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?

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) 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).

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, 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 den rich­ti­gen Sys­te­men 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 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 Con­di­ti­on Moni­to­ring 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.

Ihr Ansprech­part­ner

Möch­ten Sie nähe­re Infor­ma­tio­nen oder Bera­tung zu Con­di­ti­on Moni­to­ring in Ihrem Unter­neh­men?
Wir ste­hen für Ihre Fra­gen ger­ne zur Verfügung.

Wolf­ram Schä­fer
Tel.: +49 (0) 7127 / 92 31–0
E‑Mail: wolfram.schaefer@ite-si.de

Bild von Wolfram Schäfer, Geschäftsführer iT Engineering Software Innovations GmbH

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