Abschätzung des Wertbeitrags der Instandhaltung durch Betrachtung der Lebenszykluskosten

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1 Abschätzung des Wertbeitrags der Instandhaltung durch Betrachtung der Lebenszykluskosten Eine werkzeugbasierte Lösung Dr. rer.-pol. R. Gitzel, ABB Corporate Research, Ladenburg; Kurzfassung Durch die schwere Abschätzbarkeit des finanziellen Nutzens von Wartungsarbeiten ergibt sich oftmals eine Tendenz zur Geringschätzung oder gar Vernachlässigung dieses Aufgabenbereichs. Für die schwere Greifbarkeit des Wertbeitrags von Instandhaltungsmaßnahmen gibt es verschiedene Gründe. Ein zentrales Problem ist, dass das Aussetzen einer präventiven Wartungsmaßnahme oftmals keine sofortige Konsequenz hat sondern stattdessen zu einer Verringerung der Lebensdauer oder zu einem erhöhten Risiko führt. Somit steht eine sofort realisierte Einsparung einem intuitiv schwer greifbaren Kosteneffekt in der Zukunft gegenüber. Zur Analyse des Kosten/Nutzen Verhältnisses in der Wartung bietet sich vor diesem Hintergrund eine Betrachtung der Lebenszykluskosten an. Finanzmathematisch gesehen ist jede Wartungsmaßnahme nichts anderes als eine Investition, deren Nutzen (z.b. eine Verlängerung der Lebensdauer und damit ein Aufschub der Folgeinvestition) den Kosten gegenübergestellt werden kann. In meinem Vortrag stelle ich den im deutschen Forschungszentrum der ABB entwickelten Ansatz zur Bewertung von Wartungsarbeiten im Rahmen einer Lebenszyklusbetrachtung dar. Der Ansatz wird anhand eines intern entwickelten Tools gezeigt, mit dem verschiedene Wartungsansätze verglichen werden können. Hierzu wird ein angepasstes Kostenmodell verwendet, welches verschiedene Effekte der Wartung berücksichtigt, wie zum Beispiel die Auswirkung von Inspektionen und präventiven Maßnahmen. Die Analyseergebnisse drücken in Kosten den konkreten Nutzen von Instandhaltung durch den Vergleich verschiedener Wartungspläne aus. 1. Einleitung Von einem rein finanzorientierten Standpunkt aus ergibt sich bei der Bewertung von Wartungsarbeiten oftmals eine Tendenz zur Geringschätzung oder gar Vernachlässigung dieses Aufgabenbereichs. So ist auf der einen Seite der Kostenaspekt der Instandhaltung

2 leicht messbar. Personalkosten schlagen sich in der Regel als Fixkosten nieder, zuzüglich variabler Kosten für Ersatzteile etc. Der dem gegenüberstehende finanzielle Nutzen dagegen ist schwer greifbar, wofür es verschiedene Gründe gibt. Ein zentrales Problem ist, dass das Aussetzen einer (in ihrer Natur präventiven) Instandhaltungsmaßnahme oftmals keine sofortige Konsequenz hat sondern stattdessen zu einer Verringerung der Lebensdauer oder zu einem erhöhten Risiko führt. Somit steht eine sofort realisierte Einsparung einem intuitiv schwer greifbaren Kosteneffekt in der Zukunft gegenüber. Erschwerend hinzu kommt, dass aus Modellsicht zufällige Elemente dazu führen, dass die Lebenserwartung eine stochastische Variable ist. D.h. der Einfluss der Wartung überlagert sich mit anderen Effekten außerhalb der Kontrolle der Wartungsmannschaft. Dennoch sollte man sich davon nicht abhalten lassen, den Wertschöpfungsbeitrag der Wartung zu ermitteln und damit den Nutzen konkreter Aktivitäten gegenüber Nichttechnikern begründen zu können. Zur Analyse des Kosten/Nutzen Verhältnisses in der Wartung bietet sich im Lichte der oben genannten Probleme eine Betrachtung der Lebenszykluskosten an. Finanzmathematisch gesehen ist jede Wartungsmaßnahme nichts anderes als eine Investition, deren Nutzen (z.b. eine Verlängerung der Lebensdauer und damit ein Aufschub der Folgeinvestition) den Kosten gegenübergestellt werden kann. Dieser Artikel beginnt mit einer Beschreibung der Grundprinzipien der Lebenszykluskostenberechnung als Basis für eine weitere Diskussion, wobei sich die Ausführungen auf die für die Instandhaltung relevanten Aspekte konzentrieren. In Abschnitt drei wird ein Vorschlag zur Modellierung von Hardwarekomponenten vorgestellt. Da sich der Nutzen der Instandhaltung in einer Verringerung der Instandsetzungskosten auswirkt, wird die Ermittlung dieser Kosten im nächsten Abschnitt beschrieben. Die Kosten und der unmittelbare nicht-monetäre Effekt der Instandhaltung werden in Kapitel fünf beschrieben. Der Artikel endet mit einem Beispiel und einem Fazit, insbesondere auch einer Betrachtung der noch notwendigen Schritte zur weiteren Verbesserung der Kostenanalyse. 2. Lebenszykluskostenberechnung Wie in der Einleitung beschrieben, erlauben Lebenszykluskosten eine Betrachtung sämtlicher im Verlauf der Lebenszeit einer Anlage auftretenden Kosten. Typischerweise dient diese Betrachtung einer genaueren Bewertung von materiellen Investitionen (vgl. [1], [2]). In unserem Fall kann aber ein allgemeiner Zusammenhang zwischen (mit Kosten behafteten) Aktivitäten und deren langfristigen positiven oder negativen Kosteneffekten hergestellt werden. Grundlage der Lebenszykluskostenberechung in diesem Artikel ist ein simulationsbasierter Ansatz. Es muss angemerkt werden, dass das hier beschriebene Kostenmodell auf die

3 Betrachtung eines Prozessleitsystems ausgerichtet ist. Dies spiegelt sich in der Wahl der Elemente wider, die z.b. in der diskreten Fertigung im Detail anders aussehen könnten. Abbildung 1 - Produkt-Taxonomie [3] Die wichtigste Eingangsgröße einer Lebenszykluskostenberechnung ist eine Beschreibung des Systems. Der hier beschriebene Ansatz verzichtet auf eine komplexe Modellierung der Systemabhängigkeiten, lediglich Redundanzen werden berücksichtigt. Somit ist die Systembeschreibung wenig mehr als eine kommentierte Stückliste. Die zur Kostenberechnung notwendigen Eingangsgrößen ergeben sich aus den Produkteigenschaften. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Produktkategorien, die in einem gesonderten Katalog definiert werden. Im nächsten Kapitel werden exemplarisch die Eigenschaften einer Hardwarekomponente beschrieben, auf Details zu den anderen Elementen verzichten wir bewusst. Abbildung 2 - Kostenmodell (angelehnt an [3]) Aus der Kombination von Systembeschreibung (also der kommentierten Stückliste) und Produktinformationen laut Abbildung 1 ergeben sich Daten u.a. über das Ausfallverhalten

4 und die geplanten Wartungsarbeiten. Für eine Lebenszykluskostenberechnung benötigt man ein Kostenmodell (s. Abbildung 2), welches den konkreten Aktivitäten und Ereignissen, die sich aus der Simulation ergeben, Kosten zuordnet. Zum Beispiel lassen sich aus dem Zeitaufwand für Instandhaltung und dem Stundensatz der Techniker die Instandhaltungspersonalkosten ableiten, die man den konkreten Aktivitäten zuordnen kann. 3. Modellierung der Hardware Es würde den Rahmen des Artikels sprengen, alle Produkttypen im Detail zu erläutern. Für die Betrachtung sind primär Hardwarekomponenten relevant, welche im Folgenden näher beschrieben werden. Wichtige Größen zur Beschreibung einer Hardwarekomponente sind deren Anschaffungspreis, Arbeitsaufwand zur Installation, aber z.b. auch Informationen zu Abkündigungszeitpunkten. Für die Betrachtung in diesem Artikel interessant sind vor allem Informationen zum Ausfallverhalten und zu den empfohlenen Wartungsmaßnahmen. Das Ausfallverhalten umfasst mehrere Parameter. Auf der einen Seite benötigt man eine zeitabhängige Ausfallwahrscheinlichkeit, dargestellt z.b. durch eine Weibullfunktion. Die in der Praxis häufig verwendete Größe der Mean Time Between Failures (MTBF) hat den Nachteil, dass sie nicht der Tatsache Rechnung trägt, dass sich die Ausfallwahrscheinlichkeit über die Zeit ändern kann, z.b. durch Verschleiß. Auf der anderen Seite muss man die Folgen eines Ausfalls beschreiben, z.b. durch die erwartete Ausfalldauer sowie die Personenstunden und die benötigten Ersatzteile zum Beheben des Problems. Die empfohlenen Wartungsmaßnahmen beschreiben den Aufwand einzelner Instandhaltungsoptionen sowie die Auswirkungen einer unterlassenen Wartung (s. nächsten Abschnitt). Der Aufwand ergibt sich aus den Personenstunden und eventuellem Materialbedarf. Ob eine Wartungsmaßnahme zu Kosten führt oder nicht, hängt davon ab, ob sie in der Systembeschreibung als ausgeführt oder als ausgelassen beschrieben wird. 4. Berechnung der Kosten von Ausfällen und ihren Folgen Die Berechnung der Ausfallkosten ergibt sich als Resultat der Simulation und der in der Produktbeschreibung definierten Parameter. Über die Simulation wird mittels der Weibullverteilung bestimmt, wann (und damit auch wie oft im Verlauf des Betrachtungshorizonts) die Ausfälle typischerweise auftreten. Für jeden Vorfall ergeben sich Downtime-Kosten basierend auf der erwarteten Ausfalldauer, evtl. negiert durch Redundanz, Personalkosten aufgrund der notwendigen Personenstunden und Materialkosten nach Ersatzteilverbrauch. Durch ihren Einfluss auf die Anzahl der Ausfälle kommt der Weibullverteilung eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Ausfallkosten zu. Die Verteilungsfunktion wird durch zwei

5 Parameter bestimmt. Der Formparameter bestimmt, ob die Ausfallrate über die Zeit konstant bleibt, abnimmt oder zunimmt. Die charakteristische Lebenserwartung ist eine der MTBF vergleichbare Größe, welche den Erwartungswert des Ausfallszeitpunkts beeinflusst. Die Nicht-Durchführung einer Instandhaltungsmaßnahme reduziert die charakteristische Lebenserwartung und damit den Erwartungswert der Ausfallkosten. 5. Kosten und Nutzen von Instandhaltungsmaßnahmen Wie bereits erwähnt existiert in dem hier diskutierten Lebenszykluskostenmodell für jede Art von Hardwarekomponente eine Liste von notwendigen Instandhaltungsmaßnahmen. Für jede Maßnahme, die durchgeführt wird, fallen Personalkosten und evtl. auch Kosten für Verbrauchsmaterialien oder Ersatzteile an. Die Modellierung der Auswirkung einer unterlassenen Wartungsmaßnahme ist in einem generischen Modell nur schwer korrekt zu erfassen. Die in diesem Artikel beschriebene Lösung wählt den pragmatischen Ansatz einer empirisch erfassten, prozentualen Reduzierung der charakteristischen Lebenserwartung der Komponente. Im Einklang mit der Theorie erfolgt keine Anpassung des Formparameters (vgl. [4]). Bei gleichem Formparameter führt eine Reduktion der charakteristischen Lebenserwartung zu einer Verminderung der zu erwartenden Zeit bis zum Ausfall und somit zu mehr und früheren Ausfällen im Beobachtungszeitraum. Durch den Vergleich verschiedener Szenarien kann man die zuordenbaren Kosten mit dem Nutzen der Wartungsmaßnahmen vergleichen um somit die im Rahmen der Möglichkeiten beste Wartungskombination zu bestimmen. Es sollte selbstverständlich sein, dass es sich hier um eine Optimierung nicht sicherheitskritischer Prozesse handelt, vergleichbar zu der Priorisierung im Rahmen einer RCM Maßnahme (vgl. [5]). 6. Einfaches Beispiel Auch wenn ein vollständiges Beispiel den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, kann man das Grundprinzip der Wartungsanalyse unserer Lösung relativ gut an ein paar Screenshots aus unserer Software erkennen. In unserem Beispiel betrachten wir einen Rotor. Wird in der Software ein Element dieses Typs eingefügt, dann muss entschieden werden welche der empfohlenen Wartungsmaßnahmen ausgeführt werden und welche nicht (s. Abbildung 3). In unserem Beispiel verzichten wir auf eine der Inspektionen und vergleichen mit dem Szenario bei vollen Inspektionen.

6 Abbildung 3: Wartungsplan festlegen Die Auswirkung auf die Kosten in den Perioden ist eindeutig (s. Abbildung 4). Im Jahr 2021 führt die zusätzliche Inspektion zu einem sichtbaren Kostenanstieg. Man kann nun noch die Gesamtkosten der Szenarien miteinander vergleichen. In unserem Beispiel wirkt sich die ausgelassene Wartung positiv auf die Gesamtkosten des Szenarios aus. Vom Standpunkt des Erwartungswerts her ist in diesem Fall diese spezielle Wartung nicht notwendig. Es mag überraschen, dass gerade ein Beispiel gewählt wurde, in dem die Zahlen gegen eine Wartungsmaßnahme sprechen. Tatsächlich kommt dieser Fall nicht selten vor. Was das für die Argumentation mit Lebenszykluskosten im Einzelfall bedeutet, wir im Fazit kurz angerissen. Abbildung 4: Kosten in den Perioden 7. Fazit und weitere Schritte In diesem Artikel wurde ein erster Ansatz zur Ermittlung des Wertbeitrags von Instandhaltungsmaßnahmen vorgestellt. Das zugrundeliegende Modell stellt die mess- und planbaren Kosten der Instandhaltung einerseits den Auswirkungen auf die Lebenserwartung und damit den Ausfallkosten andererseits gegenüber. Damit ist es möglich, die erwarteten Gesamtkosten für verschiedene Szenarien mit und ohne bestimmte Wartungsmaßnahmen zu erkennen. Wie das Beispiel gezeigt hat, wird allerdings in vielen Fällen der Erwartungswert der Kosten durch Inspektionen und Wartungen eher steigen. Meines Erachtens handelt es sich dabei teilweise um ein Artefakt, das sich aus einer Reihe von Punkten ergibt, die durch die Betrachtung des Erwartungswerts nicht adäquat berücksichtigt werden.

7 Der erste wichtige Punkt ist, dass die Personalkosten (außer z.b. bei externen Dienstleistern) in der Regel fix sind. Damit bedeutet eine ausgelassene Wartungsmaßnahme nicht, dass Geld gespart wurde, sondern nur, dass es Zeit für andere, evtl. effizientere, Maßnahmen gibt oder weniger Überstunden anfallen. Damit wäre ein Vergleich zwischen verschiedenen Maßnahmenpaketen möglich, eine Entscheidung über das Weglassen von Maßnahmen benötigt aber weitere Informationen. Gravierender ist aber vermutlich, dass viele Wartungen (ähnlich einer Versicherung) den Zweck verfolgen, das finanzielle Risiko zu senken und nicht die Kosten im Durchschnittsfall. D.h. auch ohne die Wartung ist ein Defekt noch immer unwahrscheinlich, die Motivation der Gegenmaßnahmen ist es, das schlimmste anzunehmende Szenario nahezu auszuschließen. Dies ist im Endeffekt der Versicherungsgedanke, der nicht über den Erwartungswert sondern Größen wie den Value at Risk umgesetzt werden kann. Es ist allerdings auch nochmals zu betonen, dass eine reine Kostenentscheidung bei sicherheitsrelevanten Inspektionen nicht zulässig ist. Trotz der zu klärenden Detailfragen, stellt das Kostenmodell dieses Artikels eine wichtige Grundlage für Lebenszyklusbetrachtungen im Bereich der Wartung dar. Ein strukturierter, wiederholbarer Ansatz, wie hier vorgestellt, ermöglicht zwar keine Vorhersage der Zukunft aber doch eine analytische Lösung von Wartungsplanungsproblemen und die Möglichkeit, Entscheidungen gegenüber monetär denkenden Personen im Unternehmen zu begründen. [1] Verein Deutscher Ingenieure (2005): VDI 2884 Purchase, operating, and maintenance of production equipment using Life Cycle Costing (LCC) [2] Verein Deutscher Maschinen- und Analgenbauer (2006): VDMA 34160: Forecasting model for lifecycle costs of machines and plants. Technical Report, VDMA, Frankfurt [3] Ralf Gitzel, Marcel Dix, Christian Stich (2009): Life-Cycle-Costs quantifizieren, P&A Kompendium 2009/2010, publish industry, pg [4] Wayne Nelson (2008): Accelerated Testing Statistical Models, Test Plans and Data Analysis. John Wiley & Sons, New Jersey, [5] Neil B. Bloom (2006): Reliability Centered Maintenance Implementation Made Simple, McGraw-Hill, New York