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Non-Destructive Evaluation (NDE) of structures is complex due to the uniqueness of almost all structures and their sizes. A single NDT method typically is not sufficient to meet the testing requirements, which cover different areas, such as material and structural properties. Measuring geometrical properties require other test methods than e.g. the detection of corrosion. Automation has proven to be necessary for aquiring large amounts a of high quality data in a short time. Examples of succesful method combinations from different areas of non-destructive testing in civil engineering are briefly described and their application is shown. Some of the examples also include automated inspection.
Bereits seit vielen Jahren stehen Anwendern der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) zuverlässige Geräte zur Untersuchung von Betonbauteilen zur Verfügung. Viele dieser Geräte zeichnen eine Messgröße in Bezug zum Messort auf und sind je nach Ausstattung in der Lage, die Ergebnisse in einem Koordinatensystem darzustellen. Doch erst die Kombination verschiedener ZfPBau-Verfahren an einer Messfläche erlaubt den maximalen Informationsgewinn über die innere Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen. In dem Beitrag wird ein Bauwerkscanner zur automatisierten und kombinierten Datenaufnahme beschrieben, der erstmals die Kombination von Radar, Ultraschall und Wirbelstrom mit Datenausgabe in einem einheitlichen Koordinatensystem ermöglicht. Dieser Scanner ist im Gegensatz zu früheren Systemen technikerbasiert und erlaubt im Bedarfsfall eine spätere detaillierte Auswertung durch ZfP-Spezialisten. Die Ergebnisse werden bildgebend in frei wählbaren Schnitten dargestellt, was bereits kurze Zeit nach der Messung auf der Baustelle möglich ist. Am Beispiel eines Brückenträgers wird gezeigt, wie der tatsächliche Spanngliedverlauf aus Messdaten ermittelt wird und dem angenommenen Verlauf gemäß Bestandsplan gegenübergestellt wird. Damit kann künftig eine Überprüfung von Bestandsplänen durchgeführt werden. Darüber hinaus könnten nicht vorhandene Bestandspläne rekonstruiert werden. Des Weiteren wird am gleichen Brückenträger gezeigt, wie sich ein echter Verpressfehler und im Unterschied dazu ein Luftspalt in einem Hüllrohr in Messdaten abbilden. An dem Beispiel wird deutlich, wie Ultraschallergebnisse in Kombination mit Phasenauswertung zur Formulierung von Verdachtsstellen für Verpressfehler eingesetzt werden können und welche Maßnahmen zur Verifizierung getroffen werden müssen.
Die Entwicklung zerstörungsfreier Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau-Verfahren) hat in den letzten Jahren zu einer rasanten Leistungssteigerung geführt. Etliche Verfahren haben das Potenzial, in der Zukunft vom 'Stand der Wissenschaft' zum 'Stand der Technik' zu werden. Damit dies geschieht, muss möglichen Kunden vermittelt werden, welche Prüfaufgabe mit welchem Verfahren bearbeitet werden kann und wie zuverlässig die Ergebnisse sind. Um die Leistungsfähigkeit von ZfPBau-Verfahren nachzuweisen, ist eine genaue Kenntnis des wirklichen Bestands und der tatsächlichen Schäden erforderlich, um diese mit den Messergebnissen zu vergleichen und deren Güte zu bewerten. Mit dem Abriss der Spandauer- Damm-Brücke in Berlin ergab sich die Gelegenheit, zunächst eine großflächige Zustandsermittlung der Fahrbahnplatte bezüglich des Grads vorhandener Korrosionsschäden und des Verpresszustands von Spanngliedern vorzunehmen. Durch den vorgefundenen Zustand der Quervorspannung mit nachweislich vorhandenen Brüchen der Spanndrähte konnte an diesem Abrissbauwerk die Leistungsfähigkeit des Remanenzmagnetismusverfahrens zur Ortung von Spanndrahtbrüchen erstmals großflächig nachgewiesen werden, wobei auch der Vergleich der Untersuchungen mit und ohne Fahrbahnbelag durchgeführt wurde. Da der Anteil an vorhandenen Verpressfehlern nach großflächiger Auswertung sich als sehr gering herausstellte und an den ausgelösten Brückenteilen keine Verpressfehler vorhanden waren, wird in diesem Beitrag die Leistungsfähigkeit der Kombination von Radar und Ultraschall mit bildgebender Darstellung gezeigt. Damit wird es künftig möglich sein, Informationen zur Rekonstruktion nicht vorhandener Bestandspläne zu gewinnen.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen werden zunehmend für großflächige und detaillierte Zustandsuntersuchungen von Bauwerken angewendet. Für gezielte Untersuchungen von spanngliedführenden Bereichen mit einem Schadensverdacht in Spannbetonbauwerken eignen sich die Prüfverfahren Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar. Eine nennenswerte Verbesserung der Ergebnisse und deren Interpretation wurde in den letzten Jahren durch die weiterführende Datenauswertung mit Hilfe von 3D-Rekonstruktionsrechnungen und der Kombination von Meßdaten durch Datenfusion erreicht. Die Anwendung der Verfahren mit automatisierter Meßwerterfassung wird für Fahrbahnplatten und Hohlkastenstege dargestellt und diskutiert. Ergebnisse einer Meßunsicherheitsbetrachtung und deren Bedeutung werden an einer Fundamentplatte aufgezeigt.
Translated Abstract
Automated Non-Destructive Assessment of Bridges
Non-destructive test methods in civil engineering are increasingly used for large-area investigations of structures. The test methods ultrasonic-echo, impact-echo and radar are well suited for detailed investigations of pre-stressed areas at pt-concrete structures. A significant improvement of the results and their interpretations has been achieved in recent years using advanced data analysis procedures such as 3D-reconstructions and the fusion of data. The automated application of the methods has been carried out successfully at decks and webs of pre-stressed box girder bridges. The achieved results are discussed in detail. The measurement uncertainty and its importance for the results are presented considering as example a foundation slab.
Im Rahmen von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufene Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ ist der Fokus auf die Entwicklung von neuen Regelwerken und Zertifizierungsworkflows ausgerichtet. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen, wenn aktuelle Prozess- und Parameterdaten
zuverlässig zur Verfügung gestellt werden sollen. In dem Use Case Wasserstofftankstelle werden digitale Abbilder erprobt, die u.a. der Kalibrierung von Sensoren, dem Nachweis über die Wasserstoffreinheit und der vorausschauenden Wartung dienen sollen.
Großenteils der verfahrenstechnischen Bestandsanlagen, die sogenannten Brownfield-Anlagen, sind nach einem konservativen und hierarchischen Automatisierungskonzept ausgelegt. Hierbei können sämtliche Prozessdaten,
besonders aus der Feldebene, einer oberen informationstechnische Ebene
unzugänglich bleiben. Eine Brückentechnologie nach der NAMUR Open Architecture (NOA) soll möglichst viele Informationen und Daten aus der vorgegebenen Brownfield-Automatisierung sicher und rückwirkungsfrei zur
Verfügung stellen. Zusätzliche Sensorik soll ebenso zu der Datenerweiterung beitragen und letztendlich den digitalen Zwilling, bzw. das digitale Abbild des verfahrenstechnischen Prozesses, ergänzen.
Die Herausforderungen einer solchen Infrastruktur gelten vor allem einer universellen
Kommunikationsschnittstelle und der Sicherheit. Darüber hinaus werden vorgeschlagene Normen und Empfehlungen untersucht und erprobt.
Derzeit finden gravierende Veränderungen im Umfeld der Informations- und Kommunikationstechnik statt, die eine große Chance für die optimierte Prozessführung und Wertschöpfung mit darauf abgestimmten vernetzt kommunizierenden Sensoren bieten. Diese Art „smarte“ Sensoren stellen Dienste innerhalb eines Netzwerks bereit und nutzen Informationen daraus. Dieses ist die Voraussetzung für die Realisierung von Cyber Physical Systems (CPS) innerhalb zukünftiger Automatisierungskonzepte für die Prozessindustrie, wie sie auch durch das Zukunftsprojekt „Industrie 4.0“ adressiert werden. Smarte Prozess-Sensoren ermöglichen neue Geschäftsmodelle für Anwender, Gerätehersteller, Dienstleister.
Die auf der NAMUR HS 2015 vorgestellte Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 4.0“ zeigt die nötigen Anforderungen an Prozess-Sensoren sowie an deren Kommunikations-fähigkeiten auf.
Eine Topologie für smarte Sensoren, das Zusammenwirken mit daten- und modellbasierte Steuerungen bis hin zur Softsensorik sowie weitere Anforderungen an Sensoren sind heute noch nicht angemessen beschrieben. Wir müssen jetzt schnell die Weichen für eine smarte und sichere Kommunikationsarchitektur stellen, um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren auf Basis eines einheitlichen Protokolls zu kommen, welches alle Sensoren ausgeben und verstehen.
Prozess-Sensoren 4.0 vereinfachen ihre Einbindung über Plug and Play, obwohl sie komplexer werden. Sie bieten Selbstdiagnose, Selbstkalibrierung und erleichterte Parametrierung. Über die Konnektivität ermöglichen die Prozess-Sensoren den Austausch ihrer Informationen als Cyber-physische Systeme mit anderen Prozess-Sensoren und im Netzwerk. Der Aufbruch von der aktuellen Automation zum smarten Sensor hat bereits begonnen. Automatisierungstechnik und Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verschmelzen zunehmend. Wenn die Prozessindustrie dieses nicht definiert, tun es andere.
Für die weitere Entwicklung von der Ist‐Situation zu einer Industrie-4.0-Welt in der Prozessindustrie werden mehrere Szenarien diskutiert. Diese reichen vom erleichterten Abruf sensorbezogener Daten über zusätzliche Kommunikationskanäle zwischen Sensor und mobilen Endgeräten über vollständig bidirektionale Kommunikation bis hin zur Einbindung der Cloud und des Internets in virtualisierte Umgebungen.
Um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren untereinander zu kommen, muss mindestens ein einheitliches Protokoll her, das alle Sensoren sprechen und verstehen. Der derzeit greifbarste offengelegte Standard, der moderne Kommunikationsanforderungen erfüllt, ist OPC Unified Architecture (OPC-UA). Viele halten das Sortieren der Kommunikationsstandards für eines der wesentlichen Errungenschaften von Industrie 4.0.
Eine Topologie für smarte Sensoren, das Zusammenwirken mit daten- und modellbasierte Steuerungen bis hin zur Softsensorik sowie weitere Anforderungen an Sensoren sind jedoch heute noch nicht angemessen beschrieben. Wir müssen jetzt schnell die Weichen für eine smarte und sichere Kommunikationsarchitektur stellen, um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren auf Basis eines einheitlichen Protokolls zu kommen, welches alle Sensoren ausgeben und verstehen.
Aktuelle und zukünftige öffentliche Förderung von Industrie 4.0-Projekten sind eine gute Investition. Wegen der hohen Komplexität und Interdisziplinarität gelingt die Umsetzung nur gemeinsam zwischen Anwendern aus der Prozessindustrie, Software- und Geräteherstellern und Forschungsgruppen. Anwender sind gefragt, diese neue Technologie durch eine beschleunigte Validierung und Akzeptanz umzusetzen. Sie erhalten die einzigartige Chance, ihre Prozesse und Anlagen wettbewerbsfähig zu halten. Kooperativ betriebenen F&E-Zentren und gemeinsam anerkannten Applikationslaboren kommt dafür eine hohe Bedeutung zu.
Automatisierungstechnik, sowie die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verschmelzen zunehmend. In der Prozessindustrie tut man sich aber schwer, die heu-te schon möglichen daten- oder modellbasierten Steuerungen auf Basis smarter Sen-soren und Aktoren einzusetzen oder allein Anforderungen daran vorzugeben. Viele aktuelle Entwicklungen der Zulieferer werden verwehrt und man wartet lieber ab.
Es bilden sich schon jetzt rasant schnell neue digitale Geschäftsmodelle in der Pro-zessindustrie, wie es schon mit der zunehmenden Verbreitung des Internets beobach-tet werden konnte. Wenn die Automatisierer und Anlagenspezialisten jetzt nicht ge-stalten, tun es andere.
Früher war es umgekehrt: Informations- und Kommunikationstechnik für Profis konn-ten sich nur die Großkonzerne leisten. Die Technologie vom Personalcomputer bis zum Smart-Gerät und ihre Peripherie wurden und werden ausschließlich durch den Massenmarkt vorangetrieben. Also müssen wir umdenken und Wege finden, die rasch voranschreitende Informations- und Kommunikationstechnik geschickt für die Digitalisierung umbiegen.
Der Beitrag erörtert aktuelle Diskussionen über netzartige Verbindungen der Feldge-räte (Sensoren und Aktoren) untereinander und zur Cloud sowie über virtuelle Server-verbünde und Applikationen, die auf Cloud-Diensten basieren. Mit einem solchen System ist die Einrichtung beliebiger Dienstleistungen und Funktionen auf der Basis der jeweils gängigen Methoden und Technologie des Internets möglich. Beispiele für Dienstleistungen sind beispielsweise auf prozessanalytische oder Sensordaten auf-bauende Instandhaltungsdienste oder Energiedienste für Anlagen.
Die BAM setzt in ihren analytischen Labors zunehmend Labor-Robotik ein, um gefähliche oder zeitraubende Routineaufgaben zu automatisieren. Durch Automation kann auch die Reproduzierbarkeit solcher Anwendungen erhöht werden.
Im Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus den Analytiklabors diskutiert, wie z. B. die Anwendung für die Herstellung und RFA-Analytik von Gläsern, eine Feinwäge-Robotik für 10-L-Gaszylinder im Rahmen der Herstellung von Primärnormalen oder die Automatisierung von Probenpräsentationen für optische Spektroskopie und chemical Imaging. Auch wird kurz auf den Einsatz von Speicherprogrammierbaren Steuerungen in der modularen Laborautomation und die Virtualisierung von analytischen Laborrechnern eingengangen.
Robotergeführte Ultraschallprüfung von Gasturbinenschaufeln mit adaptiver TFM im ZfP 4.0-Umfeld
(2022)
Leit- und Laufschaufeln stationärer Gasturbinen sind im Betrieb anspruchsvollen Bedingungen ausgesetzt. Die Prüfung, Wartung und Reparatur der hochbelasteten Teile sind notwendig, um Sicherheit und Effizienz über längere Zeiträume zu gewährleisten. Eine der in diesem Prozess angewandten Methoden ist die Ultraschallprüfung.
Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung ist es das Ziel des Projektes MRO 2.0, den Aufbereitungsvorgang um digitale Prozesse zu erweitern und somit zu modernisieren. Eine der Aufgaben ist es, dabei anstelle der konventionellen Ultraschallprüfung eine Array-Technik mit rekonstruierenden Verfahren einzusetzen und eine automatisierte, digital eingebundene Methode im Rahmen von ZfP 4.0 zu entwickeln.
Um die Ist-Geometrie der Oberfläche und die verbleibende Wanddicke flächendeckend an den Turbinenschaufeln zu bestimmen, wird ein adaptives TFM Verfahren (Total Focusing Method) in Tauchtechnik eingesetzt, welches die Brechung der Schallwellen an der Grenzfläche zum Prüfkörper in der Rekonstruktion berücksichtigt. In der hierfür entwickelten Prüfanlage führt ein Roboterarm einen Array-Prüfkopf und scannt das Bauteil normal zur inspizierten Oberfläche. Somit kann ein 3D-Modell des Ist Zustandes des zu prüfenden Bauteils erstellt werden.
Spezielle Herausforderungen an die Aufgabe stellen die komplexe Geometrie des Prüfobjektes sowie dessen geringe und ortsabhängige Wanddicke dar. Ein weiterer Fokus liegt auf der Optimierung der Prüfparameter, Verbesserung der Prüfgeschwindigkeit sowie der Zuverlässigkeit der Methode.
In diesem Beitrag werden die während des Projektes entwickelte Methode und die im zweiten Projektjahr erarbeiteten Ergebnisse vorgestellt, mit dem Schwerpunkt auf die entwickelten Rekonstruktionsalgorithmen und den Versuchsaufbau.