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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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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
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