Pneumatik Zustandsüberwachung servopneumatischer Antriebe

Servopneumatische Antriebe werden für Automatisierungsanwendungen wie Punktschweißen, lineare Formgebung und Kraftregelsysteme eingesetzt. Wie ihre Zustandsüberwachung funktioniert, erklärt dieser Beitrag.

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Die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring - CM) dient nicht nur zur Fehlererkennung. Sie kann ferner zur Einrichtung des Systems verwendet werden oder auch zur Datenerfassung im Normalbetrieb, zur Erkennung von Fehlern des Servopneumatikventils und -zylinders sowie zur Fehlererkennung der gesamten servopneumatischen Anlage. Software wie beispielsweise der „Setup Assistent“ von Norgren ermöglicht es, Drücke, Drehzahlen und Lagen innerhalb bestimmter Parameter zu überwachen und einzustellen, was den gesamten Einrichtungsvorgang beschleunigt. Im Normalbetrieb können Daten an einen übergeordneten Leitrechner zur Verlaufsdokumentation übertragen werden.

Zustandsüberwachung eines Servopneumatik-Ventils

Um herauszufinden, ob das Servopneumatik-Ventil an Leistung verliert, ist die Schieber-/Buchsen-Baugruppe zu überwachen – diese kann durch eingeschleppte Schmutzpartikel, Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten in ihrer Leistung beeinträchtigt bzw. verschmutzt werden. In solchen Fällen bewegt sich der Schieber langsamer oder läuft mit erhöhtem Ansteuerstrom. Das Strom/Kraft-Diagramm bzw. das Strom/Schieberlage-Diagramm wird intern überwacht. Bewegungen, die außerhalb eines über die Software eingestellten Toleranzbereiches liegen, lösen bei Bedarf einen Alarm aus.

Neben dem Strom/Kraft-Verhältnis können auch die entsprechenden Temperaturen innerhalb der Elektronik und der Wicklungen überwacht werden. Ein zunehmender Stromverbrauch bringt einerseits einen Wärmeanstieg in der Wicklung mit sich und führt andererseits zu einer schnelleren Erwärmung der umgebenden Metallteile – sobald eine unzulässige Temperaturerhöhung registriert wird, kommt es zur Signalauslösung.

Des Weiteren werden durch die Auswertung des Verhältnisses zwischen Antriebs- und Abluftdruck auch substantielle Veränderungen der Ventilleistung erkennbar. Zur Beurteilung von Kontinuität bzw. Interferenzen – z.B. Signalunterbrechungen durch Kabelbrüche – können elektrische Eingangssignale für externe Regelkreisfunktionen entweder permanent oder periodisch überwacht werden.

Zustandsüberwachung eines Servopneumatik-Zylinders

Um Leistungsverluste des Servozylinders festzustellen, ist die Überwachung verschiedener Bereiche notwendig. Zunächst kommen in diesem Zusammenhang Leckagen an der Stufendichtung in Betracht, die sich durch einen Anstieg des Drucks - der notwendig ist, damit die programmierte Leistung für das Zurückfahren des Zylinders erhalten bleibt - bemerkbar machen. Außerdem kann die Kolbendichtung undicht werden. In der Folge muss die Druckluftzufuhr erhöht werden, damit die erforderliche Druckdifferenz erhalten bleibt.

Ein dritter Aspekt wäre die mechanische Reibung, die sich im Laufe des Lebensweges erhöht sowie die Stufendichtungen, die häufig durch externe Schmutzpartikel oder durch lateral auf die Kolbenstange wirkende Kräfte mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Des Weiteren bilden druckseitige Schmutzpartikel zusammen mit dem Abrieb der Kolbendichtung ein zersetzendes Gemisch, welches zu einer raueren Zylindergleitfläche und damit zu erhöhter Reibung führt.

Viertens kann mechanischer Verschleiß zu exzessivem Spiel führen, sodass die Antriebskräfte und deren erforderliche Druckdifferenzen absinken. Folglich können Parameter wie z.B. mechanische Dämpfung sich so weit verändern, dass der Regelalgorithmus die zuvor festgelegten Bereiche verlässt. Darüber hinaus kann es sein, dass die Lagen (Positionen) nicht länger exakt geregelt werden können.

Selbstüberwachende Zylinder

Beim Servopneumatik-Zylinder von Norgren sind Sensoren verbaut, die sich im Zuge der Einrichtung und während des Betriebs selbst überwachen. Der Lagesensor prüft sich also selbst auf Integrität der rücklaufenden Signale. Selbstkorrigierende Algorithmen sorgen selbst bei Informationsverlust für einen fortgesetzten Betrieb. Die statische Reibung wird ins Verhältnis zur dynamischen Reibung gesetzt. Dazu werden beide erforderlichen Druckwerte verglichen. Überdies werden Antriebsdruckdifferenz (erhöhter Druck P1) sowie die Geschwindigkeit der Bewegungen zueinander ins Verhältnis gesetzt. Dies setzt voraus, dass der Lagensensor ein hoch auflösendes digitales Signal für eine Geschwindigkeitsmessung liefert.

Solange das System eine ausreichende Druckreserve vorhält, werden Servoventil und Servozylinder zusammen die Druckdifferenz bis zu den systemspezifischen Grenzen ausgleichen – Leckagen werden kompensiert, um die gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Weitere Überwachungsmöglichkeiten

Die Aufrechterhaltung der Luftqualität ist bei jedem luftbetriebenen System von fundamentaler Bedeutung und die Fehlererkennung innerhalb einer kompletten servopneumatischen Anlage nicht ungewöhnlich. Bei vorhandenen Druckmessvorrichtungen im Bereich des Filterelements kann der Nutzer während des Betriebs mittels einer „Ampelanzeige“ leicht erkennen, ob der Zustand in Ordnung ist, ob Wartungsbedarf besteht oder ob ggf. die Druckluftzufuhr für die entsprechende pneumatische Funktion zu gering ist. Neben diesen Anzeigen können dem Bediener je nach zentraler Steuerung auch Klartextmeldungen auf dem Bedientableau angezeigt werden.

Druckabfälle aufgrund von defekten Schlauchleitungen oder Knicken durch Montagefehler können auf dieselbe Art und Weise angezeigt werden. Befestigungselemente und Lager sind häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt und nur sehr schwer zu überwachen, so dass sie den Einsatz externer Kraftaufnehmersensoren erforderlich machen.

Bei Positionierungssystemen können Störkonturen auftreten, so beispielsweise beim Punktschweißen, wo hin und wieder Fehlpositionierungen bei Blechen oder fehlerhafte Schweißdicken zu beobachten sind. Solche Fehler werden erkannt, indem der tatsächliche Positionswert mit dem gewünschten, programmierten Sollwert verglichen wird.

CM-Software für Ventile und deren Informationsanzeige

Die Norgren-Ventile und deren Controller-Programmroutinen verfügen über grundlegende Testalgorithmen. Es können aber auch weitere Programmroutinen installiert werden. Diese Testalgorithmen lassen sich entweder zeitgesteuert oder durch einen externen Auslöser starten. Ein bessere Möglichkeit, Testroutinen darzustellen, ist es, diese zu programmieren oder innerhalb der zentralen Regelkreis-Prozessoreinheit zu installieren. Hier werden sämtliche relevanten Daten des Systems festgehalten.

Ein Bediener, der mehrere unterschiedliche Systeme von seinem Leitstand aus führt, ist auf relevante Informationen seines zentralen Überwachungsbildschirms angewiesen. Der einfachste Weg, den Status des mechatronischen Systems anzuzeigen, ist die Anzeige per „Verkehrsampel“ mit Hinweisen auf mögliche Maßnahmen. Für fortgeschrittene Anwender sind bei Bedarf Diagramme mit Toleranzbereichen und Anweisungen verfügbar. Der erfahrene Nutzer kann Trends einschätzen und Maßnahmen ergreifen, noch bevor die Ampelanzeige diese erfordert.

Falls die Zustandsüberwachungsdaten über die gesamte Lebensdauer des Systems gespeichert werden sollen, ist es aufgrund der gewaltigen Datenmenge erforderlich, sie in einer zentralen Prozessoreinheit zu archivieren.

CM-Vergleich von pneumatischen Stellantrieben und servopneumatischen Antrieben

Zusätzliche Sensoren erfordern zusätzliche Investitionen in den Systemaufbau, und zwar für jede einzelne Applikation im Bereich. Mit zunehmender Komplexität und Sicherheit der Anlagen bedeuten diese zusätzlichen Kosten aber keine signifikante Steigerung des Wertes des Gesamtsystems.

Für einfachere Applikationen mit Servopneumatik-Technologie hilft der intelligente Einsatz von On-Board-Sensoren dabei, eine wettbewerbsfähige Alternative zu herkömmlichen pneumatischen und elektrischen Antrieben zu schaffen.

Beim Vergleich der Investitionskosten von rund 150 € für einen pneumatischen Stellantrieb mit 500 € für einen servopneumatischen Stellantrieb oder in Anbetracht der Preisdifferenz für ein Komplettsystem von rund 400 € kommen die Vorteile der Servopneumatik aufgrund einer um das Fünffache verlängerten Lebensdauer klar zum Vorschein. Darüber hinaus kann unnötiger Luftverbrauch eingespart werden.

* Dipl.-Ing. Frank Schnur, Norgren Deutschland, Fellbach

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