Zustandsüberwachung

Das Konzept des Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) basiert auf einer regelmäßigen oder permanenten Erfassung des Maschinenzustandes durch Messung und Analyse aussagefähiger physikalischer Größen (Schwingungen, Temperaturen, Lage/Näherung etc.). Das Condition Monitoring verfolgt zwei Ziele: A) Sicherheit und B) Maschineneffizienz. Es ist vergleichbar mit Structural Health Monitoring bei statischen Bauteilen.

Zu A) Basierend auf den ggf. in Echtzeit analysierten Sensordaten kann ein verlässliches und sehr schnell reagierendes Sicherheitssystem (Notabschaltung, engl. „Trip“) realisiert werden. Im Vergleich dazu sind bisherige Systeme (z. B. einfache Schwingungssensoren („Earthquake“-Switches)) in aller Regel unpräziser und liefern anschließend keinen Beitrag zur Aufklärung der Schadensursachen. Online-Condition-Monitoring (kontinuierliche Zusandsüberwachung)ermöglicht eine Notabschaltung aufgrund der analysierten und gespeicherten Daten – und somit eine anschließende Analyse über den Störfaktor.

Zu B) Die Überwachung des Maschinenzustands ist die zwingende Voraussetzung für eine „Zustandsorientierte Instandhaltung“. Diese Strategie löst die bisher übliche "reaktive" oder „präventive“ Instandhaltung ab. Bei der Letztgenannten wurden in festen Zeitabständen die betreffende Maschine heruntergefahren und Bauteile überprüft bzw. ausgetauscht. Diese Art der Maschinenwartung führte häufig dazu, daß intakte Bauteile ausgetauscht und vorhandene „Restlaufzeiten“ somit verschenkt wurden.

Moderne CM-Systeme stellen höchste Anforderungen an Sensorik, Messdatenerfassung, -weiterleitung und automatische -verarbeitung (Analyse, Diagnose) sowie anlagenspezifische Kenntnisse. Es bietet jedoch auch das größte Potential zur Kosteneinsparung, da die Lebensdauer kritischer Maschinenelemente praktisch vollständig ausgenutzt werden kann und gleichzeitig nötige Instandsetzungsmaßnahmen in Abstimmung mit dem Produktionsplan terminiert werden können.

Die zustandsorientierte Instandhaltung als Querschnittsfach aus den Gebieten Mechanik, Akustik, Systemtheorie, Elektronik und Informatik ist kein „fertig erforschter“ Wissenschaftszweig, sondern befindet sich in einer raschen Entwicklung. Insbesondere bei der Überwachung einzelner Komponenten kann sie jedoch bereits heute sehr treffsicher sein. Bei komplexen Anlagen wird sie aber zunehmend unschärfer, da sich mit steigender Anlagenkomplexität einer immer größere Anzahl von Signalen verschiedenster Herkunft überlagert. Hier erweisen sich reine Expertensysteme als einzig professionelle Lösung für die Überwachung kritischer Maschinen. Diese speziell für einen Maschinentyp entwickelten Systeme bieten - je nach Ausbaustufe - maximalen Schutz für Mensch, Umwelt und Maschine sowie die maximale Nutzung der Bauteil-Lebenszyklen.

Ein weiteres Manko war bisher auch oft das Fehlen geeigneter Sensoren, um Signale direkt in den Verschleiß- bzw. Schädigungszonen aufnehmen zu können. Hier vermag in Zukunft vielleicht die Mikrosystemtechnik Abhilfe zu schaffen, z. B. durch Sensoren in Dünnschichttechnik, die direkt auf der zu überwachenden Struktur angebracht werden können.

Die Herausforderungen dieser Strategie sind zu sehen in:

• der Suche nach geeigneten Messstellen und Sensoren,
• dem Finden aussagekräftiger Parameter (Zustandsgrößen) für die Schädigung der interessierenden Komponenten,
• der gezielten Anwendung von Signalanalyse und Mustererkennung,
• sowie der enormen Datenflut.

Oder um es in einem Satz zusammenzufassen: „Was muss wann wo, wie und womit überwacht werden?“

Was Condition-Monitoring NICHT kann:

• Erkennen und Vermeiden von spontanen Ausfällen wie z. B. Ermüdungsbruch einer Welle

In diesem Zusammenhang muß darauf hingewiesen werden, dass schnelle Abschaltsysteme helfen, kostenintensive Folgeschäden von Spontanausfällen zu vermeiden. Dies bedeutet, dass die Maschine innerhalb weniger Millisekunden nach dem Schaden abgefahren wird. Die Erfahrung zeigt, daß die Konsequenzen aus dem Weiterfahren schadhafter Maschinen idR umfangreicher sind als der eigentliche Initialdefekt.

Teilschritte der Zustandsüberwachung

Die Zustandsüberwachung setzt sich aus mehreren Teilschritten zusammen:

1. Zustandserfassung: Die Zustandserfassung ist die Messung und Dokumentation von Maschinenparametern, die den aktuellen Zustand des Produktionsmittels (oder des Bearbeitungsprozesses) widerspiegeln.

2. Zustandsvergleich: Der Zustandsvergleich stellt den Vergleich des Istzustandes mit einem vorgegebenen Referenzwert dar. Dieser Referenzwert kann sowohl ein einzuhaltender Sollwert als auch ein nicht zu überschreitender Grenzwert sein. Der Sollwert wird je nach untersuchtem Parameter entweder bei der Maschinenabnahme ermittelt oder durch vorgegebene Größen festgelegt. Grenzwerte werden meist vom Hersteller oder Anwender der Maschine empirisch ermittelt.

Zustandserfassung und Zustandsvergleich entsprechen im Wesentlichen der Inspektion nach DIN 31051.

3. Diagnose: Es ist die Aufgabe der Diagnose anhand der Resultate des Zustandsvergleichs eventuell vorhandene Fehler möglichst früh zu lokalisieren und deren Ursache(n) zu ermitteln, um notwendige Instandhaltungsmaßnahmen beizeiten planen zu können.

Inspektionsabfolge

Zustandsüberwachungssysteme lassen sich nach der Inspektionsabfolge einteilen. Die Inspektionen können entweder intermittierend oder kontinuierlich erfolgen.

Intermittierende Überwachung kann in regelmäßigen oder variablen Zeitabständen stattfinden. Damit lassen sich naturgemäß nur zu den Inspektionszeitpunkten Zustandsinformationen erfassen. Langfristige Entwicklungen sind somit zwar feststellbar, kurzfristig eintretende oder transiente Ereignisse können jedoch nicht detektiert werden. Die Inspektionsintervalle werden entweder vom Hersteller vorgegeben oder müssen anhand eigener Versuche/Erfahrungen festgelegt werden. Ein Vorteil der intermittierenden Überwachung ist die Möglichkeit des Einsatzes mobiler Messgeräte, was gegenüber der vollständigen messtechnischen Instrumentierung aller zu überwachenden Maschinen natürlich Einsparungen bringt.

Kontinuierliche (permanente) Überwachungssysteme erfassen ständig und in Echtzeit die Maschinenparameter. Dadurch werden sowohl langfristige Trends als auch sprunghafte oder transiente Zustandsänderungen erfasst und lückenlos dokumentiert. Der Aufwand für derartige Systeme ist – insbesondere von der Messdatenverwaltung her – ungleich höher als bei intermittierenden Systemen. Dieser Mehraufwand ist nur gerechtfertigt, wenn höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit der überwachten Anlage gestellt werden, z. B. bei Turbinen und Generatoren in Kraftwerken. Bei der Überwachung von Bearbeitungsprozessen, wie z. B. der Werkzeugbruchüberwachung, sind kontinuierlich arbeitende Systeme oftmals auch unumgänglich.

Über die diagnostischen Fähigkeiten eines Überwachungssystems sagt die Unterteilung in intermittierend und kontinuierlich jedoch nichts aus.

Prozessüberwachung und Maschinenüberwachung

Bei der Zustandsüberwachung ist zu unterscheiden zwischen Prozessüberwachung und Maschinenüberwachung. Die Prozessüberwachung zielt dabei auf die Güte des Bearbeitungsprozesses ab; wichtigstes Anwendungsbeispiel ist die Werkzeugüberwachung beim Zerspanen. Wohingegen die Maschinenüberwachung den Schutz der Maschine und ihrer Komponenten zum Ziel hat.

Grundsätzlich ähneln sich die Strategien und Werkzeuge in beiden Überwachungsfeldern. Häufig können auch dieselben Sensoren und Signalverarbeitungsmechanismen eingesetzt werden. Der signifikante Unterschied liegt jedoch darin, dass bei der Maschinenüberwachung das Verhalten der Maschinenstruktur die Signalquelle ist – dies bei der Prozessüberwachung als Übertragungsstrecke zwischen Prozess-Signal und Sensor aber eine Störung darstellt. Treten Eigenschaftsänderungen in der Maschinenstruktur auf, z. B. durch Verschleiß von Bauteilen, so stellt dies für die Maschinenüberwachung ein zu detektierendes Ereignis dar. Für die Prozessüberwachung hingegen führt diese Veränderung der Übertragungsstrecke zu einer Signaländerung, die gar nicht vom Bearbeitungsprozess herrührt.

Weiterhin werden bei der Prozessüberwachung die Signale der prozessbedingten Anregung des Systems Werkzeug-Maschine erfasst. Für die Maschinenüberwachung sind die Prozess-Signale aufgrund ihrer Dominanz jedoch als Störung aufzufassen, sodass hier eine Anregung der Maschinenstruktur zur Systemidentifikation außerhalb des Bearbeitungsprozesses erfolgen muss.