Um für den hohen Automatisierungsgrad zu sorgen, nach dem die heutigen industriellen Anwendungen verlangen, müssen die Anlagen nicht nur effizienter, intelligenter, kontextbewusster und stärker vernetzt, sondern auch robuster sein und den Menschen, die mit ihnen umgehen, mehr Sicherheit bieten.

  1. Vorteile vorausschauender Instandhaltung

Eckdaten

Angebracht an Maschinen können Sensoren verschiedene Messwerte wie Vibration, Schall oder Temperatur erfassen. Kombiniert mit einem Mikrocontroller spricht man von einem Sensorknoten. Entsprechende Systeme analysieren die gesammelten Daten und geben einen Rückschluss auf den Zustand der Maschine.

Jeder Fabrikbetreiber möchte, dass seine Anlagen mit optimaler Geschwindigkeit und möglichst wenig Stillstandszeiten arbeiten. Bekanntermaßen unterliegen jedoch alle Maschinen mit beweglichen Teilen einem gewissen Verschleiß und kommen nicht ohne Wartung und Reparatur aus.

Eine Möglichkeit besteht nun darin, Instandhaltungsmaßnahmen in festen Intervallen, also ohne Rücksicht auf den tatsächlichen Zustand der jeweiligen Anlage einzuplanen. Dieser Ansatz bietet zwar Planungssicherheit, birgt aber die Gefahr, dass die Instandhaltung entweder zu spät erfolgt, um Schäden an der Anlage oder gefährliche Vorkommnisse zu vermeiden, oder aber zu früh, ohne dass sie eigentlich notwendig wäre.

Sinnvoller ist stattdessen die zustandsbasierte Instandhaltung. Dabei erfolgen Instandhaltungsmaßnahmen anhand des tatsächlichen Zustands einer Maschine – also nur bei echtem Bedarf und bevor es zu einem Ausfall kommt. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass der Verzicht auf Instandhaltung häufig riskant ist, solange eine Maschine keine Anzeichen für einen bevorstehenden Ausfall aufweist. Das kann allerdings dazu führen, dass es zu sehr ungünstigen Zeiten zu einer Produktionsunterbrechung kommt.

Bild 1: Verschleißkurve eines Elektromotors mit den entsprechenden Signalen (links) sowie Frequenzspektrum des Vibrationssignals mit den jeweiligen Fehlerursachen (rechts).

Bild 1: Verschleißkurve eines Elektromotors mit den entsprechenden Signalen (links) sowie Frequenzspektrum des Vibrationssignals mit den jeweiligen Fehlerursachen (rechts). STMicroelectronics

Besser ist dagegen die vorausschauende Instandhaltung, die einen etwaigen Instandhaltungsbedarf weit im Voraus erkennt. Sie kombiniert die Zustandsüberwachung mit einem dynamischen, vorausschauenden Modell der Ausfallarten. Dieses Verfahren verspricht einen maximalen Schutz für die Maschinen bei minimaler Beeinträchtigung der Produktivität, ohne die Komplexität des Gesamtsystems unnötig zu erhöhen.

Laut einer McKinsey-Studie kann die vorausschauende Instandhaltung die Stillstandszeiten in Fabriken um bis zu 50 Prozent verringern und die Kosten zur Instandhaltung der Anlagen um 10 bis 40 Prozent reduzieren.

Die vorausschauende Instandhaltung stützt sich auf die Zustandsüberwachung durch Messung und Analyse physikalischer Phänomene wie Schall, Temperatur oder Vibration sowie auf visuelle Inspektion. Da Vibrationen das häufigste Symptom für Unwuchten, Einstellungsfehler und andere Anomalien sind, beruht die vorausschauende Instandhaltung oftmals auf Vibrationsanalysen an rotierenden Maschinen wie etwa Motoren, Pumpen, Spindeln, Förderanlagen, Produktionsmaschinen und Lüftern.

Normalerweise verschlechtert sich der Zustand einer Maschine im Lauf der Zeit, was sich durch eine allmähliche Veränderung der gemessenen Werte äußert. Bild 1 verdeutlicht, wie sich der zunehmende Verschleiß eines Motors an verschiedenen Arten von Signalen sichtbar macht. Im Prinzip gilt: je früher sich ein Defekt aufdecken lässt, umso geringer sind die Instandhaltungskosten und umso weniger Produktionszeit geht potenziell verloren.

Bis vor kurzem konnten fast ausschließlich diskrete, tragbare Sonden, die auf piezoelektrischen und ultraschallbasierten Sensorprinzipien basierten, Fehlerindizien wie Vibration und Schallemissionen erfassen. Leider sind Diagnoseausrüstungen auf der Basis dieser Techniken nicht nur relativ komplex und kostspielig, sondern auch mit Einschränkungen bezüglich Reproduzierbarkeit, Datenmanagement und Auswertung behaftet.

Bild 2: Allgemeine Architektur eines vorausschauenden Instandhaltungssystems und Einbindung in eine ERP-Struktur.

Bild 2: Allgemeine Architektur eines vorausschauenden Instandhaltungssystems und Einbindung in eine ERP-Struktur. STMicroelectronics

Neueste Elektronik und fortschrittliche Algorithmen machen inzwischen ein neues Konzept möglich. Mittlerweile lassen sich kleine, wenig Strom verbrauchende Sensoren direkt an den Maschinen anbringen. Dort überwachen sie verschiedene Größen, bereiten die erfassten Signaldaten auf und übertragen die resultierenden Daten an Analyse- und Kontrolleinrichtungen, die sich vor Ort, in großer Entfernung oder in der Cloud befinden können. Diese kompakten und intelligenten Sensorknoten bestehen aus den eigentlichen Sensoren sowie einem Mikrocontroller, Power-Management-Schaltungen und drahtloser oder leitungsgebundener Konnektivität und bieten zahlreiche Vorteile gegenüber traditionellem Zustandsüberwachungs-Equipment:

  • Kostensenkung: Intelligente, autonom operierende Sensorknoten kosten deutlich weniger als portable piezoelektrische Sonden und deren geschulte Techniker.
  • Reproduzierbare, zuverlässige und zeitnahe Daten: Messung und Analyse erfolgen im laufenden Betrieb und nicht nach starren Instandhaltungsplänen, die frühzeitige oder kritische Fehlersymptome übersehen können.
  • Fähigkeit zum Anstoßen umgehender lokaler Aktionen: Intelligente Algorithmen können die Daten vor Ort, also direkt im Knoten analysieren und Sofortmaßnahmen auslösen, um die Anlagen zu schützen und die Sicherheit des Personals zu gewährleisten.
  • Anpassung der Überwachungsparameter im Lauf der Zeit: Der Sensorknoten lässt sich so konfigurieren, dass sie zunehmenden Toleranzen alternder Anlagen berücksichtigen.

Abgesehen von den lokalen Vorteilen, die Sensorknoten für einzelne Maschinen bieten, ist auch die Verwendung in Cloud-Netzwerken möglich, um größere Datenmengen für fundierte vorausschauende Instandhaltungs-Analysen zu erfassen.

Welche Architekturen und Techniken sich am besten für die vorausschauende Instandhaltung eignen, lesen Sie auf Seite 2.

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