Die Fertigungsinstandhaltung basiert heute im Wesentlichen auf zwei Ansätzen: der reaktiven und der vorbeugenden Wartung. Beide Methoden haben aber insbesondere hinsichtlich möglicher Ausfallzeiten und Kosten Nachteile. Bei der reaktiven Wartung werden Bauteile solange betrieben, bis sie ausfallen, und dann erst ausgetauscht. So ist das Risiko eines ungeplanten Stillstands hoch, es können sehr lange Ausfallzeiten entstehen – etwa, weil der zuständige Spezialist gerade nicht verfügbar, die Fehlersuche aufwendiger als gedacht oder das Ersatzteil nicht vorrätig ist. Diese Art der Wartung kann bei einem verketteten Prozess, bei dem der Ausfall eines Prozessschritts zum Stillstand der gesamten Produktion führt, hohe Kosten nach sich ziehen. 

Bei der vorbeugenden Wartung werden Verschleißbauteile in festen Zyklen getauscht, um einem ungeplanten Ausfall vorzubeugen. Bei bekannter Lebensdauer der Bauteile kann diese Methode ungeplante Stillstände mit hoher Sicherheit vermeiden. Dabei entstehen jedoch hohe Wartungskosten, da Teile getauscht werden, die vielleicht noch lange Zeit funktioniert hätten. Zudem ist die Methode zeitaufwendig und es können längere, wenn auch planbare Wartungsstillstände entstehen. Die größte Schwierigkeit ist die Definition des richtigen Wartungsintervalls. Ist es zu lang, kommt es zu Ausfällen. Ist es zu kurz, sind die Wartungskosten hoch. Das heißt, es erfordert viel Erfahrung, um die Lebensdauer der Verschleißteile richtig einzuschätzen.

Sensor misst Verschleiß

Effizienter ist es, wenn Anwender den optimalen Austauschzeitpunkt rechtzeitig erkennen und den Zeitpunkt des Austausches in der Produktion planen können. Das ‚Zauberwort‘ lautet Predictive Maintenance beziehungsweise vorausschauende Wartung. Hierbei werden die ausfallkritischen Bauteile kontinuierlich überwacht und eine Zustandsverschlechterung anhand charakteristischer Verschleißmerkmale ermittelt. 

Bereits etabliert ist die Verschleißüberwachung an Motoren in Maschinen: Verschleißen die Lager des Motors, nehmen die Vibrationen zu. Diese lassen sich über einen Vibrationssensor messen und die Daten an ein Auswertesystem senden, wo anhand mathematischer Algorithmen der günstigste Austauschzeitpunkt berechnet wird. Außer Motoren gibt es in Maschinen und Anlagen jedoch viele weitere Teile, die mechanischem Verschleiß unterliegen. Dazu gehören zum Beispiel bewegte elektrische Leitungen etwa in Schleppketten, die bewegte Maschinenteile mit Strom oder Daten versorgen. Bei der Wartung müssen diese regelmäßig getauscht werden, um einen ungeplanten Produktionsausfall zu vermeiden. Die Tauschzyklen sind vor allem abhängig von Bewegungshäufigkeit, Temperatur, Biegeradius, Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung. Auch eine geeignete Leitungskonstruktion und der Einsatz hochwertiger Materialien haben einen erheblichen Einfluss auf die Anzahl der möglichen Biegezyklen.

Vorausschauende Wartung für Kabel

Die ‚Etherline Torsion Cat. 7‘ ist eine Hochgeschwindigkeitsleitung für industrielles Ethernet.

© Lapp

Datenleitungen wie Ethernet-Leitungen gelten aufgrund ihres komplexen Aufbaus und der notwendigen Hochfrequenzeigenschaften als besonders ausfallgefährdet. Die Ausfallgründe sind vielfältig: Eine gebrochene Abschirmung etwa führt zu erhöhten Störungen durch EMV. Brechende Adern führen zuerst zu erhöhter Dämpfung und reduzierter Datenrate und später bei komplettem Aderbruch zum Totalausfall der Kommunikation.

Zudem ist eine Vorhersage über die Haltbarkeit von Leitungen in der realen Anwendung aufgrund der Vielfältigkeit der Anwendungen nur sehr ungenau. Wird für eine Datenleitung eine Lebensdauer von fünf Millionen Biegezyklen angegeben, erfolgt dies unter Angabe bestimmter typischer Werte für die Parameter Biegeradius, Beschleunigung und Verfahrweg. Wird die Leitung jedoch anders betrieben – zum Beispiel mit deutlich niedriger Temperatur oder längerem Verfahrweg –, ist eine geringere Biegezyklenzahl zu erwarten. Sind andererseits die Bedingungen in der Anwendung weniger fordernd – etwa durch kürzere Verfahrwege und geringere Beschleunigungen –, sind auch mehr als fünf Millionen Zyklen erreichbar. Durch Abweichungen von mehreren Parametern können zudem Wechselwirkungen entstehen, deren Effekt nicht vorhersagbar ist. Deshalb ist es sinnvoll, verschleißbehaftete Kabel in ein Predictive-Maintenance-System einzubeziehen.

Keine Änderung an der Leitung

Lapp hat nun ein Verfahren zur vorausschauenden Wartung verschleißbehafteter Ethernet-Leitungen entwickelt. Im Fokus sind zwar vor allem Leitungen in Schleppketten oder Robotern, mit der Lösung lassen sich aber auch andere kritische Leitungen überwachen, bei denen ein Ausfall vermieden werden soll.

Das erste Entwicklungsziel war, ein Messprinzip zu entwickeln, das ohne Veränderung der Leitung funktioniert, also ohne zusätzliche Messadern im Kabel. Das ist insofern vorteilhaft, als Standard-Ethernet-Leitungen sowie Standard-Steckverbinder wie RJ45 oder M12-Stecker verwendet werden können. Der Installateur schließt die Leitungen wie gewohnt an und muss keine zusätzlichen Messadern anschließen. Denn eine Schwierigkeit solcher Messadern besteht darin, eine Korrelation des Verschleißes der Messadern zu den Nutzadern herzustellen. Die Gefahr besteht, dass die Nutzadern für die eigentliche Datenübertragung früher als die Messadern ausfallen und ein ungeplanter Stillstand entsteht. Deshalb war von Anfang des Projekts an klar, dass das System von Lapp die realen Übertragungseigenschaften der Nutzadern messen soll. Damit ist zudem ein Retrofit bestehender Anlagen möglich.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Messung im laufenden Betrieb erfolgen muss, um den Anlagenbetrieb nicht zu stören. Zur groben Überwachung des Übertragungskanals können heutige Verfahren in Managed Ethernet Switches von Lapp bereits die Bitfehlerrate messen. Dabei wird der Anteil fehlerhafter Bits je Zeiteinheit ermittelt. Dies lässt jedoch nur eine sehr ungenaue Vorhersage des Leitungszustands zu – wenn Bitfehler auftreten, ist die Leitungsschädigung oft schon sehr weit fortgeschritten und die notwendige Vorlaufzeit zur Wartungsplanung sehr kurz oder ungenau. 

Box analysiert Datenpakete

Das System von Lapp misst bis zu vier übertragungsrelevante Parameter. Dank der Messung mehrerer Größen sind auch Plausibilitätsprüfungen möglich, sodass sich Fehlinterpretationen von Messwerten minimieren lassen.

Das Messverfahren ist in der so genannten ‚PMBX‘ (Predictive Monitoring Box) integriert. Sie besitzt zwei Ethernet-Ports und wird einfach am Anfang der zu überwachenden Ethernet-Leitung eingeschleust. Die Datenpakete werden transparent vom einen Ethernet-Port zum anderen Port im sogenannten Cut-through-Modus übertragen, also nahezu ohne Verzögerung. Für eine angeschlossene SPS ist die ‚PMBX‘ nicht sichtbar und hat keinen Einfluss auf die Datenübertragung. Somit lässt sie sich auch in bestehende Anlagen integrieren, ohne Änderungen an der Software der SPS zu erfordern. 

Im nächsten Schritt werden die Messdaten analysiert. Das Predictive-Maintenance-System verwendet dafür einen Deep-Learning-Ansatz. Für die Schleppkettenleitungen von Lapp werden im hauseigenen Testzentrum Millionen von Datensätzen gesammelt und anschließend durch mathematische Algorithmen analysiert. Die Daten werden während des Entwicklungsprozesses lokal auf einem PC analysiert, was aber später je nach Kundenwunsch auch in der Cloud laufen kann. Je mehr Daten vorhanden sind, desto genauer wird die Vorhersage. Das System ist selbstlernend. So konnte bereits nach einer Datensammlung von nur einigen Wochen im Testzentrum eine Vorhersagegenauigkeit des Kabelausfalls von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen erreicht werden.

So kann die Lösung helfen, Stillstandzeiten von Maschinen und Anlagen zu reduzieren. Das System wird derzeit für die Anforderungen verschiedener Anwendungsfälle weiterentwickelt. Gemeinsam mit Pilotanwendern erfolgt die Praxiserprobung und durch die Sammlung weiterer Daten die Optimierung des Vorhersagezeitraums.

Was bringt Predictive Maintenance?

Ablauf des Predictive Maintenance für Datenleitungen von Lapp.

© Lapp

• Instandhaltung wird planbar. Die Wartung erfolgt dann, wenn nicht produziert wird, zum Beispiel sonntags oder abends oder wenn ohnehin aus anderen Gründen ein Stillstand geplant ist.
• Notwendiges Material muss nicht auf Lager liegen und kann just in time bestellt werden, wenn es benötigt wird.
• Die Kosten für Ersatzteile werden reduziert, weil Bauteile bis zum ‚end of life‘ betrieben werden können und kein Sicherheitsspielraum einzuplanen ist. 
• Das Ausfallsrisiko wird reduziert und dadurch die Produktivität von Anlagen gesteigert, weil der reale Zustand bekannt ist.

Autor:
Ralf Moebus ist Product Management Automation bei Lapp in Stuttgart.