Homa: Neues Diagnosesystem ermöglicht Früherkennung von Schäden bei Tauchmotorpumpen

14.06.2013

Für die Zustandsüberwachung von Pumpen mittels Bewertung der Maschinenschwingungen gab es bislang als gängige Kennzahl die effektive Schwingungsgeschwindigkeit Veff nach DIN ISO 10816-1, die eine Reihe von Fehlern jedoch nur sehr unzuverlässig detektiert. Besonders für untergetauchte Aggregate ist sie unzureichend, da die bei Abwässern häufigen Verstopfungen so nicht immer rechtzeitig festgestellt werden können.

Homa: Neues Diagnosesystem ermöglicht Früherkennung von Schäden bei Tauchmotorpumpen

Homa Vicon ist ein System zur frequenzselektiven Körperschallmessung, das im Gegensatz zu anderen Messmethoden ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand und ohne Unterbrechung am laufenden, untergetauchten Aggregat eingesetzt werden kann. (Foto: Homa)

Zudem können herkömmliche Diagnose-Systeme oftmals nur in trockener Umgebung bei Leerlauf angewandt werden. Um Schäden und Verschleiß zukünftig genauer bestimmen und Stillstandszeiten vermeiden zu können, hat die Homa Pumpenfabrik GmbH das Diagnosesystem Homa Vicon entwickelt, das mit zwei in der Pumpentechnik neuartigen Kennwerten für Hydraulik und Lager den Zustand des laufenden, untergetauchten Aggregats durchgehend überwacht. Gleichzeitig verhindert die Früherkennung von Verzopfungen gravierende Schäden, beugt unsachgemäßen Lagerbelastungen vor und senkt damit die Lebenszykluskosten.

„Betrachtet man eine untergetauchte Pumpe mit Laufradbeschädigung, so lässt sich weder optisch noch akustisch ein Unterschied zu einem fehlerfreien Aggregat feststellen“, erklärt Marc Diesing, Entwicklungsingenieur bei Homa. Auch der Veff-Wert zeigt den Normalzustand an und lässt keine Beschädigung erkennen. „Das liegt daran, dass in der DIN-Norm für Geräte zwischen 20 und 200 KW die gleichen Grenzwerte definiert wurden. Im Gegensatz zu Geräten mit circa 150 KW ist bei kleineren Geräten auch nach einer Beschädigung kein Überschreiten von Veff-Grenzwerten festzustellen.“ Diese Schäden sowie die häufig vorkommenden Verstopfungen und Verzopfungen lösen jedoch ungünstige Betriebszustände aus und führen zu einem hohen Energieverbrauch. In der Folge kommt es erst zu Lager-, dann zu gravierenden Schäden sowie Stillstandszeiten und damit insgesamt zu hohen Lebenszykluskosten.

Um dieses Risiko zu minimieren und kleinste fehlerbedingte Abweichungen erkennen zu können, ist es daher sinnvoll, für jedes Gerät ein Referenzspektrum zu erstellen, das präzise anzeigt, wie stark ein bestimmtes Aggregat im Normalbetrieb bei bestimmten Frequenzen vibriert. Im Rahmen der Messung von Veff werden jedoch lediglich alle Schwingungen zwischen zehn und 1000 Hertz betrachtet und der Mittelwert dargestellt, was nicht ausreichend ist, um ein realistisches Zustandsbild zu erzeugen. Zudem werden Tauchmotorpumpen oftmals im Leerlauf getestet, wodurch sich ohnehin andere Frequenz- und Schadensbilder ergeben als während des Betriebs. Die Art der Messung führt auch zu praktischen Problemen: „Das Aggregat muss erst aufwändig mit einem Kran aus dem Schacht gehoben werden und der Kunde hat währenddessen Stillstandszeiten“, so Diesing. „Das ist für einige Betreiber kaum durchführbar. Es gibt Pumpwerke oder Kläranlagen, die nicht einfach für zwei Stunden stillgelegt werden können.“

Motorinterner Sensor erlaubt permanente Überwachung der untergetauchten Pumpe

Homa hat daher ein System zur frequenzselektiven Körperschallmessung entwickelt, die ohne zusätzlichen Aufwand und ohne Unterbrechung am laufenden, untergetauchten Aggregat durchgeführt werden kann. Es macht neben der normgerechten Schwingschnellenbetrachtung auch die parallele Beobachtung von spezifischen Kennwerten sowie die Tiefendiagnose anhand von Frequenzspektren möglich. Die Basis der internen Zustandsüberwachungseinheit Homa Vicon bilden ein digitaler Beschleunigungssensor und ein Digital-Signal-Prozessor (DSP). Sie sind innerhalb des Motors in unmittelbarer Nähe des oberen Wellenlagers angebracht und werden als Teil der Pumpe mit untergetaucht. Der Sensor selbst ist am Lagersitz vergossen und geht so eine starre und ungedämpfte Verbindung mit der Pumpe ein. Wie die Auswertelektronik hält er Temperaturen von über 150°C stand und ist explosionsgeschützt. Das System verfügt zudem über einen internen Speicher, in dem die Referenzmessung sowie die letzten 15 Minuten des aktuellen Betriebs festgehalten werden. Die Kommunikation mit der Schaltschrankelektronik erfolgt über ein Differenzsignal-Übertragungssystem (RS485), mit dem Distanzen von bis zu 1200 m überbrückt werden können. Als Visualisierungssystem werden eine SPS und ein Touchpanel mit SD-Speicherfunktion eingesetzt.

Ermittlung von Frequenzspektren mit Homa Vicon

Kernfunktion des Systems ist eine Referenzmessung, die stets am Einsatzort der Pumpe erfolgt, da das angeschlossene Rohrleitungssystem mit sämtlichen Armaturen mit erfasst werden muss. Der Betreiber entscheidet, wann die Pumpe an einem für sie vorgesehenen Arbeitspunkt angekommen ist. „Auf Knopfdruck wird innerhalb von zwei Minuten die Referenzmessung durchgeführt. Anschließend werden stetig alle zwei Sekunden Effektiv-, Mittel- und Scheitelwerte ermittelt, das Frequenzspektrum berechnet und ein Referenzabgleich zur Kennwerterstellung durchgeführt“, so Diesing. Kontinuierlich werden alle Werte übersichtlich angezeigt, Frequenzspektrum und Kenndaten können dabei in verschiedenen Zeitdiagrammen zusammen oder einzeln aufgerufen werden. Neben der effektiven Schwingschnelle Veff in mm/s zeigt das einfach zu bedienende System auch zwei von Homa entworfene, pumpenspezifische Bewertungscharakteristika für Lager und Hydraulik an: Die sogenannten frequenzselektiv-gekoppelten Kennwerte KP und KL werden in Prozent angegeben und richten sich gezielt auf einen geänderten hydraulischen Zustand wie beispielsweise das Auftreten von Unwuchten durch Verzopfungen an den Laufrädern oder eine Veränderung der Lagerbeschaffenheit.

Im Betrieb wird die Referenzmessung permanent mit den laufenden Daten abgeglichen. So lässt sich feststellen, ob und wie sich die Vibration des Aggregats bei bestimmten Frequenzen verändert hat. Das System erkennt dadurch unter anderem Verstopfungen oder Beschädigungen der Hydraulik, ungünstige oder schadhafte Betriebspunkte, Lagerschäden oder Leitungsprobleme. „Verschleißerscheinungen werden nur in der Langzeitmessung sichtbar, wenn die Kennwerte von ihrer 100 Prozent-Referenz langsam aber stetig abweichen. Verzopfungen dagegen rufen sprunghafte Veränderungen hervor und unterschreiten die Grenzwerte innerhalb eines Messzykluses“, erläutert Diesing. Wird bei KP und KL der Grenzwert von 50 Prozent unterschritten, gibt das System eine Warnung aus. Unverändert bleiben die Kennwerte dann, wenn nicht die Pumpe, sondern beispielsweise eine unzureichend befestigte Rohrleitung für die gemessenen Vibrationen verantwortlich ist: „Diese schwingt oft in einem Frequenzbereich unterhalb zehn Hertz. In diesen Frequenzen schwingen die wenigsten Pumpen“, so der Experte.

Optimierung der Lebenszykluskosten

Auf Basis dieser Werte kann die Instandhaltung zukünftig genau dann angesetzt werden, wenn sie auch tatsächlich notwendig ist. So kann durch die frühzeitige Erkennung Energie eingespart, gravierende Schäden durch Verzopfungen sowie daraus folgende unsachgemäße Lagerbelastungen verhindert und die Lebenszykluskosten gesenkt werden. Dank einer Web-Server-Applikation, die die Visualisierung des Systems via Browser sowie die Anbindung an bestehende Steuerungssysteme und Leitstände ermöglicht, kann Homa Vicon zudem als Fernwartungssystem betrieben werden, was zeitintensive Vor-Ort-Termine erspart.

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