Zustandsbasierte Instandhaltung von mobilen Arbeitsmaschinen. Condition Monitoring Systeme im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung, Zielsetzung und Forschungsfrage
1.2 Vorgehensweise

2 Mobile Arbeitsmaschinen
2.1 Definition
2.2 Hauptkomponenten

3 Zustandsbasierte Instandhaltung
3.1 Definition und Instandhaltungsstrategien
3.2 Entwicklung der Instandhaltung
3.3 Zustandsüberwachung als Kern zustandsbasierter Instandhaltung

4 Zustandsbasierter Instandhaltung mobiler Arbeitsmaschinen
4.1 Entwicklung, Anforderung und Notwendigkeit intelligenter Instandhaltungslösungen
4.2 Indikatoren und Sensoren zur Zustandsüberwachung technischer Systeme
4.3 Condition Monitoring System für mobile Arbeitsmaschinen

5 Bewertung

6 Fazit

Anhang A: VHMS and WebCARE

Anhang B: Datenströme innerhalb des Condition Monitoring Systems

Anhang C: Datenübertragungsbedingungen

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis

7 Quellen- und Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Das erste Kapitel erörtert die Problemstellung der Ausgangssituation innerhalb der Baubranche und die resultierende Intension für die Erstellung der vorliegen- den Arbeit. Die Unterpunkte 1.2 und 1.3 beschreiben die Zielsetzung und den Aufbau der Arbeit.

1.1 Problemstellung, Zielsetzung und Forschungsfrage

Am 11.01.2017 wurde die Elbphilharmonie am Hamburger Hafen eröffnet. Das fast zehnjährige Bauprojekt verzeichnete nach Abschluss eine 146-prozentige Kostensteigerung, was unplanmäßigen 513 Mio. Euro entsprach. Neben weite- ren Großprojekten im Bereich Verkehr oder öffentliche Gebäude, wie dem BER und Stuttgart 21, die entgegen der medial erzeugten Wahrnehmung lediglich 44 bzw. 33 Prozent Kostensteigerung verzeichneten, liegt die branchenübergrei- fende durchschnittliche Kostensteigerung von Großprojekten in Deutschland bei 73 Prozent.¹

Diesem Problem begegnet die Bauwirtschaft mit dem Building Information Mode- ling (BIM) in der fünften Dimension um Planungsrisiken zu minimieren. Das Ziel hierbei ist eine kostenoptimale Kalkulation, bei der Zeitpuffer und redundante Ressourcen vermieden werden sollen. Die Kostenvorteile durch Laufzeitverkür- zung bei Bauprojekten liegen zwischen 50 bis 80 Prozent² und lassen die Folge- rung zu, dass immenses Potenzial innerhalb der Optimierung der Baulogistik liegt. Sämtliche logistischen Prozessphasen (Beschaffungslogistik, Produktions- logistik und Entsorgungslogistik) werden von mobilen Arbeitsmaschinen verrich- tet.³ Ähnliche Logistikprozesse, bei denen die vorbereitenden Arbeiten einer Pro- zessphase für den Beginn der nächsten Prozessphase unabdingbar sind, lassen sich auch in der Rohstoffgewinnung im Tage- und Untertagebau festlegen. Im Falle eines Maschinenausfalls verzögern sich die Folgeprozesse und dem Be- treiber entstehen hohe Ausfallkosten. Um Produktions- bzw. Prozessstillstände zu umgehen greifen Betreiber zu redundanten Ressourcen, welche sich in der Anschaffung kostenlastig auswirken, sich jedoch nicht im Rahmen der Preisge- staltung abbilden lassen. Dieser Aspekt führt zu den Anforderungen an Maschi- nen in Form von Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Effizienz im Betrieb. Die ersten beiden Anforderungen stellen wichtige Kenngrößen dar, wel- che die Planungssicherheit von Arbeitsprozessen beeinflussen und sich nur mit einer zustandsbasierten und zur Branche passenden Instandhaltungsstrategie erzielen lassen.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Beantwortung folgender Kernfrage:

Wie wird zustandsbasierte Instandhaltung im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen vollzogen?

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Definition und der Zielsetzung zustandsba- sierter Instandhaltung und fokussiert die praktische Umsetzung zustandsbasier- ter Instandhaltung im Hinblick auf den Einsatz von Condition Monitoring Syste- men im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen.

1.2 Vorgehensweise

Einleitend werden zunächst grundlegende Erkenntnisse, wie Definitionen und Entwicklungen zur Orientierung und Einordnung dieser Thematik aus dem Be- reich mobiler Arbeitsmaschinen und der zustandsbasierten Instandhaltung dar- gelegt. Kapitel 2 definiert den Begriff „mobile Arbeitsmaschinen“ und benennt die tragenden Hauptkomponenten. Kapitel 3 widmet sich den Grundlagen der In- standhaltung. Hierbei werden die Instandhaltungsstrategien und die Entwicklung derer praktischen Umsetzung sowie die Methoden zur Zustandsüberwachung grob dargestellt und erläutert. Kapitel 4 beschreibt die Gegebenheiten der zu- standsbasierten Instandhaltung von mobilen Arbeitsmaschinen. Abschnitt 4.1 be- leuchtet die Entwicklungen, Anforderungen und Notwendigkeit intelligenter In- standhaltungslösungen. In Abschnitt 4.2 wird explizit auf die Indikatoren und möglichen Sensorarten, die zur technischen Diagnose herangezogen werden eingegangen. Abschließend wird in Abschnitt 4.3 ein von Hitachi patentiertes Condition Monitoring System vorgestellt, welches so und vergleichbar im Feld Einsatz findet.

2 Mobile Arbeitsmaschinen

Dieses Kapitel gibt einen kurzen Einblick in die Welt der mobilen Arbeitsmaschi- nen. Beginnend im Unterpunkt 2.1 wird der nicht genormte oder einheitlich defi- nierte Begriff im Sinne des Brancheverständnisses greifbar gemacht. Punkt 2.2 benennt die tragenden Komponenten mobiler Arbeitsmaschinen, die bereits in der Praxis einer Zustandsüberwachung im Sinne der zustandsbasierten Instand- haltung unterzogen werden.

2.1 Definition

Als mobile Arbeitsmaschinen werden in dieser Arbeit Maschinen mit zwei Haupt- antrieben (Fahr- und Arbeitsantrieb) zur Verrichtung von Arbeitsprozessen in der Bauwirtschaft, im Tagebau und Mining sowie der Land- und Forstwirtschaft ver- standen.⁴

2.2 Hauptkomponenten

Als Hauptkomponenten werden in dieser Arbeit alle zur Erfüllung des Fahr- und Arbeitsbetriebs der Arbeitsmaschine entscheidenden Komponenten verstanden, deren Reparatur meistens mit höherem Aufwand und höheren Kosten verbunden ist. Als unabdingbare Stützpfeiler einer jeden mobilen Arbeitsmaschine zählen Motor, Fahrantriebe und andere Getriebe, Pumpen, Arbeitshydraulik und die elektrische Ausrüstung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Ein hydrostatischer Fahrantrieb als wesentliches Teilsystem vieler mobiler Arbeitsmaschinen

Quelle: Boog, 2011, S. 2

Im abgebildeten geschlossenen hydraulischen Kreis wird die mechanische Leis- tung eines Primäraggregates, meist eines Verbrennungsmotors, durch die Pumpe in hydraulische Leistung gewandelt. Die hydraulische Leistung wird vom Hydromotor wieder in mechanische Leistung gewandelt und durch den weiteren Antriebsstrang zu den angetriebenen Rädern geleitet. (Abbildung 1)

Moderne Baumaschinen sind mit einer internen Datenautobahn, dem CAN-Bus ausgestattet.⁵ Hierbei handelt es sich um ein innerhalb der Baumaschine inte- griertes System zur Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern über ei- nen gemeinsamen Übertragungsweg. Bei Landmaschinen wird ein darauf auf- bauendes und an die Branche angepasstes Datenübertragungssystem, der ISO- Bus eingesetzt.⁶ Vereinfacht erklärt sind an unterschiedlichen Aggregaten der mobilen Arbeitsmaschine Sensoren und Aktoren angebracht die mit dem jeweili- gen Steuergerät des Aggregates kommunizieren. Die Steuergeräte der Aggre- gate sind über den CAN-Bus mit einander und dem übergeordneten Steuergerät der Arbeitsmaschine verbunden, sodass ein kontinuierlicher Datenaustausch möglich ist. (Abbildung 2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau einer dezentralen Architektur der Maschinensteuerung Quelle: (Boog 2011), S. 3

Aufgrund der positiven Entwicklung in der Sensortechnologie und der damit ein- hergehend kostensenkenden Herstellung der Sensoren werden diese heute bei modernen mobilen Arbeitsmaschinen flächendeckend verbaut. Durch die enorme Erhöhung des Datenvolumens kommt der CAN-Bus an seine Grenzen und eine schnellere und bessere Lösung zur Datenübertragung, bekannt als Ethernet ge- winnt immer mehr an Bedeutung.⁷

Im Folgenden wird grundlegend die zustandsbasierte Instandhaltung umrissen bevor es in dem Folgekapitel zu fachbezogenen Erläuterungen der Umsetzung zustandsbasierter Instandhaltung an mobilen Arbeitsmaschinen kommt.

3 Zustandsbasierte Instandhaltung

Dieses Kapitel dient als einleitender Abschnitt für grundlegende Erklärungen der Instandhaltungsstrategien und deren Entwicklung in der Praxis. Abschließend wird ein wichtiger Kernaspekt der zustandsbasierten Instandhaltung, die Zu- standsüberwachung im Hinblick auf die technische Diagnose und das Condition Monitoring allgemein betrachtet.

3.1 Definition und Instandhaltungsstrategien

Als Instandhaltung wird nach DIN 31051 ein Maßnahmenumfang verstanden, der sich aus Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung zusammensetzt um die funktionelle Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Maschinen jeglicher Art zu gewährleisten. (Abbildung 3) Die abgebildeten Maßnahmen finden über die Instandhaltungsstrategien hinweg Anwendung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Maßnahmen der Instandhaltung

Quelle: in Anlehnung an DIN 31051:2012 und Schwießelmann, 2014, S. 41

Die zustandsbasierte Instandhaltung ist eine der drei Grundstrategien des In- standhaltungsmanagements. Neben der schadensbasierten Instandhaltung, wel- che erst im Schadensfall eintritt, dient die zustandsbasierte Instandhaltungsstra- tegie ebenfalls wie die zeitbasierte Instandhaltungsstrategie der vorbeugenden Instandhaltung. Die zustandsbasierte Instandhaltung lässt allerdings die festen Zeitintervalle außen vor und macht ein vorbeugendes Einschreiten vor Ausfall oder vor einer Störung vom überwachten, technischen Zustand des Instandhal- tungsobjektes (technisches System, Produkt, Software) abhängig. (Abbildung 4) Ziel ist natürlich das Umgehen eines Objektstilstandes bei optimaler Ausschöp- fung des Abnutzungsvorrates und damit die Vermeidung von Ausfallkosten sowie das Optimieren der Wirtschaftlichkeit innerhalb des Instandhaltungsprozesses.⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zustandsbasierte Instandhaltung und deren Wirkung auf den Abnutzungsvorrat

Quelle: Pawellek, 2016, S. 176

Weitere Strategien wurden im Laufe der Zeit aus diesen Grundstrategien abge- leitet. Grundsätzlich gilt auch zu sagen, dass es keine optimale Instandhaltungs- strategie gibt. In der Praxis wird meist eine dynamische Kombination verschiede- ner Grundstrategien sowie branchenbezogener Verbesserungen gelebt.⁹

3.2 Entwicklung der Instandhaltung

Mit der Veränderung der Produktionsanforderungen und den Kundenbedürfnis- sen sind auch die Anforderungen an die Instandhaltung und deren Entwicklungen im Zeitverlauf höherwertig geworden. Momentan wird die dritte Generation der Instandhaltung in den meisten Branchen gelebt. (Abbildung 5)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Entwicklung der Instandhaltungsstrategien

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Korb, 2008, erweitert um 4. Generation aus Reichel et al. 2009, S. 53

Mit dem Einzug des Gedanken von Industrie 4.0 werden auch im Bereich der Instandhaltungen vertiefende Entwicklungen im Hinblick auf die Prognosetechnik bereichsübergreifend erforscht. Clockspeed bestimmende Industrien verzeich- nen im Feld bereits erste Erfolge mit Predictive Maintenance. Selbst im Maschi- nenbau generieren namhafte Hersteller bis zu 20 Prozent Serviceumsätze mit Predictive Maintenance Serviceleistungen.¹⁰ Innerhalb der Branche werden ver- mehrt Maschinen- und Prozessdaten zur vorausschauenden Instandhaltung ein- gesetzt (42,5 Prozent)¹¹. Einer Studie von Horvath & Partner zu Folge wird zu- künftig in Unternehmen der Anwendungsbereich antizipierender Instandhal- tungskonzepte (88 Prozent) neben Thematiken, wie dem standardisiertem Da- tenmanagement, Prozess- und Betriebsdatenerfassung sowie der Transparenz von Teilebewegungen verstärkt eine bedeutende Rolle einnehmen.¹² Neue Tech- nologien tragen der Strategischen Ausrichtung des Managements das Unterneh- men nicht durch den Rückspiegel lenken zu wollen immense Bedeutung bei.

Somit eröffnet sich auch im Bereich der zustandsbasierten Instandhaltung die Perspektive durch vorausschauende Kenntnis des zukünftigen Maschinenzu- standes und der prognostizierten Instandhaltungsmaßnahmen zur Kostenein- sparung beizutragen.

3.3 Zustandsüberwachung als Kern zustandsbasierter Instandhaltung

Zur Analyse des Maschinenzustandes greift die zustandsbasierte Instandhaltung auf die technische Diagnostik und das Condition Monitoring zurück. „ Die Metho- den zur Analyse relevanter Parameter für Sicherheit und Zuverlässigkeit techni- scher Systeme werden international unter dem Begriff Technical Diagnostics zu- sammengefasst. Die Zustandsüberwachung technischer Systeme wird als Con- dition Monitoring bezeichnet.“ ¹³

Die Methoden zur Analyse des Zustandes reichen von der Spannungs- und Deh- nungsanalyse (Stress and Strain Determination) über die Verfahren der zerstö- rungsfreien Prüfung, der Radiologie und Computertomografie bis hin zur Mikro- strukturanalyse.¹⁴

Vereinfacht erklärt findet die Zustandsmessung je nach Anwendungsfall mit un- terschiedlichen Sensoren statt, welche einen Ist-Zustand mit einem zuvor festge- setzten Sollzustand des technischen Systems vergleichen und kleinste Abwei- chungen an eine zuständige Stelle melden, welche die notwendige Maßnahme einleitet. (Abbildung 6)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Methodik der Zustandsüberwachung technischer Systeme

Quelle: Czichos, 2015, S.27

Diese Condition Monitoring Systeme (CMS) erfassen automatisiert die Daten meist zyklisch und werten sie kontinuierlich aus.¹⁵ Der Zweck der CMS ist die Reduktion von Kosten für die Inspektion, Wartung und Reparatur von techni- schen Systemen während ihrer gesamten Lebensdauer, die Vermeidung unplan- mäßiger Ausfallzeiten aufgrund von Wartung und Reparatur sowie die Erhöhung der Maschinenaktivität und damit einhergehender Verbesserung der Produktivi- tät. Für diese Zielerreichung müssen dem Kundendienst definierte, aktuelle und gültige Daten als Indikatoren für den Maschinenzustand zur Verfügung gestellt werden. Relevant sind dabei die Informationen über die Art und Weise des Ma- schineneinsatzes sowie der Betriebszustand und die geschätzte Lebenserwar- tung der Maschine.¹⁶

Allerdings waren CMS sehr kostenintensiv und haben sich vorwiegend für stati- onäre Anlagen, wie Kraftwerke sowie für Antriebssysteme in der Chemie, Öl- und Gasindustrie als auch innerhalb des Sektors für erneuerbare Energien etabliert. Andere Sektoren, wie der Schienenverkehr entdeckten die Vorteile von CMS be- reits für sich, während weitere Sektoren, wie die Baumaschinen- und Landtech- nikbranche ein ausbaubares Potential für den Einsatz moderner Instandhaltungs- lösungen vorweisen.

[...]

¹ Vgl. Kostka und Anzeiger 2015

² Vgl. Rietig, 2015

³ Vgl. Hofstadler, 2007, S.42ff

⁴ Vgl. Geimer, 2014, S. 3ff

⁵ Vgl. Boog, 2011, S.2f

⁶ Vgl. GKN Walterscheid GmbH

⁷ Vgl. Pyper, 2015

⁸ Vgl. Pawellek, 2016, S. 173ff

⁹ Vgl. Schwießelmann, 2014, S. 29ff

¹⁰ Vgl. VDMA - Fachverband Fluidtechnik 25.04.2017

¹¹ Vgl. Statista, 2017a

¹² Vgl. Statista, 2017b

¹³ Czichos, 2015, S. 25

¹⁴ Vgl. Czichos, 2015, S. 25ff

¹⁵ Vgl. Czichos, 2015, S. 26

¹⁶ Vgl. Murakami et al, 2002, S. 15f