17.05.2019

Instandhaltungsstrategien vorgestellt: Condition Monitoring

Instandhaltung findet traditionell im Spannungsfeld zwischen hoher Anlagenverfügbarkeit und möglichst geringen Kosten statt. Instandhaltung soll so einerseits absichern, dass ungeplante Stillstände (Störungen) an Maschinen und Anlagen gänzlich vermieden und geplante Unterbrechungen auf ein Minimum reduziert werden. Nicht zuletzt deshalb, da im Zuge der Lean-Aktivitäten vieler Unternehmen Losgrößen und Lagerbestände erheblich reduziert wurden. Längere ungeplante Produktionsunterbrechungen beeinflussen so sehr schnell die Lieferfähigkeit. Andererseits trägt die Instandhaltung an sich nichts zur Wertschöpfung im Unternehmen bei. Stattdessen verursacht sie Kosten, die nach betriebswirtschaftlichem Kalkül auf ein Minimum zu begrenzen sind. Im vierten Teil der Serie stellen wir Ihnen das Condition Monitoring vor.

Condition Monitoring

Das Problem: Maschinenausfall aufgrund unerkannten Verschleißes

Das ist wohl jedem Instandhalter bekannt: Scheinbar urplötzlich und ohne Vorwarnung fällt eine Anlagenkomponente aufgrund von Verschleiß aus und sorgt für einen ungeplanten Maschinenstillstand. In der Regel reagieren Instandhaltungsabteilungen darauf mit drei Ansätzen.

  • Sie akzeptieren den Anlagenausfall und bestellen nach dessen Eintreten die benötigten Ersatzteile.
  • Sie haben sich für diesen Fall gerüstet und die benötigten Ersatzteile auf Lager.
  • Um den potenziellen Ausfall vorab zu erkennen, werden die üblichen Wartungs- und Reinigungsarbeiten um Maßnahmen der Inspektion erweitert.

Jeder der drei Ansätze hat seine Berechtigung, dennoch können sie alle drei nicht vollständig befriedigen. Der erste Ansatz spielt mit dem Risiko langer Lieferzeiten. Das mag nicht weiter kritisch sein, solange das Unternehmen die Maschine für ein paar Tage entbehren kann. Handelt es sich jedoch um eine Anlage, die kontinuierlich für die Produktion benötigt wird, könnten die Konsequenzen des Ausfalls erheblich sein und schnell zum Verlust der eigenen Lieferfähigkeit führen.

Der zweite Ansatz versucht, dieses Risiko durch Lagerbestände von Ersatzteilen zu minimieren. Doch was ist, wenn die Maschine eben nicht ausfällt, also die Lagerbestände ungenutzt bleiben und gebundenes Kapital darstellen?

Der dritte Ansatz – Inspektion, in der Hoffnung, verschlissene Bauteile rechtzeitig zu erkennen – versucht, die Brücke zwischen den anderen beiden zu schlagen. Er geht von der Konstellation aus, dass der verbleibende Abnutzungsvorrat genügt, um zwischen dem Erkennen des potenziellen Ausfalls und dem Eintreffen des bestellten Ersatzteils einen Maschinenausfall zu vermeiden. Doch wo setzt man mit solchen Inspektionen an? Und wie viel Arbeitszeit ist das Unternehmen dafür bereit, zu investieren?

Ein vierter Ansatz

Das Condition Monitoring (auch als Zustandsüberwachung bzw. zustandsabhängige Instandhaltung bezeichnet) offeriert einen vierten Ansatz. Er geht davon aus, dass viele Maschinenausfälle aufgrund von Komponentenverschleiß sich vorab ankündigen und die Maschine entsprechende Signale sendet.

Condition Monitoring
Abb. 1: Typische Lebensdauerkurve eines Verschleißteils

Wie aus der Grafik ersichtlich, verfügt jedes Verschleißteil zu Beginn seines Lebenszyklus über einen bestimmten Abnutzungsvorrat, vergleichbar mit neuen Pkw-Reifen. Während des Betriebs nutzt sich das Bauelement Stück für Stück ab. An einem bestimmten Punkt ist der Abnutzungsvorrat soweit geschrumpft, dass er als Beginn einer Störung definiert werden kann. Allerdings ist dieser Moment in der Regel meist noch nicht wahrnehmbar. Das beginnt erst später, da die Störung zu Änderungen in den physikalischen Größen des Bauteils führt. Etwas später wird dann die Schadensgrenze überschritten und es kommt zum Ausfall. Gelingt es nun, durch die Messung physikalischer Größen mittels geeigneter Sensorik den Schaden vor seinem Eintritt sichtbar zu machen, kann das benötigte Ersatzteil rechtzeitig bestellt und ein ungeplanter Ausfall vermieden werden.

Genau dort setzt das Condition Monitoring an und überwacht ausgewählte physikalische Kennwerte der Komponente. Solche Größen könnten u.a. sein:

  • Überhitzung bzw. thermische Entwicklung
  • zunehmende Vibrationen
  • verlängerte Laufzeiten
  • erhöhte Energieverbräuche
  • Abrieb von Partikeln
  • veränderte Position oder Lage
  • veränderte geometrische Größen

Hinweis für die Elektrofachkraft

Diese Kenngrößen finden sich ebenso bei elektrischen Komponenten. So führt die Abnutzung von mechanischen Lagern in Elektromotoren zu erhöhten Anlaufströmen. Der Abbrand der Kontakte von Relais und Schützen wird durch einen erhöhten Übergangswiderstand erfassbar, und der Verschleiß von elektromechanischen Bauelementen lässt sich über die Veränderungen der Schalt- bzw. Prellzeit erfassen.

Das Condition Monitoring versucht nun mit entsprechenden Sensoren sowie einer geeigneten Auswertelogik diese veränderten physikalischen Signale erkennbar zu machen. Dafür existiert eine Vielzahl von Analyseverfahren, von denen einige in nachfolgender Tabelle aufgelistet sind.

Verfahren Dynamik Prinzip Interaktionsraum
Bewehrungsortung (induktiv) statisch magnetisch Volumen
Bewehrungsortung (kapazitiv) statsich elektrisch Volumen
Durchstrahlungsprüfung dynamisch elektromagnetisch Volumen
Feuchtemessung (kapazitiv) statisch elektrisch Oberfläche
Feuchtemessung (resistiv) statisch elektrisch Oberfläche
Impakt-Echo-Verfahren dynamisch mechanisch Volumen
Akustische Resonanzanalyse dynamisch mechanisch Volumen
Vibrationsprüfung dynamisch mechanisch System
Potenzialfeldmessung statisch elektrochemisch Volumen

Die Ergebnisse dieser und weiterer nicht aufgeführter Verfahren können im Weiteren programmlogisch ausgewertet und über Instandhaltungsmanagementsysteme bzw. das Manufacturing Execution System (MES) angezeigt werden.

Beispiele für Condition-Monitoring-Lösungen aus dem elektrotechnischen Umfeld

Beispiel 1: Rechtzeitig zur richtigen Pumpe

In der Regel verfügen die im Bergbau eingesetzten Förderanlagen über eine Vielzahl von unterschiedlichen Pumpen. Diese Pumpen verschleißen mit der Zeit und sind deshalb zu ersetzen. Doch häufig haben diese Pumpen ganz unterschiedliche Kennwerte und werden aus diesem Grund kundenindividuell gefertigt mit der Konsequenz entsprechend langer Lieferzeiten. Den Betreibern der Bergbaumaschinen bleiben damit nur wenige und noch dazu unbefriedigende Optionen:

  1. Bestellung und Lagerung von Ersatzpumpen mit dem Nachteil eines sehr hohen Ersatzteilbestands
  2. Austausch nach vorab definierten und häufig auf Erfahrungen basierenden Wartungsintervallen mit dem Nachteil, dass die Pumpe ausgewechselt wird, obwohl sie noch gut und gern ein paar Monate zuverlässig gearbeitet hätte
  3. Bestellung der Pumpen nach tatsächlichem Ausfall mit dem Nachteil, dass so die entsprechenden Betriebsmittel für Wochen oder gar Monate ausfallen
Condition Monitoring
Abb. 2: Im Bergbau wird eine Vielzahl von Pumpen eingesetzt.

Abhilfe verspricht hier beispielsweise die Lösung eines Pumpenherstellers, der seine Pumpen mit eigener Intelligenz und einstellbarer IP-Adresse ausstattet. So sendet die Pumpe zyklisch oder auch kontinuierlich ihre aktuellen Parameter an den Betreiber und gestattet so, einen schleichenden Leistungsverlust sichtbar zu machen. Überschreitet die Pumpe bestimmte Werte (Überhitzung, zu hohe Energieaufnahme, Schwingungen …), kann jetzt Ersatz bestellt werden, ohne dass die aktuell im Einsatz befindliche Pumpe bereits ausgefallen ist.

Die zukünftige Datenanalyse wird zeigen, welche Parameter mit welchen Grenzwerten definiert werden müssen, um die Ersatzpumpe innerhalb der Restnutzungsdauer unproblematisch nachzufertigen und auszuliefern. Weiterhin ermöglicht diese Lösung in Zusammenarbeit mit dem Hersteller die zielgerichtete und auf den jeweiligen Anwendungsfall orientierte Optimierung der Pumpen. Der Einsatz von anderen Materialien oder anderen Fertigungstechnologien ist dabei ebenso denkbar, wie die Anwendung völlig neuer Konstruktionen (vgl. Andreas Syska 2016).

Beispiel 2: Überwachung von Schleifringen und Strombürsten

Schleifringe und Strombürsten sind elektrische Bauteile, die die Strom- und Datenverbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen und den rotierenden Magnetwicklungen in elektrischen Maschinen gewährleisten. Bedingt durch die Bauart und permanente dynamische Belastung sind sie einem hohen Verschleiß ausgesetzt.

Im Zuge einer konventionellen Instandhaltung werden diese Schleifringe und Bürsten periodisch und präventiv ausgetauscht. Als wichtigste Kriterien dafür gelten der vom Hersteller empfohlenen Wartungszyklen, Erfahrungswerte und die Ergebnisse einer vorhergehenden Inspektion. Das verursacht die bereits im vorhergehenden Beispiel beschriebenen Probleme: Einerseits eine hohe Lagerhaltung an Ersatzteilen und andererseits häufig ein Nichtausnutzen der Restlebensdauer.

Abhilfe kann eine integrierte Intelligenz im Schleifringgehäuse schaffen. Diese überwacht jeden Ring und jede Bürste separat. Dabei werden die Übergangswiderstände zwischen beiden permanent aufgezeichnet. Wird nun im Schleifring oder an der Bürste ein Verschleiß sichtbar (raue Oberfläche, Rillen, Unebenheiten), führt das zu einem punktuell erhöhten Wert des Übergangswiderstands. Diese Werte werden erfasst und können nun gegen einen Sollwert geprüft werden. Überschreitet der Istwert eine bestimmte Grenze, werden entsprechende Warn- bzw. Alarmmeldungen ausgegeben. Im einfachsten Fall kann das durch eine LED geschehen, die den Wartungsbedarf signalisiert. Es sind aber auch komplexere Auswertungen möglich.
So kann einerseits die Restlebensdauer der Schleifringe und Bürsten optimal ausgenutzt werden. Andererseits wird die frühzeitige Prognose von Fehlfunktionen möglich.

Condition-Monitoring-Lösungen: wann nutzen?

Neben dem klaren Vorteil von Condition-Monitoring-Lösungen, Verschleiß rechtzeitig vor dem Ausfall der Maschine sichtbar zu machen, hat der Ansatz auch einen entscheidenden Nachteil: hohe Kosten. Denn die zu tätigenden Investitionen beschränken sich nicht nur auf die Anschaffung des jeweiligen Sensorsystems. Hinzu kommen Aufwände für die Installation und die Einbindung in die jeweiligen Steuerungsprogramme. So sollten Condition-Monitoring-Lösungen zielgerichtet und effizient eingesetzt werden. Das schließt u.a. folgende Situationen ein:

  • Es tritt immer wieder der gleiche Fehler auf.
  • Der Abnutzungsvorrats des Bauelements bzw. der Komponente ist unbedingt auszunutzen.
  • Die Ersatzteile sind sehr teuer.
  • Die Ersatzteile haben lange Lieferzeiten und/oder sind schwer zu beschaffen.
  • Die Reparaturarbeiten sind sehr zeit- und kostenaufwendig.

Diese pauschalen Hinweise können durch zwei Methoden ergänzt und verfeinert werden.

Positionierung von Condition-Monitoring-Lösungen mittels Lean Maintenance

Um Anwendungen für Condition-Monitoring-Lösungen zielgerichtet herauszufinden, eignet sich als Erstes die Methodik des Lean Maintenance. Diese Instandhaltungsstrategie wurde von Bodo Wiegand, Ralf Langmaack und Thomas Baumgarten im Buch „Lean Maintenance System“ erarbeitet. Sie finden eine Zusammenfassung dazu in einem der bereits erschienen Beiträge dieser Serie zu den Instandhaltungsstrategien. Das Lean Maintenance weist u.a. folgende Merkmale auf:

  • Die Ausrichtung aller Instandhaltungsaktivitäten erfolgt am Wertstrom und am Produktionssystem.
  • Die Instandhaltungsstrategie wird nicht pauschal festgelegt, sondern orientiert sich konsequent am gesamten System.
  • Die gesamte Organisation der Instandhaltung folgt diesem Prozess.

Dazu werden in einem mehrstufigen Prozess die Auswirkungen einer Störung auf den Anlagenbetrieb (A), deren Prognostizierbarkeit (P) und die Schadenshäufigkeit (S) erfasst. Daraus folgend leiten sich Schadklassen ab.

Condition Monitoring
Abb. 3: Schadklasseneinteilung nach Lean-Maintenance-System

Während die Module und Komponenten mit einer Schadklasse 1 bis 4 als unkritisch betrachtet werden, gilt denen mit einer Schadklasse 5 bis 8 eine erhöhte Aufmerksamkeit. Und genau an dieser Stelle finden sich auch die typischen Anwendungsfälle für Condition-Monitoring-Lösungen.

Schadklasse Auswirkung auf Anlagenbetrieb (A) Schadenshäufigkeit (S) Prognostizierbarkeit (P) Strategieempfehlung
1 bis 4 keine Maßnahmen
5 bei Ausfall schwerwiegende Störung gering frühzeitig vorhersehbar
  • vorbeugende zustandsabhängige Instandhaltung
  • regelmäßige Wartung
  • mobile Diagnose zur Messdatenerfassung
  • keine Ersatzteilbevorratung
  • Einsatz von externen technischen Dienstleistern möglich
6 bei Ausfall schwerwiegende Störung gering nicht vorhersehbar
  • störungsbedingte Instandsetzung
  • periodische Wartungsarbeiten
  • keine Notwendigkeit zum Aufbau von technischem Wissen
  • Condition-Monitoring-Lösungen anstreben
  • Notfalldienst gewährleisten
  • Ersatzteilbevorratung notwendig
  • enge Zusammenarbeit mit Hersteller
  • Entstörung unter Formel-1-Bedingungen
7 bei Ausfall schwerwiegende Störung hoch frühzeitig vorhersehbar
  • vorbeugende zustandsabhängige Instandhaltung
  • hoher Servicegrad durch Ersatzteillieferanten
  • beliebig kurze Festlegung von Diagnoseintervallen oder Einsatz von Online-Diagnosetechnik
  • Condition-Monitoring-Lösungen anstreben
  • Ursachenanalyse mit sofortiger Vermeidungsstrategie entwickeln
8 bei Ausfall schwerwiegende Störung hoch nicht vorhersehbar
  • störungsbedingte Instandhaltung
  • Redundanzen soweit möglich, sonst 100 % Ersatzteilverfügbarkeit vor Ort und Entstörung unter Formel-1-Bedingungen
  • schnellen Austausch konstruktiv sicherstellen
  • Condition-Monitoring-Lösungen anstreben
  • Aufbau technisches Wissen in Produktion und Instandhaltung
  • Ursachenanalyse mit sofortiger Vermeidungsstrategie entwickeln
  • periodisch geplanter vorbeugender Austausch

Fazit

Ob Condition Monitoring als eigenständige Instandhaltungsstrategie betrachtet werden kann, ist umstritten. Die Befürworter weisen auf die autarke Methodik hin, Kritiker betrachten Condition-Monitoring-Lösungen dagegen ledigleich als Ergänzung für andere Instandhaltungsstrategien.

Doch abgesehen von diesem Disput ist und bleibt Condition Monitoring ein recht aufwendiges Verfahren, welches aufgrund der verwendeten technischen Komponenten zusätzliche potenzielle Fehlerquellen schafft. Aus diesem Grund empfehlen wir Ihnen, das Verfahren nur dort einzusetzen, wo ein klarer eindeutiger Nutzen erzielt wird. Das betrifft im Wesentlichen alle Anwendungen, die die Betriebssicherheit, die Anlagenzuverlässigkeit und die Maschinenverfügbarkeit verbessern. Eine pauschale Anwendung ist dagegen aus unserer Sicht nicht empfehlenswert, da das Verfahren schlichtweg zu teuer ist.

Lesen Sie mehr dazu in → Elektrosicherheit in der Praxis

Weitere Instandhaltungsstrateigen finden Sie hier:

Instandhaltungsstrategien vorgestellt: Total Productive Maintenance (TPM)

Instandhaltungsstrategien vorgestellt: Reliability Centered Maintenance

→ Instandhaltungsstrategien vorgestellt: Risk Based Maintenance (RBM)

Instandhaltungsstrategien vorgestellt: Lean Maintenance

Autor: Holger Regber