Ob in Form von Kassenzetteln, Kontoauszügen oder Eintrittskarten und Tickets jeder Art – Thermopapier ist allgegenwärtig. Seine besondere Eigenschaft erlangt das Papier durch eine spezielle Beschichtung – im Fachjargon ‚Strich‘ genannt. Rund 300 Tonnen Thermopapier durchlaufen täglich die Streichmaschine 3 bei Mitsubishi Hitec Paper Europe in Bielefeld (MPEB). Dabei fährt die vierstöckige Anlage eine maximale Arbeitsgeschwindigkeit von bis zu 1730 Metern pro Minute.
Jürgen Heitland, Leiter Elektronik, Mess- und Regeltechnik (EMSR) bei MPEB, beschreibt: "An Streichmaschine 3 veredeln wir das Rohpapier mit einem Vor- und einem Deckstrich und verleihen ihm seine Thermofunktion. Um einen einwandfreien Strich zu gewährleisten, muss das bis zu 2,9 Meter breite Papier berührungslos getrocknet werden. Insgesamt 13 Heißlufttrockenhauben mit jeweils zwei großen Radialventilatoren für Zu- und Abluft übernehmen diese kritische Aufgabe." In Summe verfügt die Streichmaschine 3 also über 26 Lüftereinheiten, bestehend aus jeweils einem Zuluft- und Abluftventilator.

Die Zuluftventilatoren blasen die bis zu 250 °C heiße Luft in die Trockenhauben. Dabei darf die Oberfläche des Thermopapiers nicht über 68 °C erhitzt werden. Andernfalls kommt es nach dem Prinzip des Thermodruckers zu einer unerwünschten Vergrauung. Die größeren Zuluftventilatoren haben einen Durchmesser von knapp über einem Meter und wiegen rund 100 kg, die Abluftventilatoren sind etwas kleiner und leichter. Bewegen sich nun bis zu 100 kg Ventilatormasse mit einer Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute, kommt es im Laufe der Zeit zu Unwucht, die direkt zulasten der Lagerung geht. Wird diese Unwucht nicht rechtzeitig erkannt und behoben, ist Minderproduktion oder – falls eine der ersten vier Heißlufttrockenhauben betroffen ist – ein Produktionsstillstand die Folge.

So geschehen Mitte 2013: Wegen einer nicht rechtzeitig erkannten Unwucht fiel an besagter Streichmaschine ein Lüfter komplett aus. Neben der Lagerung waren Anbauteile stark beschädigt. Es kam zu einem kurzfristigen Anlagenstillstand und einer anschließenden Reduzierung der Produktionsgeschwindigkeit. Der EMSR-Leiter blickt zurück: "Dieser Lüfterausfall war der Auslöser dafür, dass wir nach einer Möglichkeit gesucht haben, um von der zeitbasierten zur zustandsorientieren Wartung zu wechseln. Wir wollten in der Lage sein, frühzeitig Unwuchten oder Wälzlagerschäden zu erkennen, bevor sie durch Geräusche oder Temperaturanstieg deutlich werden. Denn sobald die Temperatur ansteigt, ist es meistens schon zu spät für einen geplanten Komponentenaustausch. Und dann muss es schnell gehen. Doch in der Regel sind Ersatzteile nicht sofort verfügbar. Folglich fällt der Ventilator länger aus."

Schwingungen kontinuierlich erfassen

Um solche ungeplanten und stets kostenintensive Ausfälle zukünftig zu vermeiden, werden sämtliche Ventilatoren seit Anfang 2014 mittels Schwingungsmessung durch 26 so genannte 'FAG- SmartCheck-Systeme' von Schaeffler auf abweichende Schwingungen überwacht. Der integrierte Schwingungssensor erfasst die Messwerte im festgelegten Intervall und überwacht so den Status der Wälzlager kontinuierlich und erkennt dank der integrierten Intelligenz eine Abweichung im Schwingungsmuster der Ventilatoren. Wird ein festgelegter Grenzwert überschritten, führt dies zu einer Alarmmeldung des Sensors an die verschiedenen Informationsebenen. Über den integrierten Web-Server können dann historische Daten zur tieferen Analyse abgerufen werden.

Arkadius Schostak, Leiter Service bei der ebenfalls in Bielefeld ansässigen Firma Werthenbach und federführend bei der Entwicklung und Umsetzung der Lösung involviert, erklärt: "Das Frühwarnsystem ermöglicht uns Vorlaufzeiten von bis zu mehreren Monaten vor dem tatsächlichen Ausfall einer Komponente. Es bleibt genügend Zeit, um Ersatzteile zu bestellen und einen Anlagenstillstand für Wartungs- und Reparaturarbeiten geplant einzuleiten. Somit erhöht sich die Maschinenverfügbarkeit und Prozesssicherheit." Werthenbach arbeitet im Wälzlagerbereich bereits seit Jahrzehnten mit Schaeffler zusammen. Als autorisierter Premiumpartner realisiert das Unternehmen mit den Service-Experten von Schaeffler unter anderem Projekte rund um die Zustandsüberwachung.

Von der Feststellung des Problems bis zur Inbetriebnahme der Lösung verging ein halbes Jahr. Zunächst erstellte Werthenbach die komplette Dokumentation, holte dann basierend auf einer Offline-Schwingungsmessung aller Ventilatoren weitere charakteristische Kennwerte des Ist-Zustands ein und wertete sie aus. Schaeffler wiederum verfasste auf Grundlage des Ist-Zustands Handlungsempfehlungen und erstellte einen Maßnahmenkatalog beziehungsweise Lösungsvorschlag für die Lüfter-Problematik, wie zum Beispiel Feinwuchten oder Lageraustausch als notwendige Vorarbeit für jeden einzelnen Ventilator. Nachdem Werthenbach schließlich den Zuschlag für die Umsetzung des Online-Monitoring-Systems erhalten hatte, konnte dies nach etwa sechs Wochen in Betrieb genommen werden. Die Montage führte Werthenbach durch, die Konfiguration und Aktivierung übernahm Schaeffler.

PoE spart Kabel ein

Ein Hauptkriterium im Zuge der Realisierung war ein möglichst geringer und damit kostengünstiger Verkabelungsaufwand. Durch die Verwendung von Power-over-Ethernet (PoE) ließ sich die Kabelmenge auf ein Drittel reduzieren. Thomas Schmitz, Servicemanager Condition Monitoring bei Schaeffler, hierzu: "Gerade bei der Aufrüstung einer bestehenden Anlage ist es oft kompliziert, Kabelwege nachträglich zu legen – umso mehr bei Streichmaschine 3, die über mehrere Ebenen geht. Dank PoE ist nur ein Kabel nötig, statt je eines Kommunikations-, Spannungs- und Zusatzsignalkabels. Neben dem bidirektionalen Datenaustausch versorgt das Kabel das komplette System mit Strom und verbindet es über Ethernet mit dem Netzwerk."

Eine weitere Herausforderung bestand in der automatisierten Verarbeitung der Drehzahlen ohne Beeinträch­tigung der Maschinen- beziehungsweise Anlagensteuerung. Diese Anforderung erfüllt der so genannte 'FAG SmartController'. Als intelligentes Gateway ermöglicht er eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Kundensteuerung und den intelligenten Schwingungssensoren über das Ethernet-Kabel per PoE-Switches. Das heißt: Der FAG SmartController leitet die Schwingungsdaten und Statusin­formationen der Sensoren an die Steuerung der Streichmaschine 3, von wo aus sie in einem SCADA-System ­visualisiert werden können. Zudem verteilt der Controller die individuellen, variablen Drehzahl-Informationen aus der Anlagensteuerung an die einzelnen Sensoren.

Die Lösung ist frei erweiterbar, so dass sich künftig die komplette vier­stöckige Maschine über ein einheitliches System überwachen lässt, um das Verhalten aller rotierenden Teile bei Drehzahl-Erhöhung genau zu erfassen. Theoretisch ist der Systemzugriff von jedem Arbeitsplatz im Werk möglich, der über die entsprechenden Programme verfügt. Über eine VPN-Anbindung kann sich auch das Werthenbach-Serviceteam zur Unterstützung von extern aufschalten. Außerdem ist die Hardware für eine WLAN-Anbindung vorhanden, die künftig den Zugriff über mobile Endgeräte zu jeder Zeit von jedem Ort im Werksgelände ermöglicht.

Der SmartController selbst ist das Ergebnis einer im Jahr 2010 im Zuge der SmartCheck-Produktentwicklung initiierten Zusammenarbeit zwischen Schaeffler und der europäischen Fabrikautomatisierungs-Sparte von Mitsubishi Electric. Deren Senior Business Development Manager, Christoph Behler, blickt zurück: "Schaeffler suchte damals nach einer Möglichkeit, den intelligenten Schwingungssensor über eine ebenso intelligente Steuerung an Kundensysteme und Datenbanken anzubinden. Die Steuerungen unserer Melsec-L-Serie sind in der Lage, über Ethernet in die Leit- und in die Sensorebene mit allen gängigen Feldbus-Systemen zu kommunizieren. Das zwischen Sensor und Steuerung laufende Seamless-Message-Protokoll (SLMP) basiert auf Ethernet TCP/IP und ermöglicht daher gleichzeitig den Systemzugriff über ­einen Webbrowser sowie die bidirektionale Datenkommunikation mit der Steuerung."

Statusanzeige per ­Ampel­funktion

Zurück zur Zustandsüberwachung: Das bei MPEB installierte System zeigt Grenzwertüberschreitungen rechtzeitig über eine Statusanzeige per Ampelfunktion an. Ändert sich der Status von grün auf gelb, wurde ein zuvor definierter Grenzwert überschritten. Die Anlage kann aber vorerst regulär weiterlaufen. Ein roter Alarm bedeutet akuten Handlungsbedarf. Über einen integrierten Web-Server kann das Bedienpersonal auf jeden einzelnen Sensor zugreifen und sich detaillierte Informationen anzeigen lassen und auslesen. Bei Bedarf übermittelt Werthenbach diese Informationen an die Spezialisten von Schaeffler, die nicht nur das Problem benennen, sondern auch eine schriftliche Handlungsempfehlung erstellen. Da das System bis zu drei Monate im Vorfeld eine erste Warnung über den gelben Voralarm meldet, ist ausreichend Zeit, um einen Anlagenstillstand zu planen und Ersatzteile zu bestellen.

Neben der reinen Lagerüberwachung ermöglicht die Lösung ein komplettes Prozessmonitoring. Thomas Schmitz erklärt: "Je ein SmartCheck-System überwacht eine Lüftereinheit auf unzulässige Schwingungen. Dabei haben die beiden Stehlager und das Lüfterrad jeweils ein eigenes Schwingungsmuster. Mithilfe der Datenhistorie lassen sich Trendkurven erstellen, auf deren Grundlage Rückschlüsse auf Maschinenzustand und Prozesse gezogen werden können. So lässt sich oft sogar erkennen, wann und vor allem warum ein Problem zum ersten Mal aufgetreten ist, um es dann endgültig zu beheben." Kurzum: Basierend auf aussagekräftigen Daten kann MPEB jetzt langfristig das Verhalten der Aggregate unter sich ständig ändernden Produktionsbedingungen verfolgen und gezielt konstruktive Verbesserungen vornehmen.

Bereits wenige Monate nach Inbetriebnahme rechtfertigte das Monitoringsystem seinen Einsatz, indem es Auffälligkeiten an zwei Abluft-Schwebetrocknern meldete. Das Werthenbach-Serviceteam erfasste die Daten, führte eine erste Analyse durch und die Experten von Schaeffler erstellten daraus schließlich eine entsprechende Handlungsempfehlung. Der Grund für die Auffälligkeiten waren eine unzulässig hohe Unwucht sowie ein Außenringlagerschaden. Beide Probleme konnten durch eine geplante Wartung zeitnah behoben werden, lange bevor die Unwucht hör- oder spürbar geworden oder es gar zu Schäden an angrenzenden Komponenten gekommen wäre. Eine aufwendige, langwierige Fehlersuche und höhere Folgekosten ließen sich somit vermeiden.

Nächstes Ziel von MPEB ist es, das Wissen rund um das Monitoringsystem beim hauseigenen Technik- und  Bedienpersonal aufzubauen, so dass das System künftig selbstständig betreut werden kann. Aufgrund der guten Ergebnisse des Pilotprojektes entschloss sich der Papier-Produzent zudem, seine Streichmaschine am Standort Flensburg ebenfalls mit der beschriebenen Schwingungsüberwachung  auszustatten. Mittlerweile überwachen dort 22 Systeme die Schwingungen an elf Zuluft- und Abluftventilatoren. Das Fazit von Jürgen Heitland: "Die vorausschauende Zustandsüberwachung bedeutet für uns einen entscheidenden Schritt in Richtung Industrie 4.0. Der SmartController ist dabei das Herzstück, denn durch ihn sind wir in der Lage, Informationen des Sensors auf Feldebene über die Steuerungsebene und das MES bis zum ERP-System weiterzuleiten und dort zu nutzen sowie Daten von höheren Ebenen direkt in die Feldebene zu implementieren."

Arkadius Schostak von Werthenbach ergänzt: „Aktuell erstellen wir für zwei weitere Interessenten entsprechende Vorschläge in ähnlichem Umfang. Grundsätzlich ist eine solche Lösung in jedem Bereich der Prozesstechnik denkbar, in dem es bei kontinuierlichen Abläufen zu Schwingungen kommt, beispielsweise an Elektromotoren, Pumpen, Kompressoren oder Getrieben.

Autor:
Christoph Behler ist Senior Business Development Manager bei Mitsubishi Electric.

Der Anwender

Die Mitsubishi Hitec Paper Europe ist Teil der internationalen 'Mitsubishi Paper Mills Gruppe' und betreibt zwei Standorte in Bielefeld (MPEB) und Flensburg (MPEF). Das traditionsreiche Werk in Nordrhein-Westfalen mit über 418.000 m² Werksgelände zählt rund 450 Mitarbeiter und verfügt über eine Produktionskapa­zität von 150.000 Tonnen pro Jahr. Das Portfolio umfasst gestrichene Spezial­papiere für alle Anwendungsbereiche und Drucktechnologien, beispielsweise Thermo-, Inkjet-, Selbstdurchschreibe- oder Etikettenpapier. Das Basispapier wird im eigenen Haus hergestellt, so dass sich Papiere und Funktionsstrich optimal aufeinander abstimmen lassen.