Finden Sie die beste Lösung für Condition Monitoring

Traditionell nutzen viele Unternehmen Reactive oder Preventative Maintenance Ansätze, die hohe Kosten für Ersatzteile verursachen, Wartungsressourcen ineffizient nutzen und schlimmstenfalls auch ungeplante Ausfallzeiten in signifikantem Umfang nach sich ziehen. Condition Monitoring hingegen verfolgt einen proaktiveren Ansatz, indem es Ausrüstungszustände auf Anomalien überwacht – wie z. B. übermäßige Vibrationen oder Temperaturanstiege – und Alarme sendet, sobald Schwellenwerte überschritten werden. Condition Monitoring bildet zudem die Grundlage für Predictive Maintenance. Denn die gesammelten Daten können zur Trendanalyse und zur Modellierung vorausschauender Lösungsansätze genutzt werden. 

Unabhängig davon, ob Sie bereits über Kenntnisse und Erfahrungen in Condition Monitoring verfügen oder gerade erst damit anfangen, sich dafür zu interessieren, möchten wir Ihnen das Thema näherbringen. Dazu stellen wir Ihnen Informationen zur Verfügung, mit denen Sie die beste Lösung für Ihre Anwendung finden – einschließlich Expertenwissen und jenen Details, auf die Sie achten sollten.

Wo soll man mit Condition Monitoring beginnen? 

• Suchen Sie nach jenen Maschinen, die Ihnen das größte Kopfzerbrechen bereiten oder bei Ausfall den stärksten Einfluss auf Ihre Produktionsprozesse ausüben: unterschiedliche Maschinen mit unterschiedlichen Aufgaben, bei denen ein Ausfall zum Produktionsstopp oder zu beschädigten Produkten führen kann.

• Überlegen Sie, wo, wann und wie Geräte ausfallen könnten. Denken Sie an Ihre eigenen Erfahrungen, fragen Sie Partner mit ähnlichen Maschinen oder wenden Sie sich an Ihren Ausrüstungszulieferer, um die häufigsten Fehlerquellen und -arten zu definieren.

• Analysieren Sie, welche Teile der Maschine ausfallgefährdet sind. Bewegliche Teile gelten potenziell am anfälligsten dafür. Bei vielen Maschinen gehören dazu Motoren, Getriebe, Lüfter, Pumpen, Lager, Förderbänder und Wellen.

• Überlegen Sie, was gemessen werden sollte. Vibration etwa zählt zu den häufigsten Messungen und wird oft in Kombination mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit überprüft. Bei einigen Maschinen sind auch Druck, Durchfluss oder Stromspannung zu berücksichtigen.

• Hinterfragen Sie das aktuelle Wartungsprogramm für jede Maschine und betrachten Sie die Kosten und Vorteile unterschiedlicher Wartungsansätze. In manchen Fällen mag es angehen, eine nicht-kritische, geringwertige Applikation so lange laufen zu lassen, bis sie ausfällt. In anderen Fällen jedoch lohnt es sich, gezielt in Condition Monitoring oder Predictive Maintenance zu investieren, um den kostspieligen Ausfall einer systemkritischen Maschine zu verhindern.

• Starten Sie zunächst klein, indem Sie Condition Monitoring an einer oder zwei Maschinen implementieren, und skalieren Sie dann hoch, sobald Sie gelernt haben, was für Ihren Betrieb funktioniert und was nicht. Die Implementierung eines kostengünstigen Sensors, der sich leicht in bestehende Steuerungsarchitekturen integrieren oder unabhängig davon nachrüsten lässt, ist sicher ein guter Einstieg.

Welche Daten benötigen Sie?

Die zu sammelnden Daten für die Zustandsüberwachung hängen von der individuellen Anwendung ab, da verschiedene Maschinenkomponenten unterschiedliche Ausfallarten und -indikatoren aufweisen. So können z. B. erhöhte Vibration und Temperatur frühzeitig auf Probleme bei beweglichen Geräten hinweisen, während Änderungen im Druck und Durchfluss zuverlässige Ausfallindikatoren für Fluidtechnik-Systeme darstellen. Sobald Sie die geeigneten Indikatoren kennen, wählen Sie die entsprechenden Sensoren aus. Diese Sensoren übertragen dann die Daten und ermöglichen es der Steuerung, dem Überwachungssystem oder der Cloud, Echtzeit-Zustandsüberwachungsdaten von Sensoren mit derselben Geschwindigkeit wie Primärprozessdaten zu nutzen.

In Übereinstimmung mit unserem Anwendungsbeispiel haben wir hier die vier am häufigsten bei der Zustandsüberwachung erfassten Indikatoren aufgelistet und mit den entsprechenden Auswirkungen auf Maschinen in Beziehung gesetzt:

Maschinenzustandsindikatoren wie Vibration, Temperatur, Druck oder Durchfluss sind von verschiedenen Sensoren identifizierbar. Die Auswahl des optimalen Sensors hängt von der zu überwachenden Ausrüstung, sonstigen zu erfassenden Eigenschaften, dem Budget/Kosten-Nutzen-Verhältnis und dem Wartungsansatz ab. In einigen Fällen kann ein spezifischer Condition Monitoring Sensor die richtige Wahl sein. In anderen Fällen ist ein Multifunktionssensor, der sowohl Zustandsüberwachung als auch Standardmessaufgaben bewältigt, die effizienteste und kostengünstigste Lösung.

Wo brauchen Sie Daten und wie gewinnen Sie diese?

Zustandsüberwachungsdaten können auf verschiedene Arten gesammelt und übertragen werden, je nachdem, wo sie benötigt werden:

1. Daten sollen in der SPS oder der Maschinensteuerung verfügbar sein
In der Fertigungs- und Automatisierungssteuerung bleibt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ein unverzichtbares Werkzeug. Werden Zustandsüberwachungsdaten in der SPS benötigt, gilt eine herkömmliche IO-Link-Steuerungsarchitektur als bester Ansatz. Aus einfachem Grund: Die SPS ist bereits in die Maschine integriert, und Condition Monitoring Sensoren lassen sich über IO-Link-Master mit dem System verbinden. Sobald der SPS-Code angepasst wurde, kann das Steuergerät als All-in-One-Gerät für die Maschinenverarbeitung und Zustandsüberwachung eingesetzt werden. Zusätzlich sind die Zustandsdaten zur Speicherung und tieferen Analyse an Überwachungssysteme oder die Cloud übertragbar.

2. Daten sollen in einem speziellen Steuergerät oder im Gateway verfügbar sein  
Ein Condition Monitoring Toolkit (CMTK) kann Sensordaten als eigenständiges System sammeln und verarbeiten, indem es Visualisierungen, Alarmierungen und einfache Analysen durchführt. Es lässt sich einfach an vorhandenen Maschinen nachrüsten, Plug-and-Play in Betrieb nehmen und visualisiert Daten, ohne ein bestehendes Maschinensteuerungssystem zu beeinträchtigen. Seine Software ist auf der Base Unit vorinstalliert und wird genutzt, um Schwellenwerte festzulegen, zu überwachen und Warnungen zu senden, wenn diese Werte überschritten sind. Willkommenes Extra: LAN-Netzwerkanschlüsse ermöglichen optional eine Verbindung zu anderen Systemen und der Cloud sowie eine Fernüberwachung von jedem Standort aus.

3. Daten sollen in Edge-Gateways oder in der Cloud verfügbar sein
Der entscheidende Vorteil eines IIoT-Edge-Gateways besteht darin, große Datenmengen schnell zu verarbeiten und zu speichern, um Echtzeit-Anwendungen effizient nutzen zu können. Ein IIoT-Edge-Gateway sitzt typischerweise am Rand des Netzwerks und sammelt alle Sensordaten entweder direkt von den Sensoren oder von der SPS oder der speziellen Steuerung. Es übernimmt nicht nur die Aufgabe, alle relevanten und wichtigen Informationen zu filtern und große Datenmengen im Netzwerk zu verarbeiten, sondern auch deren Übertragung in verschiedene Kommunikationsnetzwerke – ob lokal oder Cloud-basiert. Damit sich diese Daten auf vielen verschiedenen Software-Plattformen verwenden lassen.

Condition Monitoring Toolkit versus IO-Link-Master

Das Condition Monitoring Toolkit (CMTK) und der IO-Link-Master sind Gateways, die Sensordaten erfassen und sie an Maschinensteuerungen, Überwachungssysteme oder die Cloud weiterleiten. Ein IO-Link-Master gilt als gute Wahl für Neuinstallationen, die IO-Link umfassen, oder wenn Daten in der SPS oder der Maschinensteuerung benötigt werden. Das CMTK ist eine ausgezeichnete Lösung für Systeme, die bereits installiert sind oder bei denen sich eine Änderung der vorhandenen Steuerungsarchitektur schwierig gestaltet. Ebenso bewährt hat sich das CMTK, wenn integrierte Visualisierungswerkzeuge gewünscht sind oder Daten in der Cloud zur Verfügung stehen sollen.

Wie definieren Sie die richtigen Grenzwerte?

Generell müssen Alarmgrenzen auf der spezifischen Anwendung und allen relevanten äußeren Faktoren basieren. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, diese Grenzwerte zu definieren. Bei Vibrationen können Sie beispielsweise Ihre Erfahrungen aus der Vergangenheit nutzen, mit Experten diskutieren oder sogar Richtlinien wie den ISO-Standard für Vibrationen zu Hilfe nehmen. Vibrationen zählen zu den wichtigsten Kennzahlen für den Maschinenzustand und ermöglichen, Fehler frühzeitig zu erkennen, noch bevor diese Schäden oder Ausfälle verursachen. Die meisten Kunden sind allerdings unsicher, bei welchem Wert sie ansetzen sollen. Sie erwarten eine grobe Baseline, um diese dann feinabzustimmen.

Eine Möglichkeit, diese Ausgangswerte und den besten Ort zur Montage des Vibrationssensors zu bestimmen, besteht darin, einen Vibrationsexperten zu beauftragen. Der Vorteil: Die ordnungsgemäße Einrichtung durch Spezialisten kann sicherstellen, dass Daten zuverlässig erfasst werden, und beschleunigt die Entwicklung eines Condition-Monitoring-Prozesses. Alternativ können Sie auch standardisierte ISO-Baseline-Diagramme zur Definition Ihrer eigenen Baselines und der besten Montagepositionen für Ihre Sensoren verwenden. Im Allgemeinen geben diese Tabellen die standardisierte Basisvibration an und zeigen den besten Ort zur Montage des Sensors auf – basierend auf dem jeweiligen Maschinentyp. Ähnlich lassen sich auch andere Datentypen nutzen. Oder Sie kontaktieren uns, und wir finden gemeinsam die richtige Lösung.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, sich mit Kollegen, Partnerunternehmen oder Ausrüstungslieferanten über deren Erfahrungen und Empfehlungen bei der Grenzwert-Festlegung für ähnliche Applikationen auszutauschen. Ein solches Vorgehen kann zwar kostengünstig sein, aber hat ein Manko: Andere Maschinen und Anwendungen liefern nicht zwingend gute Referenzwerte zu Ihrer Applikation.

Des Weiteren gibt es standardisierte ISO-Baseline-Richtlinien. Für rotierende Maschinen mit einer Leistung von mehr als 15 kW und einem Drehzahlbereich zwischen 120 U/min. und 30.000 U/min. etwa wird in der Regel die Vibrationsnorm ISO 20816-03 angewendet. Richtlinien wie diese sind äußerst praktisch und erleichtern das Festlegen von Grenzwerten in der Praxis.

Wie können Sie Daten analysieren?  

Abhängig von der Auswahl des Gateways lassen sich Daten auf verschiedene Arten verarbeiten und analysieren.

Ein IO-Link-Master ist Teil einer traditionellen Steuerungsarchitektur, bei der die Sensoren mit IO-Link-Konfigurationstools eingerichtet werden. Die vom Master gesammelten und übertragenen Sensordaten sind in der SPS, in der Maschinensteuerung oder im Überwachungssystem zu speichern und zu analysieren. Bei diesem Ansatz müssen Benutzer ihre eigenen Alarme, Visualisierungen und Analysen erstellen. Hierfür steht eine Vielzahl an Software-Tools von Drittanbietern zur Verfügung, die von der Erstellung einfacher Dashboards bis hin zu anspruchsvollen Condition Monitoring und Predictive Analytics Tools reichen.

Unser Condition Monitoring Toolkit verfügt über Analysefunktionen, mit denen der Benutzer Grenzwerte direkt über die Benutzeroberfläche festlegt. Warnungen lassen sich im Dashboard oder per E-Mail empfangen, während Warnsignale von Sensoren über MQTT gesendet werden können. Alle von Ihnen gesammelten Daten stehen für die Weiterverarbeitung zur Verfügung, und individuelle Lösungen und Analysetools sind im System enthalten, inklusive einfacher maschineller Lernfähigkeiten. Weiterer Pluspunkt: Die Zustandsüberwachungsdaten sind auch an andere Systeme übertragbar und mit Drittanbieter-Software detaillierter analysierbar.

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