Predictive Maintenance - das vorausschauende Wartungskonzept für Maschinen

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„Wer den Schaden hat, hätte rechtzeitig etwas dagegen tun können.“ Besser lässt sich der Hauptnutzen von Predictive Maintenance nicht beschreiben.Das Prinzip basiert auf 3 Säulen:1. Den Zustand eines „gesunden“ Systems perma-

nent zu überwachen, um Verschleiß oder Abwei-chungen vom Normalzustand frühzeitig zu erkennen - Fluid Condition Monitoring

2. Ist eine Abweichung erkannt, gilt es im einfachsten Fall nur eine Alarmierung, besser aber die Restlaufzeit einer Komponente oder eines Subsystems zu bestim-men und auszugeben – im Sinne von Industrie 4.0

3. Basierend auf diesem „Zustand“ der Anlage kann nun sicher ein kostspieliger Stillstand vermieden und eine kostengünstige Wartung geplant werden.

Ein solches „zustandsorientiertes“ Konzept schafft die Voraussetzungen dafür, dass nachteilige Veränderungen in Hydraulik- und Schmiersystemen frühzeitig erkannt und zeitnah Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. In nahezu allen fluidischen Systemen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, den Fluidzustand konsequent zu überwachen und dadurch unnötige Kosten zu sparen.

In Hydraulik- und Schmiersystemen tragen Reibung, Verschleiß, Leckagen und Übertemperaturen zum Eindringen von Verschmutzung in die Betriebsflüssigkeit bei. Dies können beispielsweise partikuläre Feststoffverschmutzung und Wasser sein. Diese Verschmutzungen, verursachen in der Folge Fehler in Komponenten, Subsystemen und letztendlich in der gesamten Anlage. Darüber hinaus bewirkt auch der normale Alterungsprozess des Fluids Leistungsverluste, die häufig zu Anlagenstil lstandszeiten führen. Um diese aufwendigen und kostspieligen Konsequenzen zu verhindern, ist die Überwachung des Zustands der Betriebsflüssigkeit von großer Bedeutung. Der Zustand

der Betriebsflüssigkeit ist mit einem „Fingerabdruck“ des gesamten Systemzustands vergleichbar. Systeme zum permanenten Überwachen von Fluiden (Online Fluid Condition Monitoring) werden in diesem Zusammenhang zu einem entscheidenden Systembaustein. Sie unterstützen sowohl Maschinenbetreiber als auch Hersteller in ihren Anstrengungen, die Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen, möglichst nur geplante Wartungen durchzuführen und somit die Gesamtkosten der Maschinen während ihrer Lebensdauer zu reduzieren. Für zahlreiche Produktionsbetriebe und im Flottenmanagement sind die auf Kosten basierenden Entscheidungskriterien für Neuinvestitionen nicht mehr nur die reinen Anschaffungskosten einer Maschine. Die sogenannten Life Cycle Cost (LCC), die Kosten über die gesamte Lebensdauer der Maschine, werden ebenso bewertet. Diese LCC beziehen neben den Anschaffungskosten auch die Kosten für Betrieb und Entsorgung in die Betrachtung mit ein. Dadurch können letztlich die tatsächlichen Gesamtstückkosten reduziert werden, um im globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Hinzu kommen bestimmte Kundenanforderungen, die sich im Laufe der Zeit geändert haben.Heutige Kundenanforderungen am Beispiel von mobilen Mining Flotten:

zHöhere Produktivität zGrößere Ausbruchkräfte zHöhere Leistungsfähigkeit

Um diese Nachfragen zu befriedigen, setzt die Industrie neben weiteren Maßnahmen verstärkt auf:

zElektrohydraulik zHöhere Systemdrücke zEngere Spaltmaße (inzwischen im ein- bis zweistelligen μ-Bereich)

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Predictive Maintenance -das vorausschauende Wartungskonzept für Maschinen

zKontinuierliche Überwachung des Maschinenparks über den Zustand des Fluids und der Fluidpflege-Komponenten

z Wichtiger Bestandteil eines vorausschauenden Wartungskonzepts

z Wartungsintervalle können bedarfsgerecht geplant werden

z Hilft Defekte und sich anbahnende Schäden rechtzeitig zu entdecken

Fluid Condition Monitoring auf einen Blick:

z Hilft außerplanmäßige Maschinenstillstände zu vermeiden

z Erhöht Verfügbarkeit, Sicherheit & Produktivität

z Steigerung des Wirkungsgrades, da Komponenten nicht mehr überdimensioniert werden müssen

z Ermöglicht im Zuge des Life Cycle Managements Kosten zu sparen

Eine unvermeidliche Nebenwirkung dieses Trends besteht darin, dass die Maschinen empfindlicher gegen Ölver-schmutzung werden. Werden die Reinheitsniveaus nicht kontrolliert und Verbesserungsmaßnahmen rechtzeitig getroffen, kann Verschleiß die Systemleistung schleichend vermindern. Manchmal kann die Systemleistungsfähigkeit um bis zu 20 % sinken, bevor der Maschinenbediener über-haupt ein Problem bemerkt.Dies kann durch den Einsatz von effizienten Fluid Condition Monitoring (FCM) Sensoren und Subsystemen verhindert werden. Diese erkennen die Abweichungen frühzeitig und ermöglichen dem Benutzer, vorausschauend und rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu treffen.

MarktforderungenDie heutigen Marktanforderungen an Produktionsmaschinen sind in Bild 1 dargestellt.Diese können sowohl für stationäre als auch für mobile Maschinen verallgemeinert werden. Zwei grundlegende Forderungen sind:

zunmittelbare Alarmierung bei schwerwiegenden Fehlern zdie Reduzierung der Produkt-Stückkosten (wobei „Produkt“ ein maschinell hergestelltes Teil oder eine geförderte Tonnage pro Stunde sein kann)

Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen die Maschinen konsequenterweise die Merkmale laut Bild 1 aufweisen.

Kundenanforderung Fluid-Zustandssensor

Alarm bei (fatalen) Fehlern Überwachung der zprojektierten Fluid-Betriebseigenschaften (Temperatur, Reinheit, etc.) z installierten Fluidpflege-Komponenten (Kühler, Filter, ect.)

Reduzierung der Stückkosten Reduzierung der Life Cycle Cost zAnschaffungskosten zBetriebskosten zEntsorgungskosten

Erhöhung der zVerfügbarkeit zSicherheit zEffizienz & Produktivität

Volle Ausnutzung der Lebensdauer kritischer Maschinenteile

Bild 1

Bild 2

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Ursache: Initial-Verschmutzung

Ursache: starke Verschmutzung des Fluids während des Betriebs

Ursache: Langzeitverschleiß

Betriebsdauer

Inbetrieb-nahmephase Gebrauchsphase Ermüdungsphase

Wartungs Timing: zu früh zu spätoptimal

Präventiv Zustandsorientiert Reaktiv

Wartungs Management Konzept:Gesamtkosten

Kosten geplanter Service

Kosten ungeplanter Service

Reaktive WartungVorbeugende WartungZustandsorientierte Wartung

Investition in Fluid Condition Monitoring

Kosten Produktions-

ausfall

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

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Bild 3

Heutige Marktanforderungen an Produktionsmaschinen

Typische Lebenslaufkurve eines fluidischen Systems Typische Wartungskostenverteilung der drei Systeme

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Zustandsorientiertes, vorausschauendes WartungskonzeptUm die oben genannten Forderungen zu erfüllen, muss ein geeignetes Wartungsmanagement-Konzept installiert werden. Weder ein „reaktives“ (Betrieb bis zum Ausfall) noch ein „prä-ventives“ (vorbeugend) Konzept minimiert die Gesamtkosten für Stillstand, Wartung und Komponentenaustausch (siehe Bild 3, Seite 3).Die Wahl muss ein „vorausschauendes” Konzept sein, das als einziges ermöglicht, die volle Lebensdauer aller kritischen Maschinenteile auszunutzen, indem es bereits den „Anstieg“ (das Optimum in Bild 2, Seite 3) einer beginnenden (Fluid-) Abweichung vom Normalzustand erkennt. Dies ist die Basis für eine wesentliche Betriebskostenreduzierung durch Wegfall bzw. Minimierung teurer und ungeplanter Wartungs- und Stillstandskosten. Sobald eine beginnende Abweichung festgestellt wird ist es möglich, die Restlebensdauer des entsprechenden Parameters oder der Komponente abzuschätzen und zur Weiterproduktion kontrolliert zu nutzen. Parallel können Ersatzteile beschafft und eine Wartung mit minimalen Kosten geplant werden.

Zur Verdeutlichung kann man Vor- und Nachteile unter-schiedlicher Wartungsmanagementkonzepte wie folgt unterscheiden:

zBeim reaktiven Konzept sind die größten Kostenfaktoren die ungeplante Wartung und der Produktionsausfall. zBeim präventiven Konzept ist der größte Kostenfaktor der hohe Anteil an geplanter Wartungsarbeit. Außerdem werden hierbei Komponenten verworfen, die noch länger eingesetzt werden könnten. zBeim vorausschauenden Konzept entstehen zwar geringe anfängliche Mehrkosten für das Fluid Condition Monitoring System, jedoch sind die Gesamtbetriebskosten und somit die LCC am geringsten.

Die typischen Kostenverteilungen im Vergleich der drei Wartungsmanagementkonzepte sind in Bild 3 dargestellt. Für ein vorausschauendes Wartungsmanagement ist konsequenterweise ein passendes Fluid Condition Monitoring (FCM) System die Basis. In der Praxis kann FCM auf zwei Arten implementiert werden, wie Tabelle 1 verdeutlicht:

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Predictive Maintenance -das vorausschauende Wartungskonzept für Maschinen

Periodisch / Offline Kontinuierlich / OnlineImplementierung Service Crew mit portablem Equipment Integration von SensorenMerkmale • Ölprobenentnahme, Messungen mit Partikelzählern

• Beobachtung der Messdaten über längere Zeiträume• Abweichungen resultieren in spezifischen Maßnahmen

• Permanente Sensorinstallation• Definition von Grenzwerten / Alarm-Schwellen• Datenfernübertragung an Servicestützpunkte via Intranet /Internet / GSM / Satellit• Abweichungen resultieren in sofortigen spezifischen Servicemaßnahmen

Beispiele

Tabelle 1

Bild 4

1. optische Partikelzähler 1. induktive Partikelzähler 2., 5. Δp-Sensor 3. Wasser-Sensoren 4. Ölalterungs-Sensoren

Typische Ausführungsformen von Fluid-Zustandssensoren

Ausführungsformen von Fluid Condition Monitoring (FCM)

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Steigerung des WirkungsgradesEin weiterer Kostenvorteil des Fluid Condition Monitoring ergibt sich bereits bei der Konstruktion aus der besser an-gepassten Dimensionierungsmöglichkeit der Komponenten:

zKomponenten müssen nicht mehr überdimensioniert und damit teurer werden. zDie Gefahr, dass Komponenten am Limit betrieben werden, entfällt. zDas System hat demzufolge einen höheren Wirkungsgrad.

Online Fluid Condition SensorenDer größte Vorteil von permanent installierten Fluid-Zustandssensoren und Subsystemen ist die Möglichkeit der Fluidzustandserfassung

zauf kontinuierlicher Basis znahezu in Echtzeit.

Die wichtigsten zu überwachenden Systemeigenschaften und die geeigneten Sensoren (als Ergänzung zu den konventionellen Sensoren für Druck, Temperatur, Durchfluss, etc.) sind in absteigender Priorität in Tabelle 2 aufgelistet.

Für die Implementierung in ein vorausschauendes Wartungs-konzept müssen die elektrischen Sensorausgänge gemäß folgender Richtlinien ausgeführt sein:

zDie Ausgangssignale müssen es dem System oder dem Betreiber grundsätzlich ermöglichen, die Restlebensdauer einer Komponente oder eines Prozesses abzuschätzen, um eine geplante Wartung durchzuführen. zReine Schaltausgänge sind bei langsamen Prozessen normalerweise ausreichend. zAnaloge oder digitale Busausgänge sollten bevorzugt bei hochtransienten Prozessen eingesetzt werden.

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Tabelle 2

System Eigenschaft Fluid-Zustandssensor

Verschleiß 1. Feststoff-Partikelsensor

Fluid-Quer-Verunreinigung durch falsche Fluidzugabe oder Leckage

2. Differenzdrucksensor für Filter

Wassereintritt durch Kondensation oder Leckage 3. Sensor für freies oder gelöstes Wasser

Fluidalterungszustand aufgrund von Hydrolyse oder Oxidation

4. AN (Säurezahl-) Sensor5. Differenzdrucksensor für Filter

Typische Anwendungen von Fluid-Zustandssensoren

Fluidtechnik, Hydraulik, Elektronik und Service. Weltweit.

Mit über 8.000 Mitarbeitern, 45 Auslandsgesell schaften und über 500 Vertriebs- und Service partnern ist HYDAC weltweit ein zuverlässiger Partner.Unser Lieferprogramm umfasst Hydraulik speicher, Fluidfilter, Prozessfilter, Kühler, elektro hydraulische Steuerungen, Industrieventile, Sensorik für Druck, Wegmess- und Magnet technik, Zylinder, Pumpen, Befestigungstechnik, Armaturen, Condition Monitoring und vieles mehr.Wir projektieren und liefern schlüsselfertige hydraulische Steuer- und Antriebs systeme einschl. elektronischer Steuerungen und Regelungen für mobile und stationäre Maschinen und Anlagen für die unterschiedlichsten Branchen.

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Vorausschauende Instandhaltung in der Praxis

In der Luftfahrt beträgt die garantierte Lebensdauer für Hydraulikpumpen typischerweise 10 Jahre. Dies führt zu intensiven Qualitätstests und dadurch höheren Gewährleistungskosten über den Gesamtlebenszyklus der Pumpen.

Aufgabe Reduzierung sowohl der Prüfkosten (bisher manuell mit individuellen Ölprobenentnahmen und -analysen) als auch der Gewährleistungskosten.

Lösung Die Anzahl generierter Verschleißpartikel während des Funktionstests ist ein Maß für die Lebensdauer jeder Pumpe. Folglich wurde die Installation von On-line Partikelsensoren an den Prüfständen als Online Qualitätsprüfung erprobt und eingeführt.

Ergebnis Reduzierung der Prüf- und Gewährleistungskosten um > 10 %.

Luftfahrt – hydraulische Flugzeugpumpen

In der Mining-Industrie stehen vor allem Verfügbarkeit und Effizienz im Vordergrund.

Aufgabe Reduzierung von ungeplanten Wartungsarbeiten, Verlängerung der Einsatzdauer von kritischen Komponenten und der Öle, Erhöhung der Verfügbarkeit und des Wirkungsgrades (Effizienz).

Lösung Einsatz von portablen Partikelzählern und Neben-stromfiltration, sowohl periodisch als auch beim Überschreiten von Grenzwerten. Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten werden Probenflaschen, portable Partikelzähler und Online-Sensoren zur Erkennung von unzulässig hohen Verschmutzungs-niveaus eingesetzt.

Ergebnis Ungeplante Wartungsarbeiten wurden reduziert, Verfügbarkeit und Komponentenlebensdauer wurden erhöht (Verfügbarkeit +10 %, Zuverlässigkeit +35 %, ungeplante Reparaturen -35 %)

Mobil-Industrie – Mining Fahrzeugflotten

Aufgabe Überwachung der geforderten Ölreinheit zwecks Verschleißprävention und des Wassereintrags über Dichtungen in das Schmieröl von Thrusterantrieben

Lösung Installation von Online Fluidsensoren in Form einer anschlussfertigen und anwendungsspezifischen KomplettlösungErgebnis zSicherstellung der geforderten

Thruster-Verfügbarkeit zReduzierung der Trockendock-Wartungszeiten um > 60 %

Marine/Offshore-Industrie

Folgende Praxisbeispiele zeigen Möglichkeiten der Kostenersparnis durch Fluid Condition Monitoring:

Aufgabe Online-Überwachung des Getriebe-Schmiersystems, um Sekundärschäden aber auch Produktionsausfall (Stromerzeugung) zu vermeiden.

Lösung Installation eines MetallicContamination Sensors (MCS) zur Vollstrom-Überwachung des Schmierkreislaufes.Ergebnis zDas Bild zeigt: mittels eines Metallic Contamination-

Sensors (MCS) wurde ein Lagerschaden detektiert. zDie Kurve zeigt die Anzahl kummulierter Partikel, also quasi die aus dem Getriebe abgelöste Metallmenge. Jeder Sprung entspricht dabei einem oder mehreren detektierten Metallpartikeln. zDie erste Warnung wurde durch eine visuelle Inspektion bestätigt, da das Hauptlager einen leichten Schaden zeigte, der aber als unkritisch eingestuft wurde. Konsequenterweise wurde eine Reparatur geplant, die Windturbine konnte bis dahin weiterhin bei 80 % Leistung betrieben werden (die untere Kurve im Diagramm zeigt die erzeugte Leistung) zDer Schadensverlauf wurde überwacht bis die Lagerreparatur durchgeführt war. zEs war dadurch keine ungeplante Wartung oder Stillsetzung notwendig und die Kosten von ca. 360.000 € für ein neues Getriebe konnten vermieden werden.

FazitDie aufgeführten Beispiele zeigen deutlich, dass der Einsatz von Fluid Condition Monitoring in Kombination mit einem vorausschauenden, zustandsorientierten Wartungssystem und adäquaten Maßnahmen helfen kann, die Wartungs- und damit auch die Life Cycle Cost von Produktionsmaschinen wesentlich zu reduzieren.Als weitere Zusatznutzen kommen dazu:

zSchnelle Alarmierung bei fatalen Fehlern zOptimierungsmöglichkeit der Komponenten- und Systemlebensdauer

Damit ist Fluid Condition Monitoring ein effizienter konstruktiver Systembaustein zur Reduzierung der Life Cycle Cost für moderne Produktionsmaschinen und prädestiniert für den Aufbau vorausschauender Wartungskonzepte.

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In Walzwerken ist das Betriebsfluid zur Steuerung der Walzen sehr hohen Eindringraten von Feststoffpartikeln und Wasser ausgesetzt. Dies liegt in den Gegebenheiten der Warm-/Kaltwalzprozesse begründet.

Aufgabe Reduzierung von ungeplanten Wartungs- und Stillstandskosten durch Installation von Fluidsensoren.Lösung Standardisierung eines Fluid Condition Monitoring Subsystems und Implementierung in den hydraulischen Kreis.

Das Subsystem besteht aus einem optischen Partikelsensor, einem Wassersensor und einer Data-Logging-und-Anzeige-Einheit.

Ergebnis Die Wartungs- und Stillstandskosten konnten deutlich reduziert werden.

Windenergie – Getriebe von Windturbinen

Stahlindustrie – Walzwerke

Walzenanstellung im Stahlwerk

Gesamt- kosten

Geplante Wartung

Ungeplante Wartung

Vorher (ohne FCM)Nachher (mit FCM)

FCM

Produktions- ausfall

100 % 62 %

20 % 20 %

30 % 10 %

0 % 2 %

50 % 30 %

100 %

80 %

60 %

40 %

20 %

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30000

25000

20000

15000

100005000

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18001600140012001000

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