Zustandsüberwachung So klappt die zustandsorientierte Instandhaltung mit kabellosen IIoT-Sensoren

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Die Instandhaltung von Anlagen verändert sich rasant. Denn mit kabellosen Zustandsüberwachungssensoren können Manager und Techniker von überall her Zugang zu Maschinendaten und Analyseergebnissen erhalten. Das ermöglicht schnelle Reaktionen auf kritische Maschinenzustände.

Während der Pandemie haben Firmen gelernt, dass es nicht immer möglich oder praktisch ist, Anlagen persönlich zu überwachen. Infolgedessen setzen Unternehmen zunehmend Sensoren zur Zustandsüberwachung aus der Ferne ein. Jüngste Fortschritte in der Technologie, sowohl bei der Hardware als auch bei der Software, ermöglichen es den Teams, Daten zum Maschinenzustand einzusehen und verwertbare Erkenntnisse über den Zustand der Anlagen zu gewinnen, egal wo sie sich befinden.

Mithilfe der heutigen Technologie für Hochgeschwindigkeitskonnektivität überwachen kabellose Zustandsüberwachungssensoren Anlagen auf konkrete Attribute und verwenden cloudbasierte Instandhaltungssoftware, um sofortige Alarme zu schlagen, wenn sich der Zustand einer Maschine ändert oder bestimmte Schwellenwerte überschritten werden. Diese Warnmeldungen und Dashboards erlauben es den Instandhaltungsteams, den Maschinenzustand vom Büro aus, bei einem Rundgang durch die Anlage oder sogar von zu Hause aus im Auge zu behalten.

In vielen Anlagen hat das Aufkommen kabelloser Sensoren auch dazu geführt, dass die Instandhalter nicht mehr so viele Wege zurücklegen müssen. Insbesondere mit Zustandsüberwachungssensoren, die an potenziell gefährlichen oder schwer zugänglichen Stellen in einer Anlage platziert werden, kann die Sicherheit verbessert werden, da das Instandhaltungspersonal nicht mehr so oft ausgeschickt werden muss. Die Automatisierung der Datenerfassung ersetzt nicht die Instandhaltungsmitarbeiter, sondern ermöglicht es ihnen, ihre Arbeit zu optimieren, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Anlagen und zu messbaren Gewinnen führt, die wiederum zur Steigerung des Nettoprofits beitragen.

Einbindung kabelloser Sensoren

Traditionell wird die Instandhaltung anhand eines Kalenders durchgeführt, wobei davon ausgegangen wird, dass die Leistung einer Maschine mit zunehmendem Alter abnimmt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Eine kalenderbasierte Instandhaltung ist oft ineffizient und maximiert nicht die Lebensdauer einer Anlage.

Im Gegensatz dazu ist die zustandsorientierte Instandhaltung eine Praxis, die sich auf die Überwachung des Maschinenzustands stützt, um Instandhaltungsmaßnahmen im Voraus zu ermitteln und zu planen.

Die kabellose Sensortechnologie hat die Möglichkeiten der zustandsorientierten Instandhaltung erweitert. Erschwingliche Zustandsüberwachungssensoren und benutzerfreundliche Analysesoftware haben diese Instandhaltungspraxis für immer mehr Unternehmen zugänglich gemacht. Kabellose Sensoren sind heute in der Lage, den Zustand einer Vielzahl von Anlagen in unterschiedlichen Industriezweigen zu überwachen. Ein Bericht von Mordor Intelligence aus dem Jahr 2020 geht davon aus, dass der Markt für Zustandsüberwachungsgeräte damals bereits einen Wert von über 2,3 Milliarden Euro hatte, mit einem erwarteten jährlichen Wachstum von fast sechs Prozent bis 2026.

Inzwischen gibt es eine Reihe verschiedener Arten von Zustandsüberwachungssensoren. So sind Schwingungssensoren eine der erfolgreichsten Sensorarten. Denn die Schwingungen einer Maschine können wichtige Informationen über den Zustand der Maschine liefern. Durch die Überwachung von Maschinenschwingungen können Wartungsteams feststellen, wann eine Maschine übermäßige oder abnormale Schwingungsmuster aufweist. Abnormale Vibrationssignale können ein Anzeichen für potenzielle Fehler sein, einen vorzeitigen Verschleiß von Komponenten verursachen und schließlich die Lebensdauer von Anlagen verkürzen. Mit der Schwingungsüberwachung können Teams potenzielle Fehler frühzeitig erkennen und schnell handeln, bevor die Maschine ausfällt.

In einer Fabrikanlage ist es besonders wichtig, Fehlentwicklungen an kritischen Maschinen zu erkennen, und zwar so früh wie möglich. Je nach Kritikalität der Anlage können Wartungsteams einen Sensor wählen, der die Maschine kontinuierlich überwacht, oder einen, der in regelmäßigen Abständen überwacht.

Darüber hinaus können Teams durch die Aufzeichnung der Schwingungsdaten einer Maschine im Laufe der Zeit Einblicke in den Maschinenzustand gewinnen und ihre Instandhaltungsmaßnahmen anpassen, um die Betriebszeit der Anlage zu maximieren und ungeplante Ausfallzeiten zu vermeiden.

Forscher und Analyseexperten haben inzwischen damit begonnen, Schwingungsdaten zu verwenden, in dem Versuch, die verbleibende Nutzungsdauer verschiedener Anlagen zu berechnen.

Fortschritte bei der Batterietechnik für kabellose Sensoren

Kabellose Sensoren benötigen Strom, um Messungen durchzuführen und Daten an die Cloud zu senden. Daher werden sie in der Regel mit Batterien betrieben.

Je mehr Daten gesendet werden, desto schneller entleert sich die Batterie. Daher haben sich die Entwicklerteams kabelloser Sensoren auf die Suche nach Möglichkeiten gemacht, die Menge der gesendeten Daten zu reduzieren und so die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Dies erfordert eine intelligente Verwaltung der Datenübertragung.

Ein kabelloser Sensor kann beispielsweise eine Maschine analysieren und eine kurze Momentaufnahme der Daten senden, bevor er wieder inaktiv wird. Auf diese Weise können Techniker schnell und effektiv die regelmäßige Leistung eines Geräts überwachen und feststellen, ob zusätzliche Messungen erforderlich sind oder weitere Maßnahmen ergriffen werden sollten. Auf diese Weise kann eine kurze Messung anzeigen, ob eine umfangreichere und längere Datenerhebung erforderlich ist.

Die Batterien heutiger Sensoren haben eine längere Lebensdauer und sind kleiner als die Batterien in Vorgängermodellen. Innovationen bei Batterien haben zu leichteren, leistungsfähigeren und preiswerteren Batterien geführt.

Energy Harvesting

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Energie kann auch von den Maschinen gewonnen werden

In einigen Fällen ist es möglich, ganz auf eine Batterie zu verzichten und die Energie aus den Vibrationen, der Wärme oder dem Licht einer Maschine zu gewinnen. Diese Innovation ist als Energy Harvesting bekannt und wird laut einer in der Fachzeitschrift Measurement im Jahr 2021 veröffentlichten Forschungsarbeit von einer Reihe von Branchenexperten als aufkommende Lösung für das Problem der Batterieausfälle in Zustandsüberwachungssensoren angesehen.

Mit thermoelektrischen Generatoren (kurz: TEG) ausgestattete Sensoren gewinnen Energie aus der von den Motoren erzeugten Wärme und können ohne die Einschränkungen einer Batterie arbeiten. Stattdessen verfügen sie über ein Überbrückungskabel, das als eigene Zapfsäule fungiert – sie werden bei Bedarf mit Energie versorgt, ohne dass Größe und Gewicht durch eine Batterie zunehmen.

Durch das Entfernen der Batterien können die Sensoren nicht nur kleiner und leichter gestaltet werden, sondern auch vielseitiger. Bei Sensoren, die mit Batterien ausgestattet sind, gibt es zwei Probleme:

• Durch die Batterien werden die Sensoren größer und der Platzbedarf des Sensors schränkt die Anzahl der Standorte ein, an denen er angebracht werden kann.

• Der Frequenzgang des Sensors wird durch das zusätzliche Gewicht der Batterie beeinflusst, was die Resonanz der Maschine selbst beeinflussen kann.

Jedes Bauwerk hat eine Resonanz – wenn sie beeinträchtigt wird, kann dies erhebliche Auswirkungen auf die Leistung haben. Für bestimmte empfindliche Maschinen sind kleinere Sensoren ideal.

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Mit relevanten, umsetzbaren Daten auf dem Laufenden bleiben

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Art der benötigten Schwingungsdaten. Hochfrequenz-Spektraldaten sind wichtig, und ein Abschirmungssensor, der mit einem Energy Harvester verbunden ist, kann nur eine bestimmte Energiemenge erfassen.

Es gibt einen Punkt, an dem die Art der Daten die Größe und den Energiebedarf des Sensors bestimmt. Mit Harvestern ausgestattete Sensoren sind möglicherweise nicht in der Lage, intensivere und detailliertere Arten der Datenerfassung durchzuführen, die viel Energie erfordern. Diese Sensoren eignen sich zwar gut für Screenings und haben genug Energie für schnelle Momentaufnahmen der Schwingungen, sind aber möglicherweise nicht die richtige Wahl, wenn detailliertere Daten benötigt werden.

Größere Sensoren nehmen mehrmals am Tag vollständige Spektraldaten auf. Einige Sensoren erfassen Screening-Daten, mit denen festgestellt werden kann, ob ein Problem vorliegt. Fortschrittlichere Sensoren nehmen hingegen Analysedaten auf, die viel umfangreicher sind und Muster zur Identifizierung von Fehlern untersuchen.

Die Art der Daten, die für jede Anlage erforderlich sind, hängt davon ab, wie wichtig diese für eine Organisation ist. Unabhängig von der Art der erfassten Schwingungsdaten können diese mit anderen Instrumenten – wie Ölanalyse, Thermografie oder Leistungsüberwachung – als Teil eines vollständigen Wartungsprogramms kombiniert werden.

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Nutzung der zustandsorientierten Instandhaltungsstrategie mit Schwingungsanalyse

Bei der Schwingungsanalyse werden die Schwingungsdaten einer Maschine verwendet, um potenzielle Fehler zu ermitteln. Dabei wird das Schwingungsniveau einer Maschine aufgezeichnet und die Abweichungen von der Norm quantifiziert. Die Analyse erfolgt durch Ermittlung der Art des Problems und der Ursache der Veränderung. Ein Teil der Schwingungsanalyse ist das Erkennen von Mustern. Es erfordert jedoch eine umfassende Ausbildung und Erfahrung, um alle notwendigen Muster zu erkennen.

Die Analysesoftware können aus den von den kabellosen Sensoren erfassten Daten beispielsweise Erkenntnisse gewinnen, Personen benachrichtigen und die Arbeitsaufträge erteilen können.

Sobald die Teams wissen, was die Ursache für abnormale oder übermäßige Vibrationen an einer Maschine ist, können sie die notwendigen Schritte und den Zeitrahmen für die Reparatur festlegen. Auf diese Weise können die Teams die Leistung ihrer Anlagen steigern und alle Ressourcen optimal nutzen.

Kabellose Sensoren sind einfach einzurichten und liefern genaue und zuverlässige Daten. Sie erfordern nur einen minimalen Wartungsaufwand und helfen so den Teams, ihre Effizienz zu steigern, ihre Instandhaltungskosten zu senken und die Lebensdauer und Betriebszeit der Anlagen zu erhöhen.

Die Anlage der Zukunft bedeutet, dass die Maschinen uns sagen können, was mit ihnen nicht stimmt – und die Wartungsteams können dadurch intelligenter und nicht härter arbeiten.

* John Bernet ist Spezialist für mechanische Anwendungen und Produkte bei Fluke Realiability.

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