Grundlegendes zur Zustandsüberwachung
Zustandsüberwachung (CM) ist die Praxis, regelmäßig oder kontinuierlich zu messen und Trends Betriebsparameter der Anlagen – vor allem Vibration, Temperatur- und Leistungskennzahlen – um den Zustand der Maschinen zu beurteilen, sich anbahnende Störungen frühzeitig zu erkennen und Wartungsarbeiten auf der Grundlage des tatsächlichen Zustands statt nach einem festen Zeitplan zu planen. Es ist die technische Grundlage für vorausschauende Wartung und zustandsorientierte Instandhaltung (CBM): Anstatt eine Maschine erst zu reparieren, wenn sie kaputt ist (reaktiv), oder sie nach einem festen Zeitplan zu überholen, unabhängig davon, ob sie gewartet werden muss oder nicht (zeitbasiert), werden die Maßnahmen genau auf den gemessenen Zustand der Anlage abgestimmt.
1. Definition: Was ist Zustandsüberwachung?
Im Kern wandelt die Zustandsüberwachung Rohdaten von Sensoren in ein ständig aktualisiertes Bild des Maschinenzustands um. Indem erfasst wird, wie sich eine Maschine im einwandfreien Zustand verhält, und im Laufe der Zeit auf Abweichungen von diesem Referenzzustand geachtet wird, kann ein Analytiker die frühesten Anzeichen eines Fehlers erkennen – oft schon Monate vor einem Ausfall – und eine Reparatur so planen, dass sie sich nach dem Produktionsablauf richtet und nicht nach einem Ausfall.
Die Zustandsüberwachung ist ein grundlegender Bestandteil moderner, auf Zuverlässigkeit ausgerichteter Instandhaltungsprogramme. Sie liefert die Datengrundlage für zustandsbasierte Entscheidungen, die die Betriebszeit der Anlagen maximieren, die Instandhaltungskosten senken, katastrophale Ausfälle verhindern und den Ersatzteilbestand optimieren. Der übergreifende Rahmen für die Einrichtung eines solchen Programms wird beschrieben in ISO 17359, in dem die allgemeinen Richtlinien für die Auswahl von Parametern, die Festlegung von Grenzwerten und das Ergreifen von Maßnahmen auf der Grundlage der Ergebnisse dargelegt sind.
2. Zustandsüberwachung vs. vorausschauende, präventive und reaktive Wartung
Die Begriffe Zustandsüberwachung, zustandsorientierte Überwachung, zustandsorientierte Instandhaltung und vorausschauende Wartung werden unscharf und oft synonym verwendet, aber sie beschreiben unterschiedliche Dinge. Eine Unterscheidung klärt den Großteil der Unklarheit rund um das Thema.
- Zustandsüberwachung (CM) ist die Messtätigkeit - Erfassen und Aufzeichnen von Parametern wie Vibration und Temperatur, um den Zustand einer Maschine zu beurteilen. Die Begriffe “zustandsorientierte Überwachung” und “Maschinenzustandsüberwachung” beziehen sich auf dieselbe Tätigkeit.
- Zustandsorientierte Instandhaltung (CBM) ist die Instandhaltungsstrategie die sich auf diese Messungen stützt: Die Arbeit wird durch den gemessenen Zustand der Maschine und nicht durch den Kalender ausgelöst. CM liefert die Grundlage; CBM ist die Entscheidung zur Reparatur.
- Vorausschauende Instandhaltung (PdM) geht noch einen Schritt weiter: Er extrapoliert den Zustandstrend auf Prognose die verbleibende Nutzungsdauer, so dass die Reparatur zum letzten verantwortbaren Zeitpunkt geplant werden kann. Vorausschauende Wartung ist CBM mit einer Schätzung der Zeit bis zum Versagen.
- Vorbeugende (zeitabhängige) Wartung Wartung der Geräte nach einem festen Zeitplan, unabhängig vom Zustand, während reaktive (run-to-failure) Wartung wartet auf den Ausfall. Beide ignorieren den tatsächlichen Zustand der Maschine, was genau das ist, was die Zustandsüberwachung misst.
Kurz gesagt: Die Zustandsüberwachung ist die Datenbasis, die zustandsorientierte Instandhaltung ist die Maßnahme und die vorausschauende Instandhaltung ist die Prognose. Alle drei basieren auf denselben Überwachungsmessungen, die im Folgenden beschrieben werden.
3. Zentrale Überwachungstechnologien
Keine einzelne Methode deckt alle Aspekte ab. Ein ausgereiftes Programm kombiniert mehrere sich ergänzende Messverfahren, sodass sich diese gegenseitig bestätigen und verfeinern.
- Schwingungsanalyse (primär): Der umfassendste Indikator für den Zustand von Maschinen. Er erkennt mechanische Defekte wie Unwucht, Fehlausrichtung, Lockerheit und Lagerdefekteund gibt bereits Monate vor dem Ausfall eine Frühwarnung. Zu den Standardverfahren gehören die FFT Spektrum, Hüllkurvenanalyse für beginnende Lagerschäden und die langfristige Trendverfolgung der Gesamtpegel.
- Temperaturüberwachung: Erfasst die Lager- und Wicklungstemperaturen und weist auf Schmierprobleme, Überlastung oder Kühlungsprobleme hin. Dies ist eine einfache, kostengünstige und nützliche Methode, um den Schweregrad eines bereits durch Vibrationen angezeigten Fehlers zu bestätigen.
- Ölanalyse: Untersucht Verschleißpartikel, Verunreinigungen und den Abbau von Schmierstoffen. Da dabei die tatsächlich im Öl zirkulierenden Partikel entnommen werden, liefert das Verfahren eine Frühwarnung vor innerem Verschleiß, den Oberflächenmessungen möglicherweise übersehen.
- Thermografie: Infrarotbildgebung, die Hotspots in elektrischen und mechanischen Bauteilen aus sicherer, berührungsloser Entfernung sichtbar macht – ideal für die Überprüfung von Schaltanlagen, Anschlüssen und Lagern.
- Schallemission: Erfasst die hochfrequenten Spannungswellen, die durch Risswachstum, Reibung und die frühesten Stadien eines Lagerschadens freigesetzt werden, und erkennt einen Defekt oft, bevor er im herkömmlichen Schwingungsspektrum auftaucht.
- Motorstromsignaturanalyse (MCSA): Eine Analyse der elektrischen Signatur, die Defekte an Rotorstäben und Probleme am Stator ohne invasive Sensoren erkennt und die Schwingungsanalyse bei Elektromotoren ergänzt.
Die richtige Mischung hängt von der Maschine ab: Schwingungen sind das Rückgrat der Überwachung von rotierenden Maschinen, während Ölanalyse, Thermografie und Schallemissionen die Erfassung von Fehlermodi ergänzen, die durch Schwingungen allein möglicherweise nicht erfasst werden.
4. Sensoren und Geräte zur Zustandsüberwachung
Jedes Zustandsüberwachungsprogramm basiert auf der Hardware, die physikalische Veränderungen in ein verwertbares Signal umwandelt. Die Wahl der Sensor ergibt sich direkt aus der zu messenden Größe und dem Frequenzbereich des erwarteten Fehlers.
- Beschleunigungsmesser sind der Standard-Schwingungssensor - robust, breitbandig und ideal für die hochfrequenten Signaturen von Wälzlager- und Getriebefehlern.
- Geschwindigkeitssensoren (a Geschwindigkeitsmesser) sind selbsterzeugend und gut auf das Mittelband abgestimmt, in dem die meisten Fehler von rotierenden Maschinen auftreten.
- Näherungssensoren sind berührungslose Sensoren, die die Wellenverschiebung direkt in Flüssigkeitsfilmlagern (Gleitlagern) an großen Turbomaschinen messen.
- Temperatursensoren (RTDs, Thermoelemente) und Infrarotkameras unterstützen die thermischen Verfahren, während Ölqualitäts- und Partikelsensoren die Schmierstoffüberwachung unterstützen.
Auf der Erfassungsseite lassen sich die Geräte in zwei Familien einteilen. Tragbar Datensammler und Analysatoren sind handgetragene Geräte, die zur Begehung einer Messstrecke verwendet werden; ein zweikanaliges Feldgerät wie das Balanset-1A zeichnet die Daten auf und dient gleichzeitig als tragbares Analysegerät und Feldauswuchter. Hardware für die Online-Überwachung besteht aus fest verdrahteten Sensoren, die ein Rack- oder Edge-Gerät speisen, das kontinuierlich Proben nimmt und jeden Messwert mit seinen Alarmregeln vergleicht. Die Auswahl der Geräte ist weitgehend eine Frage der Kritikalität, die in den folgenden Abschnitten über die Umsetzung behandelt wird.
5. Anatomie eines Zustandsüberwachungssystems
Ein Zustandsüberwachungssystem System ist mehr als ein Sensor auf einem Lager. Ob tragbar oder fest installiert, jedes komplette System besteht aus der gleichen logischen Kette, und es sind die späteren Glieder — nicht der Sensor —, die isolierte Messwerte in verwertbare Informationen verwandeln.
- Sensoren an konsistenten, wiederholbaren Messpunkten montiert.
- Datenerfassung — der Datensammler oder DAQ, der das Signal digitalisiert und den Gesamtpegel berechnet, Spektrum und Zeitwellenform.
- Eine Datenbank die jeden Messwert für die Maschine und den Punkt speichert, so dass eine Historie erstellt werden kann.
- Alarm- und Analyselogik die jeden neuen Messwert mit den absoluten Grenzwerten und mit den eigenen Werten der Maschine vergleicht Basislinie.
- Berichterstellung und Trend-Dashboards die rohe Zahlen in steigende Trendlinien umwandeln, nach denen die Wartungsteams handeln und die das Arbeitsauftragssystem speisen.
Die Datenbank und die Trendschichten sind es, die ein echtes Überwachungssystem von einer einmaligen Messung unterscheiden, und sie sind der Grund, warum die Konsistenz von Punkt, Einheit und Verfahren so wichtig ist.
6. Ansätze für die Umsetzung
Wie die Daten erfasst werden, hängt davon ab, wie kritisch die Maschine ist und wie schnell sich ein Fehler entwickeln kann.
Routenbasierte Überwachung
Ein Techniker läuft eine festgelegte Route ab und erfasst mit einem Handgerät Daten von jeder Maschine Datenerfassungsgerät oder tragbares Analysegerät wöchentlich, monatlich oder vierteljährlich. Dies ist kostengünstig und lässt sich gut auf große Anlagen mit vielen nicht kritischen Maschinen skalieren.
Kontinuierliche Online-Überwachung
Fest installierte Sensoren speisen ein Online-System die kontinuierlich oder in häufigen automatischen Intervallen misst und in Echtzeit Alarm schlägt. Die Kosten pro Maschine sind höher, daher ist dieser Ansatz reserviert für kritische Maschinen wo unerwartete Ausfälle nicht akzeptabel sind.
Hybrider Ansatz
Die meisten realen Programme kombinieren beides: Online-Überwachung der wenigen kritischen Anlagen und routenbasierte Erfassung der übrigen Maschinen. Dies sorgt für ein optimales Verhältnis zwischen Kosten und Erfassungsgrad und ist in der Praxis bei weitem die gängigste Vorgehensweise.
7. Die Rolle eines tragbaren Analysators im Feld
Die Qualität der Feldmessgeräte ist entscheidend für den Erfolg der routenbasierten Überwachung. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A ermöglicht es einem Zuverlässigkeitstechniker, an jedem Messpunkt Schwingungsspektren und Gesamtpegel zu erfassen, diese mit der gespeicherten Signatur der Maschine zu vergleichen und vor Ort zu entscheiden, ob eine Abweichung Maßnahmen erfordert. Da dasselbe Gerät auch 1× Amplitude und Phase, ein Fehler, den die Zustandsüberwachung erkennt – beispielsweise eine Zunahme der 1×-Schwingung von Unwucht — lässt sich oft sofort beheben durch Feldauswuchten in den eigenen Lagern der Maschine, wodurch der Kreislauf von der Erkennung bis zur Reparatur geschlossen wird, ohne dass ein separater Transport oder ein Besuch in der Auswuchtwerkstatt erforderlich ist.
8. Programmdurchführung und Erstellung einer Baseline
Ein Programm zur Zustandsüberwachung ist nur so gut wie seine Einrichtung. Drei Bausteine sind dabei entscheidend.
Analyse der Gerätekritikalität
Ordnen Sie jede Maschine nach ihren Auswirkungen auf Produktion, Sicherheit und Kosten ein und weisen Sie ihr dann entsprechend eine Überwachungsstufe zu. Kritische Anlagen werden online überwacht; wichtige Anlagen werden monatlich überprüft; allgemeine Anlagen werden vierteljährlich oder gar nicht überprüft.
Festlegung der Ausgangsbasis
Messen Sie jede Maschine, solange sie bekanntermaßen einwandfrei funktioniert, um ihre Basislinie die Signatur zu erfassen und ihre normalen Betriebsparameter zu definieren. Diese Referenz bildet die Grundlage für alle Trendanalysen – ohne sie lässt sich ein steigender Trend an nichts messen.
Alarmgrenzen
Satz Warn-, Alarm- und Auslöseschwellen auf der Grundlage von Referenzwerten und anerkannten Schwingstärkenormen wie ISO 20816 (der moderne Nachfolger der Norm ISO 10816). Gerätespezifische Grenzwerte haben Vorrang vor allgemeinen Grenzwerten und sollten im Zuge der gesammelten Betriebserfahrungen weiter verfeinert werden.
9. Der ISO 17359-Rahmen
Die Erstellung eines Programms ist keine Raterei: der internationale Standard ISO 17359, der Leitfaden “Zustandsüberwachung und -diagnose von Maschinen – Allgemeine Leitlinien” definiert das Verfahren, das alle oben genannten Elemente miteinander verbindet. Die Kernschleife reicht von der Prüfung der Ausrüstung und der Kosten-Nutzen-/Kritikalitätsprüfung über die Auswahl der Messparameter und -techniken, die Festlegung der Basislinie und die Festlegung von Warn- und Alarmkriterien bis hin zur Datenerfassung, Diagnose und einem abschließenden Feedback-Schritt, der bestätigt, dass die Wartungsmaßnahme wirksam war.
Die Norm ist bewusst technikunabhängig - sie gilt für Schwingungs-, Wärme-, Öl- und andere Messungen gleichermaßen - und ist Teil einer größeren Familie: ISO 13379 deckt die Dateninterpretation und -diagnose ab, ISO 13381 die Prognostik (Abschätzung der Restnutzungsdauer), und ISO 18436-2 definiert die Ausbildung und Zertifizierung der Mitarbeiter, die diese Arbeit ausführen. Die Einhaltung der ISO 17359 macht aus einer Ansammlung von Sensoren ein vertretbares, auditierbares Zustandsüberwachungsprogramm.
10. Nutzen und Erfolgsfaktoren
Richtig umgesetzt, verwandelt die Zustandsüberwachung die Instandhaltung von einer reaktiven oder planmäßigen in eine vorausschauende und optimierte Vorgehensweise. Die Vorteile lassen sich in drei Gruppen einteilen:
- Operativ: Erhöhte Betriebszeit durch die Vermeidung ungeplanter Ausfälle, verlängerte Lebensdauer der Anlagen durch rechtzeitiges Eingreifen, Aufrechterhaltung der Produktion durch die Planung von Arbeiten während geplanter Stillstandszeiten sowie verbesserte Sicherheit durch die Verhinderung katastrophaler Ausfälle.
- Wirtschaftlich: geringere Wartungskosten durch den Wegfall unnötiger vorbeugender Maßnahmen, geringere Ersatzteilbestände durch bedarfsorientierte Bestellungen statt „auf Vorrat“, Vermeidung von Folgeschäden durch frühzeitiges Eingreifen sowie gezielterer Arbeitseinsatz.
- Wissen: ein tieferes Verständnis der Fehlerursachen, Rückmeldungen für bessere Konstruktionen und Spezifikationen sowie eine wachsende historische Datenbank, die datengestützte Entscheidungen ermöglicht.
Nichts davon geschieht von selbst. Vier Faktoren entscheiden darüber, ob ein Programm erfolgreich ist: nachhaltige Unterstützung durch die Geschäftsleitung (Ressourcen und eine langfristige Perspektive, da sich die Investition erst nach einiger Zeit auszahlt); Fachpersonal Ausbildung in Schwingungsanalyse und Maschinenverhalten – eine Kompetenz, die in ISO 18436-2; Qualitätsdaten auf der Grundlage einheitlicher Verfahren und kalibrierter Instrumente; und vor allem, Maßnahmen auf der Grundlage der Ergebnisse. Eine Feststellung, auf die nicht reagiert wird, hat keinen Wert; daher muss die Zustandsüberwachung in das Arbeitsauftrags-System einfließen und eine Rückkopplungsschleife beinhalten, um zu überprüfen, ob die Reparaturen wirksam waren.
11. Häufig gestellte Fragen
Was ist Zustandsüberwachung?
Unter Zustandsüberwachung versteht man die Messung und Aufzeichnung von Anlagenparametern - vor allem Vibrationen, Temperatur und Schmiermittelzustand - zur Beurteilung des Maschinenzustands und zur frühzeitigen Erkennung sich entwickelnder Fehler, so dass die Wartung zeitlich auf den tatsächlichen Zustand der Maschine abgestimmt werden kann und nicht auf einen festen Kalender.
Was ist der Unterschied zwischen Zustandsüberwachung und zustandsorientierter Instandhaltung?
Die Zustandsüberwachung ist die Messaktivität, die die Daten sammelt und Trends ermittelt; die zustandsorientierte Instandhaltung (CBM) ist die Strategie, die auf diese Daten reagiert, indem sie auf der Grundlage des gemessenen Zustands Reparaturen auslöst. Die vorausschauende Instandhaltung erweitert die CBM, indem sie vorhersagt, wie viel Zeit der Maschine bis zum Ausfall bleibt.
Welche Techniken werden bei der Zustandsüberwachung eingesetzt?
Die wichtigsten Techniken sind die Schwingungsanalyse (der wichtigste Indikator für rotierende Maschinen), die Temperaturüberwachung, die Öl- und Verschleißpartikelanalyse, die Infrarot-Thermografie, die Schallemission und die Motorstromsignaturanalyse. Die meisten Programme kombinieren mehrere Verfahren, so dass jedes die anderen bestätigt.
Welche Sensoren und Geräte kommen bei der Zustandsüberwachung zum Einsatz?
Beschleunigungssensoren decken die meisten Maschinen mit Wälzelementen ab, Geschwindigkeitssensoren eignen sich für allgemeine Messungen im mittleren Bandbereich, und Näherungssonden messen die Wellenverschiebung bei Gleitlagern. Die Daten werden entweder mit tragbaren Analysatoren und Datensammlern auf einem Begehungsrundgang oder mit fest installierter Online-Überwachungshardware an kritischen Anlagen erfasst.
Woraus besteht ein Zustandsüberwachungssystem?
Ein komplettes System umfasst Sensoren, Datenerfassung, eine historische Datenbank, Alarm- und Analyselogik sowie Trend-/Berichts-Dashboards. Es sind die Datenbank und die Trending-Ebenen - nicht der Sensor -, die aus isolierten Messwerten Trends machen, auf die das Wartungsteam reagieren kann.
Welche Norm regelt die Zustandsüberwachung?
ISO 17359 legt die allgemeinen Richtlinien für ein Zustandsüberwachungsprogramm fest - von der Überprüfung der Kritikalität und der Auswahl der Parameter bis hin zu Basislinien, Alarmgrenzen, Diagnose und Rückmeldung - unterstützt durch ISO 13379 (Diagnostik), ISO 13381 (Prognostik) und ISO 18436-2 (Personalzertifizierung).
