Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt

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1 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt Ing. Dipl. Ing. Jutta Isopp (Messfeld GmbH) Dr. Samo Ulaga (TINEX Industrijska diagnostika d.o.o.) Einführung Um im Umfeld des globalen Wettbewerbs bestehen zu können, wird die Optimierung zwischen Investitionskosten und Betriebskosten immer wichtiger. In der Life-Cycle-Cost Betrachtung gewinnen die Kosten des Betreibers immer mehr an Bedeutung. Einsparungen in der Investitionsphase schlagen sich oft negativ in der Betriebsphase, durch erhöhte Instandhaltungskosten, nieder. Die Instandhaltung muss die Herausforderung meistern, ein Maximum an Anlagenverfügbarkeit bei einem Minimum an Kosten zu erreichen. Die Entwicklungen der letzten Jahre haben diesen Druck auf die Instandhaltung noch verstärkt. Sie ist damit in vielen Bereichen eine kritische Geschäftsfunktion, die auf die Produktion, Produktqualität, Produktionskosten und die Sicherheit massiv einwirkt. Aus diesen Gründen darf die Instandhaltung in nicht einfach als Kostenfaktor - der zu vermeiden ist - betrachtet werden. Zusammen mit den Möglichkeiten der Technik, die Zuverlässigkeit der Anlagen zu verbessern, ist die Instandhaltung als eine Geschäftsfunktion, mit hohem Einfluss auf den Erfolg des Unternehmens, zu betrachten. Die heutige Wettbewerbsumgebung fordert eine ständige Steigerung der Zuverlässigkeit der technischen Systeme und dies bei steigender Komplexität der Anlagen. In den einzelnen Produktionsunternehmen und bei Herstellen wurden in den letzten Jahren große Aufwendungen unternommen, um die Betriebszuverlässigkeit weiter zu erhöhen. Die laufenden Verbesserungen der Ausfallssicherheit technischer Systeme reduzieren Betriebskosten - Kosten für Schäden und deren Reparaturen, Kosten in Form von ungeplanten Anlagenstillständen, Kosten durch unzureichende Qualität, etc. Weitere technische Verbesserungen hinsichtlich der Ausfallssicherheit sind allerdings oftmals nur durch hohe Investitionskosten erreichbar insbesondere wenn die Planung von Maßnahmen nicht bereits im Engineeringprozess der Anlage berücksichtigt wurde. Die Intentionen zu einer Erhöhung der Anlagensicherheit durch technische Funktionalitäten müssen seitens des Betreibers mit Maßnahmen im

2 2 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt Instandhaltungsprozess einhergehen. Verbesserungen der Betriebszuverlässigkeit, müssen daher gut überlegt sein - die Kostenverschiebungen zwischen Maßnahmen zur Verbesserung des Prozesses im laufenden Betrieb und Maßnahmen zur technischen Verbesserung der Anlage sind genauestens abzuwägen. Mit ausreichend hoher Qualität hergestellte und installierte bzw. montierte Komponenten arbeiten auf einem bestimmten Funktionslevel. Sind die Komponenten in Betrieb, werden diese abgenutzt der Funktionslevel sinkt. Ungeachtet von den Gründen warum die Verschlechterung eintritt, kann die Komponente ihre erwartete Funktion nicht mehr erfüllen. Geplante Instandhaltung versus Condition Monitoring Bei Untersuchungen des Verhaltens moderner Industriemaschinen bzw. einzelner Komponenten zeigte sich, dass die Überzahl der Fehler nicht nur altersabhängig ist. Als Beispiel sei hier ein Test an Wälzlagern angeführt. In Abbildung 1 1 werden 30 gleiche Wälzlager denselben Belastungsverhältnissen ausgesetzt. Die Untersuchung veranschaulicht wie heterogen die Verteilung der erreichten Lebensdauerzyklen sein kann. Lifecycle in 10 6 Wiederholungen Streuung 30 gleiche Wälzlager Abbildung 1: Ausfallsverteilung von Wälzlagern (Quelle: [1] Echmann et al) Es zeigt sich hier deutlich wie groß die Streuung hinsichtlich eines Ausfalls der Wälzlager bei gleich bleibenden Bedingungen ist. Konsequente vorsorgende zeitabhängige Instandhaltung bringt daher nicht immer den erwarteten Erfolg. Andererseits kann durch das Detektieren und Beobachten der Zustandsverschlechterung (loss-in condition), deren Betrachtung in die Vergangenheit und eine Abschätzung der weiteren Entwicklung, eine Optimierung erreicht werden. 1 Echmann et al: Ball and Roller Bearings, Theory, Design&Application, 1985, John Wiley & Sons.

3 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt 3 Ein aus der oben angeführten Betrachtung nicht mehr zu umgehender Ansatz ist somit die laufende Beobachtung des Zustandes der Anlage bzw. der Anlagenkomponenten eben Condition Monitoring. Methoden die auf CM basieren sind da eine angemessene Option, wenn folgende Bedingungen zutreffen: Messbare Parameter, die mit einem Fehler korrelieren, müssen identifiziert und selektiert sein Der Fehler kann nicht durch eine Neugestaltung oder eine geänderte Gebrauchsweise verhindert werden Die Ereignisse führen zu zufällig auftretenden Fehlern Eine ausreichende Vorwarnzeit vor einem Funktionsversagen muss vorhanden sein Die Betrachtung des Werkzeugs Condition Monitoring darf nicht auf die Betrachtung der Erfassung von Betriebszuständen begrenzt werden, sondern muss als Bestandteil einer allgemeinen Asset Management Strategie in diese eingebunden werden. Um dem gerecht zu werden, müssen alle Arten des Condition Monitoring und der industriellen Diagnostik in einer Gesamtstrategie implementiert werden. Zustandsorientierte vorausschauende Instandhaltung minimiert die Wahrscheinlichkeit von unerwarteten Ausfällen, die auf Produktionseinbußen hinauslaufen würden. Fehler der Vergangenheit im Bereich des Condition Monitoring haben durchaus ihre Spuren hinterlassen. CM Techniken wurden in Instandhaltungsaktivitäten häufig unsystematisch und mit wenig Rücksicht auf das bestehende Umfeld eingeführt. Dies führte zu Unzufriedenheit bei den Ausführenden, nur geringer Verbesserung der Performance und damit verbunden zu einem schlechten Kostenwirkungsverhältnis. Werden Condition Monitoring Ansätze in eine Asset Management Strategie eingebunden und systematisch und strukturiert eingeführt, bringt dies viele Vorteile mit sich: Erste Anzeichen einer Schädigung können erkannt werden eine Aktion kann geplant werden Die Ausnutzung von Anlagenkomponenten kann optimiert werden Folgeschäden können reduziert werden Das Teilemanagement kann optimiert werden Die hier angeführten Punkte sind nur ein Teil der potentiellen Vorteile, die eine Integration von Condition Monitoring mit sich bringt. Bei systematischer und strukturierter Integration von Zustandserfassungen können diese durchaus auch als Supporttechnik für die (Weiter-) Entwicklung des Produktes und/oder des Prozesses genutzt werden. Die Ergebnisse des Condition Monitoring stellen eine wichtige Informationsquelle dar.

4 4 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt Die vorausschauende Instandhaltung mit Unterstützung des Condition Monitoring hat das Ziel, Probleme in der Anlage zu identifizieren. Nach der Behebung ist das Condition Monitoring ein wichtiges objektives Kontrollorgan zur Überprüfung der gesetzten Maßnahme. Condition Monitoring muss als Werkzeug - als Maintenance Management Instrument betrachtet und eingesetzt werden, damit die erwartete Effizienz erreicht wird. Um die Vorteile die Condition Monitoring bietet, ausnutzen zu können, ist also konsequentes Asset Management und die Berücksichtigung von Condition Monitoring notwendig. Integration von Condition Monitoring Oftmals wird in den Engineeringphasen wenig Obacht auf die Bedürfnisse des Betreibers hinsichtlich der (Kosten)-Optimierung seiner Instandhaltung gelegt Condition Monitoring Möglichkeiten werden nur teilweise berücksichtigt. Dies bringt folgende Nachteile mit sich: Viele vorhandene Messdaten/ Prozessdaten werden derzeit (noch) nicht für Condition Monitoring Funktionalitäten genutzt. CM Systeme werden als Insellösungen ausgeführt d.h. eigenständige Sensorik und/oder Messsysteme mit eigenständiger Hard- und Software erfüllen die Aufgaben des Condition Monitoring. Verknüpfungen und Korrelationen zu Prozessgrößen und/oder weiteren CM Parametern können oft nur mit erheblichem Aufwand ermöglicht werden. Die Vielfalt der unterschiedlichen Systeme führt zu massiven Problemen bei der Bedienung der Systeme im Betrieb vor Ort unterschiedliche Softwareansätze erschweren dies noch, da für jede CM Methode und jedes CM Tool eine eigene Hardware und eine eigene Bedienoberfläche vorliegt. Teilweise notwendiges Expertenwissen ist oftmals nicht systemangepasst vorhanden die Komplexität mancher Konfigurationstools überschreitet das vorhandene KnowHow Potential. Die Integration in übergeordnete Leitsysteme und/oder andere CM Systeme beschränkt sich meist auf die Übergabe von Zuständen und Trends. Eine vollständige Integration oder die Einbindung in bestehende Systeme erfolgt daher nicht übergreifend genug. Condition Monitoring meets Automation Aus dieser Betrachtung erfolgt immer deutlicher die Notwendigkeit Condition Monitoring weitgehend in die bereits vorhandenen Automatisierungslösungen einzubinden.

5 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt 5 Automatisierung Heutige Automatisierungssysteme sind in (großteils grafischen) Hochsprachen programmierbar. Die Sprachdefinition ist standardisiert in der IEC 61131, speziell in Teil 3. Die dort definierten Programmiersprachen erlauben eine prozedurale und modulare Programmierung. E/A-Baugruppen können direkt in den Programmen verwendet werden, der Zugriff auf Messparameter ist integrierter Bestandteil jedes Automatisierungssystems. Je nach Automatisierungssystem sind die E/A-Baugruppen frei wählbar und konfigurierbar - beginnend bei einfachen binären Ein- und Ausgängen, über komplexe Module mit entsprechenden Abtastraten zur qualitativen Analogmessung bis hin zur Ansteuerung von Antriebskomponenten. Heute werden virtuelle E/A-Module über Netzwerke eingebunden, die meist aus anderen Systemen stammen. Damit kann das Automatisierungssystem auf Daten anderer Geräte zugreifen bzw. die eigenen Daten als virtuelle E/A für andere bereitstellen. Integration in Visualisierung und Prozessleitebene ist eine alltägliche Anforderung, die in Automatisierungslösungen umgesetzt werden muss. Alle diese Funktionalitäten werden direkt für CM Lösungen benötigt daher stellt sich die berechtigte Frage: Warum nicht die Automatisierung für CM nutzen?. Integratives Condition Monitoring ist die längst fällige Antwort auf viele Problemstellungen in diesem Bereich. AUTOMATIO N CONDITION MONITORING System Automation Abbildung 2: Condition Monitoring meets Die Intelligenz steckt in der Einfachheit des Lösungsansatzes: Integration statt Insellösung Standardkomponenten statt Sonderlösungen Offene Plattform statt eingeschränkter Software Der integrative Ansatz ergibt sich durch die weitgehende Verwendung unterschiedlichster Komponenten aus dem Automatisierungsbereich:

6 6 Condition Monitoring Integration in die Automatisierungswelt Gemeinsame Hardware-Ressourcen (CPU, E/A-Klemmen), Engineering-Software (Programmiergerät, Visualisierung) Laufzeitumgebung (Condition-Monitoring Applikation, Visualisierung, OPC Server) Infrastruktur. Bei gemeinsamer Nutzung derselben CPU für Condition Monitoring und Steuerungs- bzw. Regelungsanwendungen wird ein innovativer Gedanke verfolgt: Die bisherige sehr hardwarenahe Sichtweise der IEC Ressource als CPU wird erweitert. Eine Ressource wird nicht mehr als CPU, sondern als virtuelle CPU gesehen, die eine Aufgabe erfüllt. Mehrere (logische) Ressourcen können dann auf einer (physischen) CPU unabhängig voneinander ablaufen und auch gewartet werden 2. So ist es bei einer entsprechenden Planung der Condition-Monitoring-Lösung auch möglich, die SPS-Applikationen und die Condition-Monitoring-Applikationen logisch separiert auf demselben physikalischen Automatisierungssystem laufen zu lassen. Der Ansatz, Standardsysteme aus der Automatisierung einzusetzen, bringt dem Bereich Condition Monitoring ungeahnte Flexibilität und integrative Fähigkeiten, dies außerdem zu günstigsten Kosten. Features wie freie Parametrierung und Visualisierung von Condition-Monitoring- Funktionen sind direkt auf Engineeringebene realisierbar; Erweiterungen und Änderungen sind über Standardtools möglich auf weitgehend herstellerneutraler Plattform. Daten unterschiedlichster Sensoren und unterschiedlichster Entstehung können miteinander verknüpft und korreliert werden. CONCLUSIO Condition Monitoring ist ein unverzichtbares Werkzeug als Unterstützung zur Ableitung von Maßnahmen in der Instandhaltung. Diese müssen gesetzt werden, um Beeinträchtigungen des Prozesses oder gar Schäden zu verhindern. Ein zufrieden stellendes Kosten/Nutzen Verhältnis kann aber nur bei strukturierter und systematischer Integration von CM Methoden und CM Techniken - sowohl in die technischen Gegebenheiten aber vor allem auch in den gesamten Instandhaltungsprozess - erreicht werden. Innovative Ansätze, die CM Funktionalitäten bereits im Engineeringprozess abzubilden, bieten neue Möglichkeiten im Umfeld von CM. 2 DI Thomas Baier (logi.cals Austria), DI Jutta Isopp (Messfeld GmbH) Automation meets Maintenance