Übergang von der traditionellen Wartung zur vorausschauenden Wartung

Wartung ist der Prozess, bei dem sichergestellt wird, dass physische Vermögenswerte ihre beabsichtigten Aufgaben auch weiterhin erfüllen. Wartungsentscheidungen beinhalten die Bewertung und Auswahl der effizientesten Wartungsstrategie, z. B. reaktive, vorbeugende und vorausschauende Wartung (die wir in Abschnitt 1 des Whitpapers Vorausschauende Wartung (Intelligente Wartung und Reparatur) behandelt haben; Klicken Sie hier für weitere Informationen). Die Annahme einer ineffizienten Wartungspolitik wird dem Unternehmen weit über die direkten Kosten eines Geräteausfalls hinaus schaden. Es ist entscheidend, dass Unternehmen die am besten geeignete Wartungsstrategie wählen, um Geld zu sparen und Ausfallzeiten zu reduzieren. In diesem Blogbeitrag wird auf den Übergang von der traditionellen Wartung zur zustandsbasierten Wartung (CdM) und von der CdM zur vorausschauenden Wartung (PdM) eingegangen.

Traditionelle Wartung und der Übergang zur zustandsbasierten Wartung (CdM):

Die traditionelle Wartungspraxis beruht auf der Verwendung von planmäßigen Wartungsprogrammen. Sie bestehen aus regelmäßiger geplanter Wartung und bedarfsbasierter reaktiver Wartung. Dies bedeutet, dass bei Ausfall oder Verschleiß von Bauteilen das Gerät solange aus dem Produktionszyklus entfernt wird, bis es repariert werden kann. Das Konzept der planmäßigen Wartung beinhaltet die Ansicht, dass jedes Bauteil einer komplexen Maschine ein „richtiges Alter“ hat. Das richtige Alter ist, wenn ein bestimmtes Bauteil ersetzt werden muss, um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb aufrechtzuerhalten. Geplante Wartungsarbeiten sind mit Funktionsausfällen, Ausfallfolgen, Ausfallmodi und Ausfalleffekten verknüpft.

Herkömmliche Wartungsstrategien reichen nicht aus, um den modernen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Das Konzept der Wartung hat sich von einer reaktiven Einstellung (Wartungseingriff nach Ausfall) zu einem vorausschauenden Verhalten (Wartungseingriff zur Vermeidung des Fehlers) entwickelt. Strategien und Konzepte wie die zustandsbasierte Wartung (CbM) haben dieses Ergebnis unterstützt.

Die CbM unterscheidet sich von der planbasierten Wartung. Der Unterschied besteht darin, dass die Wartung vom tatsächlichen Zustand der Maschine abhängt und nicht von einem voreingestellten Zeitplan. Zum Beispiel verlangt eine typische plangestützte Wartungsstrategie von Autobesitzern, dass sie das Motoröl etwa alle 5000 – 8000 km wechseln. Der tatsächliche Zustand des Fahrzeugs oder die Funktionsfähigkeit des Öls wird dabei außer Acht gelassen. Wenn der Fahrer jedoch in der Lage ist, Informationen zur Ölschmierung und zum tatsächlichen Zustand des Fahrzeugs zu erhalten, kann er sich dafür entscheiden, den Ölwechsel zu verschieben oder die Fahrzeugnutzung zu verlängern. Der Ölwechsel kann bei Bedarf auch vorgezogen werden.

Abbildung 1 veranschaulicht die allgemeine Wartungsstrategie. Die Begleitprogramme sind in der Abbildung enthalten. Die Strategie ist eine Mischung aus vorbeugenden und reaktiven Wartungsprogrammen. (Traditioneller Wartungsansatz).

Abbildung 1: Flussdiagramm der Wartungsstrategie.

Zustandsbasierte Wartung (CdM):

Bei dieser Wartungsstrategie kommen Sensoren zum Einsatz. Diese Sensoren messen den Status einer Anlage im Laufe der Zeit, während die Anlage in Betrieb ist. Mechanische und betriebliche Bedingungen werden im Rahmen dieser Strategie überwacht und das entweder in Echtzeit (auch „Echtzeit-Zustandsüberwachung“ genannt) oder auf regelmäßiger Basis. Abbildung 2 zeigt die CdM, die unter Verwendung verschiedener Herangehensweisen durchgeführt werden kann. Die periodische Überwachung erfolgt in vorab bestimmten Intervallen, z. B. alle zwei Stunden, mithilfe von tragbaren Anzeigen wie Handmessgeräten und Schallemissionsgeräten. Bei der Online-Überwachung (oder Echtzeit-Überwachung) wird eine Maschine kontinuierlich überwacht und ein Alarm dann ausgelöst, wenn ein Fehler festgestellt wird. Eine solche Überwachung erfolgt über Sensoren und Prozessdaten.

Abbildung 2: Verschiedene Ansätze zur Zustandsüberwachung

Jede überwachte Variable erhält einen Alarmschwellenwert. Der Alarm wird gesendet, wenn ein variabler Wert seinen Schwellenwert überschreitet. Das problembehaftete Teil wird identifiziert und ordnungsgemäß für die Wartung eingeplant. Kontinuierliche CdM-Techniken können auf verschiedenen Geräten verwendet werden, einschließlich Verdichtern, Pumpen, Spindeln und Motoren. Diese können auch zur Erkennung von Teilentladungen bei Vakuumlecks oder Maschinen eingesetzt werden.

Die Annahme, auf welcher die planmäßige Wartung beruht, ist, dass Maschinenausfälle direkt mit dem Betriebsalter der Maschine verbunden sind, was möglicherweise nicht immer der Fall ist. Fehler können nicht immer linear sein. Studien zeigen, dass 89 % der Probleme zufällig sind und keinen direkten Zusammenhang mit dem Betriebsalter haben. Tabelle 1 zeigt einige bekannte Fehlermuster zusammen mit ihrer bedingten Wahrscheinlichkeit (Y-Achse) in Bezug auf die Zeit (X-Achse).

Tabelle 1: Bedingte Wahrscheinlichkeitskurven für Ausfälle

Bei komplexen Gegenständen tritt manchmal bereits am Beginn ihres Betriebsalters ein Totalausfall auf. Für die Teile, welche die anfängliche Phase überstehen, bleibt die Ausfallwahrscheinlichkeit entweder konstant oder steigt allmählich an. Teile werden mit dem Alter verschleißen. Wenn diese Tatsache berücksichtigt wird, besteht unabhängig von einer planmäßigen Wartung eine größere Wahrscheinlichkeit eines möglichen Ausfalls. Es ist sehr wahrscheinlich, dass das System sofort nach einer geplanten Wartung ausfällt. Die vorbeugende Wartung verursacht somit zusätzliche Reparaturkosten. Die CdM reduziert hingegen solche Mehrkosten, indem sie Wartungsmaßnahmen einplant, die nur dann ergriffen werden, wenn ein wahrscheinliches Ausfall-Symptom erkannt wird.

Abbildung 3: Unterschied zwischen Vorbeugung und Zustandsüberwachung

Drei wichtige technologische Verbesserungen ermöglichen eine CBMM-Lösung (Verwaltung von Zustandsüberwachung und Wartung): Sensorfernüberwachung und Datenerfassung, Echtzeitstrom-Verarbeitung von Sensordaten und vorausschauende Analysen über eine herkömmliche Wartungslösung. Drei wichtige technologische Verbesserungen ermöglichen eine Lösung zur Verwaltung von Zustandsüberwachung und Wartung (CBMM-Lösung): Sensorfernüberwachung und Datenerfassung, Echtzeitstrom-Verarbeitung von Sensordaten und vorausschauende Analysen über eine herkömmliche Wartungslösung.

Die CdM ist ein wirtschaftlicher Ansatz, obwohl komplexe CdM-Ansätze teuer sein können. Sie ist eine ausgezeichnete Lösung, wenn bekannte Anzeigen zuverlässige Warnhinweise auf einen bevorstehenden Ausfall liefern und die Ausfallkosten die Finanzen des Unternehmens moderat beeinflussen können. Daher ist die CdM für jede Branche erforderlich, die einfache bis komplexe Maschinen verwendet. Warum wird sie also durch die PdM ersetzt?

Die PdM sagt Ausfälle voraus. Dazu versucht sie, von der Maschinenleistung zu lernen. Die PdM verwendet Daten, die über die CdM gesammelt werden, und wendet dann Analysen oder KI/maschinelles Lernen an, um Muster zu ermitteln und Fehler vorherzusagen, bevor diese tatsächlich auftreten. Diese Technik ist eine geeignete Lösung für kostspielige potenzielle Ausfälle und kritische Anlagen. Der wesentliche Unterschied zwischen der PdM und der CdM ist das Timing. Die CdM konzentriert sich auf Echtzeitbedingungen, während sich die PdM auf die Erkennung von Defekten in ihrem Entstehungsstadium konzentriert (60 oder 90 Tage im Voraus).

Übergang von der zustandsbasierten Wartung (CdM) zur vorbeugenden Wartung (PdM):

Sie müssen die eindeutigen Attribute der Anlage Ihres Unternehmens beurteilen, bevor Sie sich entscheiden, von der zustandsbasierten Wartung (CdM) zur vorausschauenden Wartung (PdM) überzugehen. Berücksichtigen Sie alle tatsächlichen und potenziellen Kompromisse zwischen den Kosten der Vorbeugung (Erkennung eines möglichen Ausfalls) und den Kosten der Reparatur/des Ausfalls, bevor Sie sich für den besten Ansatz entscheiden. Fortschrittliche Techniken wie die CdM und vorausschauende Analysen eignen sich am besten, wenn die Kosten für Reparatur oder Ausfall hoch sind. Abbildung 4 zeigt, wie man eine Wartungsstrategie basierend auf dem Maschinentyp auswählt.

Abbildung 4: Auswahl einer Wartungsstrategie basierend auf dem Anlagentyp der Maschine

Die CdM wurde erstmals in den 1980er Jahren verwendet und schrittweise mit verschiedenen CdM-Versionen über Branchen hinweg verbessert, bis sich der Prozess in die PdM verwandelte, wie in den folgenden Abschnitten erläutert wird.

Zustandsüberwachung 1.0:

In einem industriellen Umfeld umfasst die veraltete CdM (1980er Jahre und früher) Spätindikatoren wie niedrigen Schmieröldruck, hohe Temperatur und ungleichmäßigen Pumpenauslassdruck. Eine Alarmbedingung bei solchen Messungen impliziert einen aktuellen Fehler oder einen bereits aufgetretenen Fehler. Daher muss auf eine Warnung eine zeitnahe Reaktion folgen. Der Indikator gibt Ihnen nicht genügend Zeit, um zu planen. Der Produktion hat keine Zeit, um zu planen, und die Wartung hat keine Zeit, um die richtigen Teile, Fähigkeiten und Werkzeuge bereitzustellen.

Zustandsüberwachung 2.0:

Die CdM 2.0 (1990er bis 2000er Jahre) hat die Fehlererkennung spürbar verbessert. Der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Steigerung der Effizienz des elektrischen Energieverbrauchs hat die Leistung, den Motorstrom und die Geschwindigkeit erhöht. Eine solche Verbesserung ist aufgrund von Kostensenkungen, Verbesserungen in der IO-Systeminfrastruktur, besserer Zuverlässigkeit und einfacher magnetischer Montage von Sensoren möglich. Die CdM 2.0 umfasst Motorstrom, Lagertemperatur, Drehzahl, Leistung und Gesamtvibration. Eine Abweichung bei einer der oben genannten Messungen weist auf einen drohenden Ausfall der betreffenden Pumpe oder des betreffenden Pumpensystems hin.

Sie können diese Messungen dazu verwenden, um Probleme erfolgreich zu diagnostizieren. Herausforderungen treten jedoch auf, wenn Sie versuchen, die Alarmschwellen für die automatische Benachrichtigung festzulegen. Störende Alarme treten aufgrund der unterschiedlichen Art des Produktrezepts, des Prozesses oder der Jahreszeit mit lästiger Regelmäßigkeit auf. Die Klarheit und Einfachheit des Ansatzes wird dadurch beeinträchtigt, wodurch internes oder externes Fachwissen für den Erfolg erforderlich ist. Die Änderungen bei Motorstrom, Druck und Durchfluss mit den Prozessbedingungen erfordert Intelligenz oder eine menschliche Analyse, um eine Anomalie oder einen Fehler in den sich kontinuierlich ändernden Messungen zu identifizieren.

Sie können bereits vorhandene Zustände identifizieren, wenn Sie die Gesamtvibration mit Kenntnis der ISO 10186-Alarmstandards bereitstellen. Insgesamt können Vibrationen Fehlermodi feststellen. Eine Klärung der Fehlermodi kann dabei helfen, die aufgetretenen Ereignisse zu erklären.

Die Gesamtvibration ist eine direkte Messung zur Erkennung und Überwachung von Unwucht, Lockerheit und Fehlausrichtung eines sich drehenden Teils. Die für die Gesamtvibration angegebenen Einheiten sind Zoll pro Sekunde – Spitze, ein Geschwindigkeitsmaß. Sie können einen Beschleuniger verwenden, um die Gesamtvibration aus einem Beschleunigungsmesswert zu berechnen. Der ISO 10816-Standard definiert, wie gemessen werden soll, und legt auch die Alarmschwellenwerte fest.

Es ist fraglich, ob dies insgesamt vorausschauend ist. Da der Defekt oder das Problem bereits vorhanden ist, ist die Gesamtvibration ein Spätindikator. Dennoch haben der Betrieb und die Wartung genügend Zeit, um die Situation in der Entstehungsphase zu beheben. Solche frühzeitigen Reparaturen sind mit minimalen Kosten verbunden, während es zusätzliche Kollateralschäden und höhere Reparaturkosten geben kann, wenn Sie länger warten.

Zustandsüberwachung 3.0 als vorausschauende Wartung:

Die CdM 3.0 ist die Version von PdM, die in den 2010er Jahren eingeführt wurde. Mit der Einführung von Industrie 4.0 ähneln die Messungen des industriellen Internets der Dinge (IIoT) für die PdM Früh- vs. Spätindikatoren. Die Überwachung kann gut, aber immer noch verzögert oder zustandsbasiert sein. Für einige identifiziert sich PdM mit Technologien wie Infrarot-Thermographie (IR), Ultraschall, Vibrationsspektrumanalyse, Teilentladungstests und monatlichen Vibrationsrouten von geschulten und erfahrenen Fachleuten.

Die Einführung des IIoT hat zur Entstehung von intelligenter Verarbeitung, Kommunikation, Speicherung, Benachrichtigung und Übersetzung geführt. Diese neue Intelligenz zielt auf Ausfallmodi wie die Erkennung von Schmierfehlern, Pumpendichtungen, Lagerfehlern und Hohlraumbildung zwischen 60 und 90 Tagen im Voraus ab.

Diese Ausfallmodi sind wichtig, da mehrere Branchenstudien zeigen, dass die Schmierung bei bis zu 80 Prozent der sich drehenden Anlagen zum Ausfall führt. Bei der CdM 3.0 bietet die Gesamtvibration in Kombination mit Ultraschall oder Hochfrequenz die Möglichkeit, eine „vorausschauende“ Wartung zu realisieren. Dieses Szenario beinhaltet einen Ausfallzustand, der 60 oder 90 Tage im Voraus identifiziert wird, wodurch die Wartung und der Betrieb eine Reparatur mit den richtigen Teilen, Fähigkeiten und Werkzeugen zum richtigen Zeitpunkt planen und vorsehen können.

So funktioniert die vorausschauende Wartung:

Festlegung der Basislinie für die Messung: Das Wartungsteam legt die Schwellenwerte für die akzeptable Leistung von Anlagen fest.

Installation verbundener Sensoren: (IoT-Bausteine): Die für die Überwachung ausgewählten Anlagen benötigen hochempfindliche Sensoren. Diese Sensoren können Echtzeitdaten für die CdM übertragen. Die IoT-Geräte und das computergestützte Wartungsmanagementsystem (CMMS) sind miteinander verbunden.

Datenverarbeitung und -analyse: Das CMMS kann, wenn es mit maschinellem Lernen (ML) verwendet werden kann, potenzielle Probleme vorhersagen, gesammelte Daten analysieren und Muster untersuchen.

Manuelle oder automatisierte Wartungsplanung: Das CMMS kann Wartungsentscheidungen umfassen. Solche Entscheidungen können manuell oder automatisiert erfolgen. Die automatisierten Wartungsaufgaben initiieren den Moment mit der Vorhersage eines Problems und schaffen einen automatischen und nahtlosen Wartungszyklus.

Die Kosteneinsparungen durch die PdM sind im Vergleich zur zustandsbasierten Wartung um 8-12 Prozent und im Vergleich zur reaktiven Wartung um 30-40 Prozent höher. Es ist klar, dass die PdM es den Branchen ermöglicht, potenzielle Probleme vorherzusagen, um eine proaktive Wartung durchzuführen, und die Kapitalrendite von PdM ist positiv.

Farnell bietet eine zentrale Plattform für die wesentlichen Bauelemente, die für eine intelligente echte Überwachung mit Partnern erforderlich sind, um die wichtigsten zusätzlichen Produkte bereitzustellen, die für Komplettlösungen erforderlich sind. Einige der Produktkategorien der Vorausschauenden Wartung sind Messtechnik,Development Kits,ESD-Schutzbausteine,elektrische Prüfgeräte,Wärmebildgebung und Maschinensicherheit. Diese Produkte sowie das damit verbundene Ökosystem der Partner ermöglichen die vorausschauende Wartung bei zahlreichen Anwendungen in intelligenten Branchen und Anlagen für eine verbesserten Zuverlässigkeit und einen besseren Betrieb.