Wartung im Dauermodus – Sensoren überwachen lückenlos Maschinen und Anlagen

Prof. Dr. Andreas Schütze / Bildquelle: ZeMA

Ein neues Verfahren, das den Zustand von Maschinen pausenlos im Auge behält, entwickelt das Forscherteam von Professor Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Mobil via Tablet-PC informiert das System, wie es um Industrieanlagen steht, wann ein Ersatzteil ausgetauscht werden muss oder welche Reparatur noch warten kann. Sensoren sammeln hierzu permanent Messdaten, etwa über Schwingungsfrequenz und Temperatur. Die Ingenieure arbeiten mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Firma HYDAC daran, die Datenmuster automatisch typischen Fehlerzuständen zuzuordnen. Mit einem Hydraulik-Teststand zeigen die Forscher ihr Verfahren auf der Hannover Messe am saarländischen Forschungsstand.

Das Phänomen ist bekannt: Lange bevor ein technisches Gerät seinen Dienst versagt, ändert sich sein Zustand. Die Maschine macht andere Geräusche, vibriert stärker, wird mitunter sogar heiß. Was im Kleinen für die heimische Waschmaschine zutrifft, gilt auch im Großen: etwa bei Windkraft- oder Industrieanlagen. Versagt hier ein Bauteil, funktioniert plötzlich ein Ventil oder eine Pumpe nicht, fällt die Kühlung aus oder ist der Druck zu gering, stehen ganze Anlagen still – und das kann teuer werden. Das Sensorsystem macht den aktuellen Zustand einer Anlage transparent. Die Forscher arbeiten daran, dass es in einem sehr frühen Stadium warnt, wenn sich ein Schadensfall ankündigt. Indem sie mehrere Sensoren kombinieren, können sie auch kleinste Veränderungen erfassen, die mit einem einzelnen Sensor nicht erkennbar sind.

Die Messtechniker bringen dafür Vibrationssensoren an mehreren Stellen einer Maschine an, die ununterbrochen Messdaten liefern, beziehen aber auch die Messwerte von heute standardmäßig bereits installierten Prozesssensoren mit ein. Prof. Andreas Schütze und sein Team forschen daran, die Sensormuster – etwa die Frequenz von Schwingungen – typischen Schadens- und Fehlerzuständen wie Abnahme der Kühlleistung oder des Speicherdrucks zuzuordnen. Hierzu werden die Muster Tausender Messdaten getestet und aus der Masse der Daten diejenigen identifiziert, die mit bestimmten Veränderungen der Maschine in Zusammenhang stehen. Aus der Datenmasse wird eine überschaubare Menge an aussagekräftigen Sensormessdaten herausgefiltert, die für bestimmte Schadenszustände charakteristisch sind, so Ingenieur Nikolai Helwig, der den Hydraulik-Teststand mitentwickelt hat. Hierdurch sollen Störungen im Arbeitszyklus schon während sie sich anbahnen zuverlässig erkannt und mathematische Modelle für die verschiedenen Fehlergrade erstellt werden.

Mit diesen Informationen über die Beziehung zwischen Sensormustern und beginnenden Fehlfunktionen und Schäden der Anlage lernen die Ingenieure ihr System an, damit es die Zusammenhänge künftig automatisch selbst erkennt. Hierbei arbeitet Schützes Ingenieurteam an der Saar-Uni und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik mit Forschern des DFKI und dem Firmenverbund HYDAC zusammen. „Wir werten die Sensordaten mit statistischen Methoden aus. Damit die späteren Nutzer die Zahlen richtig deuten, erforschen wir, wie wir den Ergebnissen automatisch ihre Bedeutung zuordnen und sie für den Menschen leicht verständlich übersetzen. Das System soll so weiterentwickelt werden, dass es auf Maschinen und Anlagen angelernt, auf deren spezifische Bedürfnisse maßgeschneidert angepasst werden kann“, sagt Schütze.

Je nachdem wie sich das Zustandsbild darstellt, soll das System Maßnahmen empfehlen, etwa wann ein Ersatzteil ausgetauscht werden sollte. Auf diese Weise wird die Instandhaltung großer und auch schwer erreichbarer Anlagen planbar. Es können Schäden, Stillstände und Produktionsausfälle vermieden werden, aber auch überflüssige Wartungsarbeiten, etwa wenn das nach Wartungsplan auszutauschende Bauteil tatsächlich noch in Ordnung ist. Außerdem kann das System analysieren, ob Maschinen während eines Fertigungsprozesses in einwandfreiem Zustand gearbeitet haben, so dass es auch bei der Qualitätskontrolle zum Einsatz kommen kann. Es ergeben sich also viele Anwendungsmöglichkeiten insbesondere für Industrie 4.0.

Die Sensoren überwachen im Verbund auch, ob sie selbst noch einwandfrei funktionieren. Das System überprüft ununterbrochen, ob die einzelnen Sensoren verlässliche Messdaten liefern. Ist dies bei einem Sensor nicht der Fall, werden seine Daten automatisch aus der Wertung genommen. Das System läuft also robust und verkraftet Ausfälle einzelner Sensoren ohne Problem, indem es diese überbrückt.

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