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]](https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=564x1024:format=jpg/path/s7048c75d0d1f9fd4/image/i6b10ac7114fdd9f7/version/1477560818/kosten-nutzen-analyse-anlagenaudit-zuverl%C3%A4ssigkeits-und-gef%C3%A4hrungsaudit-auswahl-der-geeigneten-instandhaltungsstrategie-auswahl-der-%C3%BCberwachungsmethode-datenaufnahme-und-analyse-festlegung-der-instandhaltungsaktion-bewertung-nach-din-iso-17359.jpg)
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
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].
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]
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
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.
