Condition Monitoring Systeme Effizienzsteigerung elektrischer Maschinen Theorie & Praxis

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1 Condition Monitoring Systeme Effizienzsteigerung elektrischer Maschinen Theorie & Praxis Dipl.-Ing. Hanns-Peter Fickert Dipl.-Ing. Rüdiger Proff PRÜFTECHNIK Condition Monitoring GmbH PRÜFTECHNIK Condition Monitoring Ismaning, Germany Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 1

2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Life Cycle Kosten Anschaffungskosten Betriebskosten Stückkosten Stückzahl OEE* Verfügbarkeit Qualität Produktivität Taktzeit Maschine * OEE = Overall Equipment Effectiveness = Verfügbarkeit x Qualität x Produktivität Stück Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 2

5 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Stückkosten Life Cycle Kosten Investition, Anschaffungskosten Betriebskosten Geplante Produktionszeit Maschinen und Anlagen Planung Gebäude und Infrastruktur Umbau und Versetzung Bedienpersonal Geplante Instandhaltung Ungeplante Instandhaltung Ersatzteile Energie, Fluide, Werkzeuge Overhead, sonstige Kosten Auslastung Werk, Werksferien Zeit geplante Instandhaltung Stückzahl OEE (Overall Equipment Effectiveness) Produktivität Maschine Produktivität (org. Einfluss) Verfügbarkeit Qualität Bearbeitungszeit Positionierung Werkzeugwechsel Werkstückhandhabung Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 5

8 Instandhaltungsstrategien Reaktive Instandhaltung Kosten Produktionsverlust Ungeplante IH Zeit Präventive Instandhaltung Stop Start Kosten Produktionsverlust Ungeplante IH Geplante IH Zeit Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 8

9 Instandhaltungsstrategien Reaktive Instandhaltung Kosten Produktionsverlust Ungeplante IH Zeit Präventive Instandhaltung Kosten Produktionsverlust Ungeplante IH Geplante IH Zeit Zustandsabhängige Instandhaltung Stop Start! Kosten Produktionsverlust Ungeplante IH Geplante IH Condition Monitoring Zeit Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 9

10 Offline / Online Condition Monitoring Die Zustandsüberwachung von Maschinen und Anlagen kann kontinuierlich (Online) oder in regelmäßigen Zeitabständen (Offline) erfolgen: Aggregate mit sehr hohen Verfügbarkeitsanforderungen und besonders wertintensive Anlagen sollten mit Online Condition Monitoring Systemen überwacht werden besonders hohe Überwachungsdichte höhere Anschaffungskosten, Personalaufwand nur für reine Systembetreuung bei weniger wertintensiven Aggregaten mit geringeren Verfügbarkeitsanforderungen sind regelmäßige Messungen mit mobilen Systemen ausreichend geringere Überwachungsdichte niedrigere Anschaffungskosten, hoher Personalaufwand für Datengewinnung / Anreise Online Condition Monitoring (kontinuierlich) Minuten Wochen Online Condition Monitoring (Multiplexbetrieb) Offline Condition Monitoring (regelmäßige Messungen) Monate Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 10

11 Offline Condition Monitoring Systeme Condition Monitoring Informationen mit mobilen Schwingungsmessgeräten erfassen: Trendinformation alle 4 12 Wochen, je nach Zyklus der Messrouten langfristige Zustandsänderungen erfassbar kurzfristige Zustandsänderungen (schnell eskalierende Schäden) nicht erkennbar kein Maschinenschutz möglich geringere Investitionskosten Personalaufwand für Ablaufen der Messrouten und Tiefendiagnose langfristige Planbarkeit von Instandhaltungsmaßnahmen VIBXPERT mobiler Datensammler und 2 Kanal FFT- Analysator VIBCODE Messstellencodierung und automatische Messstellenerkennung Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 11

12 Anwendungen für mobile CM-Systeme /1 Beispiel: Wälzlagerverschleiß am Außenring des Motor A- Lagers über einen Zeitraum von 2 Jahren Aggregat: REA Umwälzpumpe Schwingungs- und Wälzlagerüberwachung an Standardaggregaten: Einsatz von mobilen Datensammlern, CM-Software, Datenbank regelmäßige Messungen im Rahmen von Messrouten reproduzierbare Messbedingungen erforderlich (Messpunkt, Sensorankopplung, Messeinstellungen, Betriebsbedingungen) codierte Messstellen verhindern Verwechslung von Messpunkten Ausnutzung des Lebensdauervorrates Stoßimpuls [dbn] MP1: Kenngrößentrend Wälzlager: Stoßimpulspegel dbm, dbc Verfolgung der Schadensentwicklung über 2 Jahre 45 REA Anlage Kohlekraftwerk Alarm Warnung MP Datum Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 12

13 Online Condition Monitoring Maschinenzustände ständig mit fest installierten Condition Monitoring Systemen überwachen: Abtastung von Zustandskennwerten und Betriebszuständen im sek min Takt Erfassung von Diagnosesignalen bei Grenzwertüberschreitungen kurzfristige Zustandsänderungen (schnell eskalierende Schäden) erkennbar Maschinenschutz möglich automatische Datenerfassung, Personalaufwand für Tiefendiagnose Verfügbarkeit garantieren VIBNODE Online Monitoring System für Standardaggregate VIBROWEB XP Online Monitoring System für Spezialmaschinen Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 13

14 Systemkomponenten Online Systeme /1 Schraubenverdichter Gruppe 2 nach VDI stufig, wälzgelagert, direkt gekuppelt I I 1 -BA_Beschleunigungssensor -BT_Temperatursensor -BN_Drehzahlsensor -BP_Drucksensor -BI_Stromsensor 2 VIBNODE VIBNODE Systemkomponenten: 1 Sensorik 2 Monitoring Einheit - Sensorspeisung - Messwerterfassung - Kennwertbildung - Grenzwertvergleich - Diagnosefunktionen - Meldungen - Datenspeicherung - Kommunikationsschnittstellen Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 14

15 Systemkomponenten Online Systeme /2 Servicepartner OMNITREND PC Software Modem PC Telefonnetz Internet 6 VPN Access Router Ethernet LAN Condition Monitoring 3 OMNITREND 5 PC Software Datenbank VIBNODE Server PC Feldbus Modul Prozessvisualisierung OPC-Server 4 Feldbus (z.b. Profibus DP) Server PC SPS Systemkomponenten: 3 Condition Monitoring Software mit Datenbank für CMS- Daten 4 Datenaustausch auf Steuerungsebene 5 Datenübergabe an Prozessvisualisierung 6 Zugriffe für Servicepartner Aggregat Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 15

16 Anwendungen Online Monitoring Systeme /1 Beispiel: Wälzlager-Käfigschaden am A-Lager des Dekanters innerhalb von wenigen Stunden Aggregat: Dekanter Kontinuierliche Überwachung von Kenngrößen und Erfassung von Diagnosesignalen: lückenlose Überwachung von Schwingungskenngrößen, diagnostischen Kennwerten und Diagnosesignalen Berücksichtigung von Betriebszuständen (Ordnungsanalyse bei Drehzahlvariablen Maschinen, lastabhängige Messdatenerfassung) erlaubt Überwachung auch bei dynamischen Prozessen komplexere, intelligente Überwachungskonzepte möglich sofortige Erkennung von Zustandsänderungen a [m/s²] 7,0 6,5 MP1: Kenngrößentrend Wälzlager: Schwingbeschleunigung a_0p 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Alarm Warnung Schadenseskalation innerhalb von Stunden MP 1 0,5 0, Datum Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 16

17 Eigenschaften Offline-Systeme Condition Monitoring mit portablen Systemen: geringere Investitionskosten, aber höhere Personalkosten geeignet für Überwachung langfristiger Zustandsänderungen und Vorort-Diagnose vergleichbare Messbedingungen und Betriebszustände für Trendbetrachtungen unabdingbar kurzfristige Zustandsänderungen nicht erfassbar Diagnosespezialist erforderlich Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 17

18 Eigenschaften Online-Systeme Condition Monitoring mit Online Systemen: höhere Investitionskosten, aber geringere laufende Kosten lückenlose Überwachung, dadurch hohe Überwachungssicherheit (Maschinenschutz) durch Erfassung von Betriebsparametern auch Überwachung dynamischer Prozesse möglich ständig neue Anwendungen durch sinkende Systemkosten und zunehmende Eigenintelligenz Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 18

19 Sichter-Ventilator Beispiel Über eine Frequenzanalyse wurde ein Lagerschaden an einem Sichter- Ventilator festgestellt. Dank der frühzeitigen Diagnose konnte ein Lagerwechsel für die nächste planmäßige Produktionspause der Anlage in 2 Wochen vorgesehen werden. Reparaturkosten: Mögliche Konsequenz ohne Condition- Monitoring: Größere Schäden am Gebläse. Mögliche größere Schäden am Motor. Auf Grund lagerseitig vorhandener Ersatzteile konnten längere Produktionsausfälle vermieden werden. Geschätzte Kosten: Material 800 Personal Produktionsausfall 0 Material Personal Produktionsausfall Total Total 116,800 (Geschätzt: 15 Stunden, Produktionsausfall = Ausstoß * Profit Klinker Produktion * Klinker Koeffizient ) Einsparpotential : Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 19

20 Klinker-Kühler Beispiel Auf Grund der Überwachung konnte an einem Klinker-Kühler-Gebläse ein sich entwickelnder Lagerschaden diagnostiziert werden. Bevor es zu einem größeren Schaden an der Maschine kommen konnte, konnte diese instandgesetzt werden. Reparaturkosten: Material 150 Personal Produktionsausfall Total Geschätzte Kosten: Mögliche Konsequenz ohne Condition Monitoring: Größere Schäden am Gebläse. Mögliche größere Schäden am Motor. Aufgrund nicht sofort verfügbarer Ersatzteile eine längerer Produktionsausfall mit entsprechenden Kosten Material Personal Produktionsausfall Total 267,000 (Geschätzt: 15 Stunden, Produktionsausfall = Ausstoß * Profit Klinker Produktion * Klinker Koeffizient ) Einsparpotential : Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 20

21 Praxisbeispiel Beispiel: Zylinderkopflinie 35 Bearbeitungszentren Investition: 25 Mio. Output: Stück/Jahr Stückkosten: 40 /Stück Verfügbarkeit: 95% Instandhaltungskosten: 1,4 Mio. /Jahr (30% geplante Maßnahmen, 30% ungeplant, 40% Material) Effekte Condition Monitoring Verfügbarkeit um 1% - 2% gesteigert (Mehrproduktion bei +1% Verfügbarkeit: 3250 Stück x 40 /Stück): Instandhaltungskosten reduziert (Reduktion geplante Maßnahmen 5-10%, ungeplante Maßnahmen 10-20%, Material 5-15%) Kosten Condition Monitoring (Einflussfaktoren: Implementierungskosten OEM, Lizenzen, Betriebskosten) Nutzen Condition Monitoring T /Jahr T /Jahr T /Jahr T /Jahr Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 21

22 Zusammenfassung Condition Monitoring sorgt für Effizienzsteigerung Unterschiedliche Vorgehensweise Offline - Online Ungeplante, besser: geplante Instandhaltung, Energie, Anlagenverfügbarkeit, Produktqualität, Prozesssicherheit werden positiv beeinflusst Damit verbunden: Kostenreduktion für die Instandhaltung und Verbesserung der Lifecycle-Kosten Copyright 2010 PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 22