Chancen und Risiken von Predictive Maintenance

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen und Historie
2.1 Instandhaltung
2.2 Entwicklung der Instandhaltung

3 Predictive Maintenance
3.1 Begriffserklärung
3.2 Erfassung von Daten
3.3 Analyse und Auswertung

4 Wirtschaftliche Betrachtung
4.1 Herausforderungen
4.2 Nutzen
4.3 Praxisbeispiele

5 Fazit

Literatur- und Quellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

IT-System Informations- und Telekommunikationssystem MS Microsoft

PM Predictive Maintenance

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Visualisierung der PM-Phasen

Abbildung 2 - Aufbau eines Sensors

1 Einleitung

In einer Studie des Beratungsunternehmens Capgemini wurde zum Thema IT-Trends eine Umfrage mit 121 Experten, aus Unternehmen vom deutschsprachigen Raum durchgeführt. Aus dieser Studie ist zu entnehmen, das Unternehmen mit einem Anteil von 45,5 % den größten Anteil des IT-Budgets in die Instandhaltung des Unternehmens investieren.¹ Die Industrialisierung im 19. Jahrhundert und die dazugehörige Einführung von industrieller Produktionsinfrastrukturen, führte zur Bündelung von verschiedenen und komplexen technischen Anlagen in Fertigungshallen. Die Anlagen wurden meistens von Menschen mit nicht ausreichenden Qualifikationen bedient. Diese Arbeiter waren in der Regel nicht in der Lage, aufgrund fehlender Werkzeuge oder einer fehlenden Ausbildung, die Anlagen wieder Instand zu setzen. Zur Instandsetzung dieser Anlagen wurden qualifizierte Handwerker beauftragt. Diese wurden meist nach einem ungeplanten Stillstand der Anlagen eingesetzt, um die Verluste eines Unternehmens durch den Ausfall der Anlagen so gering wie möglich zu halten. Diese unerwarteten Anlagenausfälle wiesen stets ein hohes Risikopotential für Unternehmen auf. Im Zuge der Industrialisierung stieg deswegen das Interesse an einer effizienteren Gestaltung der Instandhaltungsstrategie weiter an. Mit der Zeit wurde somit nicht nur auf Ausfälle reagiert, sondern es wurde ein Konzept erstellt, zum vorrausschauenden agieren unter Betrachtung verschiedener Komponenten wie der Anschaffung, Ausfall- und auch Instandhaltungskosten der jeweiligen Anlagen. Mittlerweile stehen durch heutige Informations- und Telekommunikationssysteme (kurz: IT-Systeme) verschiedene Werkzeuge zur Planung, Steuerung und Kontrolle zur Verfügung, die die Instandhaltung in Unternehmen unterstützten.² Zur Unterstützung der Instandhaltung ist im Zuge der Digitalisierung und Vernetzung die Technologie Predictive Maintenance (kurz: PM) entstanden. Bei diesem System werden Sensoren verwendet, um Informationen über den Status einer Anlage zu sammeln und weiterzuleiten. Damit soll vorhergesagt werden, wann eine bestimmte

Anlage ausfällt und somit die Verfügbarkeit der Anlage ermittelt werden.³

In diesem Zusammenhang verfolgt diese Arbeit das Ziel die Chancen und Risiken von PM herauszuarbeiten. Damit soll Transparenz über die wirtschaftliche und technologische Lage von PM geschaffen werden. Dazu wird in dieser Arbeit als wissenschaftliche Methodik die Literaturanalyse herangezogen. Die Phasen Literaturrecherche, Literaturauswertung und Interpretation in diese Arbeit werden dabei systematisch abgearbeitet. Zusammen mit der Einleitung besteht die Arbeit aus fünf Kapiteln. Im zweiten Kapitel werden zunächst theoretische Grundlagen im Bereich der Instandhaltung behandelt. Das dritte Kapitel befasst sich hauptsächlich mit dem technischen Einsatz von PM. Die Gegenüberstellung von Nutzen und Herausforderungen dieser Technologie, mit ergänzenden Praxisbeispielen, soll im vierten Kapitel ermitteln ob der Einsatz aktuell empfehlenswert ist. Darauf folgt das letzte Kapitel in dem dann die Ergebnisse dieser Arbeit abschließend zusammengefasst werden.

2 Grundlagen und Historie

2.1 Instandhaltung

Nach der Definition der DIN-Norm 31051 wird die Instandhaltung definiert als:⁴

„Kombination aller technischen und administrieren Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Betrachtungseinheit zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustands oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann.“

Die Grundmaßnahmen der Instandhaltung werden durch die Aufgabengebiete Inspektion, Instandsetzung, Verbesserung und Wartung abgebildet. Mit der Inspektion wird das Ziel verfolgt, den Ist-Zustand einer Anlage oder dessen Komponente festzustellen und zu beurteilen. Dazu gehört auch die Ermittlung des Abnutzungsgrundes und das Ableiten von benötigten Maßnahmen, um eine effizientere Nutzung der Betrachtungseinheit zu ermöglichen. Die Instandsetzung beschreibt alle Mittel die genutzt werden, um die Funktionsfähigkeit einer Anlage wiederherzustellen. Dabei wird die betrachtete Anlage jedoch nicht verbessert, sondern auf dem gleichen Stand gebracht wie vor dem Ausfall, z.B. wird eine Einheit der Anlage gegen eine gleichwertige ausgewechselt. Unter dem Aufgabengebiet Wartung werden die Mittel zusammengefasst, die zum Erhalt des Soll-Zustandes benötigt werden. Des Weiteren sollen diese Mittel dazu beitragen den Eintritt einer Situation mit nicht ordnungsgemäß funktionierenden Einheiten zu verschieben. Der Aufgabenbereich Verbesserung fasst alle Mittel zusammen, die zur Optimierung des betrachteten Objekts dienen. Dabei werden sowohl organisatorische als auch technische Maßnahmen berücksichtigt und umgesetzt, ohne notwendige Funktionen des Objektes zu verändern.5

Damit eine Anlage funktionsfähig wiederhergestellt oder aufrechterhalten wird, werden bei der Instandhaltung im Grundsatz zwischen drei Strategien unterschieden:⁵

- Störungsabhängige Instandhaltung: An dieser Stelle werden Anlagen bis einzelne Teile oder die gesamte Anlage aufgrund eines Schadensfalles ausfallen betrieben. Die Instandhaltung dieser Einheiten erfolgt somit erst nachdem Ausfall von Gesamtanlagen oder wenn einzelne Teile auffallen. Damit ist eine schnelle und spontane Reaktion von kompetenten Instandhaltern gefragt, um die Produktionsstillstände so kurz wie möglich zu halten.
- Zeitabhängige Instandhaltung: Dieser Ansatz verfolgt das Ziel, den Anlagenausfall zu vermeiden. Die Instandsetzung der Anlage oder Teile der Anlage erfolgt auf Analysen und Erfahrungen vergangener Ausfälle. Darauf aufbauend werden fest definierte Intervalle festgelegt, innerhalb dessen eine Instandhaltung umgesetzt wird. Somit erfolgt die Umsetzung einer Instandsetzung unabhängig vom aktuellen Zustand der Anlage.
- Zustandsabhängige Instandhaltung: Hier besteht das Ziel darin, den Gebrauch der Anlagen und Teile möglichst weit auszuschöpfen, aber währenddessen auch einen Anlagenausfall zu verhindern. Durch Inspektionen wird der Zustand der einzelnen Elemente einer Anlage bewertet und bei Bedarf ein Intervall zur Wartung der Anlage festgelegt.

2.2 Entwicklung der Instandhaltung

Im Rahmen von Industrie 1.0 wurden handwerkliche Aufgaben zum Produzieren von Gütern im großen Umfang durch Anlagen ersetzt. Die Instandsetzung der Anlagen sind zu dieser Zeit nicht systematisch umgesetzt worden, sondern ereignisorientiert. Zu dieser Zeit wurde das sogenannte Feuerwehrprinzip durchgeführt, die Instandhaltung der Anlagen wurden nicht von Experten, sondern den Produktionsmitarbeitern durchgeführt. Zum Ende des 19. Jahrhunderts begann die zweite industrielle Revolution. Die ausschlaggebenden Aspekte von Industrie 2.0 waren die Zunahme von elektronischen Antrieben und die Arbeitsteilung. Erstmals wurden Aufgaben zwischen Produktionsarbeitern und Mitarbeitern für die Instandsetzung aufgeteilt. Instandhaltungsmitarbeitern wurden speziell für mechanische und elektrische Instandhaltungsaufgaben ausgebildet. Zu dieser Zeit wurde erkannt, dass eine strukturierte Instandhaltung notwendig ist, es entstanden die ersten Instandhaltungsanleitungen und Standards. Zusätzlich zur korrektiven Instandhaltung entstanden in diesem Zeitraum erstmals neue Instandhaltungsstrategien, beispielsweise wurde in den Vereinigten Staaten von Amerika die präventive Instandhaltung (Predictive Maintenance) vom Unternehmen General Electric eingeführt.⁶ In den sechziger Jahren des 20 Jahrhunderts begann die dritte industriellen Revolution. Mit Industrie 3.0 wurde ein neuer Stand der Automatisierung in der Produktion erreicht. Dieser Wandel wurde durch den Einsatz von IT-Systemen unterstützt. Das Jahr 1969 gilt als das Jahr in dem das erste Mal eine Speicherprogrammierbare Steuerung eingesetzt wurde.⁷ In der heutigen Industrie 4.0 sind Preise für Komponenten von IT-Systemen, wie z.B. Prozessoren, Sensoren und Speicher im Vergleich zu Zeiten von Industrie 3.0 gesunken. Dadurch wurden neue digitale Geschäftsprozesse ermöglicht, die die Automatisierung in Unternehmen z.B. durch den Einsatz von dezentralen Messsystemen oder der Vernetzung von Komponenten effektiver gestaltet haben. Auch der Instandhaltungsprozess in Unternehmen wurde somit verbessert. Durch die Vernetzung der einzelnen Komponenten und Datenquellen ist z.B. durch den Einsatz der Technologie Big-Data-Analysis in Verbindung mit Mustererkennungsverfahren möglich den aktuellen Zustand einer Anlage zu ermitteln. Aufbauend auf diese Informationen können dann Maßnahmen zur Instandhaltung gebildet werden.⁸

3 Predictive Maintenance

3.1 Begriffserklärung

PM wird als vorausschauende Instandhaltung beschrieben und ist eine Erweiterung der zustandsabhängigen Instandhaltung. Es hat die Aufgabe Anlagenfehler zu prognostizieren. Genau wie die zustandsabhängige Instandhaltung verfolgt auch PM das Ziel, Anlagen oder Anlagenteile möglichst weit auszuschöpfen und dabei Fehler zu beheben, sodass Ausfälle verhindert werden können. An den Anlagen angebrachte Sensoren sammeln die relevanten Informationen ein und senden diese an eine Datenbank weiter. Anhand dieser gewonnen Daten werden dann durch verschiedene Verfahren Ausfälle oder Probleme prognostiziert.⁹ Moderne Produktionsanlagen haben z.B. die Möglichkeit Informationen über Auslastung, Maschinenzustände oder die Umgebung der Anlage zu erfassen. Bei älteren Anlagen besteht die Möglichkeit Sensoren nachzurüsten. Mit dem Einsatz der gesammelten Daten über einen längeren Zeitraum kann damit das Ausfallverhalten von Anlagen und Anlagenteilen prognostiziert werden. Bevor eine Störung auftritt können Wartungspläne erstellt und dazu benötigte Ersatzteile im Voraus angeschafft werden. Die Reduzierung und Vermeidung von Produktionsausfällen werden dadurch positiv beeinflusst.¹⁰

Im Allgemeinen lässt sich PM somit in vier Phasen aufteilen:12

- Erfassung von Daten: Damit der aktuelle Zustand einer Anlage oder von Anlagenteilen gemessen werden kann, werden in der Regel sensorbasierende Technologien verwendet wie Vibrations- oder Temperaturüberwachungen oder die allgemeine Leistungsüberwachung der Anlage.
- Speicherung der Daten: Bei der Erfassung der Daten entstehen eine hohe Menge an Daten. Damit diese übersichtlich und effizient genutzt werden können sollte ein Data-Warehouse-System genutzt werden.
- Analyse und Auswertung: Damit aussagekräftige und vertrauenswürdige Prognosen erstellt werden können ist je nach angewendetem Verfahren eine große und qualitative Datenbasis vorzugeben. Daraus abgeleitete Muster in den Daten können dann zukünftige Ereignisse vorhersehen.
- Planung der nächsten Instandhaltung: Die analysierten Daten bilden die Grundlage zur Auswahl der Art und des Zeitpunktes, wann eine Instandhaltung stattfinden muss, um den Ausfall von Anlagen oder Anlagenteilen vorzubeugen bzw. zu verhindern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Entnommen aus eoda (2018), S. 9.

Abbildung 1 - Visualisierung der PM-Phasen

3.2 Erfassung von Daten

Zur Messung des Ist-Zustandes einer Anlage oder Anlagenteilen kommen in den meisten Fällen Sensoren zum Einsatz. Das Zusammenspiel von verschiedenen Aspekten wie die Biologie, Chemie, Medizin oder Physik ermöglichen eine Vielzahl an Sensorsystemen und Anwendungsfelder. Mit Sensoren werden qualitative und quantitative Messungen an biologischen, chemischen, medizinischen oder physikalischen Größen durchgeführt. Ein Sensor ist dazu zweiteilig aufgebaut und besteht aus den Einheiten Sensorelement und Auswerteelektronik. Der gemessene Ist-Zustand eines Messobjektes wird durch naturwissenschaftliche Gesetze in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Diese Ausgangssignale werden durch den Einsatz von Schaltungselektronik oder Softwareprogrammen über die Auswerteelektronik ausgegeben und dann für Auswertungen oder zur Steuerung von Prozessen genutzt.¹¹

[...]

¹ Vgl. Capgemini (2018), S. 12f.

² Vgl. Heinrich (2017), S. 19f.

³ Vgl. Biesel, Hame (2018), S. 220.

⁴ Vgl. Heinrich (2017), S. 20. 5 Vgl. Schenk (2010), S. 23f.

⁵ Vgl. eoda (2018), S. 5ff.

⁶ Vgl. Reichel et al. (2018), S. 4ff.

⁷ Vgl. Schonfelder (2018), S. 11.

⁸ Vgl. Vgl. Reichel et al. (2018), S. 12ff.

⁹ Vgl. eoda (2018), S. 7f.

¹⁰ Vgl. Bauernhansl et al. (2014), S. 545. 12 Vgl. eoda (2018), S. 9ff.

¹¹ Vgl. Hering, Schönfelder (Hrsg.) (2018), S. 1.