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Vorausschauende Wartung Mit vorausschauender Wartung dem Schaden einen Schritt voraus

| Redakteur: Jan Vollmuth

Legt ein Schaden die Maschine still, wird's teuer. Mit einem System für vorausschauende Wartung lassen sich mögliche Schäden frühzeitig erkennen und Stillstände abwenden. Zudem eröffnen sich neue Geschäftsmodelle für Maschinenbauer.

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Die vorausschauende Wartung liefert ein Gesamtbild über den Zustand einer Maschine und gibt Prognosen über Ausfallwahrscheinlichkeiten von Bauteilen ab. Schäden lassen sich so proaktiv erkennen.
Die vorausschauende Wartung liefert ein Gesamtbild über den Zustand einer Maschine und gibt Prognosen über Ausfallwahrscheinlichkeiten von Bauteilen ab. Schäden lassen sich so proaktiv erkennen.
(Bild: B&R)

Das will man auf jeden Fall vermeiden: Fällt eine Maschine aufgrund eines Defekts aus oder muss sie für eine Wartung stillgelegt werden, kostet das Geld. Dabei schmerzen ein Unternehmen weniger die Kosten für Reparaturen oder Ersatzteile; schlimmer sind meist die Umsatzeinbußen, die der Stillstand einer Anlage mit sich bringt. Was tun?

Mögliche Schäden proaktiv erkennen

Eine noch junge Instandhaltungsmaßnahme, mögliche Schäden proaktiv zu erkennen, sind vorausschauende Wartungssysteme. Sie liefern ein Gesamtbild über den Zustand einer Maschine und geben Prognosen über Ausfallwahrscheinlichkeiten von Bauteilen ab. Damit erhöhen diese Systeme nicht nur die Lebensdauer einer Maschine, sondern eröffnen sogar neue Geschäftsmodelle für Maschinenbauer.

Ein Beispiel zeigt den Nutzen vorausschauender Wartungssysteme: Maschinen mit durchlaufenden Bahnen wie Druck- oder Verpackungsmaschinen können komplexe Bahnführungen mit unzählige Walzen aufweisen. Tritt an einer Walze ein Schaden z.B. in Form einer mechanischen Unwucht oder einer erhöhten Lagerreibung auf, induziert dies unkontrollierte Schwingungen und beeinträchtigt die Bahnzugkraft der Maschine. Die Produktqualität wird negativ beeinflusst, schlimmstenfalls steht die Maschine still – vorausschauende Wartung könnte dies vermeiden. Diese Systeme erkennen mögliche Defekte, bevor sie tatsächlich eintreten. Unwuchten oder abgenutzte Lager werden rechtzeitig bemerkt und die notwendigen Reparaturen können vorgenommen werden. So wird verhindert, dass die Walze ausfällt und die ganze Maschine stillsteht.

Daten permanent erfassen und analysieren

Um eine verlässliche Aussage über den Zustand einer Maschine treffen zu können, müssen möglichst viele Maschinendaten gesammelt und mit intelligenten Analysealgorithmen ausgewertet werden.
Um eine verlässliche Aussage über den Zustand einer Maschine treffen zu können, müssen möglichst viele Maschinendaten gesammelt und mit intelligenten Analysealgorithmen ausgewertet werden.
(Bild: B&R)

Grundlage für vorausschauende Wartung sind Maschinendaten. Die permanente Zustandsüberwachung, das sogenannte Condition Monitoring, erfasst diese Daten, analysiert und bewertet sie. Anhand dieser Auswertung können vorausschauende Wartungssysteme die Eintrittswahrscheinlichkeit für bestimmte Ereignisse präzise berechnen. „Mit der vorausschauenden Wartung lässt sich eine anstehende Reparatur nicht nur kosten-, sondern auch leistungseffizient durchführen – rechtzeitig, bevor der Maschine ein Leistungsverlust droht“, erklärt Martin Staudecker, Experte für Softwareentwicklung im Bereich Regelungstechnik bei B&R.

Die vorausschauende Wartung kann aber weit mehr, als lediglich das Verhalten einer einzelnen Walze zu überwachen. Vielmehr liefert sie ein Gesamtbild über den Zustand der ganzen Maschine und gibt eine Prognose über Ausfallwahrscheinlichkeiten von Bauteilen ab. So werden Drehzahlen, Geräusche oder Temperaturen von Motoren erfasst und ungewöhnliche Vibrationen oder Unwuchten frühzeitig erkannt. Ebenso sind exakte Schwingungsanalysen von verschleißgefährdeten Komponenten möglich.

Möglichst viele unterschiedliche Maschinendaten sammeln

Um eine verlässliche Aussage über den Zustand einer Maschine treffen zu können, müssen möglichst viele unterschiedliche Maschinendaten gesammelt und mit intelligenten Analysealgorithmen ausgewertet werden. Je mehr Daten das System heranziehen kann, desto besser kann es Schäden erkennen, bevor sie entstehen. „Allerdings bedeutet dies, Systeme zu finden, die diese große Datenmenge speichern und deren Analyse bewältigen können“, sagt Staudecker. Neben den Zustandsdaten der Maschine selbst spielen zudem Parameter aus dem Umfeld der Maschine wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit eine Rolle. Auch diese Daten müssen für eine verlässliche Prognose in den Analyseprozess eingebunden werden.

Die B&R I/O-Module für Condition Monitoring erkennen mögliche Wartungsfälle präzise und sind sehr einfach zu konfigurieren.
Die B&R I/O-Module für Condition Monitoring erkennen mögliche Wartungsfälle präzise und sind sehr einfach zu konfigurieren.
(Bild: B&R)

B&R nutzt für die vorausschauende Wartung I/O-Module für Condition Monitoring sowie Analysealgorithmen der B&R-Software Mapp Technology. Die einfach konfigurierbaren Condition-Monitoring-Module erkennen mögliche Wartungsfälle präzise. Die Besonderheit der B&R-Module ist die Schwingungsanalyse, die lokal in den Modulen durchgeführt wird. Die Daten der Condition-Monitoring-Module ermöglichen eine effiziente Optimierung bestehender Prozesse. Zudem sind alle Module Teil der X20-Steuerungsfamilie von B&R und damit uneingeschränkt in Steuerungstopologien verwendbar.

Analysen auf der Steuerung durchführen

Mit den Analysealgorithmen von Mapp Control lassen sich die Daten auswerten. „Für die Datenanalyse ist es wichtig, die Daten mit hoher Performance ergebnisorientiert zu verarbeiten. Genau das macht Mapp Control möglich“, sagt Staudecker. Der Großteil der Analysen kann direkt auf der Steuerung durchgeführt werden. Dies optimiert die Datenmenge erheblich, da nur die ausgewerteten Ergebnisse übertragen werden müssen.

Vorausschauende Wartung lässt sich unter anderem durch exakte Schwingungsanalysen von verschleißgefährdeten Komponenten realisieren.
Vorausschauende Wartung lässt sich unter anderem durch exakte Schwingungsanalysen von verschleißgefährdeten Komponenten realisieren.
(Bild: B&R)

Um Fehler frühzeitig zu erkennen, können auch Tuning-Prozeduren herangezogen werden. „Mit Mapp Control stehen modellbasierte Methoden zur Verfügung, die das Systemverhalten identifizieren und darauf aufbauend einen geeigneten Regler entwerfen“, sagt Staudecker. Besonders bei wiederholtem Tuning in regelmäßigen Abständen werden die Reglerparameter aktualisiert, zudem fallen Veränderungen im Systemverhalten einer Maschine auf. Dies kann z.B. das stationäre Verhalten, die Systemdynamik oder die Resonanzfrequenz betreffen. Anhand dieser Vergleichswerte lassen sich Rückschlüsse auf Vorgänge im Maschinenprozess ziehen und Verschleiß oder Leckagen erkennen.

Optimalen Wartungszeitpunkt finden

Mit der vorausschauenden Wartung lässt sich der optimale Zeitpunkt für den Tausch von Maschinenkomponenten finden und in die laufende Produktion einplanen. Hydraulikventile z.B. können mechanische Verschleißerscheinungen aufweisen und müssen dann getauscht werden. Der Verschleiß tritt zwar langsam auf, wirkt sich aber unter anderem negativ auf die Regelung hydraulischer Achsen aus. B&R bietet im Softwarepaket Mapp Hydraulics einen geeigneten Baustein für die frühzeitige Erkennung derartiger Verschleißerscheinungen an.

Besonders bei komplexen Maschinen, wie sie etwa in der Kunststoffproduktion zum Einsatz kommen, ist wichtig, dass alle einzelnen Verarbeitungsschritte optimal ausgeführt werden, um ein qualitativ hochwertiges Endprodukt sicherzustellen. Ein typischer Teilprozess bei der Herstellung von Kunststoff ist die Extrusion. Kommt es bei einem Extruder zu einem defekten Heizelement, kann dies den Stillstand der gesamten Produktionsanlage bedeuten. Der damit einhergehende Produktionsstopp ist mit hohem Ausschuss und immensen Mehrkosten verbunden.

Zum Überwachen von Heizelementen setzt B&R das Softwarepaket Mapp Temperature ein. Mit diesem Paket lassen sich defekte Heizelemente frühzeitig erkennen. In frei konfigurierbaren Zyklen werden die Heizströme mit den Referenzströmen verglichen. Veränderungen im Heizkreis sind dadurch wahrnehmbar und angehende Schäden im Heizelement oder in Relais fallen auf.

„Mit vorausschauender Wartung und den entsprechenden Softwarebausteinen von B&R werden die einzelnen Komponenten der Maschine immer in einem optimalen Zustand gehalten. Das erhöht langfristig die Produktivität der gesamten Anlage“, fasst Staudecker zusammen. (jv)

SPS 2019: Halle 7, Stand 206 und 114

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