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      • Veröffentlicht am 1. März 2023
      • Zuletzt bearbeitet am 29. Aug. 2023
    • 9 min

    Mit Condition Monitoring wissen, was wann passiert

    Condition Monitoring bereitet den Weg für die effiziente & vorausschauende Instandhaltung durch eine ständige, inspektionslose Wartung von Maschinen. Auf diese Weise lassen sich Fertigungsprozesse optimieren & die Kosten von Produktionsanlagen reduzieren.

    Alles über Condition Monitoring

    Was ist Condition Monitoring? Eine Einführung

    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.

    Predictive Maintenance – immer einen Schritt voraus

    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.

    Welche Rolle spielen Condition Monitoring und Predictive Maintenance in der Industrie

    Wartungsmitarbeiter in einer Produktionsanlage

    Viele Maschinen müssen heutzutage an ihren Belastungsgrenzen arbeiten, um sie kosteneffizient zu betreiben. Mit zunehmender Auslastung steigt auch das Interesse an intelligenten Überwachungsmaßnahmen für den einwandfreien und kostensparenden Betrieb von Produktionsanlagen. Condition Monitoring ist eines der wichtigsten Werkzeuge bei der vorausschauenden Instandhaltung von Produktionsanlagen. Es ersetzt den klassischen Wartungsrundgang auf eine moderne, digitale und nachhaltige Weise und erlaubt die maximale Auslastung von Maschinen bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit .

    Erst die Überwachungstechnik mit Sensoren ermöglicht die vorausschauende und inspektionslose Instandhaltung anhand der Auswertung von Prozess- und Maschinendaten. Die Echtzeit-Verarbeitung der gewonnenen Daten bietet Prognosemöglichkeiten für eine bedarfsgerechte Wartung und erkennt Schäden, noch bevor sie entstehen. Das hilft, Produktionsausfälle durch unentdeckte Fehler zu vermeiden.

    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

    Wie funktioniert Condition Monitoring?

    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.

    So werden Sensoren im Condition Management verwendet

    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.

    Überwachungsrelais

    Vielfältige Einsatzmöglichkeiten von Überwachungsrelais

    Diese Relais überwachen Maschinenfunktionen und lösen einen Schutzschalter aus, wenn sie einen Fehler erkennen.

    Die gebräuchlichsten Überwachungsanwendungen für Relais

    • Relais für die Spannungsüberwachung
    • Relais für die Phasenüberwachung
    • Relais für die Temperaturüberwachung
    • Relais für die Überwachung der Stromstärke
    • Relais für die Frequenzüberwachung
    • Relais für die Geschwindigkeitsüberwachung
    • Relais für die Drehzahlüberwachung
    • Spezialrelais mit Thermistor für den Motor-Temperaturschutz

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    Ganzheitliche Überwachung mit Condition Monitoring Systemen

    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.

    Computermonitor mit Screenshot von

    SPS-Programmiersoftware für Predictive Maintenance

    Eine gute Programmiersoftware ist die Grundlage für die effiziente Zustandsüberwachung von Maschinen und die Auswertung gesammelter Daten, die über eine SPS-Schnittstelle (speicherprogrammierbare Steuerung) geliefert werden. EcoStruxure Control™ von Schneider Electric vereintIoT-fähige Automation mit einer offenen Plug-and-Play-Architektur, vereint in einer digitalen Plattform.

    Kernmerkmale:

    • Alle IEC 61131 Sprachen (LD, IL, ST, SFC, FBD) und Strukturen
    • Multitasking-Struktur für anpassungsfähige Applikationen
    • Einfacher Import/Export mit XML, COM, DCOM
    • Debug, Online-Services, SPS-Simulator
    • PL7- und Concept-Konverter
    • Lizenzfreie Bibliotheken: PLCopen,Fuzzy, AGA und mehr

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    Drahtlose CMS-Systeme liegen im Trend

    Überwachung einer Industrie 4.0 Produktionsanlage via Tablett

    Die zunehmende Vernetzung durch das industrielle Internet der Dinge (Industrie 4.0) schafft neue Möglichkeiten im Prozessmanagement von Industrieunternehmen, wie die umfassende Digitalisierung, Überwachung und Auswertung von Produktionsanlagen (Instandhaltung 4.0). Produkte, Prozesse und Produktionsmittel sind mit intelligenten Sensoren bestückt und übertragen kabellos Daten. So können Schäden an den Kabeln die Datenauswertung nicht beeinträchtigen und auch das Installieren und Verlegen zusätzlicher Kabel in unübersichtlichen Produktionsbereichen entfällt. Mit Wireless-Technologien ausgestattete Sensoren kann man zum Beispiel direkt auf eine Maschine kleben und die Schwingungsdaten kabellos an eine Auswertungseinheit übertragen.

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    Die Überwachung der Zukunft – so viel wie nötig, so wenig wie möglich

    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.

    Was bedeutet Overall Equipment Effectiveness?

    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