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Zustandsüberwachung und Prozessanalyse

Ursachenforschung per Condition Monitoring

Herkömmliche Condition-Monitoring-Ansätze geben Hinweise auf Prozessverschlechterungen, ermitteln jedoch vielfach nicht deren Ursache. Daher bietet es sich an, das Condition-Monitoring-System von der reinen Erfassung von Maschinen- und Anlagenparametern auf die Überwachung von Prozess-, Material- und Qualitätsdaten auszudehnen. Diesen Ansatz verfolgt iba mit ihrer Inspectra-Systemreihe.

Bild: iba AG

Condition-Monitoring-Systeme (CMS) erfassen den Maschinenzustand permanent durch die Messung und Analyse physikalischer Größen. So lassen sich Ausfälle frühzeitig erkennen und Instandhaltungsmaßnahmen besser planen. In Echtzeit arbeitende Systeme ermöglichen darüber hinaus wichtige Sicherheitsabschaltungen bei Grenzwertüberschreitungen. Die Verfügbarkeit und Produktivität der Maschinen und Anlagen lässt sich auf diese Weise durch eine fortlaufende Zustandsüberwachung absichern. Doch häufig werden Condition-Monitoring-Systeme als Insellösung eingesetzt.

Wenn die erfassten Signale jedoch nur unter Maßgabe der Anlagenbetriebssicherheit ausgewertet werden, bleiben viele relevante Betriebsparameter ungenutzt. „Die Ursache für die Schädigung von Maschinenteilen, beziehungsweise deren Ausfall mechanischer Komponenten, lassen sich ohne eine in das Condition Monitoring integrierte Prozessüberwachung nicht ermitteln”, erläutert Günter Spreitzhofer, zuständig für Applikationstechnik und Consulting beim Systemanbieter iba AG.

Damit das System nicht nur die Überwachung relevanter Maschinendaten ermöglicht, setzt der Anbieter auf ein variables System. Die Lösung ibaInspectra wird in den Ausbaustufen ‘compact’, ‘embedded’ und ‘factory’ angeboten. Das System stellt Funktionen zur Verfügung, um zur Überwachung des Maschinenzustands gleichzeitig eine Prozessüberwachung mit allen Maschinen-, Prozess-, Material- und Qualitätsdaten zu realisieren und lässt sich herstellerneutral in jedes gängige Automatisierungssystem integrieren.

Ursachenanalyse auf Basis von Prozessdaten

„Grenzwerte, die sporadisch überschritten werden, können langfristig die Maschine schädigen. Für den Anlagenbetreiber ist es deshalb unerlässlich, die Ursachen für die Grenzwertüberschreitungen schnell und zielsicher identifizieren zu können“, erklärt Spreitzhofer. Nur wenn Informationen zur Überwachung der Maschinen mit Prozessdaten kombiniert werden können, lassen sich Ursachen für Fehler und Störungen langfristig ermitteln und vermeiden. Für diese Prozessüberwachung können oftmals die gleichen Sensoren und Signalverarbeitungsmechanismen eingesetzt werden wie für die Zustandsüberwachung.

Diesen Umstand nutzt das Unternehmen mit Sitz im nordbayerischen Fürth auch für sein Monitoring-System. Die Module lassen sich dazu in das Prozessdatenaufzeichnungssystem (PDA) integrieren. Über Lichtwellenleiter oder Netzwerkschnittstelle lassen sich die Komponenten zum Beispiel an das Prozessdatenaufzeichnungssystem PDA-V6 des Anbieters anbinden. Die Verbindung wird im Hardwarekonfigurator der Monitoring-Lösung automatisch erkannt, wodurch die berechneten Werte im PDA-System als virtuelle ‘Kanäle’ zur Verfügung stehen. So können die Informationen gemeinsam mit den Prozessdaten der Anlage aufgezeichnet werden. Diese Funktion steht auch zur Verfügung, wenn das Datenaufzeichnungssystem eines anderen Herstellers verwendet wird. Außerdem stehen offene Schnittstellen zu gängigen SPS- und Human-Machine-Interface-Systemen (HMI) zur Verfügung.

Maschine und Gesamtanlage gleichermaßen im Blick

Zudem lässt sich das System auch als externes Tool einsetzen. Da in der Regel in einer Anlage oder einem Werk Elemente verschiedener Automatisierungshersteller im Einsatz sind, sollte das Condition Monitoring unabhängig von der Automatisierung arbeiten. Wird die Lösung autark installiert, können relevante Daten anbieter- und werksübergreifend aus Anlagenprozessen gesammelt und überwacht werden. Da Condition Monitoring grundsätzlich auch verarbeitungs- und speicherintensiv ist, würde ein integriertes System zudem die Automatisierung zusätzlich belasten. Durch den Betrieb auf separater Hardware werden die Automatisierungskomponenten nicht durch zusätzliche Operationen und Datentransfers belastet.

Über das für verschiedene Anwendungsszenarien konfigurierbare Condition Monitoring-System lassen sich einzelne physikalische Komponenten dezentral sowie relevante Daten einer Gesamtproduktion zentral überwachen. Das System wird in drei Varianten angeboten. „ibaInspectra compact eignet sich vor allem für kostensensible Anwendungen”, erläutert Spreitzhofer. Die Produktlinie übernimmt als dezentrale Lösung die Überwachung einzelner Maschinenkomponenten mit Ausgabe von Alarmen. Die Auswerteeinheit verfügt dazu über je vier Schwingungs- und Analogeingänge sowie acht Digitaleingänge. Das System ermöglicht die Überwachung von Schlüsselkomponenten der Anlage, fungiert als Schwingungswächter und kann zur Kennwertbildung genutzt werden.

Die Embedded-Variante ist dagegen für Maschinengruppen, komplexe Spektralanalysen und Spezialanwendungen ausgelegt. Für die Überwachung im Kontext einer komplexen Anlage stellt der Anbieter die Ausbaustufe ‘factory’ zur Verfügung. Mit diesem System lassen sich die relevanten Rohdaten für das Condition Monitoring und die Prozessüberwachung fertigungsweit und produktionsübergreifend erfassen. Bei der Embedded-Linie erfasst die Auswerteeinheit mit einer Abtastrate von bis zu 40 Kilohertz alle Sensoren zeitsynchron, kontinuierlich und auf physikalische Einheiten skaliert. Bei der Factory-Serie sind Abtastraten von bis zu 100 Kilohertz möglich. Für den autarken Betrieb erfolgt die Parametrierung dezentraler Geräte per Web-Interface. Die Komponenten können aber auch in das zentrale Überwachungssystem integriert und zentral parametriert werden.

Vom Reporting zum trendbasierten Alarm

Die Analysemöglichkeiten des Systems reichen von einfachen Kennwertbildungen aus den Zeitsignalen wie Minimum, Maximum und Effektiv- oder ‘Root Mean Square’-Wert (RMS) bis zu komplexen Auswertungen im Frequenzbereich wie Amplitudenspektren, Hüllkurvenspektren oder Cepstrum-Analyse. Nach Ausfilterung werden unter anderem Frequenzspektren mittels Fast Fourier Transformation (FFT), Hüllkurvenspektren und statistische Kennwerte berechnet. In der Visualiserungsoberfläche können parametrierte Analyseobjekte anschließend per ‘Drag-anddrop‘ bearbeitet und Kennwerte relevanter Maschinen-, Prozess-, Material- und Qualitätsdaten für detaillierte Analysen in eine Datenbank extrahiert werden.

Für eine werksübergreifende Auswertung können die Geräte der verschiedenen Produktlinien ihre Daten über Netzwerkschnittstellen an eine zentrale Auswerteeinheit übertragen. Dort werden die Informationen in Auswertesystem oder Analysesoftware eingespeist. Das Auswertesystem eigenet sich auch als Basis für die Alarmierung, da es über Reporting-Werkzeuge mit Tages-, Wochen- und Monatsberichten sowie umfangreiche Trending-Funktionen verfügt. Bei Überschreitung von voreingestellten Grenzwerten lässt sich eine Alarmierung via E-Mail auslösen. Je nach Konfiguration des Systems stehen dabei mehrere Varianten für die Alarmierung zur Verfügung. Grundsätzlich können alle CMEinheiten über TCP/IP-Telegramm Alarmmeldungen abschicken. Damit kann die Echtzeitlösung zum Schutz von Mensch und Maschine genauso eingesetzt werden wie als online-basiertes System zur Unterstützung einer vorbeugenden Instandhaltung.

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