Ein Stahlwerk verhindert katastrophale Ausfälle durch Zustandsüberwachung

Jul 01, 2023

Während sich Industrie 4.0 schnell vom Reich der Ideen zur Realität entwickelt, wurden große Fortschritte bei der Nutzung der industriellen Internet-of-Things-Technologie (IIoT) gemacht, um einen intelligenteren und effizienteren Anlagenbetrieb und -wartung voranzutreiben. Beispielsweise erkannte ein integriertes Stahlwerk im Südosten der USA den Wert einer Investition in diese Technologie, nachdem es mit vier seiner Tauchpumpen wiederholt vor Herausforderungen stand.

Obwohl es sich nur um einen kleinen Teil des Systems handelt, spielen diese Tauchpumpen eine wichtige Rolle im Stahlherstellungsprozess. Da sie jedoch eine kurze mittlere Ausfallzeit (MTBF) aufweisen und anfällig für unerwartete Ausfälle sind, stellen sie ein Risiko für die Produktion dar.

Da das Werk es leid war, Geld und Zeit für Notfallreparaturen aufzuwenden, ergriff es die Initiative und installierte ein drahtloses Zustandsüberwachungssystem, das ihm einen klaren Überblick über den Zustand der Ausrüstung verschaffte. Dank dieses Systems konnten sie drohende Ausfälle rechtzeitig vorhersagen, um den Schaden zu minimieren. Nach vorheriger Ankündigung können sie nun einen sorgfältig durchdachten Aktionsplan für die Überholung der Geräte entwickeln.

Die betreffenden Tauchpumpen wurden in einer Abwassergrube einer Entwässerungsanlage installiert; Für den Betrieb waren alle vier Pumpen erforderlich, um die Grube auf einem akzeptablen Wasserstand zu halten. Bei der Installation kam es seit dem Start zu Zuverlässigkeitsproblemen, wobei die durchschnittliche MTBF weniger als sechs Monate betrug. Wenn eine der Pumpen ausfiel, konnten die verbleibenden Pumpen die Grube nicht zufriedenstellend entleeren. Die Art des Versagens war in der Vergangenheit so schwerwiegend, dass eine Reparatur nicht möglich und/oder kosteneffektiv war.

Das Stahlwerk beauftragte ein Aftermarket-Reparaturunternehmen mit der Prüfung des Designs und der Analyse, warum bei der Ausrüstung diese wiederkehrenden Ausfälle auftraten. Das Ingenieurteam untersuchte das Pumpendesign und das Zusammenspiel der Pumpen und ihres Systems genau, um Konstruktionsschwächen zu identifizieren.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass der installierte Schacht der Pumpe für die erforderlichen Betriebsbedingungen zu klein war. Leider ließen sich die Bedingungen nicht ändern und eine Neugestaltung der Grube wäre ein kostspieliger und zeitaufwändiger Aufwand. Nach sorgfältiger Überlegung kam das Werk zu dem Schluss, dass eine Änderung des Systemdesigns nicht möglich sei. Das Wartungsteam des Stahlwerks war sich darüber im Klaren, dass die Grundursache der Pumpenverschlechterung nicht behoben werden konnte, und suchte nach einer Technologie, die dazu beitragen könnte, die unerwartete Natur der Ausfälle zu mildern, um deren Kosten und Gesamtauswirkungen zu kontrollieren. Da es sich jedoch um Tauchpumpen handelte, war die genaue Beurteilung des Anlagenzustands eine Herausforderung. Glücklicherweise wurde dem Werk eine Lösung vorgeschlagen, die es ihm ermöglichen würde, den Gerätezustand zu überwachen und das Risiko eines weiteren Betriebs einzuschätzen. Diese Lösung war ein drahtloses Zustandsüberwachungssystem.

Tauchpumpen werden bei der Zustandsüberwachung oft vernachlässigt. Sie liegen unter Wasser, sind für die meisten Instrumente unzugänglich und gelten oft als Betriebsmittel, das bis zum Ausfall läuft. Die Indikatoren für Dichtungslecks und die Motorüberlastungskontrolle haben sich im Laufe der Jahre verbessert, dennoch ist eine Tendenz zum mechanischen Zustand nach wie vor ungewöhnlich. Dies wird durch die Tatsache verschärft, dass viele neue IIoT-Überwachungssysteme auf dem Markt kein praktikables Mittel zur automatisierten Datenerfassung über untergetauchte Geräte entwickelt haben.

Angesichts dieser Herausforderungen wurde eine Lösung entwickelt, die kabelgebundene Beschleunigungsmesser verwendet, die mit einem oberirdischen drahtlosen Sender verbunden sind. Diese tauchfähigen Beschleunigungsmesser und drahtlosen Kommunikationsgeräte wurden dem Stahlwerk zur Verfügung gestellt, um die mechanische Leistung im eingetauchten Zustand besser überwachen zu können. Mit diesem System wurden kontinuierlich Echtzeit-Schwingungspegel an Pumpe und Motor erfasst. Die gesammelten Daten wurden drahtlos an die Cloud übertragen, wo sie automatisiert aus der Ferne abgerufen, gespeichert und analysiert werden konnten, wobei die Messungen in Hochfrequenzintervallen durchgeführt wurden.

Die bereitgestellte Überwachung ging über Hardware und Software hinaus und nutzte die menschliche Erfahrung des Ingenieurteams des Aftermarket-Serviceunternehmens. Diese Ingenieure und der Endbenutzer arbeiteten zusammen, um mechanische Schwingungsniveaus zu bestimmen, die Daten mit der Eintauchtiefe und anderen hydraulischen Parametern zu korrelieren und frühe Anzeichen einer Verschlechterung in Lagern und anderen Komponenten zu erkennen.

Das Ziel des Tauchüberwachungsprojekts war einfach: Probleme erkennen, bevor sie zu katastrophalen Ausfällen werden, und dem Endbenutzer Geld (und Kopfschmerzen) ersparen. Die Fernüberwachung erwies sich als wertvoll, als das Zustandsüberwachungsteam einen drohenden Lagerausfall vorhersagte und die Baustelle mobilisieren konnte, bevor es zu einem katastrophalen Schaden an der Pumpe kam.

Ein Lagerdefekt wurde von den Sensoren erfasst und über die Analysesoftware an den Benutzer übermittelt. Lagerausfälle werden normalerweise in vier diskreten Stadien beobachtet. Stufe eins ist in der Regel recht subtil und wird durch oberflächliche Mängel verursacht, die Teil des Herstellungsprozesses sind. Es können hochfrequente Wellen zwischen 5 und 40 Kilohertz (kHz) vorhanden sein.

Stufe zwei beginnt mit Schadenszuständen zu korrelieren, die direkt beobachtet werden können; Eine Beschleunigung im Bereich von 1 bis 5 kHz kann bei diskreter Frequenzanregung bei Oberschwingungen der Laufgeschwindigkeit und/oder bei Lagerfehlerfrequenzen als erhöhtes Grundrauschen auftreten. Insbesondere im zweiten Stadium können Auswirkungen beobachtet werden.

Stufe drei zeigt deutlichere Anzeichen einer Verschlechterung, jetzt im Geschwindigkeitsspektrum, da die Anregung durch die Lagerfehlerfrequenz stärker wird. Im Spektrum um die Lagerfehlerfrequenzen können Seitenbänder vorhanden sein, die Auswirkungen auf die Wellenform sind schwerwiegender. Dies ist ein typischer Zeitpunkt für die Planung von Wartungsarbeiten zur Behebung des Zustands/Problems.

Die letzte Stufe, Stufe vier, zeigt Vibrationspegel bei Laufgeschwindigkeit (1X) und möglicherweise Harmonische der Laufgeschwindigkeit. In diesem Stadium kann der Schaden so groß sein, dass die Schwingungssignatur hohe Geräuschpegel und inkonsistente Phasenwinkel aufweist, die an Lockerheit erinnern. Ein Ausfall steht unmittelbar bevor und kann zu einer Kaskadenschädigung von Komponenten oder Schlimmerem führen.

Kurz nach der Inbetriebnahme des Zustandsüberwachungssystems kam es bei einer der vier Pumpen zu dynamischen Schwingungsamplituden, die mehrere Alarmschwellen überstiegen. Die Alarmschwellen sind in der Software programmiert, um eine sofortige Reaktion auf sich ändernde und widrige Bedingungen zu ermöglichen. Wenn ein Alarmschwellenwert überschritten wird, sendet die Software eine automatische Alarmbenachrichtigung an den Endbenutzer und das Überwachungsteam. In diesem Fall analysierten Zustandsüberwachungsingenieure den Alarmzustand und empfahlen dem Endbenutzer sofortige Maßnahmen.

Wie im Spektrum in Bild 5 dargestellt, wurden hochenergetische Vibrationspegel mit erhöhtem Grundrauschen festgestellt, was auf einen Lagerausfall hindeutet. Das Spektrumdiagramm wird von dem Zeitwellenformdiagramm (Wellenform) in Bild 6 begleitet, das das Auftreten von Schwingungsenergie einmal pro Umdrehung zeigt. Die Energieanregung erfolgt durch Stöße im Wälzlager.

Das Zustandsüberwachungsteam benachrichtigte den Benutzer über das auftretende Problem und empfahl, die Pumpe zur weiteren Inspektion abzuschalten. Die Pumpe wurde am Tag nach Auslösen des ersten Alarms abgeschaltet und anschließend an ein Aftermarket-Servicecenter geschickt.

Die Empfehlung erwies sich als richtig. Die Inspektion ergab, dass im Lager geringfügige Dichtungslecks und Verunreinigungen festgestellt wurden. Die Trümmer hatten zu Reibung und Abrieb im Lager geführt. Da der Zustand der Pumpe und des Motors relativ geringe Schäden aufwies, war eine unkomplizierte Pumpenreparatur möglich, wodurch die Kosten und die Vorlaufzeit für eine neue Pumpe und einen neuen Motor vom Hersteller vermieden wurden.

Während die beschädigte Einheit repariert wurde, wurde eine Ersatzpumpe installiert, um die problematische Pumpe zu ersetzen. Da kein Ersatz verfügbar war, war es nun wichtig, dass alle anderen Pumpen einwandfrei funktionierten. Durch die Zustandsüberwachung konnte der Endbenutzer das System rund um die Uhr überwachen. Bild 7 zeigt, dass die gesamten Schwingungsamplituden des Ersatzgeräts akzeptabel waren.

Da sie den drohenden Ausfall vorhersagen und die Pumpe zur Überholung ausbauen konnten, bevor ein erheblicher Schaden eintrat, erhielt der Endbenutzer eine reparierte Maschine zu einem Bruchteil der Kosten einer neuen Maschine und zu einem schnelleren und reaktionsschnelleren Zeitplan. Darüber hinaus ermöglichte die schnelle Durchlaufzeit der Reparatur dem Endbenutzer, für den Fall eines erneuten Pumpenausfalls ein Ersatzteil zur Hand zu haben.

Die zukunftsweisende Implementierung der Zustandsüberwachungstechnologie für diese Tauchpumpen half dem Endbenutzer, die Prozessverfügbarkeit aufrechtzuerhalten, die Zuverlässigkeit der Ausrüstung zu verbessern und die Gesamtkosten für die Wartung dieses kritischen Systems zu senken.

Ares Panagoulias leitet den Vertrieb und die Entwicklung von drahtlosen IIoT-Zustandsüberwachungsprodukten und -dienstleistungen bei Hydro, Inc. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.hydroinc.com/sensors.