Mit einem Jahresabsatz von rund 765 Mio. Litern ist die Hassia-Gruppe einer der größten Mineralbrunnen Deutschlands. Allein im Stammwerk im hessischen Bad Vilbel laufen sechs Abfüllanlagen parallel im Dreischicht-Betrieb. Dabei werden die Flaschen über Hunderte Meter durch die einzelnen Stationen transportiert – von Rinser, Füller und Verschließer über die Etikettierung bis zur Abfertigung. Beim Übergang der Flaschen von einem Transportband auf das nächste sowie beim Anstoßen der Flaschen mit der Führungsschiene und untereinander entstehen punktuelle Stoßbelastungen, die sich letztlich über Hunderte von Flaschen zu starken, unregelmäßigen Vibrationen am Antrieb aufaddieren. Ergo ist es unerlässlich, die Lager an Getriebe und Motor zu überwachen, um die Verschleißgrenze rechtzeitig voraussagen und eine Wartung durchführen zu können.

Elektronische Schwingungs­diagnose

Sensoren erlauben eine Schwingungs­diagnose auch an Stellen, die im laufenden Betrieb aus Sicherheits­gründen für manuelle Controllen nicht erreichbar sind.

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Eine gängige Methode, um das Schwingungsverhalten zu überwachen, ist das manuelle akustische Abhören mittels Stethoskop. Gerhard Simon, Instandhaltungsleiter bei Hassia-Mineralquellen, erläutert die damit verbundenen Nachteile: „Früher haben wir manuell überwacht, indem eine Person zur Maschine geschickt wurde, um den Motor abzuhören. Dies war aber ein rein subjektives Empfinden – hören drei Personen mittels Stethoskop einen Antrieb, einen Motor oder ein Getriebe ab, empfinden sie jeweils etwas komplett Unterschiedliches! Und das manuelle Abhören hat ein weiteres entscheidendes Manko: Bei dreimaligem Abhören ergeben sich nie die gleichen Betriebs-zustände. Die Maschinen müssen im Drehen abgehört werden, aber das kann nicht während des Abfüllbetriebs geschehen – im Füller-Rinser-Bereich beispielsweise aus mikrobiologischen Gesichtspunkten; dieser Reinraum darf während des Abfüllens nicht betreten werden. Also kann das Abhören nur am Wochenende erfolgen, wenn nicht abgefüllt wird. Aber dann herrscht im Leerlaufbetrieb ein anderes Schwingungsverhalten. Andere Bereiche – zum Beispiel am Entetikettierer, wo Kardanwellen laufen und die Motoren und Getriebe eng verbaut sind – sind im laufenden Betrieb gar nicht erreichbar.“

Ergo musste eine andere Lösung zur Maschinendiagnose gefunden werden. Fündig wurde Hassia bei ifm electronic; das Unternehmen bietet unter der Bezeichnung ‚efector 800‘ Schwingungsdiagnose-Systeme an, die aus Schwingungssensoren und dazugehörigen Auswerte-Einheiten bestehen.
 

Elektronische Schwingungs­diagnose

Erste Versuche mit der elektronischen Schwingungsdiagnose starteten an einer PET-Mehrweganlage. Dazu wurden einige Maschinen – die Flaschenreinigungsmaschine ‚Spiragrip‘, die Entetikettiermaschine, der Abschrauber sowie der Füller-Rinser-Bereich – mit den Sensoren ausgestattet. Die zylindrischen Sensoren werden mittels Bohrungen direkt in den Motor oder Getriebeblock verschraubt. Dort erfassen sie kontinuierlich die Vibrationen an nicht-rotierenden Maschinen-Oberflächen. Sie arbeiten mit kapazitivem Messprinzip und sind durch ihren speziellen mikromechanischen Aufbau (MEMS) frei von Sättigung und triboelektrischen Störeinflüssen. Ein integrierter Selbsttest bietet zusätzliche Sicherheit.

Die Auswerte-­Einheit wertet die Signale von bis zu vier Schwingungssensoren aus.

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Grundsätzlich überwacht eine Auswerte-Einheit maximal 32 Schwingungsindikatoren (Objekte) an bis zu vier unterschiedlichen Messpunkten, an denen ein Schwingungsaufnehmer angebracht ist. Über Schaltausgänge lassen sich Vor- und Hauptalarm ausgeben und, wie bei Hassia, per Leuchtmelder signalisieren. Per Ethernet TCP/IP kommuniziert die Auswerte-Einheit beispielsweise mit der Maschinensteuerung oder der Leitebene.

Gerhard Simon erklärt weitere Details: „Bei dem wertefreien System lassen sich Grenzwerte definieren; der Anwender kann sagen: ‚Dieses Level will ich nicht überschreiten, ab hier muss ich einschreiten und mechanisch irgendetwas verbessern, beispielsweise durch Schmierung oder den Austausch von Bauelementen.‘ Diese Möglichkeit gab es zuvor nicht.“

Bewährungsprobe bestanden

Gerhard Simon, Instandhaltungsleiter bei Hassia-Mineralquellen in Bad Vilbel: „Durch die Schwingungsdiagnose wird die Instandhaltung planbar.“

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Schon kurze Zeit nach der Installation bei Hassia hat die Schwingungsdiagnose ihre erste Bewährungsprobe bestanden, wie Gerhard Simon erklärt: „Bereits nach wenigen Wochen hatten wir erste Erfolge, als per Schwingungsdiagnose ein sich anbahnender Anlagenstillstand durch eine mechanische Störgröße erkannt wurde.Wir konnten rechtzeitig reparieren und so den Anlagenausfall verhindern. Die gelben Leuchtmelder gaben Voralarm. Dann wurde die Maschine an einem Wochenende genau in-spiziert. Hierbei wurde festgestellt, dass eine Lagerstelle an einem Transferstern, bei dem die Flaschen vom Rinser zum Füller übergeben werden, erhöhtes Spiel aufwies. Zudem lief eine Kardanwelle, die den Rinser und den Verschließerblock antreibt, unrund und verursachte damit Schwingungen im Gesamtsystem.

Bei einem geplanten Stillstand haben wir diese Störquellen repariert und auf diese Weise verhindert, dass es zu einem ungeplanten Stopp mitten in der Produktion kam – dies hätte in einem Dreischicht-Betrieb fatale Folgen gehabt und immense Kosten nach sich gezogen.“

Neben der Vor-Ort-Anzeige des Schwingungszustands mittels Leuchtmelder lässt sich die Auswerte-Einheit per Ethernet TCP/IP mit dem Leitstand vernetzen. Hier plant Hassia einen weiteren Ausbau der Anlage.
 

Rundum geschützt

Instandhaltungsleiter Simon zu den Plänen: „Momentan ist eine einzige Anlage auf den Arbeitsplatz eines Mitarbeiters vernetzt. Die anderen drei Anlagen sind noch durch Bedienpersonal überwacht, das an die Instandhaltung meldet, wenn ein gelber Voralarm oder ein roter Hauptalarm auf den Leuchtmeldern angezeigt wird. Dann können wir rechtzeitig reagieren. Das System soll aber sukzessive ausgebaut werden: Ziel ist, dass wir in der Instandhaltung den Zustand unserer Anlagen permanent online verfolgen können. Bislang überwachen wir vier Maschinen in unserer Pilotanlage. In Zukunft wollen wir die gesamte Anlage mittels Schwingungsdiagnose überwachen und darüber hinaus dokumentieren, aus welchem Schadensereignis heraus was gewechselt werden musste, um die Anlage gegebenenfalls weiter zu optimieren. Auch wollen wir die Kosten erfassen, um nachzuweisen, dass sich die Investition in das Diagnosesystem gelohnt hat.“

Als Vorreiter gelobt

Die Entscheidung, die Prozesssicherheit mittels permanenter Schwingungsdiagnose abzusichern, wurde auch beim jährlich stattfindenden IFS-Audit (International Featured Standards) gewürdigt, einer in der Lebensmittelbrache üblichen Zertifizierung. „In der Getränkeindustrie sind wir wohl der erste Abfüllbetrieb, der angefangen hat, mit der ifm-Schwingungsdiagnose zu arbeiten. Im Abschlussbericht wurde lobend erwähnt, dass wir in der Instandhaltung mittlerweile anfangen, mit solchen Systemen die Anlage zu überwachen, was sich logischerweise auch auf die Produktsicherheit auswirkt. Denn: Kommt es zu einem Anlagenstillstand, muss die Anlage anschließend leergefahren werden. Dies ist unerlässlich, um eine Verkeimung der gereinigten Flaschen, die im Reparaturfall auf den Bändern stehen, oder aber eine Verkeimung im Reinraum, sollte in diesem gearbeitet werden, zu vermeiden. So kann aus einer Reparatur, die an sich nur 30 Minuten dauert, ein ungeplanter Stillstand von bis zu zwei Stunden werden“, erläutert Gerhard Simon.

Autor: Andreas Biniasch ist Redakteur bei ifm electronic in Essen.