Damit die Zahnräder niemals still stehen, ist eine vorauschauende Wartung die richtige Lösung.

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Wartung und Instandhaltung "As a Service" Prädiktive Instandhaltung und das IoT

22.10.2018

Vorausschauende oder zustandsorientierte Instandhaltung ist für Industriekunden und die Industrie 4.0-Initiative ein erstrebenswertes Ziel. In diesem Artikel geht es um die Vor- und Nachteile prädiktiver Wartung und Instandhaltung in Zeiten instabiler Preise und Budgets.

Die Reparatur eines unerwartet auftretenden technischen Problems mag ein paar Tausend Euro kosten, aber die verlorene Produktivität kann in die Millionen gehen. Ein Manager eines Pharmaunternehmens erzählte Anfang dieses Jahres, dass seine Firma wegen eines defekten Ventils ein gesamtes Produktionslos im Wert von rund 200.000 Euro verloren hatte. Wäre das schleichende Problem erkannt worden, hätte ein neues Ventil - für 1.000 Euro - eingesetzt werden können, bevor die Probleme auftraten.

Eine treibende Kraft hinter diesem Umdenken sind die Fortschritte in der Speicher-, Halbleiter-, Software- und Netzwerktechnologie. Heute kann man wirtschaftlich und technisch sinnvoll IT-Funktionalität in einer weit größeren Anzahl von Geräten und Umgebungen integrieren und damit aussagekräftige Ergebnisse erzielen. Studien haben gezeigt, dass LED's mit dynamischen Dimm- und Kontrollfunktionen den Leistungsbedarf von Lichtanlagen um über 80 Prozent senken kann.

30.000 Sensordaten - nur 1 Prozent geprüft

Auch datenbasierte Instandhaltungsprozesse können die Effizienz steigern. Fast überall auf der Welt ist der Wasserverlust durch Lecks ein großes Problem. Wasserwerke sind meist unterfinanziert, und viele Städte kämpfen mit einer Infrastruktur, die Jahrzehnte alt ist. Weltweit sind es schätzungsweise 32,6 Billionen Liter aufbereiteten Wassers, die jedes Jahr durch Lecks verloren gehen, bevor der Rest unseren Wasserhahn erreicht, was nahezu der 40-Billionen-Liter-Kapazität des chinesischen Drei-Schluchten-Damms entspricht. Und letztlich sind Unternehmen dank einer allgegenwärtigen Vernetzung in der Lage, auf riesige Mengen an operationellen Daten zurückzugreifen, die sie sowieso schon besitzen, aber nicht in vollem Umfang nutzen. Nach Schätzungen von McKinsey werden weniger als 1 Prozent der Daten von grob 30.000 Sensoren an einer Ölplattform überhaupt gesichtet und für Entscheidungsfindungen herangezogen.

Noch ist prädiktive Instandhaltung vermutlich mehr Theorie auf Konferenzen. Zum Teil ist dies einer tief verwurzelten Vorsicht zuzuschreiben. Industrieunternehmen müssen von Natur aus etwas konservativ agieren. Kleine Rückgänge in Ausbeute oder Produktivität aufgrund von Softwareimplementierungen können Millionen kosten. Ein Abfall der Produktqualität kann, insbesondere für ein Lebensmittel- oder Pharmaunternehmen, noch viel größere Auswirkungen haben. Die Devise „Mach schnell und brich mit den Konventionen” mag für Softwarefirmen funktionieren, aber in einer Fabrik oder auf einer Hochseeplattform ist das ein gutes Rezept für Chaos.

Die Technologiebranche war bisher nicht sehr effektiv darin, ihre Killerapplikationen, also Anwendungen, die als Initialzündung für die Verbreitung dienen, ins richtige Licht zu setzen. Dabei spielt die Killerapplikation in der Technologie eine wesentliche Rolle. Personal-Computer kamen in den 1970ern auf den Markt und zielten anfangs nur auf Hobbybastler. Erst als Spreadsheet- und Textverarbeitungs-Applikationen erfunden wurden, traf der PC-Tsunami auch den Unternehmensmarkt. Ähnlich hat der grafische Browser von Netscape das Internet von einem Insidergeheimnis in ein globales Phänomen verwandelt, das uns heute noch immer wieder überrascht. Heute treiben Text und Musik die Nutzung und Evolution von Smartphones an, Spiele sind ein wichtiger Faktor für die Weiterentwicklung von PCs und Social Media treibt die vermehrte Nutzung und Entwicklung des Internets voran. Wartungsabläufe können in bereits existierende Prozeduren eingebunden werden, ohne dass Unternehmen ihre grundlegenden Fertigungsprozesse neu überarbeiten müssten. Kosten und Nutzen können außerdem sehr detailliert nachverfolgt werden.

Mit prädiktiver Instandhaltung zum Ziel

Man stelle sich prädiktive Instandhaltung als Versuchslauf für das IIoT vor: Man sollte sie nutzen, um die optimalen Vorgehensweisen zu lernen, bevor man eine breiter angelegte Strategie implementiert. Industrieapplikationen sind meist zu komplex, um das Ideal des Plug and Play umzusetzen. Aber wir kommen diesem Ziel näher. Petronas Carigali, der Upstream-
Bereich des Öl- und Gaskonglomerats, erlebte wiederholt unerwartete Ausfälle von Anlagen auf einigen seiner Offshore-
Plattformen. Eine einzige Abschaltung kann Tage dauern und Millionen von Dollar kosten. Bei Problemen, mussten Ingenieure mit dem Hubschrauber eingeflogen werden, um Informationen zu sammeln. Petronas geht davon aus, dass das Unternehmen mit der Technologie allein im ersten Jahr fünf Abschaltungen verhindern konnte. Ørsted, bis November 2017 Dong Energy, ein führendes dänisches Windenergieunternehmen, will seine Offshore-Windturbinenkapazität in europäischen Gewässern von etwa 3,5 GW bis 2020 auf 6,5 GW - das sind geschätzt 1.500 Windräder - ausbauen. Die Instandhaltung von Offshore-Turbinen ist 15-mal teurer als die Instandhaltung solcher an Land. Darüber hinaus wollte Dong die Ausfallhäufigkeit halbieren.

Neue Wartung spart 20 Millionen Euro im Jahr

2014 setzte das Windenergieunternehmen Dong Energy einen ambitionierten Plan um: von festen Wartungsintervallen stellte man auf eine zustandsorientierte Wartung um, die von Datensignalen aus dem PI System angestoßen wird. Die Wartung kann nicht nur besser mit Wind- und Wellenbedingungen koordiniert werden, nein, die Gesamtanzahl der Besuche des Wartungsteams kann auf diese Weise minimiert werden. Nicht geplante Wartungstermine von vier auf zwei pro Jahr zu senken, könnte 20 Millionen Euro jährlich sparen. Das Erdölunternehmen Syncrude betreibt zwei Teersandminen in Alberta, Kanada. Man implementierte eine ähnliche Strategie für seine 136 Trucks in Kanada. In Feldversuchen wurden bei 80 LKWs 44 verschiedene Signale überwacht. Parameter waren unter anderem die Kühlmitteltemperatur, die Überhitzung der Bremsen, die Viskosität des Motoröls und Fehler im Einspritzsystem. Dazu konnte Syncrude die Position der jeweiligen Ladung nachverfolgen und so sagen, ob gefrorener Teersand, richtig auf und abgeladen wurde. Die Daten wurden mit einer Frequenz von 1716 Ereignissen pro Sekunde generiert. Die Ingenieure machten auch Versuche wie die CPUs auf den Servern absichtlich zu überlasten oder die LKWs aus dem abgedeckten Bereich zu fahren, um die Belastbarkeit des Systems zu testen.

  • Syncrude geht davon aus, dass das Unternehmen durch präventive Wartung 16,75 US-Dollar pro Stunde und LKW sparen kann. Allein bei der Wartung ergeben sich daraus 20 Millionen US-Dollar pro Jahr.

  • Das Unternehmen nahm eine detaillierte Untersuchung an einem Motor vor. Diese zeigte, dass das System schon zwei Wochen vor dem Ausfall Meldungen wie: „Motoreinspritzung defekt" ausgegeben hätte. Das System hätte auch zwei Tage vorher einen Alarm „Öl zu dünnflüssig” signalisiert, einen kritischen Alarm, der eine sofortige Wartung zur Folge gehabt hätte. Allein ein neuer Motor kostet 900.000 US-Dollar. Rechnet man den Produktivitätsverlust und die Zeit für die Techniker, so kann der Austausch eines Motors zwischen 1,2 und 3,3 Millionen US-Dollar kosten.

  • Die gewonnenen Daten zeigten, dass Mitarbeiter beim Abkippen der Ladung die vorgegebenen Regeln nicht einhielten. Dies kann dazu führen, dass sich der LKW hinten hebt und plötzlich zurückfällt, was ernsthafte Wirbelsäulenverletzungen zur Folge haben könnte. Da dies in Echtzeit erkannt wird, konnte Syncrude bei einem fehlerhaften Abladevorgang Warnmeldungen an die Mitarbeiter ausgeben. Die Zwischenfälle rund um das falsche Abladen sind um
    85 Prozent gesunken.

Was vielleicht noch wichtiger ist, Gerätehersteller und Serviceunternehmen entwickeln „as-a-Service”-Angebote, mit denen ihre Kunden die Vorzüge einer prädiktiven Wartung nutzen können, ohne Software kaufen oder pflegen zu müssen.

Flowserve, ein texanischer Pumpenhersteller, stattet seine Produkte neuerdings mit Vibrationsanalyse und -alarm aus. In der Folge überwacht Flowserve die Anlagen im Auftrag seiner Kunden. Erst vor Kurzem machte die Technologie beispielsweise einen Kunden auf ein Problem aufmerksam, das einen Verlust von 630.000 US-Dollar zur Folge gehabt hätte. Andere Unternehmen integrieren „as-a-Service”-Funktionalität zur Überwachung von Flüssigkeitsständen, zur Kontrolle von Energieverbrauchsspitzen oder auch um behördliche Auflagen zu erfüllen. Systeme können ihre Betreiber auf Änderungen der Emissionswerte oder der Treibstoffanforderungen aufmerksam machen, wenn Geräte und Anlagen von einer Jurisdiktion in eine andere verbracht werden.

Vernetzte Produkte ohne Risikoerhöhung?

Im Gespräch mit Beteiligten erfährt man, dass alle nach Wegen suchen, bestehende Produkte um Hard- und Software zu erweitern, mit deren Hilfe Hersteller, Serviceprovider und Endkunden eine kontinuierliche Kommunikation miteinander aufrechterhalten können. Diese Vorteile müssen natürlich gegen Risiken wie Viren und Hacker abgewogen werden. Der Stuxnet-Virus war nur ein Vorspiel dessen, was passieren könnte, wenn nicht gehandelt wird. Betriebliche Anlagen sind häufig von IT-Systemen isoliert, um sie von dieser Art von Problemen abzuschotten. Sicherheitslücken komplett zu eliminieren, ist fast unmöglich, aber neue Techniken sind in Reichweite. Einige Unternehmen benutzen sogenannte One-Way-Dioden für die Übertragung von Anlagendaten an IT-Netze. Bei diesem Verfahren werden Industrieanlagen mit Datenmanagement- und SCADA-Systemen vernetzt. Die Daten werden dann durch eine "One-Way"-Diode auf eine Mirror-Site gefiltert, auf die IT-Experten, Lieferkettenpartner und andere zugreifen können. Hacker könnten dank der Diode nicht an die eigentlichen Systeme herankommen.

Bildergalerie

  • Das PI-System sammelt Daten von Sensoren, Maschinen und stellt sie für die Analyse zur Verfügung

  • Abbildung 2: Ein Mitarbeiter überwacht die Anlagenprozesse am Computer.

  • Abbildung 1: Das PI-System von Osisoft verbessert bestehende Fernüberwachungssysteme, indem es der Leitwarte technologieübergreifend die Anlagendaten in Echtzeit zur Verfügung stellt und gleich weiterverarbeitet.

    Bild: Osisoft

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