Die Macht der vorausschauenden Wartung

Jul 27, 2023

Ein an diesem Förderbandantrieb installierter Sensor überwacht die Vibrationseinwirkung, um einen Antriebsausfall zu verhindern.

Fotos mit freundlicher Genehmigung von Balluff Inc.

Diese Grafik veranschaulicht, wie das ZDT-Programm mit einem Roboter funktioniert. Der Schraubenschlüssel zeigt an, wo auf dem EOAT das Programm Dateneinblicke erhält, um Wartungsmaßnahmen zu empfehlen. Das Pluszeichen zeigt an, wo sich Vorhersagefunktionen befinden.

Grafik mit freundlicher Genehmigung von FANUC America Corp.

IO-Link-Sensoren, Software und eine Basiseinheit bilden das Condition Monitoring Toolkit.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Balluff Inc.

Das cloudbasierte tragbare Überwachungssystem enthält einen Zustandsüberwachungssensor, ein mobiles Gateway für die Datenübertragung und Software zum Anzeigen von Daten auf jedem Endgerät.

Foto mit freundlicher Genehmigung von Balluff Inc.

Die Zukunft vorherzusagen ist nicht mehr das, was es einmal war. Es ist tatsächlich viel besser, und das sind großartige Neuigkeiten für die Hersteller.

Dies ist auf jeden Fall bei der Wartung von Geräten am Fließband der Fall. Heutzutage ermöglichen viele Arten von Warnsystemen Herstellern, sofort Maßnahmen zu ergreifen, um gefürchtete ungeplante Ausfallzeiten von Robotern, Förderbändern, Motoren, Lüftern, Pumpen und anderen Maschinen zu verhindern.

„Das Erreichen des Niveaus der vorausschauenden Wartung ist ein evolutionärer Prozess für Hersteller, unabhängig von ihrem Fachgebiet“, bemerkt Will Healy III, Global Business Strategy Manager bei Balluff Inc. „Derzeit besteht großes Interesse daran, Geräte mit Sensoren zur Zustandsüberwachung nachzurüsten.“ Überwachung als Mittel zur Umsetzung einer vorausschauenden Wartung. Der nächste Schritt ist der Einsatz von Geräten mit integrierten intelligenten Sensoren und künstlicher Intelligenz. Diese Technologien ermöglichen auch eine präskriptive Wartung, die maschinelles Lernen nutzt, um Unternehmen dabei zu helfen, ihre Betriebsbedingungen gezielt an die gewünschten Produktionsergebnisse anzupassen.“

Vor fast zwei Jahren standen die Balluff-Ingenieure vor einer interessanten Wartungsherausforderung: Sie halfen einem großen Automobilzulieferer, seinen alten Kettenförderer betriebsbereit zu halten. Der Förderer verfügt über mehrere synchronisierte Antriebe, ist fast 2.000 Fuß lang und bewegt laut Healy große Metallbauteile über die gesamte Breite der Anlage.

„Da die Antriebe vollständig synchronisiert sind, knickt die Förderkette ein und stürzt ab, wenn einer davon ausfällt, was zu erheblichen Produktionsausfällen führt“, erklärt Healy. „Wir haben an jedem Antrieb einen Sensor installiert, um die Vibrationsbelastung zu überwachen. Als übermäßige Vibrationen im Getriebe die Wartung auf einen Antriebsausfall aufmerksam machten, führte der Hersteller eine kontrollierte Abschaltung durch und verhinderte so einen schweren Maschinenabsturz.“

Die Gerätewartung hat in einer langen Zeitspanne große Fortschritte gemacht – von der industriellen Revolution bis zum industriellen Internet der Dinge (IIoT). Der Standardansatz über viele Jahrzehnte hinweg bestand in der reaktiven Wartung, also in der Reparatur von Dingen, nachdem diese sich negativ auf die Produktion auswirken. Dann kam die vorbeugende Wartung, deren Ziel darin besteht, Maschinenausfälle (aufgrund von Ermüdung, Vernachlässigung oder normalem Verschleiß) zwischen den geplanten Wartungszeiten zu verhindern.

Jetzt ist es an der Zeit, dass Hersteller die vielen Vorteile der vorausschauenden Wartung nutzen. Durch Standardsensoren und KI-basierte Software können Unternehmen die Geräteverfügbarkeit maximieren, bestimmte Komponenten gezielt ansprechen, die Aufmerksamkeit erfordern (was zu einer zeiteffizienteren Wartung führt) und die Lebenszykluskosten der Geräte durch verbesserte Leistung und längere Gerätelebensdauer senken.

Derzeit hat ein kleiner Prozentsatz der Hersteller vorausschauende Wartung implementiert. Man kann jedoch mit Sicherheit sagen, dass diese Zahl steigen wird, wenn Nicht-Praktizierende feststellen, dass sie Marktanteile an Wettbewerber verlieren, die einen höheren Durchsatz bieten und bessere Produkte herstellen.

Bei Robotern ist die Konnektivität der Schlüssel zu den zahlreichen Vorteilen der vorausschauenden Wartung. Ohne sie können keine prozessbezogenen Echtzeitdaten von verschiedenen Sensoren erhalten werden, die in Steuerungen, Roboterarmen und End-of-Arm-Werkzeugen eingebettet sind.

Eine der ersten robotergestützten vorausschauenden Wartungsanwendungen des IIoT fand vor einigen Jahren in der Automobilindustrie statt, als General Motors sich mit Cisco und FANUC America Corp. zusammenschloss, um ein Null-Ausfallzeit-Programm zu starten. Der prädiktive Analysedienst namens ZDT identifiziert potenzielle Ausfälle, sodass Ingenieure und Anlagenmanager Wartungs- und Reparaturarbeiten planen können. Dies verhindert unerwartete Ausfälle während der Produktion und spart den Herstellern Zeit und Geld.

„ZDT funktioniert gut, weil FANUC vertikal integriert ist“, erklärt John Tuohy, nationaler Account Manager bei FANUC. „Der Dienst verwendet außerdem Binärcode für schnelle und einfache Berechnungen. Vor der Einführung von ZDT haben wir den Herstellern einige Wochen im Voraus über erforderliche Wartungsarbeiten informiert. Heute geben wir dies bis zu sechs Monate im Voraus bekannt und planen die Wartung nach Wunsch des Kunden.“ "

Laut Tuohy hat sich das ZDT-Programm in den letzten Jahren als recht erfolgreich erwiesen. Er sagt, dass weltweit etwa 30.000 Roboter an das System angeschlossen sind.

Automobilhersteller stellen die größte Gruppe der ZDT-Anwender. Andere sind Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Haushaltsgeräteindustrie, der Verpackungsindustrie sowie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie.

„Der Einwand, den ich von Kunden höre, die zögern, in ZDT zu investieren, ist, dass sie es nicht brauchen, weil ihre FANUC-Roboter so gut funktionieren und oft die empfohlene mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) überschreiten“, bemerkt Tuohy. „Für unsere Industrieroboter beträgt die MTBF 100.000 Stunden oder 10 Jahre, während sie für Cobots 80.000 Stunden oder 8 Jahre beträgt.“

„Wir weisen Endbenutzer jedoch auf den anderen Vorteil von ZDT hin, nämlich seine Fähigkeit, ERP-Prozessdaten zu extrahieren, um den Produktionsdurchsatz genau zu bestimmen“, fährt Tuohy fort. „Durch die Nutzung dieser Daten kann ein Hersteller sicherstellen, dass sein Roboter optimal läuft.“

In der Anlage jedes Kunden gibt es einen ZDT-Datensammler oder eine virtuelle Maschine, die Nachrichten von den Robotern sicher an das ZDT-Rechenzentrum von FANUC in der Cloud überträgt. Dort prüfen die Analyseprogramme von FANUC die Daten sorgfältig auf mögliche Probleme.

„Wenn eine statistische Anomalie auftritt, benachrichtigt ZDT automatisch unser Serviceteam und empfiehlt dem Kunden Maßnahmen zur Bestätigung und Behebung des Problems“, sagt Tuohy. „Unabhängig davon, ob es sich bei dem Kunden um einen Hersteller oder Integrator handelt, kann der Erhalt dieser Erkenntnisse ausreichen, um die Produktivität des Roboters zu verbessern.“

Für Kunden mit Niederlassungen in mehreren Bundesstaaten oder sogar im Ausland kombiniert ZDT Roboterdaten von allen Standorten in einem Dashboard, sodass Manager und Ingenieure den Gerätestatus aus der Ferne überprüfen und das Wartungspersonal vor Ort unterstützen können. Laut Tuohy gilt: Je mehr FANUC darüber weiß, was im Inneren eines Roboters vor sich geht, desto besser kann es alle Elemente rund um den Roboter verstehen, die einen Fertigungsprozess beeinflussen.

Er erkennt auch an, dass Hersteller, die ZDT implementieren, möglicherweise ihre älteren FANUC-Roboter ersetzen müssen oder auch nicht. Dies liegt daran, dass viele ältere Modelle mit ZDT erweitert werden können, neuere Modelle jedoch besser in der Lage sind, die Fähigkeiten zur vorausschauenden Wartung zu maximieren.

KUKA Robotics bietet eine eigene cloudbasierte Datenanalyse- und Intelligence-Plattform namens KUKA Connect an. Es überwacht Dinge wie Armgeschwindigkeit und -last und prognostiziert, wie sich verschiedene Montageanwendungen auf geplante Wartungszyklen auswirken.

Weitere Vorteile sind Plattformunabhängigkeit, vertikale Skalierbarkeit, schnelle Reaktionsfähigkeit und einfache Bedienung. Die letztgenannte Funktion ergibt sich aus der Webschnittstelle, für die keine Softwareinstallation erforderlich ist und die jederzeit und überall eine Verbindung zu jedem Mobilgerät herstellt.

Als abonnementbasierte Plattform ermöglicht KUKA Connect Herstellern die Nutzung umfassender Produktionsdaten, innovativer Fertigungsprozesse und flexibler Netzwerkkomponenten. Die Lite-Version der Plattform bietet Zugriff auf Informationen über die Funktionalität jedes KUKA-Roboters. Durch das Upgrade auf Connect Plus erhalten Benutzer vollen Zugriff auf Echtzeitbenachrichtigungen und exportierbare Berichte.

„Anwender von Förderbändern haben zwei Möglichkeiten, wenn es um vorausschauende Wartung geht“, erklärt Mike Hosch, Vizepräsident des Industriegeschäfts bei Dorner Manufacturing Corp. „Der beliebteste Ansatz besteht darin, Sensoren von Drittanbietern an verschiedenen Stellen auf jedem Förderband zu montieren und über die Sensoren zu verfügen.“ Geben Sie Echtzeitdaten an eine SPS oder ein Master-Gerät weiter. Die erhaltenen Datentypen beziehen sich häufig auf Bandgeschwindigkeit, Betriebsstunden, Motorvibrationen und Stromaufnahme sowie Lagertemperatur.

Weniger beliebt bei den Herstellern, zumindest bisher, ist das, was Hosch als „Level 2“ Predictive Maintenance bezeichnet. Auf dieser Ebene sind ein oder mehrere Förderer mit integrierten Sensoren ausgestattet, die in Verbindung mit Software oder künstlicher Intelligenz Leistungsdaten und mehr liefern. Diese fortschrittliche Datenerfassungseinrichtung ermöglicht es dem Werksleiter außerdem, alle Förderbänder in einer Anlage einfach und kontinuierlich auf einem iPhone oder einem anderen Smart-Gerät zu überwachen.

„Um die Anzahl der Hersteller zu erhöhen, die vorausschauende Wartung der Stufe 2 implementieren, müssen Förderbandlieferanten zwei große Herausforderungen meistern“, bemerkt Hosch. „Eine besteht darin, die Kunden davon zu überzeugen, dass sensorintegrierte Förderer zwar mehr kosten, aber die Produktionsverfügbarkeit sowohl kurz- als auch langfristig erhöhen.“

Gleichzeitig müssen Lieferanten die Bedenken der Kunden hinsichtlich der Datensicherheit bei der Verwendung solcher technologisch fortschrittlichen Förderbänder verringern. Laut Hosch müssen hierfür die zentralen Fragen beantwortet werden, die sich die IT-Mitarbeiter der Kunden im Zusammenhang mit der Datenerfassung stellen. Wie oft wird dies beispielsweise durchgeführt (alle 5 Sekunden, 30 Sekunden, 2 Minuten usw.) und wie sicher werden die Daten jedes Mal sein?

„Vorausschauende Wartung ähnelt insofern der vorbeugenden Wartung, als beide erfordern, dass das Wartungspersonal den Förderanlagen regelmäßige Aufmerksamkeit schenkt“, sagt Hosch. „Der eigentliche Unterschied besteht darin, dass das Vorhersagemodell eine bessere Schulung des Wartungspersonals erfordert.“

Hosch sagt, dass die Schulung idealerweise mehr als einen Mitarbeiter umfassen sollte. Wenn ein Förderband ausfällt, ist auf diese Weise immer mindestens eine entsprechend geschulte Person verfügbar. Eine weitere bewährte Vorgehensweise besteht darin, sicherzustellen, dass das gesamte Wartungspersonal anwesend ist, wenn ein Förderbandaudit durchgeführt und eine vorausschauende Wartung implementiert wird.

Hosch räumt ein, dass Hersteller manchmal externe Sensoren zu den Förderbändern der Serien Dorner 2200 und 3200 hinzufügen, obwohl diese vom ersten Tag an nur einen geringen Wartungsaufwand erfordern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beide Modelle über eine präzise Zahnstangen-Riemenspannung und lebensdauergedichtete Lager verfügen. Die 3200-Serie bietet außerdem modulare und gespleißte Standardbänder, die einen schnellen Bandwechsel ermöglichen.

Im Jahr 2020 implementierte das globale Datenanalyse- und Beratungsunternehmen Quantzig die vorausschauende Wartung für einen europäischen Förderbandhersteller und -dienstleister. Quantzig wurde beauftragt, dem Unternehmen dabei zu helfen, die großen Datenmengen zu verstehen, die es von Kunden erhielt, die diese von Sensoren erhielten, die in der Nähe von Förderbändern in laufenden Förderbändern angebracht waren.

Der Kunde wollte von reaktiver auf vorausschauende Wartung umsteigen, um Risiken einzudämmen und Bandleistungsprobleme zu erkennen, bevor sie auftreten. Quantzig half ihnen, dieses Ziel in drei Schritten zu erreichen.

Die erste bestand darin, ihnen beizubringen, wie wichtig es ist, die bedingten Grundlinien aller Vermögenswerte festzulegen und zu überwachen. Quantzigs Experten nutzten dann die Daten aller Sensoren und erstellten Zeitreihenmodelle in Kombination mit maschinellem Lernen.

Schließlich wurden Fourier- und Support-Vektor-Maschinen-Algorithmen verwendet, um die Daten in eine prädiktive Analyse umzuwandeln, die spezifische Wartungswarnungen und -empfehlungen generierte. Das Endergebnis all dieser Arbeit ist etwas, das den Hersteller sehr glücklich macht: Eine durchschnittliche Verlängerung der Verschleißlebensdauer für jeden Riemen, den er herstellt, um vier Jahre.

Die Leistung einer breiten Palette von Fließbandgeräten, abgesehen von Robotern und Förderbändern, kann durch vorausschauende Wartung optimiert werden. Zu dieser Ausrüstung gehören Motoren, Pumpen, Lüfter und Kompressoren.

Balluff bietet drei Produkte an, mit denen Hersteller eine vorausschauende Wartung durch Maschinen-Retrofit umsetzen können. Die IO-Link-Sensoren des Unternehmens werden beispielsweise an jede Maschine angeschraubt und erfassen Echtzeitdaten zu Betriebsstunden und verbleibender Lebensdauer. Healy nennt CNC-Maschinen, Stanzpressen, Portalkräne und Schweißabsaugventilatoren als häufige Anwendungen.

Diese IO-Link-Sensoren sind auch als Teil eines Condition Monitoring Toolkits erhältlich, das Software und eine Basiseinheit umfasst. Datenvisualisierung und Plug-and-Play-Inbetriebnahme sind mit dem Kit möglich, sofern die nachgerüstete Maschine über einen 24-Volt-Stromanschluss und einen Anschlusspunkt für das Anlagennetz verfügt.

Produkt drei ist ein cloudbasiertes tragbares Überwachungssystem. Es enthält den Condition Monitoring Sensor BCM, ein mobiles Gateway zur Datenübertragung per Mobilfunk und eine Software zur Visualisierung der Daten auf beliebigen Endgeräten. Laut Healy ist das System vorkonfiguriert, um Pumpen, Lüfter, Motoren und Werkzeugmaschinen digital und effizient zu überwachen.

„Ein wichtiger Faktor zum Verständnis der vorausschauenden Wartung ist die PF-Kurve oder das Drei-Domänen-Intervall zwischen der Erkennung eines potenziellen Ausfalls (P) und dem Auftreten eines Funktionsausfalls (F)“, sagt Healy. „Im proaktiven Bereich ist der Ausfall relativ weit entfernt, da die Maschine möglicherweise noch neu ist. Im prädiktiven Bereich liegt der Ausfall möglicherweise noch in weiter Ferne, aber Symptome treten mit relativ frühen Warnzeichen auf. Es können rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden, z B. den Austausch defekter Geräte, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt. Ohne Maßnahmen gelangt man in den Fehlerbereich, in dem ein Ausfall auftritt oder unvermeidbar ist und die Symptome darauf hinweisen, dass sofortiges Handeln erforderlich ist.“

Module der Software Festo Automation Experience (Festo AX) setzen auf KI-basierte Zustandsüberwachung, um eine vorausschauende Wartung von Komponenten, Maschinen und Anlagen zu erreichen. Frank Latino, Produktmanager für elektrische Automatisierung bei Festo Corp., sagt, dass Unternehmen mit dem Wartungsmodul mithilfe von Geräten und Sensoren Daten von pneumatischen und elektrischen Aktoren, Ventilverteilern und Schaltern an pneumatischen Klemmen sammeln können, die Teile an Arbeitsplätzen an Ort und Stelle halten.

„Festo AX erfordert eine kurze KI-Trainingsphase und die Eingabe von Systemalgorithmen zusammen mit menschlichem Input in die Analysefunktion der Software, während Daten in der Fabrikhalle gesammelt werden“, erklärt Latino. „Diese Daten werden entweder am Rande eines Netzwerks oder in der Cloud mithilfe von Microsoft Azure, Amazon Web Services oder anderen ähnlichen Diensten ausgewertet.“

Laut Latino liegen die Hauptvorteile des Festo AX Maintenance-Moduls in einer höheren Betriebszeit und einer Reduzierung des Wartungsaufwands um 20 Prozent. Die Ursachenanalyse hilft Herstellern auch dabei, die systemischen Ursachen jedes Wartungsproblems gezielt zu identifizieren.

Im Allgemeinen ist die Motortemperatur oft ein guter Indikator dafür, wie effizient eine Maschine oder Montagelinie arbeitet. Ein Anstieg der Motortemperatur um 20 Grad könnte beispielsweise ein Hinweis darauf sein, dass einige mechanische Getriebekomponenten gewartet oder ausgetauscht werden müssen.

Yaskawa AC-Antriebe steuern Motoren. Gleichzeitig nutzen sie visualisierte Daten, um Anomalien zu erkennen und Maschinenausfälle über die Motoren vorherzusagen.

Einige Unternehmen verwenden einen oder mehrere Antriebe, um Lüfter am Fließband zu überwachen. In diesem Fall überwacht und erkennt der Antrieb ständig den aktuellen Grad der Filterverstopfung und der angesammelten Verschmutzung. Bei Bedarf fordert der Antrieb den Bediener auf, den Filter zu reinigen.

Auch Pumpen und Kompressoren können überwacht werden. Lufteinschlüsse und Trockenlauf einer Pumpe können dazu führen, dass der Antrieb den Bediener über einen möglichen Ausfall aufgrund einer der beiden Bedingungen informiert. Bei Kompressoren führt die Flüssigkeitsrückführung bei Gefrier- oder Kältemaschinen, an denen ein Kompressor montiert ist, häufig zu einer Änderung der Eingangsfrequenzpulsation. Sollte dies passieren, teilt der Antrieb dem Bediener mit, dass es Zeit für eine Kompressorwartung ist.

„Unternehmen behalten ihre Ausrüstung oft viel länger als ihre angegebene Lebensdauer, daher ist die Implementierung einer vorausschauenden Wartung definitiv von Vorteil“, sagt Healy. „Maschinen, die für eine Betriebsdauer von 5 bis 7 Jahren konzipiert sind, werden am Ende manchmal 25 Jahre lang genutzt.

„Der Mangel an Arbeitskräften im Allgemeinen und an Wartungsfachkräften im Besonderen sollte die Implementierung von Predictive Maintenance verstärken“, schließt Healy. „Aber was es wirklich vorantreiben wird, ist, wenn Betriebsleiter oder Manager auf mittlerer Ebene es fördern und Führungskräfte mit Einfluss und Budgetbefugnis es durchsetzen, um es Wirklichkeit werden zu lassen.“

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.