HMI und Scada-Visualisierung Condition-Monitoring auch für den Maschinenbau

Die zustandsorientierte Instandhaltung vermag gerade bei der Überwachung kritischer Maschinenteile mit großer Effizienz Kosten optimieren und ist oft schon fast ohne Mehrpreis zu haben. Aus diesem Grund gewinnt Condition-Monitoring zunehmend auch in der Fertigungstechnik an Bedeutung.

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Die Darstellung von Maschinenzuständen oder die intuitive Bedienung von Maschinen und Anlagen wird heute oft durch Scada-Visualisierungen (Supervisory Control And Data Acquisition) oder im einfacheren Fall durch HMI-Geräte (Human Machine Interface) unterstützt. Dabei steigen die Anforderungen an die Maschinen sowie an die Wartungs- und Bedienkonzepte stetig. Zur Zeit wird deshalb das Thema Condition-Monitoring aus der Prozesstechnik in den fertigungstechnischen Maschinen- und Anlagenbau transferiert.

Die Visualisierung ist neben der SPS oft das einzige Datenverarbeitungs-System, das zur Laufzeit der Maschine betrieben wird. Daher eignet sie sich als Migrationsplattform für die Aufgaben des Condition-Monitoring. Weil Scada-Visualisierungen bereits auf kleinen und kostengünstigen Windows CE-Plattformen laufen, wird die Integration von Condition-Monitoring in die Scada-Visualisierung auch für kleine Maschinen interessant.

Wartungskonzept Condition Monitoring

Zu den Aufgaben des Condition-Monitoring und der zustandsorientierten Instandhaltung gehört es zum Einen Stillstandszeiten zu verkürzen, die durch Ausfall von Bauteilen verursacht werden und zum Anderen die Wartungsarbeiten zu optimieren. Gegenüber der vorbeugenden Wartung kann Condition-Monitoring auf den gemessenen Zustand der Maschine oder Anlage reagieren. Mittels Messdatenerfassung lässt es sich so Belastungszuständen und Bauteilfehlern schneller und präziser begegnen.

Die Messung des Maschinenzustands erlaubt auch eine Schnellabschaltung in kritischen Fällen was mechanische Zerstörungen mindern kann. Dazu ist eine geeignete Sensorik innerhalb der Maschine sowie eine Analyse und Bewertung möglicher Fehlerzustände erforderlich. Die Messwerte der Sensorik werden an eine Auswertelogik übergeben und sollten, ähnlich den historischen Daten in Visualisierungen, gespeichert werden. So vereinfacht sich eine spätere Fehleranalyse.

Condition Monitoring in Maschinen und Anlagen

Einige Strategien des Condition-Monitoring finden sich schon heute in Anlagen der Fertigungstechnik zum Beispiel die Zustandsüberwachung von Lichtwellenleitern (LWL) im Interbus-System. Dort werden die Dämpfungswerte jeder LWL-Strecke regelmäßig gemessen und bewertet. Die Regelung der Lichtstärke kann der Dämpfungsänderung durch Alterung der LWL-Fasern entgegenwirken. Diese Nachregelfähigkeit ist begrenzt, sodass vor Erreichen der Regelgrenze eine Warnung mit Angabe der betroffenen LWL-Strecke erfolgen kann. Diese Warnung wird an die Visualisierung weitergegeben, die sie darstellt und mit weiteren Parametern wie Zeitstempel speichert. Gegenüber einer präventiven Instandhaltung, bei der je nach Betriebsdauer oder Bauteilalter Bauteile gewartet oder ausgetauscht werden, ermöglicht Condition-Monitoring, Verschleißteile optimal auszunutzen.

Aber auch bei anderen Teilsystemen lässt sich Condition Monitoring einsetzen. Dazu gehören Sensoren oder Aktoren, die sich selbst diagnostizieren und Meldungen an die Visualisierung oder an die Steuerung kommunizieren. Neue Standards wie IO-Link berücksichtigen ebenfalls die Anforderungen des Condition-Monitoring.

Condition Monitoring in der Visualisierung

Besonders interessant ist diese Technologie für den Maschinen- und Anlagenbau immer dann, wenn dabei keine signifikanten Mehrkosten entstehen. In vielen Fällen erlauben die Daten der vorhandenen Maschinen-Sensorik Rückschlüsse auf den Zustand bestimmter Maschinenteile. Ist eine Maschine bereits mit einer Scada-Visualisierung ausgerüstet, kann ein einfaches Condition-Monitoring mit den Bordmitteln der Visualisierung erfolgen. Hier lässt sich die Alarming-Funktion nutzen. So wird beispielsweise ein Sollwert für einen Maschinenprozess vorgegeben, und der Alarm löst sich aus bei Unter- oder Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts.

Dabei kann es sich um eine Zeitüberwachung für einen Teilprozess handeln. Die Zustandserfassung und Bewertung mittels Alarming ist nur ein erster Schritt. Um eine Condition-Monitoring-Funktionalität zu erreichen, muss eine Diagnose die Abweichung vom Sollwert analysieren und Fehlerhinweise oder Empfehlungen an den Maschinenführer oder das Wartungspersonal geben. Erfahrungen, welche Zustandswerte mit welchen möglichen Fehlern korrelieren, sind dabei wichtig. Diese lassen sich für Hinweise in der Visualisierung nutzen und anzeigen. In einem Visualisierungs-Skript kann zum Beispiel die Sollwert-Abweichung mit anderen Parameter-Abweichungen verknüpft werden was die Anforderungen an eine einfache Maschinendiagnose erfüllt. Dies hat Phoenix Contact etwa mit der Visualisierungs-Lösung Visu+ auf Windows CE-Geräten realisiert.

Spezialisierte Lösungen

Höhere Anforderungen an ein Condition-Monitoring lassen sich ebenfalls erfüllen durch die Integration spezieller Software-Werkzeuge in die Visualisierung. Ein Beispiel ist die Diagnose-Software Diag+ zur Diagnose von Interbus. Als ActiveX Control kann Diag+ in fast jede Visualisierung integriert werden. Besonders hilfreich ist dabei die Programmier-Schnittstelle von Diag+, die den Datenaustausch zwischen Visualisierung und Diagnose-Software zur Laufzeit ermöglicht.

Auf dieser Basis arbeitet auch DiagNet, ein individuell einsetzbares Lösungspaket, um Fehler zu erkennen und anzuzeigen. Es verbindet die Diagnose mit den Engineering-Informationen innerhalb der Visualisierung. Im Fehlerfall werden Fehlerort innerhalb der Maschine oder Anlage sowie dessen Schaltbild grafisch angezeigt.

Schließlich lässt sich auch die FDT/DTM-Technologie in die Visualisierung einbinden was bei Prozessleitsystemen bereits Standard ist. Die Visualisierung wird dabei als FDT-Container ausgeführt, der DTMs nutzt, um Daten mit intelligenten Geräten auszutauschen. Dieser Datenaustausch dient neben der Übertragung von Prozessdaten auch der Übertragung von Parameter- und Zustandsdaten. Damit ist eine genaue Diagnose der Geräte möglich, die über ein solches DTM erreichbar sind.

Claus Kühnl, Strategisches Marketing Automation Systems, Phoenix Contact:

„Condition-Monitoring wird in Zukunft zu einer Funktion der Scada-Visualisierung. Durch die Integration der Scada-Visualisierung auch auf preiswerte HMI-Geräte beginnt es sich neben der Prozesstechnik ebenfalls im Maschinenbau verbreiten - wenn auch zunächst in einfacheren Varianten. Grundsätzlich sinken die finanziellen Aufwände für Condition-Monitoring-Funktionen bei gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit, da auch die HMI-Geräte den Trends aus der PC-Welt folgen müssen. Dabei wird sich das Anwendungsfeld von der elektrischen Steuerungstechnik ausgehend auch auf die Mechanik und den Prozess ausweiten. Die zustandsorientierte Instandhaltung kann mit Werkzeugen erfolgen, die in die Visualisierung integrierbar sind. In vielen Fällen reicht die Alarming-Funktion der Scada-Visualisierung aus. Die Hauptziele – Kosteneinsparungen bei der Wartung sowie durch Vermeidung von Stillstandszeiten – lassen sich auch mit wenig Aufwand in Hard- und Software erreichen.“(in)

Dipl.-Ing. Claus Kühnl, Strategisches Marketing der Business-Unit Automation Systems, Phoenix Contact

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