Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) von Maschinen mit Antriebssträngen in der Industrie

Mit Hilfe von Zustandsüberwachung von Industrieanlagen (engl. machinery condition monitoring) soll deren Ausfall entgegengewirkt werden. Nötige Instand­setzungs­maßnahmen können so rechtzeitig eingeplant werden, bevor es zum plötzlichem und unerwarten Anlagen­ausfall – ggf. mit Produktions­still­stand – kommt.

Gleichzeitig können Condition-Monitoring-Techniken wirt­schaft­lich zur „zustands­orientierten Instand­haltung“ eingesetzt werden, denn diese verhindert unnötige Über­instand­haltung: vorzeitiger, vor­beugender Aus­tausch von Verschleiß­teilen, Bau­elementen oder ganzen Anlagen wird unnötig [1].

Kosten-Nutzen-Analyse, Anlagenaudit, Zuverlässigkeits- und Gefährungsaudit, Auswahl der geeigneten Instandhaltungsstrategie, Auswahl der Überwachungsmethode, Datenaufnahme und -analyse, Festlegung der Instandhaltungsaktion, Bewertung [nach DIN ISO 17359]
Gesamtkontext: Überblick über Ablaufplan einer Zustandsüberwachung [2]

Eine geeignete Anlagen­über­wachung lenkt daher den Blick auf die möglichen Schadens­ursachen [2]. Diese sind je nach zu über­wachender Anlage oder Einzel­komponente unterschiedlich. Geeignete Mess­parameter sind deshalb auf den jeweiligen Schädigungs­mechanismus abzustimmen.

Überwachte Parameter

DIN ISO 17359: Eignung von Überwachungsparametern (Temperatur, Druck, Förderhöhe, Kompressions-Verhältnis, Druck, Luftstrom, Kraftstofffluss, Fluidstrom, Strom, Spannung, Widerstand, Phase, Eingangsleistung, Ausgangsleistung, Geräusch, Schwingungen, ...)
Beispiele für Zustandsüberwachungs-Parameter, geordnet nach Maschinenarten [2, S. 18]

Nebenstehende Übersicht aus DIN ISO 17359 zeigt mögliche Zustands­über­wachungs-Parameter für Elektro­motoren, Dampf-, Flug- und Gas­turbinen, Pumpen, Kom­pres­soren, Generatoren, Verbren­nungs­motoren und Ventilatoren [1].

 

Diese Methoden sind nicht alle gleichermaßen geeignet: So mag man zwar mit einer Öl­analyse Verschleiß­partikel, die von einem sich abzeichnen­den Lager­schaden verursacht werden, nach­weisen; eine Rotor-Unwucht und die dadurch erhöhte Belastung des gesamten Antriebs wird allein durch Öl­analysen nicht aufgedeckt werden.

DIN ISO 17359 weist ausdrücklich darauf hin, dass mitunter die Messung von Gesamtwerten (insbesondere bei elektischem Stom, Spannung oder Schwingungen) nicht ausreicht, um zuverlässig auf Fehler schließen zu können [2]. Frequenz­selektive Techniken der Spektral­analyse oder Phasen­messungen werden dann eingesetzt. Auch weiter­gehende Auswertungs­techniken wie die Hüll­kurvenanalyse bei Schwingungs­messungen von Antriebssträngen werden genutzt.

Durchführung

Zustandsüberwachung kann durch automatisierte Messtechnik kontinuierlich („online“) erfolgen oder auch in regelmäßigen Intervallen manuell („offline“) durchgeführt werden [3]. Vor allem Online-Systeme werden auch als Condition-Monitoring-System bezeichnet, diese sind auch geeignet um rasche Schadens­ent­wicklungen zu erfassen. [5]

Während bei Neuanlagen zunehmend auch an preiswerteren Anlagen Sensorik verbaut wird, die relativ kostengünstige Online-Zustandsüberwachung ermöglicht, müssen Altanlagen ggf. aufwändig nachgerüstet werden. In vielen Fällen ist es dann wirtschaftlich auf permanente Überwachung zu verzichten und stattdessen in gewählten Abständen manuell Messungen durchzuführen. Diese Abstände orientieren sich neben der Bedeutung der Anlage vor allem daran, wie früh ein Schaden mit der gewählten Messtechnik erkannt werden kann und wie darüber hinaus der benötigte Zeitpuffer ist, z.B. um die nötigen Ersatzteile zu erhalten [5].

Praktische Anwendung

Je nach Bedeutung der zu über­wachenden Anlage für den Produktions­prozess, Sicherheits- oder Kosten­aspekte werden in der heutigen Praxis haupt­sächlich die folgenden Methoden kombiniert angewandt:

  • Visuelle Inspektion durch qualifiziertes Personal mit hoher Erfahrung
  • Überwachung von Prozess­parametern
  • Schwingungsdiagnose
  • Temperatur-Über­wachung über Sensoren oder Wärme­bild­kameras
  • Ölanalyse

Am häufigsten in der Industrie zur Zustands­über­wachung genutzt werden heute Infrarot-Thermo­grafie und Schwingungsdiagnose [4].

Optisches Bild und Wärmebild eines Elektromotors in Falschfarben (aufgenommen mit Flir-Wärmebildkamera)

Mit Hilfe von Wärmebildkameras können Ober­flächen­temperaturen selbst von bewegten Körpern – etwa Rotoren – quasi in Echtzeit visualisiert werden. Die Anschaffungs­kosten solcher Geräte sind in den letzten Jahren erheblich gesunken, wenngleich eine hoch­auf­lösende Kamera für Industrie­zwecke weiterhin eine erhebliche Investition darstellt. Um wirklich aussage­kräftige Wärme­bilder zu erhalten, ist unbedingt eine fach­gerechte Geräte­handhabung erforderlich [4].

Wärmebildkameras eignen sich insbesondere zur Bewertung elektrischer Systeme, die aus sicherem Abstand begutachtet werden können. Auch lassen sich eine ganze Reihe mechanischer Auffälligkeiten meist indirekt erfassen, zudem ist der Einsatz zur Prozessüberwachung, etwa bei Glas-, Papier-, Metall-, und Kunststoffherstellung oder -verarbeitung möglich. [5]

Auswertung von Schwingungsmessdaten am PC zur Diagnose des Anlagenzustands eines Industrie-Antriebs durch Spezialisten der Schwingungsdiagnose

Der Begriff Schwingungsdiagnose umfasst systematische Schwingungsmessung und deren qualifizierte Auswertung. Im engeren Sinn geht der Begriff damit über die reine Erfassung von Summenwerten und bloße Festlegung von Warn- und Alarmwerten hinaus. Typischerweise wird mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation (FFT) das Zeitsignal von gemessenem Körperschall in Frequenzspektren umgerechnet. In dieser Darstellungsform werden von geschulten Spezialisten Unregelmäßigkeiten erkannt. [4, 5, 6]

Diese frequenzselektive Analyse kann über relativ lange Zeiträume vor einem Anlagenausfall bereits Auffälligkeiten erkennen. Schädigungen an Wälzlagern sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit bloßem Auge sichtbar, verursachen aber bereits charakteristische Schwingungen – wenngleich noch äußerst geringer Amplitude. [7]

Die wesentlich einfachere Methode der breitbandigen Schwingungserfassung über einen Gesamtwert (meist als Effektivwert, engl. RMS) bietet dagegen nur eine sehr begrenzte Aussagekraft und Vorwarnzeit. Hier wird ausschließlich mit einer Trendanalyse gearbeitet, d.h. es werden Grenzwerte und ggf. ein Normalniveau definiert und das Signal damit verglichen. Ein Rückschluss, welche Bauteile beschädigt sind ist mit dieser Methodik nicht möglich. [7]

Potential

Hüllkurvenanalyse oder Stresswellenanalyse kann sowohl bei Schäden im Frühstadium als auch im Spätstadium erfolgreich eingesetzt werden. Sie ist somit leistungsfähiger als Ölanalyse, einfache Schwingungsanalyse und thermische Untersuchungsverfahren.
Das Potential fortschrittlicher Schwingungsanalyse mit der Hüllkurvenanalyse (Stresswellenanalyse) [8, S. 199]

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass die Analyse geeigneter Parameter den Aus­fall von Industrie­anlagen pro­gnos­ti­zie­ren kann. Von der Viel­zahl der in DIN ISO 17359 [2] oder VDI 2888 [1] (in beiden Fäl­len auch nur auszugs­weise) ge­nan­nten Kenn­werte bleiben nur wenige übrig, die breit für den Industrie­all­tag geeignet sind und Aus­sage­kraft haben. Neben­stehendes Diagramm stellt 3 Techniken dar, wobei die Schwingungs­analyse (Vibrations­analyse) hier zwar die fre­quenz­selektive Auswertung beinhaltet, noch nicht jedoch weiter fort­ge­schrit­tene Me­tho­den der Hüll­kurven­analye, die hier Stress­wellen­analyse genannt wird. [8]

Während thermische Methoden zumindest für mechanische Probleme erst in einem späten Schä­di­gungs­stadium warnen, bietet die Schwingungs­diagnose mit Auswertung von Frequenz­spektren bereits eine solide Grundlage für die meisten Industrie­anlagen, um recht­zeitig auf drohende Ausfälle aufmerksam gemacht zu werden. Insbesondere bei langsam laufenden Antrieben ist darüber hinaus eine regelmäßige Öl­analyse vielfach sinnvoll. Die Hüll­kurven­analyse bietet das weitest­gehende Potential, erfordert jedoch sowohl bezüglich Mess­technik als auch eingesetztem Personal (vgl. DIN ISO 18436 [9]) den höchsten Aufwand. Durch die lange Vor­warnzeit können jedoch oft Messintervalle herauf­gesetzt werden, ohne dass unerwartete Ausfälle zu befürchten sind.

Dienstleistungsangebot

I-Care bietet umfassende Dienstleistungen in Condition Monitoring an. Der Ursprung des Unter­nehmens liegt im Bereich Schwingungs­diagnose; hier werden weiterhin Messungen von Ingenieuren regelmäßig in den ver­schie­densten Industrie­branchen durchgeführt und ausgewertet. Zusätzlich sind weitere Systeme zur Online-Schwingungs­über­wachung und zur Fern­diagnose im welt­weiten Einsatz. Dazu gehört auch das 2014 vorgestellte, leistungs­starke Funk-Messsystem Wi-care. Zum Angebot gehört heute auch die Durch­führung von thermo­grafischen Unter­suchungen und Ölanalysen. Produkt­vertrieb/-verleih, Schulungen und individuelle Projekt­unter­stützung in diesen Bereichen runden das umfang­reiche Angebot ab.


[1] VDI 2888: Zustandsorientierte Instandhaltung (VDI-Richtlinie), 1999
[2] DIN ISO 17359: Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Allgemeine Anleitungen (ISO 17359:2011) (Deutsche Norm), 2011
[3] DIN EN 13306: Instandhaltung – Begriffe der Instandhaltung; Dreisprachige Fassung EN 13306:2010 (Deutsche Norm), 2010
[4] Schenk, M. (Hrsg.): Instandhaltung technischer Systeme. Methoden und Werkzeuge zur Gewähr­leistung eines sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetriebs. Heidelberg; New York : Springer, 2010
[5] DIN ISO 13373-1: Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Schwingungs-Zustandsüberwachung - Teil 1: Allgemeine Anleitungen (ISO 13373-1:2002) (Deutsche Norm), 2002
[6] DIN ISO 13373-2: Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Schwingungs-Zustandsüberwachung - Teil 2: Verarbeitung, Analyse und Darstellung von Schwingungsmesswerten (ISO 13373-2:2005) (Deutsche Norm), 2006
[7] Matyas, Kurt ; Brunner, F. J. (Hrsg.): Instandhaltungslogistik, Praxisreihe Qualitätswissen. 5. Aufl. München Wien : Carl Hanser, 2013
[8] Reichel, J. ; Müller, G. ; Mandelartz, J. (Hrsg.): Betriebliche Instandhaltung. Berlin, Heidelberg : Springer, 2009
[9] DIN ISO 18436-2: Zustandsüberwachung und -diagnostik von Maschinen - Anforderungen an die Qualifizierung und Bewertung von Personal - Teil 2: Schwingungszustandsüberwachung (ISO 18436-2.2:2012) (Deutsche Norm), 2014