Enterprise Asset Management trifft Industrial IoT – Die Anlagen sprechen zu uns – hören wir endlich hin!

Weiter geht es mit unserer vierteiligen Serie ‚EAM trifft…‘. Im zweiten Teil geben wir Ihnen einen Überblick darüber, wie Industrial IoT-Lösungen heute genutzt werden, um die traditionell reaktiven und präventiven Instandhaltungs­tätig­keiten um smarte zustands- und datengestützte Aktivitäten zu erweitern.

Was ist ‚reaktive‘ Instandhaltung?

 „Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“ oder „Ober sticht unter“ – Binsenweisheiten wie diese finden sich auch im Tages­ge­schäft der Instandhaltung. Die Ad-hoc-Beseiti­gung uner­wartet auftretender Störungen unter nicht klar definierten Prioritäten gehört in vielen Instand­haltungs­bereichen zur vorherrschenden Praxis. Entstörung im industriellen Kontext ist nur schwer planbar, die Effizienz der Maßnahmen basiert zudem auf dem ‚Herrschafts­wissen‘ weniger älterer und besonders erfahrener Techniker. Hohe Wege- und Such­zeiten sowie lange Warte­zeiten für benötigte Ersatzteile und Materialien sind die Folge eines niedrigen Planungsgrades der Instand­haltung.

Die reaktive Instand­haltung hat dennoch ihre Berechtigung als Strategie, wenn sie klaren Rahmen­bedingungen wie Kritikalität, Risikoeinstufung und Priorität unterliegt und weniger dringliche Angelegenheiten somit ‚planbar‘ gemacht werden können.

Was ist ‚präventive‘ Instandhaltung?

Präventiv bedeutet ‚vorbeugend‘ und meint, dass Wartungsarbeiten in regelmäßig wiederkehrenden Intervallen zur Vermeidung von Ver­schleiß­­schäden sowie zum Erhalt und zur Wiederherstellung der Leistungs­fähig­keit technischer Anlagen und Einrichtungen durchgeführt werden. Vorbeugende Tätig­keiten werden nach bestim­mten zeitlichen Zyklen (z. B. Tage, Wochen, Monate, Jahre) und/oder über durch Zähler messbaren Ereig­nisse ausgelöst (z. B. Betriebs­stunden, gefahrene Kilometer).

Präventive Wartungsmaßnahmen erleichtern durch einen vordefinierten kalen­dari­schen Auslöse- und Durchführungszyklus die Planung von Aufgaben, die rechtzeitige Ressourcen­bereit­stellung sowie die interne Termin­koordination signifikant. Der größte Nachteil präventiver Maßnahmen ist jedoch die Terminfixierung: Maß­nahmen werden deshalb einge­plant, weil sie schon immer Bestandteil in den Wartungsplänen von Unter­nehmen waren. Maßnahmen und sehr eng gefasste Fristen werden häufig durch die Hersteller technischer Anlagen vorgegeben und nach Ablauf der Garantiezeit durch die Instandhaltung nicht mehr auf das unbedingt Erforder­liche angepasst! Die starre Fixierung führt zur teuren ‚Über-Wartung‘ mit unnötigen Still­standzeiten und erhöhtem Aufwand. Das gilt besonders für Arbeits­leistung und den Ersatzteil- und Material­­einsatz.

Die ‚unflexible‘ präventive Instand­haltung hat dennoch ihre Berechtigung als Strategie, da vielfach behördliche Auflagen die Inspektionen und Regelwartungen nach Kalender­intervall vorschreiben (z. B. KFZ-Hauptuntersuchung, UVV- und DGUV-Prüfungen). Dazu gehören auch interne Qualitäts- und Arbeitssicherheits­vorgaben, die zwingend durch­zu­führen sind.

Aber zurück zum eigentlichen Thema: Geht es mit all den neuen Industrie 4.0-Technologien nicht auch ein wenig smarter? Wie kann das Industrial Internet of Things (IIoT) bei der Planung und Durch­führung von Instandhaltungs­aktivitäten unterstützen?

Was ist das Industrial Internet of Things?

IIoT ist die Bezeichnung für die Zusammenfassung und Vernetzung aller steuer­baren Antriebe und Regler sowie Sensoren und Fühler in Anlagen und Einrich­tungen. Das Ziel von IIoT ist es, Zustände und Funktionen von Anlagen den Produktions- und Instandhaltungsbereichen ‚als Service‘ zur Verfügung zu stellen. Die meisten Produktionsanlagen verfügen heute schon über eine Vielzahl von Sensoren, welche jedoch häufig in der Fertigungs-Steuerungsebene (MES) gefangen sind und nicht einfach für weitere Prozesse genutzt werden können.

Sensordaten spielen heute in der dynamischen Steuerung von Fertigungsprozes­sen eine entscheiden­de Rolle. Diese sollen aber auch zunehmend von Anwend­ungen in der Peripherie von Unternehmen genutzt werden, um echte unter­nehmensübergreifende Industry-4.0- und Smart-Factory-Konzepte zu ermög­li­chen. Die Instand­haltung und der technische Service gehören zu diesen Sekundär­prozessen und werden zukünftig deutlich von den wachsenden Möglichkeiten des IIoT profitieren.Grundsätzlich existieren zwei unterschiedliche Typen der Sensorik für eine Viel­zahl von Anwendungs­fällen:

• • Kabelgebundene Sensoren, die heute weitgehend in die Anlagenautomati­sierung integriert sind. Sensordaten aus der Prozessautomatisierung werden heute über multiproto­koll­fähige Schnitt­stellen­werkzeuge (z. B. der OPC-UA-fähigen SVA Factory Data Bridge) an Massendaten-taug­liche Systeme bzw. IoT-Platt­formen übertragen, auf denen Standard-Services für Daten­speicherung, Analytics- und KI-Kompo­nen­ten sowie Performance-Dashboards zur Verfügung gestellt werden.

• Drahtlose Sensor-Kommunikationseinheiten, diese basieren auf unter­schied­lichen Funktechnologien sind batteriebetrieben oder zunehmend komplett energie­autarke ‚Devices‘.Autarke Sensorik findet vor allem Anwendung in der Nachrüstung (Retrofit) von älteren Anlagen und Baugruppen, welche nicht mit einem vertretbaren finanziel­len Aufwand zu vernetzen sind. Hierbei sei angemerkt, dass heutige drahtlose und energieautarke Technologien keine Über­tragung von Massendaten in Echtzeit ermöglichen, sondern auf langfristige Übertragung limitierter Daten­mengen in definierten Zeitintervallen ausgelegt sind.

IIoT dient also zunächst der Sammlung und Übertragung von Prozess- und Zustands­daten. Die wesentliche Herausforderung für die Instandhaltungsbereiche liegt somit im Auf­finden von brauch­baren Informationen und der Ermittlung von Anomalien und Prozess-Aus­reißern innerhalb großer Datenmengen (Data Lake). Zielsetzung der Nutzung von Sensor­daten für die Instand­haltung ist die Fähigkeit zur Zustandsüberwachung prozesskritischer Anlagen und Baugruppen – und zwar mit Hilfe einer dynami­schen Ermittlung des Inspektions- und Instandhaltungsbedarfs über eine Grenzwert­erfassung.

Was ist ‚zustandsorientierte‘ Instandhaltung?

Als preisgünstige und effiziente Alter­native zur vorbeugenden Wartung können zustandsabhängige Prozes­se etabliert werden, die prinzipiell dieselben Arbeitsverfahren verwenden. Hier bietet eine IoT-gestützte Inte­gration der Anlagen­automatisierung bzw. nachgerüsteter Sensorik der Instand­haltung große Vorteile. Zeitreihen­aus­wertungen können bei Über- oder Unter­schreiten von Grenz- und Zustandswerten automatisiert Inspektionen und perio­dische Wartungsaktivitäten ‚zwangs-fällig‘ machen bzw. auslösen. Eine Analytics-gestützte Anomalie-Erkennung kann auf die Verschlechterung der Anlagen­zustände hinweisen, was grafisch auf Instandhaltungs-Dashboards zur Anlagenperfor­mance visualisiert werden kann. Vordefinierte Wartungs- oder Inspektions-Prozes­se können so erst dann ausgelöst werden, wenn sie wirklich erforderlich sind.

Was ist ‚vorausschauende‘ Instandhaltung?

Als logische Erweiterung der IIoT-gestützten Zustands­überwachung bietet sich heute das Verfahren zur modell­basierten, vorausschauen­den Instand­haltung an (Predictive Maintenance). Diese nutzt neben den IIoT-Echt­zeit-Daten aus dem Anlagenbetrieb auch die historischen Informationen verfüg­barer EAM- und Instandhaltungs-Management-Lösungen (z. B. IBM Maximo) sowie weitere externe Datenquellen wie z. B. Wetterdienste oder Verkehrsmeldungen.

Trainierbare mathematische Modelle ermitteln aus der Fülle dieser Daten Trends, mögliche Ausfalltermine und -­wahrscheinlichkeiten, basierend auf bekann­ten oder über Zeitreihenbetrach­tung ermittelte Verhaltens- und Ausfallmuster im Lebenszyklus der Anlagen. Zukünftige Ausfälle können mit Zeitraum und Ausfall­wahrscheinlichkeit sehr gut vorhergesagt werden, wodurch Instand­haltungs­­aktivi­täten rechtzeitig eingeplant werden können.

Herausforderungen durch IIoT

Zum Abschluss noch ein paar Hinweise für Unternehmensbereiche, die sich ­mit IoT-Projekten befassen. Die heutigen technischen Möglichk­eiten, mit Hilfe von IT-gestützten Lösungen Daten aus Anlagen aller Art zu gewinnen, diese zu vertretbaren Kosten zu speichern und sinnvoll auszuwerten, erfordert einen­ signifikant höheren Grad der Zusammenarbeit der Abteilungen in den Unternehmen. IIoT und ‚Smart Factory‘ sind unternehmensübergreifende Themen, bei denen Betrieb, Instandhaltung und IT zwingend kooperieren müssen:

• IIoT-Projekte zur Unterstützung der Instandhaltungsprozesse sind immer noch keine Selbst­läufer im Unternehmen. Sie benötigen neben einem operativen Nutzen (Use Case) stets einen belastbaren Business-Case, was eine End-to-End-Betrachtung und Kalkulation über alle betrof­fenen oder beteiligten Abteilungen hinweg erforder­lich macht.
• Die Ausweitung der Integrationsmöglichkeiten stellt erhebliche zusätzliche Anforderungen an die Unternehmens-IT bezüglich Speicherung von Massen­daten, Vernetzung, Systemintegration, Sensordaten-Verarbeitung und IT-Security.
• Die Instandhaltungsbereiche müssen sich zwingend professionalisieren. Die zunehmende Dynamisierung der bisher statischen Wartungsplanung ist für den Planungsgrad der Instand­haltung organisatorisch herausfordernd. Die Einplanung von Instandhaltungsmaßnahmen erfordert zudem eine immer stärkere Abstim­mung zwischen Fertigungs­planung und Arbeits­vor­bereitung in der Instand­haltung.

Fazit

IIoT ermöglicht die Implementierung ‚smarter‘ ressourcensparender, zu­stand­sorientierter und voraus­­schauender Instandhaltungsprozesse. Über die Echtzeit-Zustandsinformationen unmittelbar aus den Anlagen und Einrichtungen heraus können teure störungsbedingte Stillstände vermieden oder zumindest verringert werden, da sich viele Anlagenausfälle über einen Zeitraum hinweg mess- und hörbar entwickeln.

Wartungs- und Instand­setzungs­arbeiten werden folglich also nur noch dann ausgelöst, wenn es aus prozess- und anlagentech­nischer Sicht bzw. zur Einhaltung von Qualitäts-Management und Compliance-Vorgaben erforderlich ist. Durch die Vorhersage von möglichen Ausfällen bzw. die Einordnung und Priorisierung der Ausfallwahrscheinlichkeit in einem bestimmten Zeitraum können zukünftige Wartungstermine dynamisch angepasst oder umfangreichere Maßnahmen rechtzeitig in die verfügbaren Wartungsfenster eingeplant werden.

Die neuen Möglichkeiten zur Daten- und Prozessintegration müssen deutliche Auswirkungen auf die Flexibilisierung der Instandhaltungsorganisationen haben, um die positiven Effekte von IIoT auch bereichsübergreifend nutzen zu können. Voraussetzung hierfür ist ein höherer Grad an Koordination zwischen den unterschied­lichen Bereichen eines Unternehmens sowie die Bereitschaft, althergebrachte (starre) Instandhaltungsverfahren dynamisch an den Zustand der Anlagen anzupassen.