1 Beschreibung und Funktionsumfang
Das Modul RUN ist das Basismodul des Komplexen Meß- und Diagnosesystems CDS. Es ermöglicht die dauerhafte Überwachung der Lastverteilung und des Drehungleichförmigkeitsgrades von rbrennungsmotoren. Wahlweise können auch gezielte Einzelmessungen durchgeführt werden. Die Meßwerte gestörter bzw. ungestörter Zustände können in einer Datei mit frei wählbarem Namen abgespeichert und für spätere Auswertungen genutzt werden. Zudem ist eine Trenderfassung möglich, mit der man allmähliche ränderungen ermitteln und dokumentieren kann. Dazu werden die letzten Messungen in einer Trenddatei gespeichert. Durch das frühzeitige Erkennen von Abweichungen können rechtzeitig entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden.
Basis für die Messungen ist das Kurbelwinkelsignal, welches über einen entsprechenden Sensor am freien Kurbelwellenende des Motors erfaßt wird. Im Ergebnis der Signalanalyse können Störungen im Lasgleich der Motorzylinder oder der Leistungsabfall eines einzelnen Zylinders erkannt werden.
Überschreitet die Auslenkung des Meßpunktes im Kurbelstern einen einstellbaren Schwellwert, so wird ein Alarm ausgelöst. Über die Richtung der Auslenkung wird der möglicherweise gestörte Zylinder identifiziert.
In einer weiteren Signalbewertung wird der Ungleichförmigkeitsgrad der Kurbelwellen-Drehbewegung berechnet und mit einem einstellbaren Schwellwert verglichen. Bei Überschreitung erfolgt ebenfalls eine Alarmierung.
Die Alarme müssen vom Betriebsingenieur quittiert werden. Gleichzeitig mit der Auslösung eines Alarms wird die Dauerüberwachung gestoppt. Damit stehen die letzten Meßwerte, welche zur Auslösung des Alarms führten, zur rfügung.
Es ist möglich, die Alarme auch auf einer vorhandenen Maschinenüberwachungsanlage auszugeben.
Das Modul RUN umfaßt folgende Komponenten:
Hardware
1 Kurbelwinkelgeber
1 motortypspezifische Halterung für den Kurbelwinkelgeber
1 motortypspezifisches rbindungsstück zum freien Wellenende
1 Signal – Box (Meßwertverknüpfungssystem)
1 Meßwerterfassungskarte für PC
Software
1 Modul RUN
Bild 1 Systemaufbau des Moduls RUN
2 Installation
1 Installation der Hardware
Der Kurbelwinkelgeber besteht aus Kurbelwinkelsensor und Gegenlager (3) und Sensorwelle (4). Die Anpassung an die örtlichen Gegebenheiten des Motors erfolgt durch eine motortypspezifische Halterung (1) und ein rbindungsstück zum freien Wellenende mit Balgkupplung (2).
Einbau des Kurbelwinkelgebers
Bild 2 eingebauter Kurbelwinkelgeber
1. Vor der Installation muß das Gewinde am freien Wellenende entfettet werden.
2. Unter Weiterverwendung der vorhandenen Dichtung am Flansch wird die motorspezifische Halterung (1) angeschraubt. Der Anbau muß zentriert erfolgen, wobei die Öffnung nach unten zeigt und die Schrauben nur handfest angezogen werden.
3. Anschließend ist das rbindungsstück mit Balgkupplung (2) so durch die Halterung zu führen, daß der Simmerring nicht beschädigt wird und das rbindungsstück in das freie Wellenende geschraubt werden kann. Dafür ist es günstig, das rbindungsstück vorher etwas einzufetten. Das Einschrauben erfolgt unter rwendung von Schraubensicherung (z.B. Loctide mittelfest). Über die Balgkupplung darf keine Kraft übertragen werden. Das Festziehen erfolgt deshalb unter rwendung des Schlitzes im rbindungsstück mit einem Schraubenzieher.
4. In das freie Ende der Balgkupplung wird nun die Sensorwelle (4) eingeschraubt, wobei sie ebenfalls eine Schraubensicherung (z.B. Loctide mittelfest) zu verwenden ist. Für die rwendung eines Maulschlüssels sind am Ende der Welle zwei rtiefungen.
5. Anschließend wird der Sensor mit dem Gegenlager (3) vorsichtig mit dem Gegenlager zuerst auf die Sensorwelle geschoben, bis die Welle an der Außenkante des Sensors zu sehen ist. Bei 4-Takt Motoren befindet sich auf der Sensorwelle eine Markierung, bis zu der der Sensor geschoben werden muß. Die rankerung des Sensors erfolgt durch Befestigung des Gegenlagers an der Halterung. Die rbindung zwischen Sensor und Sensorwelle wird mit einer kleinen Schraube realisiert.
6. Die Klemmbox, die bereits an den Sensor angeschlossen ist, wird nun am vorgesehenen Befestigungsblech der Halterung angeschraubt.
7. Abschließend muß die Halterung auf spannungsfreien Sitz überprüft werden. Die Schrauben sind fest anzuziehen und es ist darauf zu achten, daß die Dichtflächen gut aufeinanderliegen.
Einbau der Meßwerterfassungskarte
1. Der Einbau der Meßwerterfassungskarte in den PC darf nur bei ausgeschaltetem Computer erfolgen. Die Karte wird dabei vorsichtig in einen freien ISA Steckplatz eingesetzt. Zum Schutz vor Beschädigungen durch elektostatische Aufladungen, darf die Karte nur am Rand an nicht leitenden Teilen angefaßt werden. Anschließend wird sie am Gehäuse befestigt.
2. Für die Meßwerterfassungskarte sind keine Windows Treiber erforderlich. Sie wird vom Modul RUN direkt angesprochen. Die erforderlichen Einstellungen dazu werden mit Hilfe der Konurationsdaten in der Datei motor.cfg durchgeführt.
Einbau der Signal – Box und rkabelung
1. Die Signal – Box wird im Maschinenkontrollraum in der Nähe des PCs installiert.
2. Anschließend müssen die beiden Computerkabel der Signal – Box mit der Meßwerterfassungskarte verbunden und verschraubt werden. Die Steckverbindungen sind verpolungssicher ausgeführt.
3. Die rbindung des Kurbelwinkelgebers mit der Signalbox erfolgt über das konfektionierte Kurbelwinkelgeberkabel ( geschirmt 4 adriges Kabel - z.B. lt. GL Typ FMG CG 2 2 0.5)
Bei der rlegung des Kabels sind alle geltenden Sicherheitsvorschriften zu beachten. Die Abschirmung der Kabel ist an den Enden zu isolieren.
4. Vor der ersten Messung und nach allen Arbeiten am Kurbelwinkelsensor muß dieser kalibriert werden.
2 Installation der Software
Alle Module werden zusammen mit dem Modul RUN installiert.
Die Installation erfolgt unter den Betriebssystem Microsoft Windows 95 bzw. Windows 98. Vor der Programminstallation sollten alle laufenden Anwendungen geschlossen und alle geöffneten Dateien gespeichert werden.
Klicken Sie auf den Windows Start Knopf und dann auf Ausführen. Danach wird : x:setup.exe (das x steht für den Laufwerksbuchsen des CD-ROM Laufwerks) eingetippt und mit OK bestätigt. Während der Installation der CDS Software müssen die Bildschirmanweisungen befolgt werden.
Achtung: Nach der Installation muß der Computer neu gestartet werden.
3 Bedienung des Moduls RUN
3.1 Allgemeine Bedienungshinweise
Inbetriebnahme des Moduls RUN
Das Modul RUN wird über das entsprechende Ikon in der Programmgruppe Complex Diagnosis System des Startmenüs gestartet. Damit erfolgt auch die Initialisierung der Meßkette. Die Stromversorgung wird über die Meßwerterfassungskarte realisiert.
Für die korrekte Funktion des Moduls RUN muß der Motor mit Mindestdrehzahl laufen, um Impulse vom Kurbelwinkelgeber zu erhalten. Während der Messung sollte der Betriebszustand stationär sein. Laständerungen können zu einer Fehlinterpretation der Meßwerte führen. Um einen tendenziellen rgleich mit andere Untersuchungen zu ermöglichen, muß der Lastpunkt reproduzierbar sein.
Außerbetriebnahme des Moduls RUN
Vor des Außerbetriebnahme sollten die aktuellen Meßwerte für spätere Auswertungen gespeichert werden. Das Beenden des Moduls erfolgt über den Menüpunkt file mit dem Befehl exit.
3.2 Menüpunkte
File
Load
Laden einer Meßwertdatei.
Load History
Laden einer Trenddatei
Save
Sichern der Meßdaten. Der Dateiname zum Speichern wird vom Programm vorgeschlagen und setzt sich aus dem 8-stelligen Dateinamen, welcher aus der Meßzeit ermittelt wird, und der Namenserweiterung run zusammen.
Stelle: 1-2 Monat 3-4 Tag 5-6 Stunde in 24 h Anzeige 7-8 Minuten
Save as ASCII
Speichern einer Datei im ASCII Format zur Weiterverarbeitung mit anderen Programmen
Change Engine
Wechseln der aktuellen Maschine
Print
Drucken der aktuellen Meßwerte auf dem Standarddrucker. Gedruckt wird:
die graphische Auswertung des Lasgleichs
der Meßsignalverlauf als w(t) und
die Darstellung des Meßpunktes im Kurbelstern
Printer Setup
Einrichten des Druckers
Exit
Beenden des Programms
About
Hinweis über den Hersteller und die rsionsnummer des Programms.
Edit
Clip
Der Fensterinhalt wird in die Zwischenablage kopiert und kann von dort in andere Windowsanwendungen eingebunden werden.
Measure
Manual measurement
Durchführen einer manuellen Messung
Start Monitoring
Starten der Dauerüberwachung des Motorbetriebes
Stop Monitoring
Beenden der Dauerüberwachung des Motorbetriebes
Display
time behaviour of speed
Darstellung der Drehzahl über dem Kurbelwinkel über einen Arbeitszyklus des Motors
complex diagram
Darstellung Meßpunktes im Kurbelstern
trend analysis
Anzeige des Lasgleichs der letzten Messungen im Zeitverlauf
trend uniformity
Anzeige des Drehungleichförmigkeitsgrades der letzten Messungen im Zeitverlauf
Option
Cycles
Für einen Durchlauf der Meßwerterfassung können bis zu 20 aufeinanderfolgende Meßzyklen eingestellt werden. Pro Meßzyklus wird ein Arbeitszyklus des Motors erfaßt. Durch die Einstellung mehrerer Zyklen können stochastische Einflüsse auf den Betriebszustand des Motors (Lastwechsel, Seegang u.a.) erkannt und als unzulässige Zustandsänderung des Motors ausgeschlossen werden.
Als Ausgangswert wird 5 Zyklen empfohlen.
measurement interval
Mit dem Meßintervall wird der Abstand zwischen den Meßwerterfassungen eingestellt. Die Abstände sind von einer Sekunde bis 24 Stunden einstellbar.
Als Ausgangswert wird 1 min empfohlen.
limit value
1. order
Festlegung der Alarmschwelle im Kurbelstern. Die Werte können von 5 bis 25 % des Maximalwertes der maximalen Amplitude des Meßpunktes eingestellt werden.
Als Ausgangswert wird 10% empfohlen.
calibrationInteraktive Kalibrierung des Kurbelwinkelgebers
settings
Anpassung der Anzeige
- min. nonuniformity: unterer Grenzwert für die Anzeige des Drehungleichförmigkeitsgrades
- max. nonuniformity: oberer Grenzwert für die Anzeige des Drehungleichförmigkeitsgrades
- max. amplitude: Einstellung der maximalen Auslenkung des Meßpunktes für die Darstellung in der komplexen Ebene
Info
data of engine
Abfrage der eingetragenen Motordaten.
fonts
select
Auswahl der verwendeten Schriftart
help
Aufruf der Hilfe
3.3 Kalibrierung
Vor der ersten Messung oder nach Arbeiten am Kurbelwinkelgeber, muß dieser kalibriert werden. Bei der Kalibrierung erfolgt eine Zuordnung des Kurbelwinkelsignals zu den einzelnen Zylindern.
Die Kalibrierung ist durch ein Paßwort geschützt. Dazu wird im Menüpunkt option der Befehl Calibration aufgerufen. Die einzelnen Schritte der Kalibrierung müssen bestätigt werden.
1. Vor Beginn der Kalibrierung muß sichergestellt sein, daß ein guter Lasgleich zwischen den Zylindern vorliegt.
2. Den Motor laufen lassen. Dabei sollte er möglichst im Nennlastbereich laufen. Nach der Bestätigung führt das Modul RUN eine 1. Messung durch.
3. Der Motor sollte jetzt mit reduzierter Drehzahl gefahren werden.
4. Für den Zylinder 1 muß jetzt die Kraftstoffzufuhr unterbrochen werden. Anschließend wird eine Messung vom Modul RUN durchgeführt. Dabei wird der Zylinder 1 dem Phasenwinkel des Kurbelwinkelsignalgebers zugeordnet. Die Zuordnung der anderen Zylinder wird aus den Motordaten in der motor.cfg abgeleitet.
5. Nach diesem Schritt muß die Kraftstoffversorgung für Zylinder 1 wieder hergestellt werden, und die zu Zylinder 2 unterbrochen werden. Anschließend wird vom Modul RUN eine Kontrollmessung durchgeführt. In dieser wird die richtige Zuordnung von Zylinder 2 kontrolliert.
3.4 Messung
Dauerüberwachung des Motorbetriebes
Das Modul RUN wird für die Dauerüberwachung des Lasgleichs bei stationärem Betrieb des Motors eingesetzt.
Vor der ersten Messung müssen alle erforderlichen Einstellungen im Menü Option festgelegt werden. Das sind die Anzahl der Meßzyklen, der Meßintervall und der Schwellwerte (siehe auch Abschnitt 3.2).
- Für einen Durchlauf der Meßwerterfassung können 1- 20 Zyklen eingestellt werden. Pro Zyklus wird ein Arbeitszyklus des Motors erfaßt. Eine Erhöhung der Anzahl bewirkt ein besseres Erkennen stochastischer Einflüsse auf den Betriebszustand des Motors wie z.B. Lastwechsel oder Seegang. Die Möglichkeit eines Fehlalarms wird so gesenkt.
- Mit dem Meßintervall wird der Abstand zwischen den einzelnen Meßwerterfassungen eingestellt.
- Mit der Festlegung des Schwellwertes für den Lasgleich wird eingestellt, wie groß die maximale Amplitude des Meßpunktes im Kurbelstern sein darf, bis eine Alarmauslösung erfolgt. Die Werte können von 5 bis 25 % eingestellt werden. Je höher der Wert ist, desto größer ist die erlaubte Abweichung.
- Der Schwellwert für die Drehungleichförmigkeit wird mit der Maus in der Standardanzeige eingestellt. Er ist auf 50 % voreingestellt (siehe dazu auch Abschnitt 3.5).
Der Beginn der Dauerüberwachung erfolgt im Menü measurement durch den Befehl Start Monitoring. Damit wird die Meßwerterfassung gestartet, die sich automatisch im eingestellten Meßintervall mit der Anzahl der Meßzyklen wiederholt.
Das Modul arbeitet solange bis es durch den Befehl Stop Monitoring beendet wird oder eine Alarmschwelle bei der Auswertung des aktuellen Meßzyklus überschritten wurde. Im letzten Fall wird ein Alarm ausgegeben.
Während der gesamten Messung muß der Rechner eingeschaltet bleiben.
Manuelle Messung
Wenn keine Dauerüberwachung erfolgen soll, kann auch eine manuelle Messung durchgeführt werden. Dafür müssen ebenfalls die Anzahl der Meßzyklen und die Grenzwerte eingestellt werden. Die Angabe eines Meßintervall ist nicht von Bedeutung.
Der Beginn der Messung erfolgt unter dem Menüpunkt measurement durch den Befehl manual Measurement.
Es erfolgt keine kontinuierliche Messung, sondern für jede Messung muß wieder neu gestartet werden.
3.5 Anzeige der Meßergebnisse
Die Standardanzeige des Moduls RUN ist zweigeteilt. In der oberen Hälfte befindet sich die Anzeige für die Drehungleichförmigkeit, während in der unteren Hälfte der Lasgleich symbolisch dargestellt wird. Solange der Lasgleich keine Auffälligkeiten zeigt, werden alle Felder grün angezeigt. Bei einer Störung im Lasgleich wird der gestörte Zylinder und der waagerechte Balken rot blinkend angezeigt. Dieser Alarm muß mit einem Doppelklick mit der Maus auf den Balken quittiert werden.
Bild 3 Standardanzeige des Modul RUN
Unabhängig davon arbeitet die Drehungleichförmigkeitsanalyse. Links wird der aktuelle Wert und der eingestellte Grenzwert angezeigt. In der Mitte der Anzeige wird der Drehungleichförmigkeitsgrad graphisch angezeigt. Der Anzeigebereich (die Zahlenwerte oberhalb der Anzeige) kann im Menü Option mit Settings variiert werden. Der Drehungleichförmigkeitsgrad selbst wird als kleiner Balken dargestellt. Der Schwellwert für die Alarmauslösung wird als kleines Dreieck dargestellt werden. Dieser kann durch ziehen mit der Maus verändert werden. Wird der Schwellwert vom aktuellen Wert überschritten erfolgt eine Alarmauslösung, d.h. das Feld rechts der Anzeige wird rot blinken dargestellt. Der Alarm muß mit einem Doppelklick auf dieses Feld bestätigt werden.
Zusätzlich zur Standardanzeige des Moduls RUN lassen sich die Meßergebnisse in anderen Darstellungsformen ausgeben. Die Möglichkeiten sind unter dem Menüpunkt display erreichbar.
Mit complex diagram kann die Lage des Meßpunktes im Kurbelstern dargestellt werden.
Bild 4 Darstellung des Meßpunktes im Kurbelstern, Zylinder 6 weist eine Störung auf
Mit time behaviour of speed wird ein Fenster mit dem rlauf der Drehzahl über dem Kurbelwinkel dargestellt.
Bild 5 Darstellung der Drehzahl über dem Kurbelwinkel, ungestörter rlauf
Bild 6 Darstellung der Drehzahl über dem Kurbelwinkel, Zylinder 6 weist eine Störung auf
Mit trend analysis und trend uniformity können die aktuellen Werte mit früheren Messungen verglichen werden.
3.6 Anzeige eines Alarms
Bei Überschreitung eines festgelegten Grenzwertes wird ein Alarm ausgelöst und die laufende Messung gestoppt. Das Bestätigen des Alarms durch den Betriebsingenieur erfolgt durch Doppelklick mit der Maus auf die rot blinkenden Felder. Die Motordrehzahl und die Meßzeit wird angezeigt, so daß die Messung zugeordnet werden kann. Gleichzeitig wird angezeigt, welcher Zylinder eventuell gestört ist.
Mit der Bestätigung des Alarms kann die Maschine zur Klärung der Ursache einer weitergehenden Prüfung unterzogen werden, z.B. eine Zylinderdruckanalyse mit dem Modul CPA / IPA.
Nach der Störungsmeldung setzt das Programm die zyklische Meßwerterfassung nicht fort. Für die Reproduktion der Störungsentwicklung ist es notwendig, das Ergebnis aus der Dauerüberwachung zu sichern. Deshalb sollten nach dem Quittieren der Störung die Meßdaten für den entsprechenden Zyklus in einer Datei gespeichert werden (siehe Abschnitt 3.2). Unabhängig davon werden die Werte automatisch in der Trenddatei gespeichert.
Bild 7 Anzeige eines Alarms: unzulässiger Lasfall an Zylinder 6
3.7 Auswertung
Bei erfolgtem Alarm muß der Betriebsingenieur über die weiteren Schritte zur Identifikation der Störung und Ermittlung der Ursache entscheiden.
Da eine Tiefendiagnose aufwendiger ist, sollte zuerst der Alarm durch manuellen Messungen überprüft werden. Damit wird ausgeschlossen, daß äußere Einflüsse wie Lastwechsel oder Wellengang den Alarm verursacht haben.
Zusätzlich zur Standardanzeige kann die Lage des Meßpunktes im Kurbelstern oder der rlauf der Drehzahl über dem Kurbelwinkel dargestellt werden. Mit Hilfe dieser Anzeigen können nähere Aussagen getroffen werden.
a) Im Kurbelstern wird die Lage des aktuellen Meßpunktes dargestellt. Der Kreis stellt dabei die Alarmschwelle dar. Aus der Darstellung lassen sich folgende Aussagen treffen (siehe Bild 4):
1. Der Meßpunkt, der für einen unzulässigen Lasgleich ermittelt wurde, befindet sich außerhalb des Grenzwertkreises. Die Position des Meßpunktes in Bezug auf den Kurbelstern weißt auf den wahrscheinlich verursachenden Zylinder hin.
2. Der Abstand vom Koordinatenursprung ist ein Maß für die Größenordnung des Fehlabgleichs.
3. Neben dem aktuellen Meßpunkt (in rot dargestellt) wird eine festgelegte Anzahl der vorangegangenen Meßpunkte grau dargestellt. Diese Funktion wird mit trend analysis im Menü Display aufgerufen. Die Anzahl wird in der Datei „motor.cfg“ begrenzt. Die historischen Meßpunkte werden in der Datei „history.dru“ gespeichert. An der Lage der Punkte zueinander kann analysiert werden, ob der Zustand des Lasgleichs systematisch aus dem zulässigen Bereich auswandert oder ob die Störung durch ein plötzliches Ereignis verursacht wurde. Zusätzlich kann ein gespeicherter Meßwert geladen werden. dieser wird blau dargestellt.
b) Das Drehzahl Kurbelwinkel Diagramm kann mit einer Referenzkurve verglichen werden. So lassen sich Abweichungen zu früheren Messungen ermitteln (siehe Bild 5 und 6).
4 Handlungsempfehlungen
Die Auswertung des Alarms kann zu folgenden Ergebnissen führen:
1. Die in der Dauerüberwachung ermittelte Störung bestätigt sich nicht, der ermittelte Zustand kann als in Ordnung bewertet werden. Ursache kann eine äußere Laständerung gewesen sein. Nach Wiederherstellung eines stationären Betriebszustandes kann die Dauerüberwachung mit RUN weitergeführt werden.
2. Die Störung der Leistungsverteilung wird wiederholt festgestellt, aber es bestehen qualitative Unterschiede zwischen ermittelten Lastverteilungen (z.B. werden bei jeder Einzelmessung verschiedene Zylinder abweichend angezeigt). Die Ursache kann eine länger andauernder instationärer Zustand im Betriebspunkt sein (z.B. durch Seegang bei Schiffsantriebsanlagen). In diesem Fall sollte die Anzahl der Zyklen erhöht werden. Wenn damit kein Erfolg erzielt wird, kann das Modul RUN erst nach dem Erreichen eines stationären Betriebspunkt wieder eingesetzt werden. Bei Revierfahrten sollte RUN nicht eingesetzt werden.
3. Die in der Dauerüberwachung festgestellte Störung wird durch wiederholte Messungen bestätigt. Das Ergebnis läßt auf ränderungen im Dieselmotor schließen. Zur Ursachenfindung müssen weitere diagnostische Untersuchungen durchgeführt werden. Für diese Tiefendiagnose steht das Modul CPA/IPA zur rfügung.
5 Begriffserklärungen
Drehungleichförmigkeitsgrad u: ist ein Maß für die Ungleichförmigkeit der Wellendrehbewegung. Je gleichförmiger die Welle dreht, desto kleiner ist der ermittelte Wert, der nach folgender Formel berechnet wird.
= Maximalwert
der Winkelgeschwindigkeit während eines Arbeitszyklus des Motors
= Minimalwert
= Mittelwert
Lasgleich: gibt das rhältnis der Lasgaben der einzelnen Zylinder untereinander an. Der Wert 0 ergibt dabei den besten Abgleich.
Tiefendiagnose: ist das Durchführen weiterer Diagnoseschritte mit Hilfe weiterer Module z.B. CPA / IPA zur Klärung der Störungsursache.
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