Starke Partner der Maschinendiagnose

Künstliches neuronales Netz
Residuum
Netstrum

          Inhalt:
          1. Einleitung
          2. Beispiele
              2.1 Verzahnungsfehler
              2.2 Fehler Lager Zwischenwelle
              2.3 Fehler Planetenlager
              2.4 Assoziation
          3. Erläuterungen

 

Starke Partner der Maschinendiagnose.

1. Einleitung

Bei der Maschinendiagnose ist die Unterstützung der  Schwingungsdiagnostik durch effektive Auswerteverfahren unverzichtbar. Bei Artifin sind das neuronale Netz, das Residuum und das Netstrum die drei Bausteine, mit denen die  Diagnostik auf eine grundlegend neue Weise weiter entwickelt wurde.

Die Grundlage der ARTIFIN-Diagnostik ist der Einsatz des von Artifin entwickelten rekursiven  neuronalen Netzes. Mit Hilfe der vom neuronalem Netz aus der Wissensbasis erstellten neuronalen Matrix, werden für die aktuellen Ist-Spektren Prognose-Spektren berechnet, um  aus dem Unterschied beider Spektren den aktuellen Zustand der Anlage zu bewerten.

 

2. Beispiele zu Windkraftanlagen.

2.1 Verzahnungsfehler.

Das Beispiel einer Windkraftanlage zeigt den Fortgang der Diagnostik. Vorerst wurden Ist-Spektren vom November 2007 bis Januar 2008 in die Wissensbasis geladen und das neuronale Netz darauf trainiert. Im Rahmen vom Condition Monitoring wurden bis Februar 2014 die Ist-Spektren mit denen vom neuronalen Netz prognostizierten laufend verglichen. Wie das folgende Bild 1 zeigt, war die Übereinstimmung der Ist-Spektren (in Schwarz) und der Prognose-Spektren (in Grün) noch im Juli 2010 deutlich, was auf einen fehlerfreien Lauf der Anlage schließen ließ.
 

                           Bild 1.Amplituden-Spektrum Juli 2010

Im August 2010 machten sich im mittleren Spektrumbereich leichte Verände- rungen bemerkbar (siehe Bild 2). Der Unterschied zwischen den Ist- und den Prognose-Spektren ist in dieser Darstellung aber kaum erkennbar. So kam zum Einsatz der zweite diagnostische Baustein, das Residuum (siehe Bild 3).

 
 Bild 2. Amplituden-Spektrum August 2010

Mit dem Residuum in Bild 3 als Differenz zwischen einem Ist-Spektrum und dem neuronal prognostizierten werden die Änderungen im Ist-Spektrum deutlicher. Der Fehlerpegel des Residuums erreichte unkritische Spitzenwerte von 5 dBrel. Der dritte diagnostische Baustein, das Netstrum von Artifin (Bild 3 in Magenta), legte den harmonischen Charakter des Residuums als Hinweis auf einen Fehler offen. Dieser konnte der Markierung Nr. 5 als Verzahnungsfehler zugeordnet werden.

Bild 3. Amplituden-Residuum August 2010 

Der Fehler verfestigte sich mit progressivem Verlauf bis in den Februar 2014 (Bild 4). Das Residuum war stark angestiegen und der Fehlerpegel  des Residuums erreichte die kritischen 20 dBrel. Das Netstrum offenbarte die harmonische Struktur des Residuums. Die Kritikalität des Verzahnungsfehlers und seine Diagnostik waren damit abgesichert.
      

              Bild 4. Amplituden-Residuum Februar 2014, vor Abstellen

Das Hüllkuven-Residuum und auch das Netstrum reagierten nicht auf den Verzahnungsfehler (Bild5).
  

           Bild 5. Hüllkurven-Residuum Februar 2014, vor dem Abstellen


2.2 Fehler Lager Zwischenwelle

Wie bei dem Verzahnungsfehlers, lagen auch beim Lagerfehler im Amplituden-Residuum und im Netstrum harmonische Merkmale vor, die kennzeichnend für einen Fehler sind  (Bild 6, Markierung 3). In diesem Fall stieg der Amplituden-Fehlerpegel erst innerhalb der letzen 15 Tage vor dem Abstellen von 10 dBrel auf kritische 20 dBrel. Vorher lagen im Amplituden-Residuum keine Anzeichen eines Fehlers vor.
   

                 Bild 6. Amplituden-Residuum Lagerfehler, vor Abstellen

Das Hüllkurven-Residuum für den Frequenzbereich 1 kHz (Bild 7) folgte dem Trend des Amplituden-Residuums. Der Fehlerpegel ist  innerhalb der  letzten 15 Tage vor dem Abstellen von 15 dBrel schnell auf kritische 20 dBrel angestiegen.
   

          Bild 7. Hüllkurven-Residuum Lagerfehler, vor Abstellen

Im Vergleich zum Amplituden-Residuum waren beim Hüllkurven-Residuum die Fehlermerkmale 6 Monate früher erkennbar. Der Fehlerpegel erreichte anfangs schnell 15 dBrel. Danach veränderte sich kaum etwas und der Fehlerpegel verharrte auf den unkritischen 15 dBrel. In diesem Zeitraum war ein Rückschluss auf eine Kritikalität des Fehlers nicht gegeben.
 

2.3 Fehler Planetenlager.

Der Fehler entwickelte sich über zwei Jahre lang. Anfangs veränderte sich das Amplituden-Residuum ohne dass ein konkreter Fehler diagnostiziert werden konnte. Etwa 18 Monate vor dem Abstellen der Anlage ist der Fehlerpegel des Amplituden-Residuums von 8 dBrel auf 12 dBrel angestiegen. Die Auswertung des Residuums mit dem Netstrum (Bild 8) zeigte, dass im Netstrum die Markierungen 3 eingebettet waren. Diese stehen für die Harmonischen der Innenring-Überrollfrequenz des Planetenlagers. Somit lagen erste Hinweise auf einen möglichen Fehler beim Innenring des Planetenlagers vor.

 

Bild 8. Amplituden-Residuum 12 Monate vor Abstellen, 12 dBrel

Etwa 4 Monate vor dem Abstellen verfestigte sich der Fehler, siehe Bild 9. Erkennbar waren die harmonischen Komponenten für den Innenring  mit Markierung 3 und für die Wälzkörper mit Markierung 4. Der Fehlerpegel erreichte 18 dBrel. Danach wurden die Fehler beim Innenring und bei den Wälzkörpern auch endoskopisch diagnostiziert. 
     

        Bild 9. Amplituden-Residuum vier Monate vor Abstellen,  18 dBrel

Unmittelbar vor dem Abstellen sind im Vergleich zu vor 4 Monaten das Amplituden-Residuum und das Netstrum „robuster“ geworden, siehe Bild 10.
  

            10. Amplituden-Residuum unmittelbar vor Abstellen, 19 dBrel       

In Bild 11 wird das Netstrum aus Bild 10 vergrößert gezeigt. Die Markierungen 3 für den Innenring und 4 für die Wälzkörper sind im Netstrum eingebettet, was insbesondere für den Innenring zutrifft. Im Vergleich dazu ist das beim Außenring nicht der Fall. Die zugehörigen Markierungen 2 liegen außerhalb des Netstrums.
 

                Bild 11. Amplituden-Netstrum unmittelbar vor Abstellen

Das Hüllkurven-Residuum folgte nicht der Fehlerentwicklung, siehe Bild 12. Der Fehlerpegel erreichte vor Abstellen 12 dBrel. Im Netstrum lagen keine Anzeichen für einen Lagerfehler vor.
 

        Bild 12. Unmittelbar vor Abstellen, Hüllkurven-Residuum, 12 dBrel
 

2.4 Assoziation.

Ein Beispiel für die hervorragenden assoziativen Fähigkeiten des ARTIFIN- Netzes bei verschiedenen Drehfrequenzen und Leistungen zeigt Bild 13. Im oberen Bildteil lief die Anlage bei einer Drehzahlfrequenz von 22 Hz mit einer Leistung von 530 kW. Im unteren Bildteil waren die Drehfrequenz 28 Hz und die Leistung 980 kW. Beide Betriebszustände konnten mit einer neuronalen Matrix abgedeckt werden. Die Abweichungen der Ist(schwarz)- und Prognose(grün)-Spektren sind unbedeutend. Insofern ist von einem fehlerfreien Zustand auszugehen.
 

Bild 13. Ist- und neuronale Spektren bei 22Hz/530kW und 28Hz/980kW

 

3. Erläuterungen.

Die konventionelle Schwingungsdiagnostik beruht im weitesten Sinne auf der Auswertung der Schwingungsspektren in Bezug auf Pegelschwellen, die für ausgesuchte Frequenzen und Betriebszustände festgelegt sind.

Bei der neuronalen Schwingungsdiagnostik wird bei Berücksichtigung des gegebenen Betriebzustandes aus dem Ist-Spektrum eine neuronale Vorgabe generiert. Die wird dem Ist-Spektrum gegenüber gestellt und die Differenz ist das spektrale Residuum. Der Fehlerpegel  als 10%-mittlerer Summenpegel des Residuums dient der quantitativen Beurteilung des Residuums. Im unauffälligen Zustand liegt der Fehlerpegel bei 6 dBrel. Fehlerpegel im Bereich von 20 dBrel werden als Hinweis auf einen kritischen Zustand der Anlage bewertet. 

Die qualitative  Beurteilung des Residuums erfolgt mit dem Netstrum, einer Entwicklung von ARTIFIN (Bild 11). Die Grundlage des Netstrums bildet ein einfaches neuronales Netz, welches als  Kammfilter das Residuum auswertet.  Die sich wiederholenden Frequenzabstände werden in die Grundfrequenz übertragen. Dadurch werden auch höhere Harmonische in der Grundfrequenz abgebildet. Die Harmonischen können so den Markierungen für die charakteristischen Bauteilfrequenzen gegenüber gestellt werden. Das Auftreten von Harmonischen, bzw. von harmonischen Gruppierungen kennzeichnet einen relevanten Fehler.

Bei der  Erfassung der Fehler mit den Amplituden- und Hüllkurven-Residuen im Abschnitt 2 zeigte sich folgendes:

  • Bei der Verzahnung wurde der Fehler mit dem Amplituden Residuum erfasst, nicht aber mit dem Hüllkurven-Residuum.
     
  • Beim Lager der Zwischenwelle wurde der Fehler sowohl mit dem Amplituden-Residuum als auch mit dem Hüllkurven-Residuum erfasst.
     
  • Beim Planetenlager wurde der Fehler mit dem Amplituden-Residuum erfasst, nicht aber mit dem Hüllkurven-Residuum.

 

ARTIFIN, 10.04.2015