Das Unternehmen Xervon Instandhaltung, ein deutscher Industriedienstleister, entwickelt für die vorausschauende Wartung – das Predictive Maintenance – von Kühlwasseranlagen für Kunden aus der Prozessindustrie digitale Zwillinge und kooperiert dabei mit dem SAP-Beratungshaus itelligence.

Anlagen der Prozessindustrie sind für ihren reibungslosen Betrieb auf Kühlsysteme angewiesen, die prozessorientiert, maßgeschneidert und regelgenau kühlen. Die Xervon Instandhaltung, eine Tochtergesellschaft der Remondis Maintenance & Services, betreibt für ihre Kunden komplexe Kühlsysteme. Diese Systeme bestehen unter anderem aus Kühltürmen, einem verzweigten Netz von Rohrleitungen und mehreren Pumpen, mit denen gekühltes, demineralisiertes Wasser in der richtigen Menge und der benötigten Temperatur bereitgestellt wird. 

Um den Betrieb der Kühlsysteme fortlaufend zu sichern, übernimmt der In-dustriedienstleister auch die Wartung und Instandhaltung der Kühlanlagen. Das Monitoring hat rund um die Uhr zu erfolgen, da Ausfälle nicht vorkommen dürfen. Mit rein analogen Mitteln bedeutet das letztlich, dass Servicetechniker die Anlage vor Ort überwachen müssen. Der dafür notwendige Personalaufwand treibt die Kosten der Instandhaltung entsprechend in die Höhe. Hinzu kommt, dass Wartungen in der traditionellen Vorgehensweise in regelmäßigen Intervallen erfolgen und dadurch mitunter auch dann, wenn sie für den reibungslosen Ablauf des Systems noch gar nicht notwendig gewesen wären. 

Was IoT-Technologien bringen

Der Einsatz von IoT- und Industrie-4.0-Technologien verspricht hier klare Effizienzgewinne. Mit maßgeschneiderten Digitalisierungsstrategien lassen sich jedoch nicht nur Kosten reduzieren, auch die Qualität der Wartung und damit die Lebenslaufzeit der Kühlungsanlagen werden durch die Implementierung vorausschauender Maßnahmen verbessert.

Um deutschlandweit Unternehmen darin zu bestärken, eigene Digitalisierungsstrategien zu entwickeln und in konkrete Projekte zu übersetzen, rief das SAP-Beratungshaus itelligence die ‚itelligence-of-Things-Initiative‘ ins Leben. Ziel dieses Wettbewerbs war es, Leuchtturmprojekte der Industrie 4.0 zu schaffen und so die Potenziale von digitalen Technologien für industrielle Prozesse aufzuzeigen. Xervon Instandhaltung wird bei der Entwicklung einer maßgeschneiderten Digitalisierungslösung für ein Kühlsystem der Prozessindustrie von der itelligence als ein Gewinner der itelligence-of-Things-Initative unterstützt. Ein zentrales Element des so entstandenen Projekts von Xervon Instandhaltung und itelligence ist die praktische Erprobung eines digitalen Zwillings eines komplexen Kühlsystems. 

Dieser digitale Zwilling kann am besten als virtuelles Abbild der realen Anlage beschrieben werden. Seine wichtigsten Vorteile sind:

• Sensordaten werden kontinuierlich an die Cloud gesendet, wodurch der Digitale Zwilling schnell und automatisiert auf Abweichungen überwacht wird.

• Verschleiß lässt sich ‚auf Knopfdruck‘ simulieren; Betriebsstunden und Um-weltbedingungen werden einfach eingestellt – Predictive-Maintenance-Prozesse lassen sich somit auf ein neues Level heben.

Der digitale Zwilling ermöglicht dadurch eine effizientere Steuerung und Wartung der Anlage. Durch ihn können im digitalen Probelauf Aggregate so optimiert werden, dass einerseits Stromkosten, Verschleiß und ungeplante Ausfälle reduziert und andererseits Wartungen nur noch dann ausgeführt werden, wenn sie auch wirklich notwendig sind. 

Digitaler Zwilling und reale Anlage

Xervon Instandhaltung betreibt für ihre Kunden komplexe Kühlsysteme, die unter anderem aus Kühltürmen, einem verzweigten Netz von Rohrleitungen und mehreren Pumpen bestehen.

© Xervon

Um einen digitalen Zwilling zu erschaffen, müssen zwar technische Zeichnungen und Spezifikationen wie Standort, Bauart und vereinbarte Leistungsdaten digitalisiert werden, doch ist es mit der Digitalisierung solcher Daten allein nicht getan. Um die Anlage kontinuierlich überprüfen zu können, muss der digitale Zwilling auch mit der realen Welt verbunden sein. Diese Verknüpfung erfolgt über Daten von Sensoren. Wie viele Sensoren, wo genau anzubringen sind, hängt von der Nutzung des digitalen Maschinenzwillings ab. 

Wie aufwendig die Erstellung eines digitalen Zwillings ist, richtet sich dabei immer nach der Komplexität des physischen Originals sowie der Parameter, die benötigt werden, um den digitalen Zwilling so zu gestalten, dass er die Prozesse des Originals reell abbildet. Im Projektbeispiel nahm die Definition und Datensammlung zur Spezifikation der Parameter mehrere Tage in Anspruch. Die Umsetzung im System dauerte dagegen nur wenige Stunden.

Im gemeinsamen Projekt von Xervon Instandhaltung und itelligence geht es vor allem um zwei Anwendungsszenarien:

1. Die Betriebssicherung – Gewährleistung von ausreichend Kühlwasser mit der vorgeschriebenen Temperatur.

2. Das Condition Monitoring, also die kontinuierliche Überwachung des Betriebszustands der Anlage.

Entscheidend für beide Szenarien sind die Pumpen, die das Kühlwasser aus den Kühltürmen an den Kunden liefern. Jede Pumpe ist daher mit drei Sensoren sowie zwei weiteren an den Getrieben ausgestattet. Diese Sensoren liefern Daten zur Pumpleistung beziehungsweise Durchflussmenge, der Drehzahl und dem Drehmoment, der Temperatur des Pumpenmotors sowie der Energieaufnahme. Zusätzlich zu diesen Daten werden Wetterdaten wie Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit erhoben, da diese die Temperatur des Kühlwassers ebenfalls beeinflussen. Abgerundet wird das Bild durch die Daten von Vibrationssensoren, die Schwingungen auf relevanten Frequenzen und unterschiedlichen Spektren messen. Die Schwingungsdaten werden zum Erstellen von Fehler- und Verschleißbildern genutzt, dienen also vor allem dem Condition Monitoring.

Theoretisch lassen sich die Sensordaten in Echtzeit erheben. Je häufiger eine solche Messung erfolgt, desto größer sind allerdings auch die Datenmengen und der damit verbundene Speicherbedarf. Eine Vorverarbeitungssoftware bereinigt die erhobenen Rohdaten deshalb an der Kühlanlage. Erst dann erfolgt das Versenden in die Cloud und die jeweilige Zuordnung zum entsprechenden digitalen Zwilling. So ergeben sich sinnvolle Informationen, die sich nun analysieren lassen.