Zum Inhalt springen

Überwachung von Pumpen- und Motorsystemen

Verwendung des Lansitec Bluetooth-Sensors mit Beschleunigungsmesser und Lansitec LoRaWAN-Gateway

Einführung

Zweck

Diese Fallstudie untersucht die Bedeutung der Bewegungsüberwachung in industriellen Umgebungen. Industrielle Anwendungen jeder Größenordnung sind auf verschiedene Motoren angewiesen, damit Maschinen funktionieren, und die proaktive Überwachung dieser Motoren kann sich für Fertigungsprozesse als entscheidend erweisen. Die Fallstudie untersucht den Einsatz von Lansitecs B005 Bluetooth Beacon mit zusätzlichen eingebauten Beschleunigungsmessern und der SocketSync Bluetooth-Gateway mit LoRaWAN zur Überwachung eines Pumpen- und Motorsystems. Die Sensoren werden eingesetzt, um Vibrationen zu messen und über eine Beaconing-Technologie Anomalien im Betriebsverhalten des Systems zu erkennen. Sie übertragen Echtzeitdaten zur Überwachung und Alarmierung an die Cloud.

Bedeutung der Zustandsüberwachung

Die Überwachung des Zustands von Motoren ist entscheidend, um ihre effektive und zuverlässige Leistung zu gewährleisten. Industrielle Systeme sind anfällig für Verschleiß, Fehlausrichtung und andere Probleme, die übermäßige Vibrationen verursachen und möglicherweise zu teuren Ausfallzeiten oder Geräteausfällen führen. Eine kontinuierliche Überwachung hilft dabei, Probleme frühzeitig zu erkennen, was zu vorbeugender Wartung führt und unerwartete Ausfälle reduziert. Der Einsatz von IoT-Technologie wie Lansitec-Sensoren kann Unternehmen dabei helfen, die Lebensdauer der Geräte zu verlängern, die Wartungskosten zu senken und die Betriebseffizienz zu optimieren. 

Systemübersicht

Pumpen- und Motorsystem

Die typische Motor-Pumpen-Konfiguration, die wir zur Veranschaulichung dieses Anwendungsfalls verwenden, wird in Branchen wie Wasserversorgung, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik und Fertigung eingesetzt und beinhaltet, dass der Motor elektrische Energie in Drehbewegung umwandelt. Die Pumpe überträgt diese mechanische Energie dann, um Flüssigkeiten durch Rohrleitungssysteme zu bewegen. Diese nahtlose Interaktion ist für den Dauerbetrieb in verschiedenen Sektoren von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise sorgen Pumpen in der Wasserversorgung für konstante Durchflussraten, um den Bedarf zu decken, während Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechniksysteme auf Pumpen angewiesen sind, um Flüssigkeiten zum Heizen und Kühlen zirkulieren zu lassen.

Pumpstation 2000x800 1

Herausforderungen

Motorpumpensysteme sind häufig mit mehreren betrieblichen Herausforderungen konfrontiert. Faktoren wie Verschleiß, Fehlausrichtung der Komponenten und Rotorunwucht können im Laufe der Zeit zu übermäßigen Vibrationen führen, die ein entscheidendes Zeichen für eine Verschlechterung des Systems sind. Vibrationen können Lager, Dichtungen und Kupplungen beschädigen, was zu mechanischer Belastung und letztendlich zu frühzeitigen Ausfällen führt. Zu den häufigsten Problemen gehören:

Sensor- und Gateway-Technologie

Einführung von Lansitec-Geräten, die wesentlich zur Überwachung des Pumpenzustands beitragen

Lansitec B005 Bluetooth Beacon mit Beschleunigungsmesser

In dieses Bluetooth-Beacon kann ein hochpräziser Beschleunigungsmesser integriert werden, der selbst leichte Vibrationen und Drehzahlen erkennt, was für die Überwachung des Zustands von Motor und Pumpe von entscheidender Bedeutung ist.

Zu den Hauptmerkmalen gehören:

Bluetooth Beacon

Der Bluetooth-Beacon sendet je nach Einstellung ständig iBeacon-Nachrichten. Er verfügt über zwei eingebaute Knopfzellen mit hoher Kapazität. Die maximale Batterielebensdauer beträgt ca. 5 Jahre bei einem Sendeintervall von 500 ms.

Bluetooth 5.0

Bietet energiesparende, drahtlose Kommunikation und ermöglicht Echtzeit-Datenübertragung an nahegelegene Gateways in einem Umkreis von 100 Metern.

Beschleunigungsmesser

Misst Vibrationen in drei Achsen und erkennt selbst geringfügige Abweichungen vom normalen Betriebsbedingungen, wie z. B. erhöhte Vibrationen aufgrund einer Fehlausrichtung oder mechanischen Abnutzung.

Kompakte Größe und IP67-Einstufung

Der kleine Formfaktor und das robuste Gehäuse des Beacons ermöglichen die Installation in rauen Umgebungen wie Pumpenhäusern und gewährleisten eine genaue Datenerfassung ohne Kabelverbindungen.

Vorteile für den Anwendungsfall

Dank seiner geringen Größe und einfachen Installation kann der Sensor direkt an kritischen Komponenten des Motors und der Pumpe, wie Rotor und Rohrverbindung, angebracht werden. Dort kann er kontinuierlich auf übermäßige Vibrationen achten und Benutzer auf Probleme aufmerksam machen, bevor diese zu Systemausfällen führen. Dank seiner Bluetooth-Funktion werden Daten ohne komplizierte Verkabelung drahtlos an das Gateway übertragen, was Installationszeit und Wartungsaufwand reduziert.

Lansitec SocketSync Bluetooth-Gateway

Das Socket Sync Gateway fungiert als Datenbrücke, sammelt Informationen von den Bluetooth-Sensoren und leitet sie zur Analyse an die Cloud weiter.

Zu seinen Spezifikationen gehören:

SS3

Das SocketSync Bluetooth Gateway basiert auf BLE- und LoRa-Technologie. Mit der fortschrittlichen LoRa-Technologie und dem integrierten BLE-Modul empfängt und meldet das BLE-Gateway die Nachrichten der BLE-Geräte an das LoRaWAN-Gateway. Die Parametereinstellungen wie Heartbeat-Periode, LoRaWAN-Arbeitsmodus und Sensordaten zum Senden einer BLE-Nachricht können je nach Kundenwunsch angepasst werden.

Bluetooth 5.0

Ermöglicht dem Gateway die Verbindung mit mehreren Bluetooth-Sensoren gleichzeitig bis zu einer Entfernung von 100 Metern.

Wi-Fi- und Ethernet-Konnektivität:

Bietet verschiedene Verbindungsmöglichkeiten für die Datenübertragung in die Cloud und gewährleistet Zuverlässigkeit in unterschiedlichen Netzwerkeinstellungen.

LoRaWAN-Datenweiterleitung:

Das Gateway überträgt Daten über große Entfernungen über das LoRaWAN-Protokoll, ideal für Remote- oder groß angelegte Setups.

Vorteile für den Anwendungsfall

Die Fähigkeit des Gateways, mehrere Sensorverbindungen zu handhaben, macht es skalierbar für Systeme mit mehreren Motor-Pumpen-Konfigurationen. Seine Fähigkeit, eine Verbindung zur Übertragung über LoRaWAN und das Wi-Fi-Backhaul herzustellen, stellt sicher, dass Daten reibungslos in die Cloud gesendet werden, selbst in Gebieten ohne oder mit unzuverlässigem Mobilfunk- oder kabelgebundenem Internetzugang. Dies garantiert eine kontinuierliche Überwachung und Aktivierung von Alarmen, wenn abnormale Sensorwerte erkannt werden.

Einführung in die LoRaWAN-Technologie

Was ist das LoRaWAN-Kommunikationsprotokoll?

LoRaWAN ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite, die bei großflächigen Installationen einen großen Vorteil bietet. Sie ermöglicht die Datenübertragung über mehrere Kilometer bei minimalem Energieverbrauch. Dies ist insbesondere in industriellen Umgebungen nützlich, in denen die Systeme über große Flächen verteilt sind.

Zu den Hauptfunktionen gehören:

Kommunikation über große Entfernungen

Deckt Entfernungen von bis zu 15 Kilometern im ländlichen Raum und mehreren Kilometern im städtischen Umfeld ab.

Geringer Stromverbrauch

Ideal für IoT-Bereitstellungen, bei denen Geräte mit Batterien oder Solarenergie betrieben werden, sodass Sensoren und Gateways über längere Zeiträume ohne häufige Wartung betrieben werden können.

Vorteile für den Anwendungsfall

Durch den Einsatz von LoRaWAN kann das System wichtige Betriebsinformationen vom Pumpenhaus an die Cloud senden, selbst wenn der Standort weit entfernt ist. Diese Funktion ermöglicht eine einfache Integration in große Anlagen oder weit verteilte Installationen, minimiert den Bedarf an manuellen Kontrollen und garantiert eine konsistente, zuverlässige Überwachung des Motor- und Pumpensystems.

Implementierungsprozess

Installation

Der Bluetooth-Sensoren werden direkt am Rotor des Motors und an der Pumpe am Rohranschlusspunkt installiert, wo Vibrationen am ehesten Betriebsprobleme aufzeigen. Ihr kompaktes Design und die kabellose Funktionalität ermöglichen eine einfache Montage mit Klebstoffen oder Klemmen, ohne dass vorhandene Maschinen gestört werden müssen. Die Lansitec Socket Sync Gateway wird auf dem Dach des Pumpenhauses montiert, wo es eine klare Sichtlinie zu den Sensoren hat und so optimale Bluetooth-Konnektivität und Signalstärke gewährleistet.

 

Um genaue Messwerte zu gewährleisten, ist die Kalibrierung des Beschleunigungsmessers von entscheidender Bedeutung. Der Sensor muss unter normalen Betriebsbedingungen auf Grundschwingungen und Rotationsgeschwindigkeit kalibriert werden. Dieser Schritt ermöglicht es dem System, zwischen akzeptablen Betriebsschwingungen und Warnsignalen für mögliche mechanische Probleme zu unterscheiden. Die Kalibrierung kann per Software erfolgen, normalerweise über die zugehörige App oder Webplattform.

Pumpendatenfluss

Datenfluss

Nach der Installation wird der Lansitec Bluetooth Beacon mit Beschleunigungsmesser erfasst kontinuierlich Daten zu Vibrationen, Beschleunigung und Drehzahl von Motor und Pumpe. Der Beschleunigungsmesser erkennt selbst kleinste Unregelmäßigkeiten im mechanischen Verhalten des Systems. Hier ist eine detailliertere Schritt-für-Schritt-Aufschlüsselung des Datenflusses:

Sensordatenerfassung:
Der Beschleunigungsmesser überwacht dreiachsige Vibrationen und misst die Drehzahl, um ein präzises Profil des Betriebsverhaltens von Motor und Pumpe zu erstellen. Er erfasst Daten wie:
Änderungen der Vibrationsintensität (Hinweis auf Fehlausrichtung, Verschleiß oder Unwucht).
Schwankungen der Drehzahl helfen dabei, etwaige Probleme mit der mechanischen Belastung zu erkennen.

Bluetooth-Übertragung:
Der Sensor überträgt diese Echtzeitdaten drahtlos über Bluetooth 5.0. Diese Bluetooth-Version gewährleistet einen niedrigen Energieverbrauch und stabile Verbindungen über eine Reichweite von bis zu 100 Metern und ist ideal, um die Entfernung zwischen dem Motorpumpensystem und dem Gateway im Pumpenhaus oder in dessen Nähe zu überbrücken.

Gateway-Datenaggregation:
Als Vermittler dient das Lansitec Socket Sync Bluetooth Gateway. Es empfängt die Bluetooth-Signale mehrerer Sensoren gleichzeitig und konsolidiert die Daten. Die Fähigkeit des Gateways, mehrere Verbindungen zu unterstützen, gewährleistet Skalierbarkeit für die gleichzeitige Überwachung mehrerer Motor-Pumpen-Paare.

LoRaWAN-Übertragung in die Cloud:
Die Datenübertragung vom Gateway zur Cloud erfolgt mithilfe der LoRaWAN-Technologie, sodass Daten erfolgreich über große Entfernungen gesendet werden können. Die stromsparende Weitverkehrsnetzfähigkeit von LoRaWAN ist entscheidend für die zuverlässige Datenübertragung an Industriestandorten oder abgelegenen Pumpenhäusern mit unzuverlässigen oder nicht verfügbaren herkömmlichen Internetverbindungen. LoRaWAN sendet Datenpakete effektiv über große Entfernungen, ohne viel Strom zu verbrauchen, was für Installationen, die auf Solar- oder Batteriestrom angewiesen sind, von entscheidender Bedeutung ist.

Cloud-Verarbeitung und Warnungen:
Anschließend werden die Informationen an ein Cloud-basiertes System gesendet, wo sie gespeichert und sofort analysiert werden. Algorithmen für maschinelles Lernen oder vorgegebene Schwellenwerte können ungewöhnliche Muster in den Vibrations- oder Rotationsdaten erkennen und so auf mögliche Probleme hinweisen. Wenn das System Unregelmäßigkeiten wie zu starkes Schütteln oder plötzliche Geschwindigkeitsänderungen erkennt, sendet es sofort eine Warnung über eine mobile App oder ein Web-Dashboard an den Benutzer.

Benachrichtigungen und Wartungsaufgaben: Diese Benachrichtigungen werden zusammen mit allen Betriebsinformationen in einer benutzerfreundlichen Oberfläche angezeigt und bieten praktische Einblicke. Benutzer können Trends verfolgen, vergangene Informationen analysieren und, was am wichtigsten ist, sofortige Warnungen bei möglichen Problemen erhalten. So können umgehend Maßnahmen ergriffen werden, sei es die Einrichtung einer vorbeugenden Wartung oder die Untersuchung eines ungewöhnlichen Messwerts, bevor dieser zu einem schwerwiegenden Problem wird.

Diese reibungslose Datenübertragung gewährleistet eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung der Motor-Pumpen-Systeme. So können Wartungsteams frühzeitig auf Warnungen reagieren, Ausfallzeiten minimieren und die Betriebseffizienz verbessern. Überwachungs- und Wartungsworkflow

Echtzeitüberwachung

Die von den Sensoren erfassten Informationen werden in Echtzeit auf einem Dashboard oder einer Cloud-basierten mobilen App angezeigt. Diese Schnittstelle bietet Benutzern einen vollständigen Überblick über die Betriebseigenschaften von Motor und Pumpe, wie z. B. Vibrationspegel, Beschleunigung und Drehzahl. Benutzer können Muster langfristig überwachen, ihre Leistung bewerten und Abweichungen vom normalen Betrieb erkennen. Der konstante Datenfluss in Echtzeit ermöglicht die frühzeitige Erkennung kleinerer Probleme und verhindert, dass sich daraus größere Geräteausfälle entwickeln. 

Durch die kontinuierliche Überwachung wird sichergestellt, dass Wartungsteams:
Allmählichen Verschleiß erkennen: Durch Beobachtung geringfügiger Vibrationserhöhungen oder anderer Indikatoren.
Führen Sie datengesteuerte Wartung durch: Reparaturen oder Ersetzungen nur dann durchführen, wenn tatsächliche Daten auf ein Problem hinweisen.

Echtzeitüberwachung

Alarmanlage

Das System ist so konzipiert, dass es automatisch Anomalien erkennt, wie z. B. übermäßige Vibrationen oder plötzliche Änderungen der Motordrehzahl, die auf mechanische Probleme wie Fehlausrichtung, Lagerverschleiß oder Unwucht hinweisen können. So funktioniert der Alarmablauf:

  1. Der Sensor erkennt abnormale Vibrationen oder Geschwindigkeiten.
  2. Die Daten werden über Bluetooth zur Socket-Sync-Gateway.
  3. Das Gateway leitet die Informationen weiter durch LoRaWAN in die Cloud.
  4. Wenn die Algorithmen der Cloud-Plattform Abweichungen von normalen Schwellenwerten erkennen, löst sie eine Alarm.

Die Warnung wird sofort und in Echtzeit über die mobile App oder das Dashboard an die Bediener übermittelt. Die Benachrichtigungen werden mit detaillierten Datensätzen geliefert, sodass die Bediener die Schwere des Problems einschätzen und umgehend reagieren können, indem sie entweder eine Wartung veranlassen oder die Maschine anhalten, um weiteren Schaden zu vermeiden. Diese proaktive Methode trägt dazu bei, Ausfallzeiten zu verkürzen und das Risiko kostspieliger Ausfälle zu verringern.

Durch die ständige Überwachung von Vibrationen und Beschleunigungen erkennt das System mechanische Probleme wie Fehlausrichtung, Verschleiß oder Unwucht frühzeitig. Diese Früherkennungsmethode hilft, plötzliche Geräteausfälle zu vermeiden, ermöglicht es Wartungsteams, Probleme im Voraus zu beheben und Betriebsunterbrechungen zu reduzieren.

Kosteneinsparungen werden durch frühzeitiges Erkennen von Problemen erzielt. Dies führt zu einer Verringerung unerwarteter Wartungs- und Ausfallzeiten, was wiederum zu geringeren Reparaturkosten und Betriebsineffizienzen führt. Eine gute Wartung der Geräte kann auch zu Energieeinsparungen führen, da defekte Motoren und Pumpen in der Regel mehr Energie verbrauchen.

Die Bereitstellung wird durch den Einsatz drahtloser Technologien wie Bluetooth-Sensoren und LoRaWAN für die Fernkommunikation vereinfacht, sodass keine komplizierten und teuren Verkabelungen erforderlich sind. Dies verringert den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Installation und vereinfacht die Implementierung sowohl für neue als auch für bestehende Infrastrukturen.

Das solarbetriebene Gateway reduziert den Energieverbrauch durch die Nutzung erneuerbarer Energien, wodurch ein nachhaltiges System entsteht und die Abhängigkeit von externen Stromquellen verringert wird. Dies garantiert, dass das Überwachungssystem auch in abgelegenen oder isolierten Gebieten effektiv funktioniert, was zu zusätzlichen Einsparungen bei den Betriebskosten führt.

Fallstudienszenario

Stellen Sie sich eine Pumpstation für die Wasserverteilung vor, bei der ein Motor die Hauptpumpe antreibt, um mehrere umliegende Gebiete mit Wasser zu versorgen. Sie versorgt eine Gemeinde mit Wasser und betreibt einen 20-kW-Motor, der eine Kreiselpumpe antreibt. Während des Normalbetriebs ist der Lansitec Bluetooth Beacon mit Beschleunigungsmesser so kalibriert, dass er Vibrationen im akzeptablen Bereich von 0,1–1,5 mm/s gemäß ISO 10816-Standards für Motorvibrationen erkennt. Im Laufe einer Woche verzeichnete der Sensor einen stetigen Anstieg der Vibrationen von 1,1 mm/s auf 2,5 mm/s am Rotor des Motors. Diese Abweichung wird an das Lansitec SocketSync Gateway übertragen und über LoRaWAN an die Cloud weitergeleitet, wo die Echtzeit-Datenanalyse die Anomalie kennzeichnet. Der Sensor, der für die Überwachung des Normalbetriebs des Motors kalibriert ist, erkennt diese Abweichung als abnormal. Die Daten werden sofort an das Lansitec Socket Sync Gateway über Bluetooth und dann über LoRaWAN an die Cloud weitergeleitet. Die Algorithmen der Cloud-Plattform kennzeichnen diese Vibration als Hinweis auf eine mögliche Fehlausrichtung der Motorwelle.

Der Alarm wird ausgelöst, wenn die Vibration den voreingestellten Grenzwert von 1,5 mm/s überschreitet, ein kritischer Wert, der auf eine mögliche Fehlausrichtung hinweist. Das Wartungspersonal erhielt über die mobile App eine Warnung, die eine sofortige Inspektion veranlasste. Bei der Untersuchung stellte sich heraus, dass die Kupplung des Motors zu verschleißen begann, was zu einer Fehlausrichtung führte. Ohne Kontrolle hätte dies zu schweren Motorschäden führen können, die kostspielige Reparaturen oder sogar einen vollständigen Motoraustausch nach sich ziehen würden, was mehrere Tage Ausfallzeit zur Folge gehabt hätte.

Ergebnis

Dank der Früherkennung konnte das Wartungsteam die Kupplung reparieren, bevor sie einen Motorausfall verursachte, und so kostspielige Ausfallzeiten verhindern. Das Team konnte die Kupplung zu geringen Kosten von $500 austauschen und so einen Motorausfall vermeiden, der bis zu $10.000 hätte kosten können und mindestens 48 Stunden Ausfallzeit für den Austausch erfordert hätte. Die Pumpstation, die normalerweise täglich 500.000 Liter Wasser verarbeitet, konnte ihre volle Betriebskapazität ohne Unterbrechung aufrechterhalten. Dieser proaktive Ansatz sparte nicht nur Reparaturkosten, sondern hielt auch die Betriebseffizienz der Pumpstation aufrecht, was auf lange Sicht zu einer Reduzierung der Reparaturkosten um 70% führte und erhebliche Störungen der Wasserversorgung verhinderte. Da keine Notfallreparaturen erforderlich waren und die Wasserverteilung nur minimal gestört war, erlebte die Station erhebliche Kosteneinsparungen Und längere Betriebszeit, und demonstriert den Wert einer kontinuierlichen Überwachung bei der Vermeidung kritischer Systemausfälle sowie die Wirksamkeit der Nutzung solcher Systeme zur Verlängerung der Gerätelebensdauer, Optimierung der Betriebseffizienz und Minimierung der Wartungs- und Betriebskosten.

Herausforderungen und Lösungen

Mögliche Hindernisse

  • Signalstörungen: In industriellen Umgebungen mit Metallstrukturen und Maschinen kann es bei Bluetooth-Signalen zwischen Sensoren und Gateway zu Störungen kommen, was die Zuverlässigkeit der Übertragung verringert.
  • Sensor-Fehlkalibrierung: Wenn Sensoren nicht richtig kalibriert sind, können sie Fehlalarme auslösen oder wichtige Daten übersehen, was zu schlechten Entscheidungen führt.
  • Energieverwaltung: Sensoren und Gateways sind insbesondere an abgelegenen Standorten auf stabile Stromquellen angewiesen, was in Gebieten ohne zuverlässige Stromversorgung eine Herausforderung darstellen kann.

Lösungen

  • Richtige Kalibrierung und Positionierung: Regelmäßige Kalibrierung und optimale Platzierung der Sensoren (z. B. an kritischen Motor- und Pumpenteilen) gewährleisten eine genaue Datenerfassung. Die Erstkalibrierung sollte auf den Grundschwingungspegeln der Maschine basieren, und eine regelmäßige Neukalibrierung sollte Änderungen in der Umgebung berücksichtigen.
  • LoRaWAN für zuverlässige Kommunikation: Durch die Nutzung von LoRaWAN gewährleistet das System eine Kommunikation mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch, die widerstandsfähiger gegen Störungen ist als drahtlose Protokolle mit kürzerer Reichweite wie Wi-Fi oder Bluetooth allein. Da LoRaWAN in ländlichen Gebieten Entfernungen von bis zu 15 Kilometern übertragen kann, ist es ideal für abgelegene Pumpstationen.
  • Solarbetriebene Gateways: Bei abgelegenen Installationen gewährleistet die Verwendung solarbetriebener Gateways eine unterbrechungsfreie Datenübertragung auch in Gebieten mit unzuverlässiger oder fehlender Stromversorgung. Dies reduziert die Wartungskosten, sorgt für Energieeffizienz und ermöglicht gleichzeitig eine kontinuierliche Überwachung.

Abschluss

Die Kombination eines Sensors mit Beschleunigungsmesser und Beacon mit einem robusten LoRaWAN-Gateway bietet eine zuverlässige und skalierbare Lösung zur Überwachung von Motor- und Pumpensystemen. Nicht nur im gezeigten Anwendungsfall, sondern überall dort, wo Motoren im Spiel sind. Die drahtlose Einrichtung reduziert die Installationskomplexität, während Echtzeitdaten und Frühwarnungen eine proaktive Wartung ermöglichen und so kostspielige Geräteausfälle und Ausfallzeiten verhindern. Darum geht es bei Industrie 4.0.

Die Skalierbarkeit dieses Systems ermöglicht die Anpassung an verschiedene Anwendungen wie HLK-Systeme, Industriemaschinen und Fernüberwachungsstandorte. Der geringe Stromverbrauch und die große Reichweite von LoRaWAN ermöglichen den Einsatz an schwer erreichbaren Standorten.

de_DEGerman