Einsatz von vorausschauender Wartung für den maximalen Nutzen in Anlagen der Industrie 4.0

Vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance, PdM), die Datenanalyse und maschinelles Lernen (ML) nutzt, ist in der Industrie 4.0 von entscheidender Bedeutung, da sie ein proaktives Anlagenmanagement, die Optimierung der Effizienz und der Wartungsplanung sowie die Minimierung von Ausfallzeiten ermöglicht, um die Nachhaltigkeit zu verbessern. Die rechtzeitige und genaue Datenerfassung ist ein Schlüssel für die erfolgreiche Einführung der vorausschauenden Wartung.

Außerdem müssen die Daten vollständig sein. Stromversorgungen können Gleichspannung (V_DC) und Strom (I_DC), Spitzenstrom (I_PEAK), Betriebszeit und Austauschzeit überwachen. Motorzustandsüberwachungen werden für Vibrationen, Temperatur, Strom und Isolationswiderstand (Erdschluss) benötigt.

Thermische Zustandsüberwachungen werden für eine Reihe von Geräten wie Hochspannungsschalttafeln, Leistungstransformatoren, Hydraulikanlagen, Motoren und Lager, Getriebe und vieles mehr benötigt. All diese Stromversorgungen, Motoren und Temperaturüberwachungen benötigen eine Ethernet/IP- oder Modbus-TCP-Verbindung, um die Daten für die Echtzeitanalyse zu senden.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über die vorausschauende Wartung, ihre zahlreichen Vorteile und wie sie sich in Systemarchitekturen der Industrie 4.0 einfügen kann. Anschließend wird die umfassende von Omron angebotene Hardware und Software für die vorausschauende Wartung näher vorgestellt. Abschließend wird untersucht, wie künstliche Intelligenz (KI) zur Optimierung der Performance der vorausschauenden Wartung eingesetzt werden kann.

Vorausschauende Wartung ist einer von drei Ansätzen zur Wartung von Geräten und Anlagen. In Bezug auf das Gleichgewicht zwischen Umwelt- und Geschäftskosten liegt sie zwischen reaktiver und präventiver Instandhaltung (Abbildung 1). Ein Faktor bei der Wahl zwischen den drei Ansätzen ist die relative Bedeutung, die den Umwelt- und Geschäftskosten beigemessen wird.

Abbildung 1: Vorausschauende Wartung liegt zwischen reaktiven und präventiven Wartungsansätzen und bietet ein Gleichgewicht zwischen geschäftlichen und ökologischen Überlegungen. (Bildquelle: Omron)

Bei der reaktiven Wartung wird gewartet, bis Störungen auftreten, um sie dann zu beheben, was sowohl die Umwelt- als auch die Unternehmenskosten erhöht. Bei der vorbeugenden Wartung stehen minimale Umweltkosten im Vordergrund, da regelmäßige manuelle Inspektionen durchgeführt werden, um drohende Ausfälle zu erkennen, was jedoch zu übermäßigen Ausfallzeiten und hohen Geschäftskosten führen kann. Sie wird als eine weitere Form der reaktiven Wartung betrachtet, bei der der treibende Faktor ein vorher festgelegter und etwas willkürlicher Zeitplan ist, und nicht ein offener Geräteausfall.

Die Verfügbarkeit moderner Sensoren und das Aufkommen von KI- und ML-Tools haben die Entwicklung der vorausschauenden Wartung ermöglicht, das Technologien einsetzt, um Umwelt- und Geschäftskosten auszugleichen.

Skalierbar und flexibel

Vorausschauende Wartung ist keine universelle Lösung. Die Lösung ist skalierbar und flexibel und kann für ein einzelnes unternehmenskritisches Gerät, für mehrere Geräte oder für eine gesamte Anlage mit zentraler Überwachung eingesetzt werden. Das ermöglicht es Unternehmen, klein anzufangen und den Einsatz von vorausschauender Wartung im Laufe der Zeit zu erweitern, um Störungen bei der Nachrüstung bestehender Einrichtungen zu minimieren.

Skalierbare Lösungen werden durch eine Vielzahl von kompatiblen Komponenten wie Sensoren, Überwachungseinheiten und Steuerungen unterstützt, die je nach Bedarf hinzugefügt werden können. Die Verwendung von industriellen Kommunikationsprotokollen wie Ethernet/IP und Modbus TCP vereinfacht die Integration in bestehende Systeme und unterstützt erweiterte Funktionen wie die Fernüberwachung mehrerer Geräte gleichzeitig.

Es gibt skalierbare Softwarelösungen für die Analyse von Daten und die Verwaltung von Geräten von einem zentralen Kontrollzentrum im Büro oder von verschiedenen Standorten in der Anlage aus.

Diese Lösungen können ohne größere Überholungen in bestehende Anlagen integriert werden, was die Flexibilität erhöht. Sie können für nahezu jede Branche optimiert werden, z. B. für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die Automobilindustrie, die Herstellung medizinischer Geräte, die Halbleiter- und Elektronikindustrie, die Militär- und Luftfahrtindustrie, die Logistik- und Lagerbranche und viele mehr.

Diese Flexibilität wird durch eine breite Palette von Komponenten für die vorausschauende Wartung unterstützt, darunter Lösungen zur Überwachung der Stromversorgung, des Motorzustands (Strom, Vibration, Temperatur, Isolationswiderstand) und der thermischen Bedingungen. Darüber hinaus stehen Standard-Software-Funktionsblöcke (FBs) für die Datenerfassung, Kommunikation, Datenverarbeitung und -analyse, das Einstellen von Alarmen und Senden von Benachrichtigungen, die Datenprotokollierung und Berichterstellung sowie für die Implementierung kundenspezifischer KI- und ML-basierter Analysen zur vorausschauenden Wartung zur Verfügung.

Zustandsüberwachung ersetzen einfache Sensoren

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen vorausschauender Wartung und anderen Ansätzen ist der Einsatz von Zustandsüberwachungsmonitoren anstelle von einfachen Sensoren, um die Leistung der Anlagen zu verfolgen und eine proaktive Wartung zu ermöglichen. Wie die Sensoren sind auch die Zustandsüberwachungsmonitore mit dem zu überwachenden Gerät verbunden.

Während Sensoren jedoch mit relativ einfachen Protokollen wie IO-Link eingesetzt werden können, erfordern Zustandsüberwachungsmonitore eine anspruchsvollere Vernetzung wie EtherNet/IP oder Modbus TCP. Die Zustandsüberwachungsmonitore können eine lokale Datenverarbeitung durchführen und enthalten häufig Statusanzeigen, die normalerweise nicht mit Sensoren verbunden sind.

Zustandsüberwachungsmonitore können über einen oder mehrere Kommunikationsknoten mit übergeordneten Geräten wie Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs) verbunden werden, die eine zentrale Stelle für die Datenvisualisierung bieten, oder mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder zentralen Überwachungssystemen mit umfassenderen Datenanalysetools, einschließlich KI und ML (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Lösungen für die vorausschauende Wartung von Omron können einzeln zur Überwachung kritischer Anlagen eingesetzt werden, wobei man klein anfängt und dann schrittweise wächst, um umfassende Lösungen für ganze Produktions- oder Logistikstandorte zu erhalten. (Bildquelle: Omron)

Tiefere Einblicke

Omron bietet eine Auswahl an Komponenten und Software für die vorausschauende Wartung an. So messen die über Ethernet vernetzten intelligenten Netzteile S8VK-X zahlreiche Leistungsaspekte, darunter Vout und Iout zur Überwachung des Energieverbrauchs und I_PEAK zur Erkennung potenzieller Überlastbedingungen.

Diese Netzteile messen die tatsächlichen Betriebsstunden. Sie schätzen auch die verbleibende Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren anhand der Arrhenius-Gleichung, die besagt, dass sich die Lebensdauer eines Kondensators pro 10 °C Temperaturanstieg ungefähr halbiert, in Kombination mit den tatsächlichen Betriebstemperaturen, und zeigen die Ergebnisse in Jahren oder als Prozentsatz der verbleibenden Lebensdauer an.

Die Netzteile S8VK-X sind für Leistungen von 30 W bis 480 W und Ausgangsspannungen von 5 V_DC, 12 V_DC und 24 V_DC erhältlich. Sie werden auch mit integriertem Bildschirm angeboten, wie das Modell S8VK-X48024A-EIP, das für 24 V_DC und 480 W ausgelegt ist, oder ohne integrierten Bildschirm, wie das Modell S8VK-X03005-EIP, das für 5V_DC und 30 W ausgelegt ist.

Die Zustandsüberwachung von Elektromotoren ist ein wichtiger Aspekt der vorausschauenden Wartung, und die Motorwartungsmonitore K6CM von Omron eignen sich für alle Arten von Wasserpumpen sowie für Motoren in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC), in der Landwirtschaft, für Rolltreppen und die meisten anderen Elektromotoranwendungen.

Motorwartungsmonitore sind für die Vibrations- und Temperaturüberwachung, die Isolationswiderstandsüberwachung und die Motorstromüberwachung erhältlich. Erhältlich sind Modelle für dreiphasige 100 bis 240 V_AC oder 24 V_AC/V_DC Eingangsspannung.

Vibration und Temperatur können mit dem K6CM-VBMD-EIP überwacht werden, das mit 24 V_AC/V_DC betrieben wird. Alle Temperaturmonitore arbeiten mit dem Vibrations- und Temperatursensor K6CM-VBS1, der aus einem Sensorkopf am Motor und einem Vorverstärker besteht, der zwischen Sensor und Monitor geschaltet ist.

Der Zustand des Isolationswiderstands kann mit dem K6CM-ISMD-EIP überwacht werden, der zusammen mit dem Nullstromwandler (ZCT) K6CM-ISZBI52 und dem Isolationswiderstandstransfersensor (IRT) mit 24 V_AC/V_DC. betrieben wird Die ZCT-Funktion misst den Ableitstrom in einem dreiphasigen Motorstromkreis, während die IRT-Funktion den Isolationswiderstand zwischen den Motorwicklungen und der Erde misst.

Der Motorzustand von Drehstrom-Asynchronmotoren kann auch mit dem K6CM-CIMA-EIP überwacht werden, der von 100 V_AC bis 240 _VAC arbeitet, zusammen mit dem Stromsensor K6CM-CICB400, der für 400 A ausgelegt ist. Andere Modelle von Stromsensoren sind von 5 A bis 600 A erhältlich.

Diese Monitore verwenden die komplette Stromdiagnose-Technologie von Omron. Sie können Anomalien wie Kavitation oder Luftverschmutzung erkennen, indem sie die Abweichung zwischen einer idealen Sinuswelle und der gemessenen Stromwellenform quantifizieren. Bedingungen wie Fehlausrichtung, Ungleichgewicht der Last oder Anhaftung von Fremdkörpern werden durch Analyse der Frequenzkomponenten der gemessenen Stromwellenform quantifiziert.

Das K6PM-System zur Überwachung des thermischen Zustands kann für die Implementierung von vorausschauender Wartung für eine Vielzahl von Industrieanlagen verwendet werden, z. B. für Hochspannungsschalttafeln, Transformatoren, hydraulische Anlagen, Datenzentren, Lager, Getriebe und so weiter. Es umfasst den Wärmebildcontroller K6PM-THS3232 und den Wärmebild-Infrarotsensor K6PM-THMD-EIP, der Temperaturen von 0°C bis +200°C überwachen kann.

Ein einziger K6PM-Controller zur Überwachung des thermischen Zustands kann bis zu 31 IR-Sensoren überwachen. Die kostenlose PC-Überwachungssoftware umfasst Algorithmen zur Erkennung von Temperaturabweichungen und dreistufige Temperaturalarme. Die Software unterstützt auch benutzerdefinierte Alarmschwellen.

Abbildung 3: Zu den Kernfunktionen des Angebots zur vorausschauenden Wartung von Omron gehören intelligente Stromversorgungen sowie Motor- und Wärmezustandsüberwachungen und entsprechende Sensoren. (Bildquelle: Omron)

Hinzufügen von vorausschauender Wartung per KI am Netzwerkrand

Die „AI PdM Library“ von Omron ist eine der Software-Funktionskomponenten der „Sysmac Library“ für die Nutzung der KI-Fähigkeiten der NX/NY-Serie von Maschinensteuerungen mit künstlicher Intelligenz (KI-Controller). Die „AI PdM Library“ enthält Funktionsblöcke für jeden Mechanismus (Geräte und Komponenten wie Zylinder, Kugelumlaufspindel oder Riemenscheibe).

Benutzer können benutzerdefinierte Funktionsblöcke in Form von wiederverwendbaren Codeblöcken erstellen und integrieren, um kundenspezifische Funktionen für die vorausschauende Wartung zu implementieren. Benutzerdefinierte Funktionsblöcke können verwendet werden für:

• Entwicklung von anwendungsspezifischen Algorithmen
• Schnittstellen zu einer größeren Anzahl von Sensoren oder anderen Geräten zur Datenerfassung
• Maßgeschneiderte Datenverarbeitung, die sich an den spezifischen Implementierungsstrategien für die vorausschauende Wartung orientiert

Funktionsblöcke erzeugen Variablen, die als Eingaben für die KI-Engine in den NX/NY-Controllern verwendet werden. Die KI-Engine analysiert die in einer Zeitreihendatenbank gesammelten Daten auf anormale Muster oder Verhaltensweisen in den Geräten. Die gesamte KI-Engine ist so konzipiert, dass sie autonom innerhalb eines KI-Controllers arbeitet.

KI-Controller für die vorausschauende Wartung

Zu den KI-Controllern der NX/NY-Serie von Omron gehört der NX701-Z700, der KI zur vorausschauenden Wartung ohne Verbindung zur Cloud implementieren kann. Der NX701 kann bis zu 256 Bewegungsachsen in einem einzigen Programm steuern, was die Installationskosten senkt und die Programmentwicklung, -prüfung und -kontrolle vereinfacht.

Er verfügt über integrierte Ethernet/IP- und EtherCAT-Kommunikationsports. Das gibt Entwicklern von industriellen Steuerungsnetzwerken die Möglichkeit, EtherNet/IP für größere Datenpakete und EtherCAT für garantierte Paketzustellung zur Unterstützung deterministischer Bewegungen zu nutzen. Der 80 MB große Programmspeicher kann zahlreiche Funktionsblöcke sowie die „AI PdM Library“ von Omron unterstützen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der NX701-Z700 kann KI zur vorausschauenden Wartung implementieren, ohne sich mit der Cloud zu verbinden, und er kann bis zu 256 Bewegungsachsen in einem einzigen Programm steuern. (Bildquelle: Omron)

Weitere Merkmale des KI-Controllers NX701-Z700 sind:

• Plug&Play-Integration mit über 120 NX-Eingabe-/Ausgabeeinheiten (I/O)
• Umfassende Softwareumgebung mit Sysmac Studio, Omron Vision, Omron Motion, Omron Robotics und Omron Safety Components
• Unterstützung für mehrere industrielle Kommunikationsprotokolle, einschließlich EtherNet/IP, EtherCAT, Fail Safe Over EtherCAT, IO-Link und Factory Scale Motion
• Garantierte EtherCAT-Zykluszeiten von 0,125 ms bis 0,250 ms in Schritten von 0,125 ms und von 0,250 ms bis 8 ms in Schritten von 0,250 ms

Fazit

Vorausschauende Wartung ist ein neues Paradigma für die Optimierung des Gleichgewichts zwischen Umwelt- und Geschäftsaspekten in Fabriken und Logistikbetrieben der Industrie 4.0. Sie nutzt moderne Sensoren, Zeitreihendatenbanken und SPS mit KI, um die Leistung und den Zustand von Anlagen kontinuierlich zu überwachen, potenzielle Ausfälle vorherzusagen und die Wartung proaktiv zu planen.

Regelmäßige Überwachung und Wartung auf der Grundlage von Erkenntnissen der vorausschauenden Wartung tragen dazu bei, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben, um vorzeitigen Verschleiß zu verhindern und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern. Vorausschauende Wartung trägt dazu bei, die Betriebszeit von Anlagen zu maximieren, Abfall zu reduzieren und die betriebliche Effizienz zu verbessern. Schließlich ist vorausschauende Wartung äußerst flexibel und skalierbar, und ein Unternehmen kann vorausschauende Wartung so schnell oder schrittweise in einer Einrichtung einführen, wie es gewünscht wird, und dennoch erhebliche Leistungsverbesserungen und Kosteneinsparungen erzielen.

Empfohlene Lektüre:

1. Verbesserte Sicherheit und höhere Verfügbarkeit in Industrie-4.0-Fabriken
2. Verwendung einer einheitlichen cybersicheren Plattform zur Unterstützung umfassender Vernetzung für Industrie 4.0
3. Unterstützung von Massenanpassung, hoher Qualität und nachhaltigem Betrieb in Industrie-4.0-Fabriken
4. Optimierung von Industrie-4.0-Kommunikationsarchitekturen mit Multiprotokoll-I/O-Hubs und -Konvertern
5. Schnelle Installation, Anschluss und Integration von einachsigen VSDs in Automatisierungssysteme für Industrie 4.0