Seit Beginn der Industrialisierung folgt die Instandhaltung von Maschinen dem Prinzip von Prävention und Reaktion. Die Wartung richtet sich präventiv nach Zeitintervallen, oder sie erfolgt reaktiv nach dem Ausfall einer Komponente. Wenn diese Komponente aber kritisch für die Gesamtanlage ist, steht die Produktion still. Angesichts der Verluste, die dadurch entstehen, sind die Kosten für Reparaturen und Ersatzteile meist nebensächlich. Schon der Ausfall eines Nebenaggregats wie eines Motors, eines Lüfters oder einer Pumpe kann folgenschwere Auswirkungen haben. An dieser Stelle setzt das Condition Monitoring an: Es liefert den Betreibern von Produktionsanlagen kontinuierlich Informationen zum Zustand ihrer Maschinenkomponenten. Auf diese Weise lässt sich das Prinzip umkehren und eine vorausschauende Wartung wird möglich. Schaeffler hat neue Lösungen entwickelt, mit denen bei relativ geringem Aufwand solche vorausschauenden Konzepte umgesetzt werden können.
Häufig kann schon eine relativ einfache Überwachung von Nebenaggregaten zu einer höheren Betriebssicherheit beitragen. Deswegen hat Schaeffler unter dem Produktnamen FAG SmartQB eine betriebsfertige Überwachungslösung für Elektromotoren, Pumpen und Lüfter entwickelt. Sie umfasst eine an das zu überwachende Aggregat anzubringende Sensoreinheit, die Signalaufbereitungs- und Auswertungselektronik sowie ein Touch-Panel für die Bedienung. Der FAG SmartQB erfasst die Schwingungsdaten einer Maschine und ermittelt Veränderungen in den Schwingungsmustern. Auf dieser Grundlage ordnet er Fehlerursachen wie Lagerschäden, Unwuchten, Ausrichtfehler oder auffällige Temperaturanstiege automatisiert zu und gibt über das Display Handlungsempfehlungen aus, so dass die Instandhalter keine Vorkenntnisse benötigen.
Das Messen von Schwingungen eignet sich besonders gut für die Zustandsbeschreibung von Maschinen und Anlagen, weil die meisten Fehler und Schäden dazu führen, dass sich das Schwingungsverhalten verändert. Die Änderung ist relativ einfach mit einer von außen angebrachten Sensorik zu messen, weil die Schwingungen vom Inneren einer Maschine über Körperschall auf die Struktur übertragen werden. Die Schwingungsdiagnose ermöglicht es zudem, die Stärke eines Schadens präzise zu qualifizieren und den Ort genau zu lokalisieren.
Schwingung im Blick
Der FAG SmartQB misst die Schwingungen mit bis zu sechs FAG-SmartCheck-Modulen. Sie basieren auf einer Piezokeramik, die beim Zusammendrücken oder Entspannen eine sehr kleine elektrische Spannungsänderung bewirkt. Diese zeitlichen Änderungen werden mittels FFT (Fast Fourier Transformation) in den Frequenzbereich transformiert. Auf diese Weise können die Sensoren im Lernmodus das Frequenzspektrum einer Maschine erfassen – bei drehzahlkonstanten Maschinen für deren spezifische Drehzahl, bei drehzahlvariablen Aggregaten für mehrere Drehzahlbereiche. Danach errechnet das System Kennwerte für spezielle Frequenzbänder, die für die jeweilige Maschine und Drehzahl besonders relevant sind, und beobachtet diese über die Zeit. Werden Abweichungen von diesen Kennwerten ermittelt, dann wertet der Controller diese aus und ermittelt automatisiert Handlungsempfehlungen, die dazu beitragen können, kritische Betriebssituationen zu vermeiden – etwa, indem zusätzliches Schmiermittel verwendet wird. Neben der Schwingungsmessung eignen sich auch andere Parameter zur Zustandsbeschreibung von Maschinen, etwa die Temperatur oder das Drehmoment, mit dessen Messung die Antriebsmomente und die Belastungen auf der Welle bestimmt werden können. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn Antriebselemente vor Überlastung geschützt werden müssen oder wenn das Drehmoment eine wichtige Rolle im Produktionsprozess spielt.
Bei alledem ist aber auch klar: Das automatisierte Condition Monitoring ist zwar der Einstieg in die Smart Factory, eignet sich aber derzeit nur für einfache Maschinen und Nebenaggregate. In komplizierteren Fällen und bei komplexeren Maschinen und Anlagen ist weiterhin Expertenwissen gefragt. Deswegen betreibt Schaeffler ein Online-Monitoring-Center, in dem mehr als ein Dutzend nach DIN ISO 18436 bis auf Expertenebene geschulte Berater Empfehlungen geben, die sie unter anderem auf Grundlage von online übermittelten Schwingungsdaten erstellen. Diese Daten werden von onlinefähigen Überwachungssystemen wie dem FAG SmartCheck erfasst, zum Standort nach Herzogenrath gesendet und dort von den Experten analysiert.
Instandhaltung 4.0
In Zukunft wird es möglich sein, die von den Überwachungssystemen gewonnenen Daten zu Schwingungsmustern und anderen Parametern mit der Anlagensteuerung zu verbinden und daraus ein anlagenbezogenes Systembild für eine Predictive Maintenance zu erstellen. Mit der Werkzeugmaschine 4.0 hat Schaeffler im vergangenen Jahr im Werk Höchstadt ein solches Anlagenkonzept bereits in Betrieb genommen. Das Systembild der Anlagen kann an cloudbasierte Analyseprogramme wie die Schaeffler Service Cloud übermittelt werden, um beispielsweise die Restlebensdauer von Komponenten unter Realbedingungen zu errechnen oder die Wartungsintervalle bedarfsgerecht zu ermitteln. Mit einem Internetzugang oder per App können die Betreiber und Instandhalter dann weltweit auf diese Informationen zugreifen. Die Smart Factory wird damit Realität.
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