Anwendungsfall für die Produzierende Industrie
Condition Monitoring
Permanente Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen durch kontinuierliche Zustandsüberwachung.
Typische Probleme in der Fertigung
Die Überwachung des Verschleißes an Komponenten einer einzelnen Maschine, Anlage oder in einer komplexen Fertigungsstraße oder Produktionslinie stellt eine große Herausforderung in der Industrie dar. Betroffen sind beispielsweise Komponenten und bewegliche Bauteile, wie Motoren, Getriebe, Stellglieder, hydraulische und pneumatische Zylinder sowie optische Sensoren oder Kameras. Selbst Rollen, Lager, Ketten und Riemen wie auch Flüssigkeitsstände, Filter, elektrische Kontakte und Kabelverbindungen werden durch den Produktionsbetrieb in Anspruch genommen. Die unterschiedliche Abnutzung der Teile wird durch verschieden starke Beanspruchung hervorgerufen und wirkt sich wiederum auf deren Lebensdauer aus. Zudem sind die Betriebszeit bzw. Einsatzzeit, Umgebungsbedingungen, wie bspw. Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Staub sowie die Häufigkeit der Wartung und Instandhaltung weitere Einflussfaktoren für die Belastung einzelner Teile.
Störungen und Ausfälle bzw. das Versagen einer Komponente oder nur eines einzelnen Elements darin führen zum Stillstand der Maschine, eines Systems oder der gesamten Anlage. Die Folgen der Unterbrechung des gesamten Fertigungsprozesses sind zumeist schwerwiegend und verursachen im Extremfall nicht nur materielle Schäden. Neben erhöhten Kosten für Stillstandszeiten, Produktionsausfälle oder Ausschussteile, können auch Lieferverzug mit Verzugsstrafen anfallen oder Auftrags- und Kundenverlust drohen. Die Fehlersuche und Identifikation der defekten Teile erfolgt dann unter Zeitdruck und ist meist schwierig und aufwendig. Nicht bevorratete Ersatzteile haben zudem eine Lieferzeit. Auch externe Service-Techniker benötigen eine Anfahrtszeit und sind eventuell nicht sofort verfügbar.
Doch wie kann diesem Zustand begegnet werden?
Condition Monitoring mithilfe von IIoT-Technologien
IIoT-Technologien bieten eine zuverlässige und nachrüstbare Lösung für das Condition Monitoring. Dabei werden für die Funktion der Anlage kritische oder mit hohen Verschleiß behaftete Komponenten und Bauteile mit Sensoren und Messgebern ausgestattet. Bei einer Neuanlage können die Sensoren optimal eingeplant werden, aber selbst bei der Nachrüstung bzw. im Retrofit ist eine Ausstattung mit Sensoren meist einfach möglich. Diese Sensoren werden auf der Feldebene einer Maschine oder einer ganzen Produktionsanlage über das Internet of Things vernetzt. Die kontinuierliche Datenerhebung, Datenspeicherung und Auswertung zur Zustandsüberwachung der Maschinen erfolgt über ein intelligentes Softwaretool bzw. geeigneter Condition Monitoring Software, wie z. B. dem Baustein Collect der IIoT Building Blocks.
Ein solches System kann direkt auf der Maschinensteuerung installiert werden. Alternativ können Daten über das Netzwerk. z. B. über den Schnittstellenstandard OPC UA gesammelt werden oder das System kommuniziert über das offene Netzwerkprotokoll MQTT direkt mit der Cloud. Dabei werden große Datenmengen hinsichtlich der Funktionalität einzelner Elemente und Komponenten erfasst sowie weitere Messwerte gespeichert. Die Erfassung relevanter Werte, Messgrößen und Zustandsdaten, insbesondere auch solcher, die kurz vor einem Ausfall auftreten können, z. B. Schwingungen, Geräusche, Stromverbrauch etc. sind dabei besonders von Bedeutung. Jedoch kann selbst die Speicherung von großen Mengen hochfrequenter Daten, mit bspw. Abtastraten von 1, 2 oder 4 ms, mit der richtigen Software sichergestellt werden, sodass die Performance der Maschinensteuerungen sowie die Leistungsfähigkeit des Produktionsprozesses nicht beeinträchtigt werden. Dies kann bspw. durch die Verwendung einer Edge Cloud sichergestellt werden.
Für das Condition Monitoring mithilfe eines IIoT-Systems können auch heterogene Systeme, also Maschinen unterschiedlicher Bearbeitungsstufen und Generationen, auf dem Shopfloor vernetzt werden. Damit erfolgt ein wichtiger erster Schritt auf dem Weg zur Digitalisierung der Produktion. Zudem muss eine zeitliche Synchronisation der unterschiedlichen Maschinendaten geschehen, damit eine Vergleichbarkeit und Aussagekraft sichergestellt werden und Abhängigkeiten erkannt werden können. Es bedarf deshalb einer Aufbereitung der gesammelten Rohdaten und es genügt nicht, einfach nur Daten zu sammeln. Diesen Schritt kann ein geeignetes Softwaretool übernehmen. Die beiden Module Data Collector und Collector App unterstützen in diesem Prozess des Datenerhebens und bieten nicht nur eine Anwendung, die variabel für unterschiedliche Maschinen eingesetzt werden kann, sondern auch einfach in der Bedienung ist.
Nach dem Sammeln der Daten erfolgt die strukturierte Auswertung. Auch und gerade hier bietet eine intelligente IIoT-Anwendung einfache Lösungen. Diese unterstützen bspw. bei der Erkennung von Abweichungen oder Einstellung vordefinierter Warn- und Fehlergrenzen bzw. Alarmierungsmechanismen für Messwerte und Maschinendaten, wie z. B. Temperatur, Geschwindigkeit, Drehzahl oder Taktzeit. Auf Basis dieser intelligenten Überwachung können Aussagen über die Verfügbarkeit, den Status und Zustand der Anlage oder zur Identifikation von Fehlerquellen getroffen und visuell dargestellt werden.
Das Condition Monitoring sowie die Visualisierung der gewünschten Status- und Zustandsinformationen erfolgen in Echtzeit. Auswertungen können auf individuell konfigurierbaren, übersichtlichen Dashboards mithilfe von Open-Source-Lösungen, z. B. Grafana, dargestellt werden. Selbstverständlich kann die Visualisierung für den Anwender auch auf dessen mobilem Smart Device erfolgen. Die Möglichkeiten der Software sind fast unbegrenzt und die Umsetzung kann entsprechend der individuellen Anforderungen erfolgen.
Vorteile durch Condition Monitoring
Mit Condition Monitoring erfolgt eine permanente und kontinuierliche Zustandsüberwachung von Maschinen und Systemen in Echtzeit. Bei Versagen oder drohenden Ausfällen einzelner Komponenten wird sofort eine Meldung abgegeben, noch bevor die Anlage stehen bleibt oder ein weiterer Schaden entsteht. Die Qualität der produzierten Teile bleibt damit sichergestellt, selbst unerkannte Mängel werden ausgeschlossen.
Durch Condition Monitoring können zudem Fehlerquellen frühzeitig erkannt und beseitigt werden. Eine Diagnosefunktionalität auf Basis der Sensordaten macht eine eindeutige Identifikation der Fehlerursache bzw. Fehlerquelle möglich. Die defekte Komponente kann gezielt ausgetauscht werden, womit kürzere Stillstandszeiten und damit geringere Folgekosten entstehen. Möglicherweise kann sogar ein hausinterner Techniker den Schaden zügig beheben, ohne dass ein teurer Service-Techniker eines externen Unternehmens beauftragt werden muss.
Als weiteres Einsatzgebiet kann Condition Monitoring auch bei Entscheidungen zur wirkungsvollen Ersatzteilbevorratung unterstützen. Die gewonnene Datengrundlage dient zur Entwicklung von Strategien zur Wartung und Planung, selbst vorausschauende Instandhaltung wird durch Einsatz von Methoden des Machine Learnings möglich. Mit dem Einsatz von Condition Monitoring Software legen Sie die Grundlage für ein breites Spektrum weiterer interessanter Anwendungsfälle.
Probieren Sie es selbst aus und sammeln Sie erste Daten und Erfahrungen mit dem Baustein Collect der IIoT Building Blocks.
Was ist Condition Monitoring?
Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) steht für die kontinuierliche Kontrolle des Zustands von Maschinen bzw. Prozessen mit Hilfe von Sensordaten oder anderen Signalen. Die Erfassung und Analyse physikalischer Größen (z. B. Schwingung, Temperatur) mittels geeigneter Software ermöglicht es, Abweichungen frühzeitig zu erkennen. Durch den permanenten Vergleich von Istwerten mit bekannten Referenzwerten hat Condition Monitoring das Ziel, die Sicherheit und Verfügbarkeit von Maschinen zu gewährleisten. Condition Monitoring ist zudem eine Voraussetzung für Predictive Maintenance (vorausschauende Instandhaltung).
Ihr Ansprechpartner
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Wolfram Schäfer
Tel.: +49 (0) 7127 / 92 31-0
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