iCART - intelligente, Computer-unterstützte Seilprüfung bei Seilbahnen
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Author(s):
Dr. Stefan Messmer - IWM Institut für Werkstoff-Fragen und Materialprüfungen
Industry:
ATE/Instrumentation, Industrial Controls/ Devices/ Systems, Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction
Products:
LabVIEW
The Challenge:
Entwicklung eines zerstörungsfreien, zuverlässigen und effizienten LabVIEW-basierten Prüfsystems für Seilbahnanlagen.
The Solution:
Erstellung einer Testeinheit aus Hard- und Software für eine zeitverkürzte digitale Auswertung bei der Seilprüfung von Seilbahnen.
"Neben einer deutlichen Steigerung der Qualität der Seilprüfung konnte auch die Effizienz deutlich gesteigert werden."
Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments. Der vollständige Beitrag ist ferner im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2006, S. 59-63, veröffentlicht.
Kurzfassung
IWM war im Jahr 2000 die erste Firma in der Schweiz, die für die zerstörungsfreie Prüfung von Bergbahnseilen akkreditiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurden die bei der Seilprüfung anfallenden grossen Mengen von Messdaten ausschliesslich auf Papierstreifen aufgezeichnet und danach im Büro mühsam von Hand ausgewertet. IWM hatte bereits zu diesem Zeitpunkt erkannt, dass ein Wechsel auf Computer-basierte Messdatenerfassung und -auswertung möglichst schnell realisiert werden musste, um im freien Markt längerfristig bestehen zu können. Im Sommer 2002 wurde schliesslich der Entscheid gefällt, auf der Basis von National Instruments Hardware und -Software das Seilprüfsystem iCART aufzubauen. iCART ist aber mehr als Hardware und Software: Es ist ein Konzept wie Seilprüfungen zuverlässig, schnell und kostengünstig durchgeführt werden können - mit modernen Arbeitsmitteln und motivierten Mitarbeitern.
Die Realisation der iCART Software mit LabVIEW war und ist immer noch ein sehr ambitioniertes Projekt, das hier in einzelnen Punkten vorgestellt werden wird.
Einführung in die zerstörungsfreie Seilprüfung bei Seilbahnen
Für die zerstörungsfreie Prüfung von Seilbahnseilen werden heute zwei unterschiedliche Prüfverfahren angewendet: Die ausserordentlich effiziente magnet-induktive Prüfung, die auf der systematischen Analyse von magnetischen Streufeldern um ein Seil beruht, und der Durchtrahlungsprüfung mit Gammastrahlen. Die Durchstrahlungsprüfung (Bild 1) ist allerdings sehr aufwendig und wird deshalb nur in Zweifelsfällen, sowie bei schwierigen Platzverhältnissen eingesetzt, die eine magnet-induktive Prüfung verunmöglichen.
Beide Prüftechniken werden bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich bei der periodischen Überwachung von Seilen eingesetzt.
Bei der magnet-induktiven Seilprüfung wird ein Seil mittels eines Permanent- oder Elektromagneten bis zur Sättigung magnetisiert. Zwischen den beiden Polen wird um das Seil ein Sensor plaziert, der die Streufelder um das durch das Prüfgerät geführte Seil herum erfasst. Bei heutigen Seilprüfgeräten besteht der Sensor meistens aus zwei gefalteten und elektrisch in Serie geschalteten Halbspulen, die die Änderung der radialen Komponente des magnetischen Flusses durch die Spulenfläche registrieren (Bild 2). Diese Spule wird in der Fachliteratur als LD (Local Default) Spule bezeichnet. Bei der Fahrt über ein Seil wird die verstärkte Spulenspannung kontinuierlich aufgezeichnet (Bild 3).
Der Verlauf der Spulenspannung weist bei Drahtbrüchen in einem Seil ein charakteristisches Muster auf, mit dessen Hilfe Fehler im Seil zuverlässig gefunden werden können.
Drahtseile sind von ihrer Konstruktion her fehlertolerante Maschinenbauteile. Einzelne gebrochene Drähte innerhalb eines Drahtseiles sind in der Regel kein Problem: Erst wenn sich zu viele Drahtbrüche in einem kurzen Seilabschnitt gebildet haben, muss ein Seil gewechselt werden. Ablegekriterien sind deshalb an eine Bezugslänge gebunden, innerhalb derer eine gewisse Anzahl Drähte gebrochen sein dürfen. In den internationalen Vorschriften wird in der Regel von einer zulässigen Querschnittsverminderung auf eine Bezugslänge gesprochen. In der Schweiz ist zum Beispiel für ein Förderseil einer Gondelbahn eine maximale Querschnittsverminderung von 7,5% des metallischen Seilquerschnittes auf die Bezugslänge von 4 mal Seildurchmesser und von 15% auf die Bezugslänge von 40 mal Seildurchmesser erlaubt.
Die manuelle Auswertung von magnet-induktiven Seilprüfungen ist eine zeitraubende, monotone Arbeit, die eine grosse Erfahrung erfordert und deshalb nur von hoch qualifizierten Mitarbeitern erledigt werden kann. In dieser komplexen Problemstellung liegt auch die Motivation für die Entwicklung des iCART Prüfsystems: Es soll hoch qualifizierten Mitarbeitern ein Werkzeug zur Verfügung gestellt werden, mit dem der Zeitaufwand für die Routine-Auswertung von magnet-induktiven Prüfungen auf ein absolutes Minimum reduziert und so die Kompetenz der Mitarbeiter optimal genutzt werden kann.
iCART – Konzept
Bei der Konzeption der iCART - Software hat sich schnell gezeigt, dass die Anforderungen an das Programmsystem eine Zweiteilung notwendig machen: Die Anforderungen an ein Programm zur Arbeit im Feld sind so verschieden von den Anforderungen an ein Programm für die Arbeit im Büro, dass sie nicht vernünftig mit einer Applikation erfüllt werden können. Das iCART Aquisition Module ist für die Arbeit im Feld gedacht und bietet eine vollständige Bedienung über die Tastatur. Eine Computermaus, Trackball oder ein ähnliches Gerät sind nicht erforderlich. Das iCART Analysis Module hingegen ist ein grafisch orientiertes Programm, das für die Bedienung mit einer Computermaus ausgelegt ist.
Funktionell ist das iCART Aquisition Module auf die Datenerfassung sowie deren Überwachung durch den Prüfer ausgelegt. Die vom Prüfgerät anfallenden Messdaten werden unverändert auf dem Bildschirm in Form eines Chart dargestellt und gleichzeitig als Rohdaten auf der Festplatte gespeichert. Die Prüfdaten werden in Echtzeit auf Fehler hin abgesucht und gefundene Drahtbrüche werden dem Prüfer mit der exakten Position auf dem Seil angezeigt. Danach wird überprüft, ob die gesetzlichen Vorschriften eingehalten werden. Werden Vorschriften verletzt, wird das mittels einer Kontrolllampe angezeigt. Das iCART Aquisition Module überprüft zudem dauernd die Qualität der Prüfsignale in Bezug auf deren Auswertbarkeit. Der Prüfer kann zusätzlich dazu weitere Informationen positionsbezogen erfassen, wie zum Beispiel Ergebnisse einer visuellen Kontrolle sowie weitere Messungen (Durchmesser des Seil, Schlaglänge, etc.).
Das iCART Analysis Module ist wesentlich komplexer: Seine Aufgaben reichen von der Prüfdatenverwaltung über die interaktive Prüfdaten-Auswertung bis hin zum Erstellen eines komplexen Prüfberichtes. Die Probleme, die sich in diesem Zusammenhang stellen sind enorm: Bei IWM fallen pro Jahr rund 20 GByte Prüfdaten in rund 3000 Files an, die entsprechend der Norm ISO 17025 behandelt werden müssen. Daten müssen zudem über die gesamte Lebensdauer von Seilen (zum Teil über 50 Jahre!) gespeichert und archiviert werden. Die Verwaltung einer solchen Menge von Prüfdaten ist mit einem konventionellen Filesystem kaum möglich - das iCART Analysis Module organisiert Prüfdaten in einer Datenbank, so dass sie in Sekunden wieder gefunden werden können. Die Auswertung von Prüfdaten entspricht weitgehend derjenigen des iCART Aquisition Modules, der Prüfingenieur kann sie aber selbst konfigurieren und er kann die Ergebnisse nach seinem Gutdünken korrigieren. Es ist sogar möglich, eine manuelle Auswertung zu erstellen. Das iCART Analysis Module kann nach der Auswertung komplexe Prüfberichte in einer beliebig wählbaren Sprache erstellen. Die Prüfberichte werden mit Hilfe von Vorlagen aus vordefinierten Textblöcken, individuellen Kommentaren, Variablen der Seilprüfung und Beilagen in der Form von Acrobat Reader Dokumenten zusammengestellt und gedruckt. Gleichzeitig wird für die spätere Archivierung ein verschlüsseltes Acrobat Reader Dokument des ganzen Prüfberichtes erstellt. Der Prüfingenieur hat nach Abschluss seiner Arbeit die Möglichkeit, die relevanten Dokumente (Prüfdaten, Prüfberichte, etc.) mit einer digitalen Signatur nach dem Open PGP Standard zu versehen.
Implementation mit LabVIEW
Das oben skizzierte Konzept der iCART Software zeigt deren Komplexität: Die Implementation mit LabVIEW ist im Moment auch noch nicht abgeschlossen. Insbesondere sind bis zum geplanten Abschluss der Arbeiten im Lauf des Jahres 2006 noch Korrekturen notwendig. Beide Programme müssen im Bereich des User-Interfaces noch einmal überarbeitet werden. Viele Aspekte der beiden Applikationen haben sich aber hervorragend bewährt: Ganz besonders das in beiden Programm-Modulen implementierte Konzept der “verknüpften Anzeigenliste”, das eine hervorragende Übersicht über die Prüfresultate ermöglicht. Beide Programme erzeugen so genannte Anzeigenlisten, die es dem Prüfer oder Prüfingenieur ermöglichen, die dazu gehörigen Signalverläufe in Sekundenbruchteilen anzuzeigen und zu beurteilen, und gegebenenfalls zu kommentieren.
Es würde zu weit führen, die LabVIEW-Implementation von iCART im Detail zu erläutern: Stattdessen sollen hier nur die wichtigsten Punkte erwähnt werden. Beide Programm-Module, das iCART Aquisition Module und das iCART Analysis Module benutzen die Multi-Threading Funktionalität von LabVIEW, beide Programme verwalten relativ komplizierte interne Datenstrukturen mit der GOOP-Technologie (Graphical Object Oriented Programming) und beide Programme machen intensiven Gebrauch von der LabVIEW Event-Struktur, um optimal auf Benutzereingaben zu reagieren.
Ein besonders heikler Punkt der Implementation von iCART war die Umsetzung des Drucks von Prüfberichten. Dieser Punkt soll im folgenden etwas genauer angesehen werden. Grundsätzlich geschieht der Druck von Prüfberichten in iCART mit Hilfe der Report Generation VI’s von LabVIEW. Um jedoch die geforderte Flexibilität in Bezug auf die Gestaltung, den Inhalt und die Berichtssprache zu bekommen, wurde ein Umweg beschritten: Es wurde eine HTML-ähnliche Sprache für die Gestaltung der Prüfberichts-Vorlagen entwickelt. Die Report-Generation VI’s von LabVIEW werden von einem entsprechend leistungsfähigen Parser VI während der Verarbeitung der Vorlagen aufgerufen und sie erzeugen so einen komplexen Prüfbericht. Die Vorlagen-Sprache erlaubt auch das Einfügen von Acrobat-Reader Dokumenten an einer beliebigen Position des Prüfberichtes, sowie die Integration von Logos und Fotos.
Mit diesem aufwendigen Verfahren konnte erreicht werden, dass die Gestaltung von Prüfberichten in grossen Teilen unabhängig vom Programmcode wird.
Praktische Erfahrungen mit iCART
IWM hat nun mittlerweile 3 Jahre praktische Erfahrungen im Einsatz von iCART. Die Hardware- und Softwarekomponenten haben sich in dieser Zeit hervorragend bewährt. Neben einer deutlichen Steigerung der Qualität der Seilprüfung konnte auch die Effizienz deutlich gesteigert werden. Die Prüfzeit vor Ort konnte um rund 50% verkürzt werden, die Bearbeitungszeit im Büro konnte auf unter ein Drittel gesenkt werden. Damit ist IWM im freien Markt deutlich konkurenzfähiger geworden und konnte sich erfolgreich als Marktleader in der Schweiz positionieren.
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