Thorsten Pawletta, Sven Pawletta, Hochschule Wismar - University of Technology, Business & Design

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Diplomarbeit Statistische Analyse des dynamischen Betriebsverhaltens von Schrottpaketierpressen am Beispiel der RAS III

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			1. Prüfer: 2. Prüfer: Betriebsbetreuer:	Prof. Dr.-Ing Thorsten Pawletta Prof. Dr.-Ing. Sven Pawletta Dipl.-Ing. Bernhard Kock
	Jacky Ölscher, Aug. 2004

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Einleitung

Die vorgestellte Arbeit ist eine Vorstudie für die Entwicklung einer automatischen Maschinenzustandsüberwachung der Schrottpresse RAS III, gem. Abb. 1. Das untersuchte System dient dem Verpressen von losem Schrott zu kantigen Paketen. Beim Pressvorgang können durch eingeklemmte Kleinteile mitunter Fressvorgänge an den drei vorhandenen Verdichtern hervorgerufen werden. Das Fressen führt in der Regel zu einem Verschweißen von Verdichter und Schleißblech, wodurch es zu einem kostenintensiven Stillstand der Maschine kommt. Ziel der Maschinenzustandsüberwachung ist die rechtzeitige Detektierung solcher Fressvorgänge und die kontinuierliche Überwachung des Verschleißzustandes der Maschine, um den Zeitpunkt und das Ausmaß der anstehenden Wartungsarbeiten besser vorhersagen zu können. Zu Testzwecken wurde eine Presse mit zusätzlicher Schwingungsmesstechnik ausgestattet. Neben der Schwinggeschwindigkeit und –Beschleunigung werden auch der Systemdruck, die Verdichter- und Türpositionen, die verpresste Masse und eine Reihe von Steuersignalen im Zyklus der Prozesssteuerung aufgezeichnet. Dadurch ergibt sich ein Prozessdatenstrom von ca. 1GB am Tag, im exportierten Zustand. Für die Konvertierung, Komprimierung, Analyse und Visualisierung der Prozessdaten des 111-tägigen Untersuchungszeitraumes sind entsprechende Programme in MATLAB^® implementiert worden.

Abb. 1: Prinzipskizze der Schrottpakettierpresse RAS III

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Lösungsansatz

Grundlage für die Datenanalyse ist die Einteilung des Presszyklusses in 16 voneinander unabhängige Teilsegmente. Abb. 2 zeigt die Einteilung symbolisch anhand des Signalverlaufes vom hydraulischen Systemdruck. Die Betrachtung von lokalen und absoluten Maximal- und Mittelwerten in jedem Segment führt bei Untersuchung aller Sensorsignale und Pakete zu rund 22000 Kurvenverläufen, von denen 1266 näher analysiert wurden. Mit Hilfe des gleitenden Mittelwertes werden die Trendkomponenten der Kurvenverläufe dargestellt. Dadurch soll der Einfluss des Verschleißes und ausgeführter Wartungsarbeiten auf das segmentbezogene Niveau der Mittel- und Maximalwerte verschiedener Zustandsgrößen des Systems bestimmt werden. Über die Darstellung von statistischen Häufungsgebieten werden die Abhängigkeiten zwischen einzelnen Prozessgrößen grafisch ermittelt.

Abb. 2: symbolische Einteilung des Presszyklusses anhand des Drucksignalverlaufes

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Vorgehensweise und Ergebnisse

Im ersten Schritt wurde das Ziel verfolgt, den Arbeitsbereich der Presse zu bestimmen. Dazu wurde zunächst die Auslastung der Maschine untersucht. Die bestimmte mittlere Auslastung von 550 verpressten Paketen am Tag entspricht einer umzuformenden Schrottmasse von ca. 83 Tonnen. Das Zeit-Regime der RAS III ist daraufhin Gegenstand der Betrachtung gewesen, mit der Zielgabe Unregelmäßigkeiten im Arbeitsablauf zu erkennen. Aufgrund der großen Datenmengen war die Implementierung mehrerer grafischer Nutzeroberflächen (s. Abb. 3) zwingend notwendig für die Steigerung der Effektivität bei der Datenanalyse und –Visualisierung. Weiterhin wurde die Schwankung der Paketgewichte durch ein Histogramm und die empirische Verteilungsfunktion charakterisiert. Dadurch können statistische Aussagen zur Größe des Massenstromes in das System RAS III vorgenommen werden. Zur genaueren Charakterisierung des Eingangsstromes wurden Zugversuche durchgeführt. Als mechanische Kennwerte des Materials wurden Rp_0,2 = 274 N/mm², Rm = 295 N/mm², E=110000 N/mm² und die Bruchdehnung zu 40% bestimmt. Als ein Gütekriterium für die Arbeit der Presse dient u.a. die Paketdichte. Für die Bestimmung des Paketvolumens wurden eine Reihe von Testmessungen vorgenommen. Über die Regression wurde aus den Wertepaaren der Testmessungen ein linearer Zusammenhang zwischen Paketvolumen und der Position von Verdichter drei hergestellt. Um die Abhängigkeit der Paketdichte vom Systemdruck und der Paketmasse zu untersuchen, sind, Diagramme zur Visualisierung von statistischen Häufungsgebieten erstellt worden (s. Abb.4 und Abb.5).

Die vergrößerte Struktur in Abb.5 läst den Schluss zu, dass neben dem Systemdruck und der Paketmasse weitere Parameter existieren müssen, welche die Größe der Paketdichte bestimmen. Im nächsten Schritt wurden die Bemühungen auf die Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Maschinenzustandes und das Finden von Verschleißindikatoren konzentriert. Durch die Messdatenaufzeichnung über einen durchgeführten Schleißblechwechsel hinweg, können die Unterschiede der Maschinenzustände bei verschlissenen und neuen Schleißblechen anhand mehrerer Prozessdaten anschaulich gegenübergestellt werden (s. Abb.6). Die unterschiedlichen Niveaus einzelner Größen, wie z.B. der Zykluszeit, bei unterschiedlichem Alter der Schleißbleche ist ein Indiz für bereits stattgefundenen Verschleiß.

Abb. 3: Grafische Nutzeroberfläche in MATLAB^® zur Datensichtung	Abb. 4: Zusammenhang zwischen Paketdichte und aufgebrachten Druck

Abb. 5: Zusammenhang zwischen Paketdichte und verpresster Masse	Abb. 6: Einfluss des Schleißblechwechsels auf die mittlere Zykluszeit

Ausblick

Die vorliegende Arbeit liefert eine Reihe von Werkzeugen für die weitere Arbeit mit den aufgezeichneten Prozessdaten. Eine Ausdehnung des Untersuchungszeitraumes müsste die Annäherung der Niveaus, und somit die vorhandene Verschleißcharakteristik aufzeigen.

Jacky Ölscher
email: j.oelscher@web.de