Condition Monitoring Sensoren

Zustandsüberwachung oder Condition Monitoring nutzt Sensoren, um aus dem aktuellen Zustand einer Maschine oder Anlage Rückschlüsse auf Wartungs- oder Reparaturbedarf zu ziehen. (Bild: Teptong/stock.adobe.com)

Was ist Condition Monitoring?

Als Condition Monitoring – zu Deutsch Zustandsüberwachung – wird im normalen Sprachgebrauch die regelmäßige bis kontinuierliche Erfassung des Zustandes einer Maschine, Anlage oder eines Prozesses bezeichnet. Diese Erfassung misst bestimmte relevante Größen wie Schwingung, Akustik, Beschleunigung, Lage, Ölstand sowie -verschmutzung oder Temperatur mittels Sensorik. Ausgewertet werden die Messdaten mithilfe angeschlossener Software.

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Ziele des Condition Monitoring

Condition Monitoring soll Betreiber, Instandhaltung und Bedienungspersonal der betreffenden Maschine dabei unterstützen, frühzeitig sich entwickelnde Fehler zu identifizieren, die zu einem ungeplanten Stillstand oder gar einem Schaden führen können. Das soll einerseits die Sicherheit und Unversehrtheit des Personals sowie der Anlagen gewährleisten und andererseits die Overall Equipment Effectiveness, OEE, hochhalten. Ohne Condition Monitoring sind weder Condition Based Maintenance noch Predictive Maintenance möglich.

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Wie funktioniert Condition Monitoring?

Mittels Sensorik wird an bestimmten Stellen in und an der Maschine oder Anlage ein Messwert abgegriffen (Zustandserfassung). Das können – je nach Anwendung – unter anderem Schwingungen, Dehnungen, Beschleunigungen, Druck- oder Zuglast, Temperaturen oder Luftfeuchtigkeit sein. Diese Werte werden per Kabel oder drahtlos an Rechner übermittelt. Die auf den Rechnern installierte Software analysiert die Daten nach zuvor festgelegten Mustern.

Dabei spielt die „Erfahrung“ mit den Anlagen eine zentrale Rolle – also der Vergleich zwischen Ist- und Referenzwert (Zustandsvergleich). Denn nur, wenn Software und Bediener den Normalzustand kennen, sind sie in der Lage, Abweichungen davon zu erkennen (Diagnose) und die entsprechenden Entscheidungen zu treffen. So können Ort und im Idealfall Ursache des sich anbahnenden Schadens bestimmt werden und die Instandhaltung bzw. der Stillstand wird planbar. Wichtig: Ein plötzlich und unvermittelt auftretender Schaden durch Gewalteinwirkung oder ein Ermüdungsbruch sind nicht mittels Condition Monitoring vorhersehbar.

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Vorteile des Condition Monitoring

Durch den permanent wiederholten Vergleich der aktuell gemessenen Werte mit denen aus der Vergangenheit kann ein sich anbahnender Schaden, zum Beispiel eine Beschädigung in einem Lager, an einem Getriebe oder einem anderen mechanischen oder elektrischen Bauteil frühzeitig – also noch vor Eintritt eines definitiven und möglicherweise extrem kostenintensiven Schadens – festgestellt, lokalisiert und eruiert werden. Die Entscheidung, ob die Maschine sofort abgestellt werden muss oder noch bis zum nächsten geplanten Stillstand weiterlaufen kann, erfolgt so auf einer belastbaren Datenbasis. Ungeplante Stillstände können minimiert und die Produktivität der Anlage aufrechterhalten werden, ohne dass – wie bei der präventiven Instandhaltung – Bauteile möglicherweise unnötig getauscht werden oder andere Bauteile übersehen werden, deren Lebensdauer sich ungeplant dem Ende nähert. Die Auswertung der Daten kann außerdem Aufschluss über mögliches Verbesserungspotenzial der Anlage geben oder die Wartungszyklen exakter bestimmen.

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Video: Zustandsüberwachung bei Volkswagen

Condition Monitoring im Einsatz bei VW. - Inhalt: Siemens

Herausforderungen im Condition Monitoring

In einer typischen Anlage sind heute Maschinen und Komponenten unterschiedlicher Altersklassen zu finden. In vielen Fällen stammen die ältesten Maschinen aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Solche Brownfield-Anlagen nachzurüsten, also einem Retrofit zu unterziehen, ist eine der größten Herausforderungen beim Condition Monitoring. Während moderne, aktuelle Maschinen in aller Regel schon vom Originalhersteller ab Werk mit der nötigen Sensorik ausgestattet werden, muss dies bei diesen betagteren Assets im Nachgang geschehen. Hier ist auch zu entscheiden: Muss wirklich die komplette Anlage überwacht werden oder ist eine Überwachung bestimmter Risikofaktoren ausreichend.

Dabei ist darauf zu achten, was der Betreiber zu messen gedenkt und wo entsprechend welche Sensoren angebracht werden müssen. Dazu kommen meist Schwierigkeiten bei der Stromversorgung der Sensoren und der Weiterleitung der Signale, denn nicht immer können problemlos Leitungen gezogen werden. Auch kabellose Datenübermittlung ist in industriellen Umgebungen nicht ohne. Inzwischen arbeiten viele Sensorik-Spezialisten an Messgeräten mit Energy-Harvestern und spezieller kabelloser Übertragungstechnik.

Auch der verfügbare Platz spielt bei der Nachrüstung von Sensorik eine Rolle. Entwicklungen gehen hier inzwischen auch in Richtung Dünnschichttechnik oder nutzen beispielsweise Innenräume von Lagern und Rollen.

Auch wenn die Signale angegriffen und weitergeleitet werden können, müssen noch die gewünschten Zustands-Parameter aus den vorhandenen Daten extrahiert und vor allem analysiert werden. Die Erkennung von ‚Normal‘-Mustern und daraus resultierenden ‚Nicht-Normal‘-Mustern, die ein Problem anzeigen können, ist für erfolgreiches Condition Monitoring essenziell. Hier müssen Software und menschliche Experten aktuell noch intensiv zusammenarbeiten. In Zukunft soll aber für diese Aufgaben vermehrt Künstliche Intelligenz eingesetzt werden.

Eine nicht zu unterschätzende Herausforderung ist auch der Zugang zu den Daten moderner Maschinen. Nicht alle OEM sind bereit, den Nutzern uneingeschränkten oder ungefilterten, direkten Zugang zu diesen Daten zu gewähren.

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Welche Bestandteile hat ein Condition Monitoring System

  • Sensorik: Je nach dem als relevant identifizierten physikalischen Wert zum Beispiel Schwingungs-, Druck-, Bewegungs-, Feuchtigkeits-, Termperatur- oder Beschleunigungssensoren mit kabelgebundener, batterieelektrischer oder Harvester-basierter Stromversorgung.
  • Netzwerk: Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten Datenleitung oder ein drahtloses industrielles Netzwerk
  • CMS – Condition Monitoring System: Komplettes System von der Datenerfassung über die Monitoring-Systeme und den Router und den Server bis zu Datenspeicher und –auswertung und der Ausspielung auf Endgeräten.
  • Condition-Monitoring-Software: Spezialisierte Programme zur Speicherung und Auswertung der von den Sensoren gelieferten Daten. Früher ausschließlich On-Premise-Lösungen, heute meist als Cloud-Lösung verfügbar

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Nachrüst- und Retrofit-Lösungen

Wie bereits erwähnt, stellt sich die Frage nach Retrofit-Möglichkeiten im Sinne des Condition Monitoring hauptsächlich im Brownfield. Die Entwicklung speziell von Sensorik und Netzwerken hat in den letzten Jahren extrem Fahrt aufgenommen. Sensoren werden kleiner und autarker – sowohl was die Stromversorgung wie auch die Datenübertragung betrifft. Für die Planung einer Retrofit-Lösung ist es wichtig, im Vorfeld zu wissen, welche Größen der Anlage überwacht werden sollen, an welchen Stellen, mit welcher Genauigkeit und in welchen zeitlichen Abfolgen die Daten benötigt werden. Es sind Fälle denkbar, in denen magnetisch haftende Sensoren mit Batterieversorgung und geringer Funkreichweite durchaus ausreichen. In anderen Fällen, wenn es sich beispielsweise nicht um reine Maschinenüberwachung sondern um Prozessüberwachung handelt, können die Anforderungen andere sein.

Auch die Fähigkeiten des Personals sind nicht außer Acht zu lassen. Ist die Condition-Monitoring-Kompetenz im eigenen Haus nicht vorhanden oder kann nicht nachgeschult werden, sind externe Anbieter eine Alternative.

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CM als Grundlage für Predictive Maintenance

Ohne Condition Monitoring keine Predictive Maintenance. Da das Ziel der vorausschauenden Instandhaltung ist, den Zeitpunkt einer nötigen Wartung möglichst exakt vorherzusagen, sind die Echtzeitdaten aus der Anlage und ihre Entwicklung über die Zeit das Sine-Qua-Non-Kriterium dafür. Sprich: Ohne den aktuellen Zustand der Anlage mit dem der Vergangenheit vergleichen zu können, sind Vorhersagen für den optimalen Wartungs- oder Reparaturzeitpunkt nicht möglich.

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Predictive Maintenance - der große Überblick

Predictive Maintenance - Bild: krunja/stock.adobe.com

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Zum Themenüberblick PREDICTIVE MAINTENANCE.

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