Mit Condition Monitoring wissen, was wann passiert

Mit Condition Monitoring ist der Einsatz von Überwachungstechnik in der Industrieproduktion gemeint, mit Hilfe derer sich Maschinen und Anlagen kontrollieren, Fehler frühzeitig identifizieren und Produktionsausfälle verhindern lassen. Sensoren überwachen einzelne Maschinenparameter wie Schwingungen und Temperatur und melden das Ergebnis an eine Auswerteeinheit. So lassen sich Maschinen schnell stoppen und Fehler können im Idealfall sogar schon vor Auftreten des Problems erkannt und behoben werden. Condition Monitoring kommt vor allem in der Prozesstechnik, an rotierenden Anlagen, Notsystemen und Maschinen wie Kompressoren, Pumpen, Elektromotoren, Verbrennungsmotoren und Pressen zum Einsatz.

Prädiktive, also vorausschauende Instandhaltung (englisch: predictive maintenance) gilt als eine der Schlüsselinnovationen der Industrie 4.0. Sie ist die Weiterentwicklung der vorbeugenden Instandhaltung, die zustandsbezogen ist und den Zweck verfolgt, Maschinen durch regelmäßige Wartung in gutem Betriebszustand zu halten und so Ausfällen vorzubeugen. Das Konzept der Predictive Maintenance geht weit darüber hinaus und zielt darauf ab, Wartungen nur dann durchzuführen, wenn sie tatsächlich notwendig sind. Dafür nutzt sie in erster Linie digitale Systeme zur Zustandsüberwachung von Maschinen (Condition Monitoring) und erstellt mit den gewonnenen Daten Prognosen zu Verschleiß und Schäden. Als vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen versteht man alle Handlungen, die abhängig von einer solchen Vorhersage eingeleitet werden. Sie sind in der DIN EN 13306 geregelt.

Neben der Erfassung, Digitalisierung und Übermittlung von Daten stehen dabei auch die Speicherung, Analyse und Bewertung sowie die Prognoseberechnung für bestimmte Fehlerereignisse im Vordergrund. Dafür benötigt man entsprechende Sensoren, Echtzeit-Analysetechnik und spezielle Datenbanken für eine schnelle Zugriffsgeschwindigkeit und die genaue Auswertung der Daten.

Alle Aktivitäten von Condition Monitoring und Predictive Maintenance dienen letztendlich der Kostenoptimierung und Gewinnmaximierung eines Unternehmens. Eine vom McKinsey Global Institute durchgeführte Studie zum Thema IoT zeigt, dass sich die Stillstandszeiten um bis zu 50 % und Instandhaltungskosten bis zu 40 % reduzieren lassen. Dies entspricht einem Einsparungspotenzial von bis zu 630 Milliarden US-Dollar.

Vorteile von Predictive Maintenance und Condition Monitoring:

• Präzise Vorausplanung der Instandhaltungsaktivitäten
• Verringerung des Reparaturaufwandes
• Vermeidung unerwarteter Ausfälle von Produktionsanlagen
• Verringerung der Stillstandszeiten
• Erhöhung der Lebensdauer von Anlagen
• Optimierung des Ersatzteilmanagements
• Effizienteres Personalmanagement
• Höhere Anlagensicherheit
• Minimierung von Unfällen

Mit Sensoren kann man Bauteile und Maschinen auf vielfältige Weise überwachen und so Probleme und Fehlerquellen frühzeitig identifizieren. Zu den wichtigsten Funktionsweisen gehören:

• Schwingungserfassung an Antrieben (vibration analysis and diagnostics): Mit Schwingungssensoren können Achsen und Lager an rotierenden Maschinen überwacht werden.
• Erfassen von Partikeln in Hydraulikflüssigkeiten (lubricant analysis): Die Zusammensetzung von Schmierstoffen lässt sich mit einem elektronischen Mikroskop scannen. Dadurch kann man das reibungslose Funktionieren von Maschinen sicherstellen oder auch einen rechtzeitigen Materialaustausch einleiten.
• Infrarot Wärmeüberwachung (infrared thermography): Übermäßige Hitzeentwicklung kann Anzeichen für Fehlfunktionen von Bauteilen, speziell elektrischen Leitungen und Kontakten, sein. Mit Infrarot- oder Thermosensoren lassen sich Abweichungen bei der Wärmeentstehung feststellen.
• Akustische Überwachung (ultrasound & acoustic emission): Digitale Ultraschallgeräte können Hochfrequenzsignale an Lagern messen und als akustisches Signal auswerten. Damit lassen sich Reibungen und Defekte an Bewegungslagern prognostizieren, was besonders bei mechanischen Hochgeschwindigkeitsanwendungen und bei Hochdruckflüssigkeiten essenziell ist.
• Ölzustandsüberwachung (oil condition sensors): Mittels Sensoren erfolgt die spektrografische Analyse der Ölzusammensetzung, um kritische Verschmutzungen zu identifizieren. Je nach Art der kontaminierenden Partikel kann man sogar auf die Ursachen schließen und entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten.

Ein effizientes Condition Monitoring setzt die Überwachung von Maschinen und deren verschiedener physikalischer Komponenten mittels Sensoren voraus, darunter Beispiel Vibrations-, Druck-, Hall-Effekt-Sensoren sowie Infrarotkameras und Temperaturmessfühler.

Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Im Folgenden listen wir einige typische Beispiele auf:

Gabelstapler und Spritzgießmaschinen: Sensoren kontrollieren die chemische Zusammensetzung des Hydrauliköls.

Zentrifugen: Sensoren überwachen Vibration, Drehzahl und Geschwindigkeit der Rotationsachse, um bei Abweichungen mögliche Fehlfunktionen zu melden.

Verpackungsmaschinen: Das Condition Monitoring überprüft mittels Druck- und Durchflusssensoren den Luftverbrauch, den Betriebsdruck und die Funktion der Achsen des servopneumatischen Antriebssystems.

Kolbenkompressoren: Beschleunigungs- und Wegsensoren messen absolute Schwingungen an Kreuz- und Zylinderkopf und den Materialverschleiß, zum Beispiel am Tragring.

Kühlaggregate: Temperatursensoren für flüssige oder gasförmige Medien liefern Messwerte zur Regelung der Temperatur im Kühlkreislauf.

Mit Condition Monitoring Systemen (CMS-Systemen) lassen sich Maschinendaten nicht nur auswerten, sondern danach zentral sammeln, harmonisieren und auf einem beliebigen Endgerät abrufen. So kann ein Unternehmen seinen Mitarbeitern bedarfsspezifische Daten über den Status einzelner Maschinen (Instandhaltung), Informationen zum gesamten Fertigungsprozess (Prozessmanagement) oder Auswertungen zu Fehlerursachen und Schadensstatistiken (Qualitätsmanagement) zur Verfügung stellen. Über die Maschinendaten hinaus kann man auch Gebäudemanagement miteinbeziehen und zum Beispiel Temperaturen in Produktionsräumen oder den Zustand von Sicherheitstüren überwachen und den gesamten Produktionsprozess systematisch optimieren.

In welchem Umfang Condition Monitoring eingesetzt werden sollte, damit sich ein Upgrade auch lohnt, hängt davon ab, was ein Unternehmen mit den in Echtzeit generierten Daten anfangen möchte. Eine vollumfängliche elektronische Kontrolle von Maschinen und Anlagen bis hin zu Gebäudetechnik ist kostspielig und dürfte sich nur für Industriegiganten rechnen. Kleine und mittelgroße Unternehmen sollten dennoch nicht auf Condition Monitoring verzichten, sondern in einem für sie angemessenem Rahmen implementieren, um dadurch zukunfts- und wettbewerbsfähig zu bleiben. Um zu bewerten, welche Maschinen oder Bauteile Überwachung benötigen, teilt man diese in verschiedene Klassen ein. Abhängig von Zweck, Stillstandszeiten und -auswirkungen, Reparaturaufwand, Verfügbarkeit der Ersatzteile, allgemeinem Zustand und Sicherheitsaspekten priorisiert man sie hinsichtlich ihrer Wichtigkeit für den Produktionsprozess und legt die Kontrollintensität fest. Auf diese Weise erarbeitet man eine individuelle, kosteneffiziente Instandhaltungsstrategie.

• Kritische Bestandteile: Maschinen, die unersetzlich für den Produktionsprozess sind, sollten ständig und vorausschauend überwacht werden.
• Essenzielle Bestandteile: Wichtige Maschinen, ohne die der Produktionsprozess aber dennoch am Laufen gehalten werden kann, können zustandsbezogen überwacht werden.
• Generelle Bestandteile: Bei Maschinen und Bauteilen, die allgemein gebräuchlich sind und sich einfach ersetzen oder reparieren lassen, reicht eine manuelle Wartung nach Zeitplan.

Eine immer größere Rolle werden zukünftig sogenannte Remote Services der Hersteller spielen. Mit ständig komplexer werdenden Anlagen steigt auch das spezifische Wissen bei deren Fehlerbehebung. Mit speziellen Applikationen können die Hersteller die vom Überwachungssystem festgestellten Fehler direkt auswerten und ggf. automatisch und aus der Ferne lösen. Dies reduziert den Überwachungsaufwand zusätzlich, setzt jedoch Fernzugriff Dritter auf sensible Daten voraus. Um diese vor unberechtigtem Zugriff zu schützen, sind zusätzliche IT-Sicherheitsmaßnahmen ein Muss.

Ob sich die Umsetzung für ein Unternehmen im Einzelfall tatsächlich lohnt, hängt dann vor allem von den sicherheitstechnischen Möglichkeiten ab.

OEE oder Overall Equipment Effectiveness, auf Deutsch: Gesamtanlageneffektivität, ist eine vom Japan Institute of Plant Maintenance implementierte Kennzahl. Diese misst die Wertschöpfung einer Produktionsanlage und berücksichtigt dabei die häufigsten Produktivitätsprobleme wie Stillstandsverluste, Leistungsverluste und Qualitätsverluste. Die Berechnung der OEE, sowie deren Überwachung und Verbesserung ist Teilbereich des Condition Monitoring und eng mit dem Controlling verwandt. Mit ihrer Hilfe lassen sich auf Gesamtunternehmensebene relevante Kostenaspekte wie Produktivität, Rentabilität und Gesamteffektivität unter Berücksichtigung des gesamten Fertigungsprozesses bewerten und vergleichbar machen. Der OEE-Wert liegt zwischen 0 und 1 bzw. 0 % und 100 %.

OEE Berechnung

Der OEE ist das prozentuale Maß für die Wertschöpfung einer Produktionsanlage. Sie wird wie folgt berechnet:

Nutzungsgrad x Effizienzgrad x Qualitätsgrad = OEE

• Nutzungsgrad = Betriebsdauer / geplante Produktionszeit
• Effizienzgrad = Produktionsmenge / geplante Produktionsmenge
• Qualitätsgrad = einwandfreie Produkte / Produktionsmenge