Überkorn-Detektion
Entwicklung eines Sensorsystems zur Erkennung übergrosser Steine auf Förderbändern
Übergrosse Steine können in Förderanlagen zu Störungen und Schäden führen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Lösung entwickelt, die Überkorn mithilfe von Beschleunigungssensoren bzw. Vibrationssensoren erkennt. Durch die Auswertung der auftretenden Vibrationen wird das transportierte Material überwacht und erkannte Ereignisse werden aufgezeichnet und der Anlagensteuerung gemeldet. Ziel ist es, die Betriebssicherheit zu erhöhen und ungeplante Anlagenstillstände zu reduzieren.
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Systems zur Erkennung von zu grossen Gesteinsbrocken (Überkorn) auf Förderanlagen. Auftraggeber ist die Firma Marti Technik AG. Das Unternehmen entwickelt und baut Förderanlagen, die zum Beispiel im Tunnelbau oder in Kieswerken eingesetzt werden. Wenn zu grosses Material transportiert wird, kann dies zu Verschleiss, Verstopfungen oder Schäden führen. Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Lösung, die anhand der beim Aufprall entstehenden Vibrationen Überkorn erkennt und dieses Ereignis der Anlagensteuerung meldet. Zur Untersuchung wurde ein Testaufbau mit einer Siemens S7-1500 SPS, einem IO-Link Master sowie verschiedenen Vibrationssensoren realisiert. Die Messdaten wurden über mehrere Stunden aufgezeichnet und ausgewertet. Dabei wurden unterschiedliche Vibrationskenngrössen verglichen. Die Auswertung zeigte, dass der a-Peak die zuverlässigste Kenngrösse zur Erkennung von Überkorn darstellt. Der ursprünglich eingesetzte Sensor IFM VVB301 erwies sich aufgrund seines begrenzten Messbereichs als ungeeignet. Deshalb wurde die Lösung mit dem Sensor SICK MPB10 weiterentwickelt, welcher Schockbeschleunigungen bis 200g erfassen kann.
Im Rahmen der Arbeit wurden zwei wiederverwendbare Funktionsbausteine für Siemens SPS Steuerungen entwickelt. Einer übernimmt die Kommunikation mit dem Vibrationssensor über IO-Link, der andere wertet die Messdaten aus, erkennt Überkornereignisse und stellt die Messdaten für die spätere Aufzeichnung bereit.
Ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit liegt bei der Softwareentwicklung für die IO-Link Kommunikation mit dem Vibrationssensor. Die wichtigsten Messdaten werden über die zyklischen Prozessdaten übertragen. Das bedeutet, dass der Sensor die Werte automatisch, zyklisch zur SPS-Steuerung überträgt. Der restliche Teil der benötigten Messwerte wird aber über die azyklischen Daten bereitgestellt. Dies bedeutet, dass die Kommunikation vom Programm in der SPS gesteuert werden muss, was zusätzliche Anforderungen an die Softwareentwicklung stellte.
Der zweite Schwerpunkt liegt bei der Aufzeichnung und Auswertung der Daten. Wenn das entwickelte System bei einer Anlage eingebaut ist, wird die Aufzeichnung über eine bereits vorhandene Software der Marti Technik AG einmal pro Sekunde stattfinden. Für diverse Tests war es aber nötig, die Daten schneller aufzuzeichnen und dazu wurde eine eigene Software in der Programmiersprache C# entwickelt. Diese Software liest die Daten aus der SPS aus und speichert sie auf einem Windows-Computer ab. Die so gesammelten Daten werden anschliessend statistisch ausgewertet.
Die diversen Praxistests zeigten, dass sich die Überwachung mit einem Vibrationssensor grundsätzlich eignet für die Überkorndetektion. Allerdings muss die Kraftübertragung vom Material zur Stahlkonstruktion sichergestellt sein und bei zu weichem Material ist die Funktion eingeschränkt.
Schlussendlich entstand ein Set aus Funktionsbausteinen, das in die Software zukünftiger Anlagensteuerungen eingebaut werden kann.
Ausgangslage und Problemstellung
Die Marti Technik AG entwickelt und baut Förderanlagen, die unter anderem in Kieswerken und im Tunnelbau eingesetzt werden. Bei solchen Anlagen ist die maximal zulässige Korngrösse des transportierten Materials normalerweise durch Siebe oder Brecher vorgegeben. Trotzdem kann es vorkommen, dass einzelne übergrosse Gesteinsbrocken durch die Siebanlage gelangen und anschliessend auf das Förderband transportiert werden. Gelangen solche Steine in die Förderanlage, steigt das Risiko von Materialstaus und erhöhtem Verschleiss. Im ungünstigsten Fall können dadurch ungeplante Anlagenstillstände entstehen.
Ziel dieser Diplomarbeit war deshalb die Entwicklung eines Systems, das übergrosse Gesteinsbrocken zuverlässig erkennt und dieses Ereignis der Anlagensteuerung meldet.
Grundidee und technischer Lösungsansatz
Die Überkorn-Detektion soll im Bereich einer Materialübergabe stattfinden. Dort fällt das Schüttgut von einem Förderband in einen Trichter aus Stahlplatten und anschliessend auf das nächste Förderband. Beim Aufprall des Materials entstehen mechanische Schwingungen, die sich auf die Stahlkonstruktion übertragen.
Die zentrale Idee besteht darin, diese Schwingungen mit einem Beschleunigungssensor zu erfassen und auszuwerten. Es wird davon ausgegangen, dass grössere und schwerere Gesteinsbrocken beim Aufprall stärkere Beschleunigungsspitzen verursachen als gewöhnliches Fördermaterial.
Die erfassten Messwerte werden digital verarbeitet. Überschreitet der Peak-Beschleunigungswert einen einstellbaren Grenzwert, wird dies als mögliches Überkornereignis interpretiert und an die Anlagensteuerung gemeldet. Zusätzlich dazu werden die erfassten Sensordaten für die Aufzeichnung vorbereitet.
Evaluation und Auswahl der Sensorik
Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit war die Untersuchung verschiedener Beschleunigungssensoren. Dabei wurden unter anderem die Modelle der Hersteller IFM, SICK und Balluff betrachtet. Zusätzlich wurde ein IFM-System mit separater Diagnoseelektronik untersucht. Da diverse Sensoren mit interner Verarbeitung der Messwerte erhältlich sind, konnte auf einen zusätzlichen Computer für die Signalverarbeitung verzichtet werden und die gesamte Software wird in der SPS-Steuerung implementiert.
Bei der Auswahl waren insbesondere folgende Kriterien entscheidend:
- Interne Verarbeitung der Messwerte, damit die SPS nicht mit der rechenintensiven Signalverarbeitung belastet wird
- Verfügbarkeit geeigneter Vibrationskennwerte
- Kommunikation über IO-Link, Profinet oder OPC UA
- Eignung für raue Umgebungsbedingungen, mindestens IP66
Für die Auswertung der Vibrationsdaten wurden verschiedene Kenngrössen betrachtet. Dazu gehörten der Effektivwert der Beschleunigung (a-RMS), der Effektivwert der Geschwindigkeit (v-RMS), der Spitzenwert der Beschleunigung (a-Peak) und der Crest-Faktor.
Die Versuche zeigten, dass insbesondere der a-Peak für die Erkennung von Überkorn geeignet ist. Dieser Wert beschreibt die grösste erfasste Beschleunigungsspitze innerhalb einer Messperiode. Im Gegensatz zu durchschnittlichen Vibrationswerten kann er dadurch auch kurze, starke Aufprallereignisse abbilden.
Der ursprünglich untersuchte Sensor IFM VVB301 erwies sich jedoch als ungeeignet. Sein Messbereich von ±16 g reichte für die auftretenden Beschleunigungsspitzen nicht aus. Deshalb wurde die Sensorwahl angepasst und die Entwicklung mit dem SICK MPB10 fortgesetzt. Dieser Sensor kann neben normalen Schwingungen auch Schockereignisse bis zu 200 g erfassen.
Aufbau des Testsystems und praktische Versuche
Für die Entwicklung und Untersuchung wurde ein eigener Testaufbau realisiert. Dieser bestand aus einer Simatic S7-1500 Steuerung, einem IO-Link-Master von Siemens und dem Beschleunigungssensor.
Der Sensor erfasst die beim Aufprall des Materials entstehenden Vibrationen und ermittelt daraus die Kenngrössen wie v-RMS und a-Peak. Diese Daten werden an die SPS übertragen und dort verarbeitet.
Für die Aufzeichnung während der Versuche wurde zusätzlich eine Software in C# entwickelt. Sie liest die relevanten Daten aus der SPS aus und speichert diese auf einem Windows-Computer. Dadurch konnten die Messwerte mit einer höheren zeitlichen Auflösung erfasst und anschliessend mit Microsoft Excel ausgewertet werden.
Durch Live-Tests, mehrstündige Messungen und die statistische Auswertung der Daten konnten wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Dabei zeigte sich, dass die Überkorn-Detektion mit einem Beschleunigungssensor grundsätzlich funktioniert. Ausserdem wurde festgestellt, dass die Vibrationen des Förderbands die Messung unter den untersuchten Bedingungen nur wenig beeinflussen.
Eine wichtige Voraussetzung ist allerdings eine ausreichende mechanische Kraftübertragung zwischen dem aufprallenden Material und der Stahlkonstruktion. Bei zu weichen Materialien kann die Funktion eingeschränkt sein.
Entwicklung der SPS-Software
Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurde eine modulare Softwarelösung für Siemens SPS-Steuerungen entwickelt. Die Datenverarbeitung erfolgt vollständig innerhalb der SPS. Ein zusätzlicher Industrie-PC ist für den späteren Betrieb der Überkorn-Detektion somit nicht erforderlich.
Die Software besteht im Wesentlichen aus zwei voneinander getrennten Funktionsbausteinen.
Baustein für Sensor-Kommunikation
Der erste Baustein übernimmt die Kommunikation mit dem SICK MPB10 über IO-Link. Während einige Sensordaten direkt über die zyklischen Prozessdaten übertragen werden, müssen die für die Überkorn-Erkennung entscheidenden Messwerte über die azyklische IO-Link-Kommunikation abgefragt werden.
Für die azyklische Kommunikation war eine zusätzliche Kommunikationslogik notwendig. Die Umsetzung basiert auf einer Zustandsmaschine und dem Siemens-Funktionsbaustein LIOLink_Device. Zusätzlich wurden verschiedene Diagnose- und Fehlerzustände berücksichtigt, um Kommunikationsunterbrüche und Sensorfehler erkennen zu können.
Baustein für Überkorn-Detektion
Der zweite Funktionsbaustein übernimmt die eigentliche Überkorn-Erkennung. Er verarbeitet die vom Sensor-Baustein gelieferten Beschleunigungswerte, berechnet daraus die totale Beschleunigung und vergleicht diese mit einem einstellbaren Grenzwert. Wird dieser überschritten, erzeugt der Baustein einen Alarmimpuls.
Die Messwerte werden zudem so aufbereitet, dass sie auch bei einer Aufzeichnung mit einem Intervall von einer Sekunde zuverlässig erfasst werden können.
Beide Funktionsbausteine wurden bewusst unabhängig voneinander entwickelt. Dadurch können sie auch in zukünftigen Projekten der Marti Technik AG wiederverwendet und bei Bedarf angepasst werden.
Test in einer realen Anlage
Nach der Entwicklung der Software wurde das System mit dem SICK MPB10 in einer realen Anlage getestet. Dabei konnten die zuvor gewonnenen Erkenntnisse unter praktischen Betriebsbedingungen überprüft werden.
Die Tests bestätigten grundsätzlich die Eignung der Vibrationsmessung für die Überkorn-Detektion. Gleichzeitig wurde deutlich, dass die mechanische Montage und die Übertragung der Aufprallkräfte einen wesentlichen Einfluss auf die Funktion haben.
Die entwickelte Lösung bildet damit eine Grundlage für die weitere Integration in bestehende und zukünftige Förderanlagen.
Ergebnis und Ausblick
Im Rahmen der Diplomarbeit entstand eine praxistaugliche Lösung zur Erkennung übergrosser Gesteinsbrocken auf Förderanlagen. Neben der Untersuchung verschiedener Sensoren wurden ein geeigneter Sensor ausgewählt, ein Testsystem aufgebaut und zwei wiederverwendbare SPS-Funktionsbausteine entwickelt.
Die Zielsetzung konnte weitgehend erreicht werden. Die entwickelte Lösung benötigt keine zusätzliche externe Recheneinheit und lässt sich direkt in eine Siemens-SPS integrieren.
Als nächster Schritt ist vorgesehen, die entwickelte Hardware und Software in eine bestehende Anlagensteuerung einzubauen und über mehrere Monate zu testen. Dadurch sollen weitere Erkenntnisse über die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb und den optimalen Montageort gewonnen werden.
Zusätzlich könnten zukünftige Untersuchungen zeigen, ob sich die Erkennungsgenauigkeit durch mehrere Sensoren oder die Kombination verschiedener Vibrationskennwerte weiter verbessern lässt.
