Neue Ansätze für die Zustandsüberwachung in der Prozessindustrie

Von Robert Schmaus

In der Prozessfertigung ist die Gewährleistung minimaler Produktionsunterbrechungen von entscheidender Bedeutung für den Gesamterfolg einer Anlage.

Nahezu jede Maschine in der Produktion ist darauf ausgelegt, rund um die Uhr ohne Unterbrechung zu arbeiten. Zumindest theoretisch. In der Realität kommt es jedoch immer wieder zu unerwarteten Ausfällen, und die Betriebsteams arbeiten hart daran, diese so kurz und selten wie möglich zu halten. Es gibt verschiedene Ansätze und Wartungsstrategien, um diese zu verhindern und ungeplante Ausfallzeiten minimieren, aber nicht alle davon sind auf jede Maschine anwendbar – oder gewährleisten die Betriebszeit vollständig.

Einige der erfolgreichsten Teams nutzen zustandsorientierte Instandhaltung Die kontinuierliche Analyse verschiedener Maschinenzustandsparameter an kritischen Punkten des Produktionsprozesses. Diese Strategie umfasst die Erfassung umfangreicher Daten, von Maschinentypen und Fehlermodi über Rückmeldungen zum Gerätebetrieb bis hin zu den erforderlichen Personalressourcen mit einem bestimmten Qualifikationsniveau usw. Unter den verschiedenen Maschinen im Betrieb sind einige produktionskritisch, andere weniger. Jede Maschine benötigt jedoch irgendwann einen Eingriff, da Abnutzung und Verschleiß letztendlich zu Ausfällen führen.

Viele Anlagen verwenden eine Kombination aus Wartungsstrategien über ihren gesamten Anlagenbestand. Dadurch wird die Intensität der Überwachung und Messung mit der Kritikalität der Maschine und des zugehörigen Prozesses in Einklang gebracht. Hier finden Sie eine Aufschlüsselung von vier gängigen Strategien, gefolgt von einem detaillierten Blick auf die Online-Zustandsüberwachungsstrategie.

Vier heute eingesetzte Wartungsstrategien

1. Pannenhilfe. Diese einfache Strategie folgt dem Muster „Benutze sie, bis sie ohne Eingriff kaputtgeht“. Der einzige Vorteil dieser Wartungsstrategie besteht darin, dass keine Investitionen erforderlich sind, um die Lebensdauer einer Maschine zu verlängern. Die Nachteile sind ungeplante Ausfälle, Ressourcen- und Arbeitskosten im 24/7-Modell, große Ersatzteillager und längere Produktionsunterbrechungen zur Untersuchung von Vorfällen. Interessanterweise kann die Ausfallwartung bei „austauschbaren“ Maschinentypen zum Vorteil des Standorts fortgesetzt werden, wenn die Maschine überwacht und drohende Ausfälle rechtzeitig erkannt werden, um den Austausch zu planen.
2. Vorbeugende Wartung. Auch bekannt als zeitbasierte Wartung, vorbeugende Wartung beinhaltet geplante Stillstände und verspricht weniger Maschinenausfälle. Die Nachteile überwiegen jedoch weiterhin: Es fallen zu viele vermeidbare Reparaturen an, und Teile werden vor Ablauf ihrer tatsächlichen Lebensdauer ausgetauscht, was die Kosten erhöht. Auch bei einer zeitbasierten Wartungsstrategie können erhebliche Ausfälle auftreten, entweder weil die Wartungsintervalle nicht korrekt auf die Maschinenlebenszyklen abgestimmt sind oder weil ein sich schnell entwickelndes Problem oder ein unvermeidliches Zufallsereignis nicht erkannt wird.
3. Vorausschauende Wartung. Bei dieser Strategie werden Wartungsstopps je nach Maschinenzustand geplant und nicht durch geplante oder regelmäßige Eingriffe. Vorausschauende Wartung ermöglicht dem Team, die volle Lebensdauer der Maschinenkomponenten auszunutzen und reduziert die Ersatzteilbestand, da die meisten Reparaturen geplant sind. Dank fortschrittlicher Fehlererkennung werden Reparaturen durchgeführt, bevor größere Schäden entstehen, und ungeplante Ausfallzeiten treten deutlich seltener auf. Der einzige wirkliche Nachteil dieser Wartungsstrategie ist der erforderliche Erfahrungs- und Zeitaufwand für die Inspektion der Maschinen und die Interpretation der Ergebnisse.
4. Zustandsüberwachung. Im Rahmen einer Zustandsüberwachungsstrategie überwacht das Team verschiedene Parameter oder Zustandsindikatoren kritischer Maschinen und achtet auf veränderte Trends. Bleiben beispielsweise die Vibrationswerte unverändert, ist der Zustand der Maschine höchstwahrscheinlich stabil, und es sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Steigen jedoch die Vibrationswerte und überschreiten die Messwerte die Alarmgrenzen, sollte das Team weitere Inspektionen und Analysen durchführen, um die Ursache zu ermitteln. Nach einer Problemdiagnose kann das Team die Maschine genauer überwachen, während eine Reparatur geplant ist, um Schäden zu vermeiden. Auch bekannt als r (RCM) umfasst diese Strategie die vorausschauende Wartung und die erforderlichen Maßnahmen zur Durchführung von Korrekturen an Maschinen, wie z. B. Auswuchten und Maschinenausrichten.

Erfassung von Zustandsüberwachungsmessungen

Das gesamte Spektrum von zuverlässigkeitsorientierte Wartung nutzt fünf oder mehr Messmethoden zur Beurteilung des Maschinenzustands: Ölanalyse, Ultraschall, Vibration, Thermografie und Motorprüfung. Das Anlagenpersonal kann die Daten manuell mit tragbaren Prüfgeräten erfassen oder Teile der Datenerfassung online automatisieren. Viele Anlagen kombinieren beide Verfahren.

Online-Zustandsüberwachungssysteme umfassen in der Regel an Maschinen montierte Sensoren, eine Verbindungsmethode (kabelgebunden oder drahtlos) und Software zur Datenanalyse. Die Sensoren erfassen Daten zum Maschinenzustand, und die Software bietet verschiedene Alarmstufen, Trenddarstellungen und visuelle Darstellungen zur Unterstützung weiterer Untersuchungen. Einige Systeme geben sogar Empfehlungen für die nächsten Schritte. Je nach Zustandsanforderungen eignen sich unterschiedliche Stufen von Online-Zustandsüberwachungssystemen für unterschiedliche Maschinentypen. Eine Pumpe oder ein Lüfter kann durch ein einfaches Online-Zustandsüberwachungssystem abgedeckt werden, während komplexere Maschinen mit variablen Drehzahlen und Lasten beispielsweise eine komplexere Überwachung erfordern.

Warum Online-Zustandsüberwachungssysteme?

Produktionskritische Maschinen erfordern oft einen speziellen Überwachungsansatz. Ein wesentlicher Vorteil eines Online-CM-Systems besteht darin, dass es kontinuierlich Daten sammelt und nach Veränderungen sucht. Ein Online-CM-System kann kleine Abweichungen schnell erkennen und das Team bei Grenzwertüberschreitungen benachrichtigen. Bei schnellem Ausfall und drohendem Schaden ist ein Online-CM-System, das Zustandsindikatoren innerhalb von Minuten oder Stunden erfasst, deutlich effizienter als die persönliche Überwachung der Maschine durch einen Mitarbeiter. Ebenso ist die Verfolgung der Erreichbarkeit von Messpunkten oder von Abweichungen im Prozess für Teams mit einem Online-CM-System deutlich einfacher als bei manuellen Messmethoden.

Beispiel einer kritischen Maschine: Vertikalwalzenmühlen

Vertikalwalzenmühlen (VRM) sind ein klassisches Beispiel für produktionskritische Maschinen. Fällt diese Maschine ohne Vorwarnung aus, stört dies den gesamten Produktionsprozess. Fällt eine der zwei verfügbaren VRMs in einer Anlage aus, halbiert sich die Produktivität. Hinzu kommt, dass in vielen Branchen der Trend zu weniger, dafür aber größeren Maschinen geht.

Die Zementindustrie beispielsweise setzt heute oft nur noch eine große Mühle anstelle von zwei parallel laufenden VRMs ein. Typische VRM-Probleme sind Getriebeausfälle wie Zahneingriffsprobleme, Zahnbrüche und Lagerprobleme. Werden diese Probleme frühzeitig erkannt, können Ersatzteile bestellt werden. Bestimmte Ersatzteile können auf Lager gehalten werden, Getriebe hingegen nicht; das ist zu teuer. Fällt das Getriebe aus, kommt die gesamte Produktion zum Stillstand, und die Lieferung eines Ersatzes kann ein halbes Jahr dauern.

Fazit: Sie benötigen ein Online-CM-System, das die Ausfallarten der jeweiligen Maschine identifiziert. Es erfasst VRM-Daten zu Prozesssignalen, Temperaturschwingungen und möglicherweise Drehmomentmessungen.

Ergänzung des Maschinenspezialisten durch Datenüberwachung

Fernüberwachung und Data Warehousing sind ein Mehrwert für interne Maschinenspezialisten, die wahrscheinlich überlastet sind und die Verantwortung für die Verfügbarkeit rund um die Uhr tragen.

Manchen Einrichtungen fehlt es an ausreichend Personal, um ein robustes prädiktives Programm aufrechtzuerhalten. Andere leiden unter einem vorübergehenden Mangel an Kompetenzen, wenn ein erfahrener Mitarbeiter das prädiktive Wartungsteam oder das Unternehmen verlässt. In beiden Fällen könnte Fernüberwachung eine Lösung sein, allerdings sollten Sie nicht erwarten, den Bedarf zu 100 % durch Online-CM-Systemmessungen zu decken.

Darüber hinaus stehen auch Online-Überwachungsdienste zur Verfügung, bei denen externe Experten die Daten überwachen und Anleitungen, Schulungen und Berichte bereitstellen.

Intelligente Datenflussarchitektur

Ein Zustandsüberwachungssystem verfügt über zwei Datenflüsse: die von Sensoren und anderen Eingaben an das System erfassten Daten und die Kommunikation zwischen dem System und seinen Benutzern über Benachrichtigungen, E-Mail und andere Verbindungen.

Ein kabelgebundenes Online-CM-System verfügt über eine eigene konfigurierbare IP-Adresse. Dadurch wird das System zu einem Netzwerkelement, das innerhalb der Anlage über Ethernet und den Benutzer konfiguriert werden kann. Drahtlose Systeme werden typischerweise vor Ort oder über die öffentliche Cloud verbunden.

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Sobald das Zustandsüberwachungssystem konfiguriert ist, arbeitet es selbstständig als automatisierter Diagnoseroboter. Das System sammelt und sendet Messdaten per Ethernet oder drahtlos an die Softwareplattform, die sie der Messdatenbank hinzufügt. Daten aus SCADA-Systemen oder von einer SPS übernommene Parameter lassen sich häufig in die CM-Systemarchitektur integrieren. Bei einem Szenario mit mehreren Standorten können Messdaten an eine zentrale Datenbank weitergeleitet werden, die den Absender automatisch erkennt und die Messungen dem entsprechenden Messort und der entsprechenden Messaufgabe zuordnet.

Mehrere Benutzer können auf diese Datenbank zugreifen, um Messergebnisse anzuzeigen, Daten zu analysieren, Berichte zu erstellen usw. Einige Teams geben Daten und Berichte zum Maschinenzustand möglicherweise auch an den Originalgerätehersteller weiter, insbesondere während der Garantiezeit.

Fazit

Bei produktionskritischen Maschinen gibt es zahlreiche Gründe, die Online-Zustandsüberwachung in die allgemeine Strategie zur Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit einzubeziehen.

Einige Aspekte eines Online-CM-Systems können sich sogar als einfacher erweisen als die Einführung eines regulären Predictive-Maintenance-Programms, da das Datenmanagement bereits integriert ist. Dennoch ersetzt nichts das Fachwissen von Maschinenspezialisten und deren Kenntnisse über Fehlermöglichkeiten.

Der Return on Investment (ROI) für ein Online-CM-System wird normalerweise erreicht, wenn es zum ersten Mal einen Fehlerindikator erkennt. Andernfalls hätte die Identifizierung mehr Stunden in Anspruch genommen oder, wenn dieser nicht erkannt würde, zu einem ungeplanten Wartungseingriff und Produktionsausfall geführt.

Online-CM-Systeme sind kostengünstige und zuverlässige Tools zur Überwachung des Zustands produktionskritischer Anlagen und zur Steigerung der Produktionsverfügbarkeit in Anlagen.