STUDIS Stationäres Turbosatz Diagnose System · 2011. 11. 2. · Die Erzeugung elektrischer...

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STUDISStationäres Turbosatz Diagnose System

Die Erzeugung elektrischer Energie mittels Turbosätzen ist auf Versor-gungssicherheit und Wirtschaftlich-keit ausgerichtet. Um dies zu verwirk-lichen, ist es notwendig, den Zustand des Turbosatzes exakt zu kennen und Abweichungen von seinem norma-len Betriebsverhalten zu erfassen und auszuwerten.

STUDIS steht für Stationäres Tur-bosatz Diagnose System und ist zur Diagnose und Fehlerfrüherkennung als Voraussetzung für die zustandsab-

hängige vorbeugende Instandhaltung konzipiert. Basierend auf den Wer-ten eines Monitoringsystems werden Abweichungen vom Normalverhalten und mögliche Fehler in einem Exper-tensystem erkannt und gemeldet.

Neben den Hauptaufgaben der Zu-standsbeurteilung, der Fehlerfrüh-erkennung und der Fehleranalyse unterstützt das System den Betrei-ber dabei, die überwachten Anlagen optimal zu betreiben, unerwünschte Betriebszustände zu vermeiden und

eine sichere und wirtschaftliche Fahr-weise zu ermöglichen.

Zur Durchführung von Analysen kann darüber hinaus jederzeit auf die ge-speicherten Daten zurückgegriffen werden.

STUDIS soll den Experten nicht er-setzen, kann ihn aber von Routine-auswertungen der Zustände, deren Erscheinungsbild und Wirkungszu-sammenhang bekannt sind, entlasten und seine Arbeit effektiver gestalten.

Systemstruktur

Die Abbildung zeigt beispielhaft den Aufbau des Systems. Die Messwerte der dargestell-ten Turbinen werden durch schnelle Front-ends (MDS-100) erfasst, bewertet und an einen zentralen Server übertragen. Auf dem Server erfolgt die Analyse und Diagnose der Daten. Darüber hinaus ist durch eine Anbin-dung an den NIS-Service-Rechner jederzeit eine Online-Diagnosemöglichkeit gegeben.

Zusätzlich zu Maschinensignalen können bereits in der Leittechnik vorhandene Pro-zesssignale nach STUDIS übernommen werden. Die Kopplung der Leittechnikebene zu STUDIS erfolgt über die vorhandenen Standard-Leittechnikschnittstellen.

Für die Bedienbarkeit eines Turbosatzdiagno-sesystems gibt es sehr hohe Anforderungen. Zum einen muss der ungeübte Benutzer mit wenigen Schritten zu der für ihn wichtigen Information gelangen, zum anderen muss der Experte einen sehr flexiblen und umfang-reichen Werkzeugkasten vorfinden, der es ihm auf einfache Weise erlaubt, detaillierte Auswertungen durchzuführen.

In STUDIS kann der ungeübte Benutzer mit einem Mausklick aus einem Übersichtsbild in eine Darstellung gelangen, die ihm die wich-tigen Zusammenhänge und zeitlichen Ver-läufe von Mess- oder Kenngrößen darstellt. Der Experte hat mit wenigen Bedienschrit-

ten die Möglichkeit, ausgehend von Vorla-genbildern, Detailkonfigurationen beliebig zu verändern. Dabei kann jedes im System vorhandene Bild als Vorlage genutzt werden. Im Fall von vorkonfigurierten Kriterien (z. B. Auslauf des Turbosatzes) wird der Benutzer durch ganze Diagramm- und Bildergruppen geführt. Diese können vom Benutzer leicht zusammengestellt werden und stehen dann im Ereignisfall mit den entsprechenden Da-ten für den relevanten Zeitbereich zur Ver-fügung.

Abbildung 1: Beispielhafter Systemaufbau

STUDIS Stationäres Turbosatz Diagnose System

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Modularer Aufbau

Abbildung 2: Modularer und skalierbarer Aufbau

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Modular skalierbares System

Auf den zentralen Kern von STUDIS können alle Module (Abbildung 2) zugreifen. Der Aufbau der Module orientiert sich an den Funktionsgruppen des Turbosatzes.

Module aus Systemen anderer Hersteller können ebenfalls eingebunden werden.

Der modulare Aufbau des Systems ist für die Planung der Investition sowie für späte-re Erweiterungen eine ideale Grundlage. Die Schnittstellen sind offen und entsprechen den gängigen Standards.

Das modular aufgebaute und skalierbare STUDIS-System beinhaltet:

> Datenerfassung

> Datenqualifizierung

> Visualisierung

> Analyse und

> Diagnose

Erfassungshardware

Schnelle Messwerterfassung mit dem Frontend MDS-100

Die zeitlich anspruchsvolle Erfassung der Schwingungssignale erfolgt mittels Front-end (MDS-100), das seine Daten über ein 100 MBit Netzwerk an den STUDIS-Server übermittelt. Messstellen, die der Betriebs-überwachung auf dem Leitstand dienen, können für STUDIS mitbenutzt werden. Der STUDIS-Server ist für die Weiterverarbeitung der Daten sowie für die Visualisierung, Spei-cherung und Diagnose zuständig.

Kontinuierliche Aufnahme von Messwerten

Das System ist in der Lage, kontinuierlich und zeitgleich eine beliebige Anzahl von Ana-logkanälen über die Leittechnik-Schnittstel-le oder über eine eigene AD-Wandlung zu erfassen. Bis zu 40 Schwingungsebenen mit je vier Gebern sowie eine große Anzahl von Digitalkanälen können im Abstand von ca. einer Sekunde (einstellbar) erfasst werden.

Speziell für die Schwingungswerte an Wel-le und Lager erfolgt die Messwertaufnahme kontinuierlich mit jeweils 1024/256 Abtas-tungen je Umdrehung.

Die Abtastungen sind gleichmäßig auf eine Wellendrehung verteilt und werden über ein Keyphazersignal gesteuert. Die dabei aufge-nommenen Werte werden in einem Ringpuf-fer gespeichert.

Intelligente Datenverdichtung

Für die Langzeitüberwachung und zur Ver-besserung der Reproduzierbarkeit des Anla-genzustandes erfolgt eine intelligente be-triebspunktabhängige Datenverdichtung. Es ist daher möglich, über einen unbegrenzten Zeitraum (abhängig vom Massenspeicher) das Verhalten der Maschine zu dokumentie-ren und fehlerbedingte langsame Verände-rungen zu erkennen. Darüber hinaus kön-nen sekündlich aufgenommene Datensätze (Momentandaten)parallel für weitergehende Analysen vorgehalten werden.


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Monitoring

Abbildung 3: Zusammenhang zwischen Monitoring und Diagnose

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Fehlerfrüherkennung und Langzeitüberwachung

Zur optimalen Betriebsführung ist es wichtig, schleichende Veränderungen von Mess- größen zu erkennen und zu beurteilen. Diese müssen nicht zwingend fehlerbedingt sein, sondern können z.B. auf Verschmutzung beruhen. Um diese schleichenden Änderun-gen im Frühstadium zu erkennen, muss über einen entsprechend langen Beobachtungs-zeitraum auf qualitätsgesicherte betriebs-punktbereinigte Beurteilungsgrößen zurück-gegriffen werden. Da dies mit STUDIS leicht möglich ist, kann das Betriebspersonal bei der Wahl des optimalen Wartungs- bzw. Rei-nigungszeitpunktes unterstützt werden.

Zur rechnerischen Ermittlung der Restle-bensdauer hoch beanspruchter Bauteile von Dampfturbinen muss der Betreiber Angaben über die zeitliche Druck- und Temperaturbe-anspruchung machen. Dies geschieht meist durch Auswertung von Schreiberstreifen. Mit STUDIS können online die Beanspruchung und die Zeitdauer ermittelt werden. Dadurch verfügen Betreiber, Hersteller und Gutachter über eine wesentlich genauere Belastungs-statistik.

Monitoring und Diagnose

Durch das Monitoringsystem werden inner-halb eines Messzyklus alle Messwerte erfasst, Frequenz- und Ordnungsanalysen erstellt und eine Qualitätsprüfung durchgeführt.

Ferner werden die Messwerte kontrolliert, bewertet und ein betriebspunktabhängiger Vergleich zwischen Erwartungs- und Ist-Ver-halten durchgeführt.

Die Ergebnisse des Vergleiches werden dem Expertensystem übermittelt. Das Experten-system verknüpft die detektierten Abwei-chungen anhand vorgegebener Regeln zu Fehlerdiagnosen.

Diagnose mit Expertensystem

Fehlerdiagnose mit regelbasiertem Expertensystem

Eines der wesentlichen Merkmale von STUDIS ist dessen regelbasiertes Experten-system. Im Gegensatz zu vielen Diagnose-systemen anderer Hersteller, in denen alle Fehlerregeln ereignis- oder zeitgesteuert abgearbeitet werden, bearbeitet STUDIS nur Regeln von Fehlerhypothesen, bei deren Prämissen eine signifikante Abweichung vom Erwartungswert vorliegt. Dadurch las-sen sich online besonders effektiv Fehlerhy-pothesen bestätigen.

Die Bearbeitung wird zunächst für Zeiträume mit stationärem Betrieb des Turbosatzes im thermisch ausgeglichenen Zustand durchge-

führt. Die Mess- und Beurteilungswerte un-terliegen einer gestuften Qualitätskontrolle, deren Ergebnisse in einem Status abgelegt werden. Der Status wird bei der weiteren Be-wertung der Diagnose berücksichtigt. Für die Auswertung durch den Experten wird das Diagnoseergebnis mit allen während des Di-agnoseverlaufes anfallenden Informationen dokumentiert. Somit ist es später möglich, die Diagnose nachzuvollziehen oder Diag-noseregeln an neu gewonnene Erkenntnisse anzupassen.

Mit dem Expertensystem ist es möglich, Feh-ler in ihrem Frühstadium zu erkennen, auch wenn die entsprechenden Toleranzbänder ungünstig gewählt sind oder die Formulie-rung der Fehlerhypothese ungenau ist.

In der Abbildung 4 ist der schematische Ab-lauf der Diagnose dargestellt. Die verschie-denen Ergebnisse des Vergleichs zwischen Erwartungs- und Istwert werden mit Regeln verknüpft. Abhängig vom Erfüllungsgrad der Regeln wird ein Diagnoseergebnis ausge-geben. Auf diese Art wird erreicht, dass nur relevante Störungen angezeigt werden.

Abbildung 4: Schematischer Ablauf der Diagnose


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Hochkomprimierte Informationsdarstellung

Abbildung 5: STUDIS „magic eyes“

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Erkennen des Maschinenverhalten

STUDIS setzt zum Erkennen von nicht er-wartungsgemäßem Maschinenverhalten überwiegend Automatismen ein. Es lassen sich Kriterien formulieren, durch welche die Auswertung gesteuert wird und z. B. Mel-dungen an autorisierte Personen abgesetzt werden. Solange sich der Turbosatz erwar-tungsgemäß verhält, muss ein Experte nicht tätig werden. Treten Abweichungen auf, so entlastet STUDIS den Experten durch eine Fülle mächtiger Analysewerkzeuge.

Betriebspunktabhängiges Toleranzband

Mess- und Rechenwerte sind auf ihr be-triebspunktabhängiges Toleranzband nor-miert. Durch eine betriebspunktabhängige, dynamische Toleranzbandüberwachung ist es möglich, bereits kleine schadensbedingte Abweichungen frühzeitig zu detektieren.

STUDIS „magic eye“

Zur Online-Beurteilung des aktuellen Maschi-nenzustandes dient eine hochkomprimierte Informationsdarstellung, das „magic eye“ (Abbildung 5), in dem jede konfigurierte Größe, bezogen auf ihr eigenes Toleranz-band normiert dargestellt wird.

Das magische Auge kann bis zu 1200 Grö-ßen mit Wert, Toleranzband und Grenzwert-überschreitung darstellen. Am äußeren Kreis zeigen farbige Merker an, dass eine Grenz-wertverletzung innerhalb der letzten 24 Stunden vorliegt.

Visualisierungsbeispiele

Moderne Visualisierungstechnik mit hoher Flexibilität

Alle Mess- und Beurteilungsgrößen lassen sich als Funktion der Zeit oder als Funktion beliebiger anderer Größen darstellen. Die Visualisierung der Daten kann nach individu-ellen Auswahlkriterien erfolgen, wobei sich Kennlinien und Referenzzeiträume hinter-legen lassen. Jedes erzeugte Bild ist wieder als Vorlage für weitere frei konfigurierbare Grafiken nutzbar.

Wasserfalldarstellung

Im Wasserfalldiagramm werden Frequenz-analysen von Schwingungssignalen hinter-einander stehend dargestellt. Die Ansicht ist im Raum beliebig drehbar. Jede Linie kann in einem gesonderten Fenster einzeln betrach-tet werden.

Spektrogramm

Eine Ausprägung des Wasserfalldiagamms ist das Spektrogramm, wobei der Farbverlauf die Amplitudenhöhe repräsentiert. Die Farb-skala kann logarithmisch, quadratisch oder exponentiell gewählt werden. Eine Spreizung der Skala von Hand ist nachträglich möglich.

Wochen-, Monats- und Quartalsbericht

Der Wochenbericht zeigt Abweichungen der Kenngrößen des Turbosatzes vom Erwar-tungswert, wobei die Kenngröße und der Be-richtszeitraum frei definiert werden können.

Spektrogramm

Wasserfalldarstellung


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Frequenzanalyse

Im oberen Bereich des Diagramms kann das Zeitsignal oder die Frequenzanalyse darge-stellt werden. Im unteren Bereich wird die Bahnkurve des theoretischen Wellenmittel-punktes während der Wellendrehung darge-stellt. Die Bahnkurve kann dabei mit einge-blendeten Referenzen, als Online-Darstellung oder über beliebige Zeiträume animiert dar-gestellt werden.

Balkendiagramm

Pro Messebene werden für die Wellen-schwingungen der X- und Y-Richtung die Größen Gap, 0.5f, 1f, 2f und 3f sowie die betriebspunktabhängigen Toleranzbänder und Grenzwertüberschreitungen dargestellt.

Bode-Diagramm

Im Bode-Diagramm können bis zu fünf Schwingungsgrößen mit Betrag und Phase gleichzeitig als Funktion der Drehzahl dar-gestellt werden. Zusätzlich lassen sich Refe-renzwerte einblenden.

Balkendiagramm

Bode-Diagramm

Frequenzanalyse

Nyquist-Übersicht und Ortskurven-Darstellung

Im Nyquist-Diagramm oder der Ortskurven-Darstellung wird jedes Schwingungssignal mit Betrag und Phase dargestellt. Zur Beur-teilung wird auch der Änderungs-Vektor herangezogen. In der Nyquist-Übersicht erfolgt die Darstellung von mehreren Mess-ebenen in einer Ansicht. In der Online- Darstellung können, wenn gewünscht, Toleranzbänder eingeblendet werden. Zu-sätzlich zur Standardbedienleiste sind bei der Nyquist-Darstellung Werkzeuge zur Eingrenzung, Markierung und Bewertung der Ergebnisse vorhanden.

Nyquist-Übersicht

Ortskurven-Darstellung


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Leistungsspektrum

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Schaufelschaden Quelle: VDI Bericht Juni 2003

Richtungsweisende Informationsverteilung

Meldungen können automatisch via E-Mail oder SMS an ausgewählte Personen versandt werden, so dass eine Auswertung und Ana-lyse zeitnah erfolgen kann.

Integration in vorhandene Leitsysteme

STUDIS lässt sich aufgrund seiner offenen Schnittstelle problemlos in vorhandene In-standhaltungssysteme integrieren.

STUDIS Highlights:

> Mobiles und stationäres STUDIS

> Modular skalierbares System

> Schnelle Messwerterfassung mit FrontEnd (TCP/IP Ethernet)

> Datenqualifizierung/Validierung

> Betriebspunktabhängige dynamische Toleranzbandüberwachung

> Hochkomprimierte Informationsdarstellung („STUDIS magic eye“)

> Diagnose mit regelbasiertem Expertensystem

> Moderne Visualisierungstechnik mit hoher Flexibilität

> Erstellung von Frequenz- und Ordnungsanalysen

> Dynamische Reportausgabe (dynamische Grafikdarstellung)

> Meldewesen (RMA, SMS, E-Mail...)

> Von Kompetenz- oder Diagnostikcenter zentral bedienbar

Früherkennung von:

> Anstreifen

> Hot Spots am Lager

> Wellenverkrümmungen, -rissen, Ausrichtungsfehlern

> Masseverlusten (z. B. Verlust von Schaufelstücken)

> Untypischem Verhalten von Kompenenten

Schadensanalyse von:

> Schaufelschäden

> Getriebeschäden

> Wellenbruch

> Lagerschäden

Services:

Unser Liefer- und Leistungsumfang enthält wesentliche Unterstützung und Beratung für die Einführung eines STUDIS-Systems. Im Alltagsbetrieb bieten wir im Rahmen eines Wartungsvertrages eine Online-Diagnose-möglichkeit an.

Das STUDIS-Paket umfasst eine Schulung von einem Tag mit bis zu vier Personen.

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Technische Details:

> Modularer Systemaufbau

> Kontinuierliche Schwingungserfassung ohne Zeitlücken

> Spannungsversorgung 24 – 38 VDC

> Puffertiefe des Frontend bis zu 256 Sekunden

> Je Frontend (MDS-100) stehen 4 schnelle und 4 langsame Eingänge zur Verfü-gung. • Schnelle Eingänge je Karte: 16.000 Abtastungen/Sekunde, bei Keyphasern 1024 Abtastungen/

Umdrehung • Langsame Eingänge je Karte:

4 Abtastungen/Sekunde

> Auflösung 12 Bit für langsame Eingän-ge/16 Bit für schnelle Eingänge

> 2 freie Prozessdateneingänge ±10 V/0…20 mA

> Eingangswiderstand 0,5 M Q/1 M Q bei 30 pF Eingangskapazität

> Galvanische Trennung für alle Ein- und Ausgänge

> 100 MBit Ethernet-Schnittstelle

> Langzeitspeicher des Servers >140 GB

> Kapazität des Ringpuffers >140 GB

> Volle Netzwerkfähigkeit (Windows, Unix, VMS usw.)

> Firmwareupdates und Software-änderungen über Netzwerk

> Weiterentwicklungen sind voll kompatibel zu älteren Systemen

Ausgewählte STUDIS Referenzen:

Stationäre Systeme für Diagnostik und Optimierung

> KW Weisweiler Blöcke E bis H, VGTs G und H, seit 2008

> KW Huckingen, seit 2008

> KW Gersteinwerk Blöcke F bis K, seit 2008

> KW Emsland Blöcke B und C, seit 2007

> KW Westfalen Blöcke B und C, seit 2007

> KW Goldenbergwerk Block F und E, seit 2006 bzw. seit 2008

> GuD BASF Antwerpen 2005

> KW Neurath, (B:1991) seit 2002 alle 5 Blöcke

> KW Niederaußem, (H:1994) seit 2002 alle 8 Blöcke

> BOA Niederaußem, seit 2002 HT, SPT, TSP, FL, SZ

> GuD Bayer Dormagen, seit 2000 GT1, GT2, DT, HKP

> KW Frimmersdorf Block P und Q, seit 1998 bzw. seit 2008

> KW Ibbenbüren Block B, seit 1998

> GuD BASF Ludwigshafen, seit 1997

> Solvay GmbH, Rheinberg, seit 1997

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NIS Ingenieurgesellschaft mbHIndustriestraße 13 • 63755 AlzenauTel.: +49 (0) 6023 / 91-3991 • Fax: +49 (0) 6023 / [email protected]

Standort EssenAltenessener Straße 37 • 45141 EssenTel.: +49 (0) 201 / 12-23385 • Fax: +49 (0) 201 / [email protected]

Standort DresdenHugo-Junkers-Ring 9 • 01109 DresdenTel.: +49 (0) 351 / 88363-0 • Fax: +49 (0) 351 / [email protected]

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Standort RheinsbergAm Langen Luch 3 • 16831 RheinsbergTel.: +49 (0) 33931 / 415-0 • Fax: +49 (0) 33931 / [email protected]

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