4) Überwachung Rotorlager

� 9) Drehzahleingang (Impuls, 4-20mA)

� 10) Lasteingang (Impuls, 4-20mA)

� 11) Alarmausgang (2 bis 10 Alarmausgänge)

� 12) Datenschnittstelle TCP/IP

� 13) PC zur Konfiguration bzw. Datenspeicherung

� 14) Diagnoseelektronik VSE

* Bezogen auf Preisliste Deutschland 2009

Diagnosedaten: ISO RMS, Lagerzustand (BPFO, BPFI, BSF), Käfigfrequenz (FTF), a_peak, a_rms

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WindkraftCondition Monitoring

„Premium“ - Condition Monitoring System für Generator + Getriebe + Rotorlager

Eckdaten:� Online-Diagnose + Alarmmeldung +

Trendaufzeichnung

� Bestehend aus 8 Schwingungssensoren VSA001 und 2 Diagnoselektroniken VSE

� 1) Überwachung Lager, Konverter

� 2) Überwachung Lager, Rotor

� 3) Überwachung Lager, Rotorwelle (Getriebeausgang)

� 4) Überwachung Rotorlager

� 5)- 8) Schwingungsüberwachung Getriebe

� 9) Drehzahleingang (Impuls, 4-20mA)

� 10) Lasteingang (Impuls, 4-20mA)

� 11) Alarmausgang (2 bis 10 Alarmausgänge)

� 12) Datenschnittstelle TCP/IP

� 13) PC zur Konfiguration bzw. Datenspeicherung

� 14) Diagnoseelektronik VSE

Diagnosedaten: ISO RMS, Lagerzustand (BPFO, BPFI, BSF), Käfigfrequenz (FTF), Zahneingriff, Seitenbandanalyse, a_peak, a_rms

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WindkraftCondition Monitoring

Änderungen der Rotorblattschwingung durch Risse, Ei sbildung, Unwucht werden durch die Schwingungsänderungen erfa sst und können direkt über die Diagnoseelektronik ausgewert et werden.

Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose

efector octavisDiagnoseelektronik VSE002 & Schwingungssensor VSA001 :

� 1 Schwingungssensor je Rotorblatt

� Zentrale Auswertung über Diagnoseelektronik mit Ethernet-schnittstelle im Rotor-Schaltschrank

� Zusätzliche Auswertung externer Sensoren (VSE100, binär u. analog)

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update: 06.10.2009 page 24© ifm electronic gmbh

WindkraftCondition Monitoring

Diagnose von Pumpen und Motoren in der Peripherie

In einer Windkraftanlage existieren vielfach Motore n und Pumpen in der Peripherie die bzgl. Wälzlagerschäden, Unwucht und Kavitation werden müssen. Der efector octavis bietet dem Anwen der eine optimale Verfügbarkeit der Anlage durch permanente Überwachung dieser Aggregate. Weiterhin können Ausrichtefehler erkannt und Zahneingriffe überwacht werden.

efector octavis VE1xxx:� Z.B. VE1001 oder VE1002

� Erkennung von Wälzlagerschäden durch Frequenzanalyse

� bis zu 20 Frequenzen im Spektrum, frei wählbar, Diagnoselevel einstellbar

� Kompakte Bauform: Sensorik, Aus-wertung und Diagnose in einem Gerät

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WindkraftCondition Monitoring

Kundenvorteile durch den Lieferanten ifm electronic

� Führender Anbieter für integrierte Online-Schwingungsüberwachung

� Weltweit anerkannter und für die Qualität geschätzter Lieferant

� Eigene Produktion mit hohen Qualitätsstandards, QS Zertifizierung

� Entwicklung und Produktion in Deutschland

� Namhafte Referenzen im Bereich der Windkraft (ca. 1000 Systeme weltweit, Stand 2008)

� Kostenlose Parametrierungssoftware

� Herstellerunabhängigkeit bei der Datenauswertung

� Weltweit kompetente Ansprechpartner vor Ort

� Weltweite Beratung, Schulung und Unterstützung

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WindkraftCondition Monitoring

� Verfügbarkeit von Windkraftanlagen erhöhen

� Instandhaltungskosten senken

� Qualität sichern

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WindkraftCondition Monitoring

� Positionssensorik und Objekterkennung� Induktive Sensoren, Kapazitive Sensoren,

Magnetsensoren, Zylindersensoren, Ventilsensorik, Sicherheitstechnik, Optische Sensoren, Objekterkennung, Drehgeber

� Fluidsensorik und Diagnosesysteme� Füllstandsensoren, Strömungssensoren, Drucksensoren,

Temperatursensoren, Diagnosesysteme

� Auswertesysteme, Netzteile und Schaltverstärker

� Bussystem AS-Interface

� Identifikationssysteme� RF-Identifikationssysteme (RFID), Optische Identifizierungssysteme

� Steuerungssysteme

� Verbindungstechnik

Produktübersicht der ifm electronic