Optimierung der Wartungs- und Reparaturkostenreduzierung

Der Einsatz intelligenter Aufzugssystemsensoren mit intelligenten Auswertealgorithmen kann eine permanente Überwachung erleichtern.

Dieses Papier wurde präsentiert bei USA 2012, International Congress on Vertical Transportation Technologies und erstmals veröffentlicht im IAEE-Buch Elevator Technology 19, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers (Webseite: www.elevcon.com). Dieser Artikel ist ein exakter Nachdruck und wurde nicht von ELEVATOR WORLD bearbeitet.

Schlüsselwörter: Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung, vorbeugende Wartung, Verschleißerkennung

Abstract

Ein neuer Sensor mit intelligenten Auswertealgorithmen wird die permanente Überwachung des Verschleißes wesentlicher Aufzugssystemkomponenten ermöglichen. Dadurch können Wartungs- und Reparaturarbeiten ohne Einhaltung bestimmter Intervalle geplant und eine hohe Verfügbarkeit bei optimaler Ressourceneffizienz erreicht werden. Das neue Bewertungskonzept soll auf Basis der erhobenen Daten automatisch Prognosen und Trends erstellen und dem Nutzer präsentieren. Erstmals ist es möglich, den Verschleiß von Aufzugsanlagenkomponenten zu messen und entsprechende Wartungsempfehlungen abzugeben, sodass das Material nicht mehr in bestimmten Wartungsintervallen ausgetauscht werden muss und der Ressourceneinsatz dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann.

1. Einleitung

Bisher wurde Condition Monitoring nur selten zur Verbesserung von Instandhaltungsmaßnahmen eingesetzt. Falls angewendet, beschränkte sie sich auf die Erkennung von Fehlerspeichern von Aufzugssteuerungen oder gelegentlich von Aufzugsantrieben. Jeder Hersteller hat zu diesem Thema unterschiedliche Konzepte angewandt.

Wenn Sensoren verwendet werden, um den Verschleiß der Aufzugsanlage zu erkennen, geschieht dies mit mobilen. Mit diesen Sensoren können stichprobenartig das Beschleunigungsverhalten der Aufzugskabine, der Geräuschpegel oder die Seilspannung überprüft werden und liefern die entsprechenden, aber unkommentierten Messdaten.

Mit dem Ziel, die weit verbreitete intervallbasierte Wartung von Aufzugsanlagen in eine vorausschauende oder sogar proaktive Wartung zu überführen, wurden erste erste Tests mit mobilen Sensoren durchgeführt. Ziel ist es, die alten und eingeschränkten Verfahren abzulösen und diesen neuen Predictive Maintenance Service zu etablieren.

2. Ausgangssituation

2.1 Vorherrschende Wartungsstrategien für Aufzugsanlagen

Das weltweit verbreitete Instandhaltungskonzept für Aufzugsanlagen kombiniert in der Anfangsphase reaktive, präventive und teilweise auch zustandsorientierte Instandhaltungsmaßnahmen. Die vorbeugende Wartung von Aufzugsanlagen wird in regelmäßigen Abständen durchgeführt. Servicetechniker leiten entweder nach einer bestimmten Zeit oder nach Erreichen einer bestimmten Anzahl von Fahrten Maßnahmen ein, um eine weitere Verschlechterung des Verschleißes zu verzögern. Getriebeöl nachfüllen, Führungsschienen fetten etc. sind Maßnahmen, um dieses Ziel zu erreichen. Dabei wird auch der Verschleiß bestimmter Aufzugskomponenten wie Führungsbacken oder Bremsbeläge überprüft. Letzteres kann als erster Versuch einer vorausschauenden, zustandsorientierten Instandhaltung gesehen werden. Aus den gesammelten Informationen zB über den Verschleiß kann abgeleitet werden, welche Komponenten zu welchem ​​Zeitpunkt ausgetauscht werden müssen, um jegliche Art von Systemausfällen oder sicherheitskritischen Zuständen der Aufzugsanlage zu vermeiden.

2.2 Condition Monitoring im industriellen Umfeld

Condition Monitoring ist heute in fast allen Industriebereichen eine der wichtigsten Instandhaltungsmaßnahmen, um technische Anlagen effizient zu betreiben und zu warten. Dieser Ansatz basiert auf einer regelmäßigen und/oder permanenten Erfassung der Zustandsdaten der Maschine durch Messung und Analyse aussagekräftiger physikalischer Parameter. Die technologischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik, Tribologie und Mikroprozessortechnik liefern eine bisher nicht erreichte Menge und Qualität an Informationen für die Instandhaltung von Produktionsmaschinen. Dies führt dazu, dass Condition Monitoring aus industriellen Umgebungen nicht mehr wegzudenken ist. Sie ist als conditio sine qua non für eine zustandsorientierte und/oder proaktive Instandhaltung anzusehen.

2.3 Vorteile von Condition Monitoring

Die Bedeutung von Condition Monitoring hängt stark von der Art der Instandhaltungsstrategie ab: Je umfassender die Strategie und die Anforderungen, die sie erfüllen muss, desto ausgeprägter ist die Bedeutung von Condition Monitoring. Condition Monitoring kann in vielerlei Hinsicht eine große Hilfe sein und eine maximale Anlageneffizienz unterstützen. Condition Monitoring sorgt für

• Sicherheitsverbesserung gegen Fehler. Dies wird durch eine effiziente Fehlervorhersage mit dem Ergebnis ihrer Vermeidung erreicht.
• deutliche Reduzierung der Ausfallzeiten. Dies erfolgt auf Basis einer integrierten Planung von Reparaturmaßnahmen, die durch das Condition Monitoring angezeigt werden.
• Erhöhung der Lebensdauer der Komponenten durch Vermeidung von Bedingungen, die ihre Lebensdauer verkürzen, und
• Kostenreduzierung und nahezu vollständige Nutzung des Verschleißpotenzials des Bauteils.

Die drei Phasen des Condition Monitoring:

1. Ermittlung des Systemzustands. Das bedeutet, dass die relevanten Maschinenparameter, die den aktuellen Zustand widerspiegeln, gemessen und dokumentiert werden müssen.
2. Vergleich der Daten zum Zustand. Dem aktuellen Zustand ist ein vorgegebener Referenzwert gegenüberzustellen. Bei extrem hoher Komplexität der Anlage werden die Daten empirisch ermittelt.
3. Diagnose. In diesem Schritt wird anhand der Zustandsdaten der Maschine eine Diagnose durchgeführt, um Ergebnisse zu erzielen, die mögliche Fehler möglichst frühzeitig anzeigen und deren Ursache ermitteln können.

3. Zustandsüberwachung in Aufzugsanlagen

Versucht man die oben genannten Schritte auf Aufzugsanlagen zu übertragen, stellt man schnell fest, dass es auf dem Aufzugsmarkt kaum technische Messsysteme gibt, nicht einmal für den ersten der Condition Monitoring Schritte, die Zustandsbestimmung. Nur zur intermittierenden Überwachung von Schwingungs- und Geräuschdaten können Fahrqualitätsmesssysteme nach ISO 18738 wie das EVA-System oder das LiftPC-System eingesetzt werden. Diese Systeme liefern Daten über den Zustand der Aufzugsanlage, die gleichzeitig während der Inspektionen erfasst werden. Dies ermöglicht eine Erkennung langfristiger Entwicklungen für weitere Analysen, kurzfristige oder vorübergehende Ereignisse und Prozesse können jedoch nicht erkannt werden. Darüber hinaus ist auch eine Kombination mit anderen Daten wie Lastzustand, Temperatur etc. recht schwierig.

Langfristige Trends sowie sprunghafte oder vorübergehende Zustandsänderungen können auf Basis einer kontinuierlichen Überwachung der physikalischen Aufzugsanlagenparameter in Echtzeit nur erfasst und erkannt werden. Bei anschließenden Vergleichen der Zustands- und Diagnosealgorithmen steht ein umfassender Datenbestand zur Verfügung. Dadurch können genaue und zuverlässige Wartungsvorschläge generiert werden.

3.1 Pilotprojekt: Zustandsüberwachung in Aufzugsanlagen testen

Die Firma Henning installierte bereits 2004 Prototypen eines Aufzugszustandsüberwachungssystems in elf Aufzugsanlagen des Chemiekonzerns BASF. Verschiedene Sensoren wurden installiert, um Beschleunigung und Vibration sowie die Drehzahl der Antriebsscheibe, die aktuelle Förderhöhe, die Gesamtlast der Kabine und die Seilspannungen zu messen und zu überwachen. Die Messwerte wurden von einem direkt an der Aufzugsanlage befindlichen Industrie-PC analysiert. Die Ergebnisse dieser Analyse wurden per Fernübertragung an ein Rechenzentrum übermittelt. Kernstück des Zustandsüberwachungssystems ist ein Vibrations- und Beschleunigungssensor, der direkt auf der Kabine angebracht wurde. Von dieser Position aus erfasste er die tatsächlichen Fahrtbewegungen der Kabine sowie der Kabinenführungen, Türbewegungen und – indirekt über die Seile – sogar das Verhalten des Antriebs.

Die erfassten Daten aller Sensoren wurden für jede Fahrt in spezifische Kennwerte umgerechnet und auf Überschreitung der vorgegebenen Grenzen überprüft. Anschließend wurden die Kennwerte jeder Fahrt eines Tages zu einem statistischen Mittelwert zusammengefasst. Diese Mittelwerte aus mehreren hundert Fahrten pro Tag wurden für die eigentliche Trendbeobachtung verwendet. Die folgenden beiden Datenbeispiele zeigen zB einen Trend über mehrere Tage, der wiederum auf Tausenden von Fahrten basiert.

Zu Beginn des in Fig. 1 dargestellten Aufnahmezeitraums sind die Gleitführungen der Kabine bereits verschlissen. Am 11. März 2004 wurden die Führungen durch neue Führungsschuhe ersetzt. Man sieht deutlich, dass die Schwingungen in Richtung X (senkrecht zum tatsächlichen Führungsschienenabstand) sofort reduziert werden. Andererseits nimmt das Schwingungsverhalten parallel zum tatsächlichen Führungsschienenabstand zu, um nach etwa 25 Tagen wieder auf den ursprünglichen Wert abzusinken. Der Schwingungsverlauf in Richtung Y lässt sich durch einen inhomogenen Ist-Abstand der Führungsschienen über die gesamte Hubhöhe des Aufzugssystems erklären: Die neuen Gleitführungen müssen erst in dieser Richtung „einschleifen“ lassen. Aus dem gezeigten Diagramm lässt sich eine Grenze für das Schwingungsverhalten in X-Richtung bestimmen, die das System nicht überschreiten darf. In diesem speziellen Fall wird ein Führungsschuh-Wartungsvorschlag ausgelöst, falls er den angegebenen Grenzwert überschreitet.

Das zweite Beispiel (Abb. 2) zeigt vier Schwingungskennwerte für die Türbewegungen. Der Zeitraum zwischen dem 15. und 17. März zeigt einen unregelmäßigen Höhepunkt. Die Grafik zeigt deutlich, dass das Ereignis sporadischer Natur ist. Die Führungen der Autotür waren durch Wintersplitt verunreinigt, der vermutlich von den Reifen eines Gabelstaplers stammte. Die automatische Türüberwachung hat in diesem Fall einen Alarm ausgelöst. Somit konnte der Fehler innerhalb kürzester Zeit behoben werden, so dass keine Folgeschäden an Torlaufrollen und -führungen entstanden.

Neben Schwingungsdaten hat sich auch die Messung der einzelnen Seilspannungen und des Belastungszustandes als absolut aussagekräftig erwiesen. Der Belastungszustand beeinflusst selbstverständlich die Schwingungspegel, so dass diese nur in Verbindung mit der tatsächlichen Belastung bewertet werden können. Außerdem sind die einzelnen Seilspannungen im Seilsatz zu berücksichtigen. Eine Ersetzung des Motordrehmoments durch die Motordrehzahl führt in der Aufzugsindustrie zu einem Trend, immer dünnere Seile und höhere Aufhängungsverhältnisse zu verwenden. Untersuchungen an Seilen zeigen, dass die Seilbiegefähigkeit mit dem Durchmesser kontinuierlich abnimmt (Scheunemann, 2007). Ein kleineres Verhältnis von Treibscheibendurchmesser zu Seildurchmesser (D/d) reduziert zusätzlich die Biegefähigkeit. Dies gilt auch für Mehrfachseilabweichungen. Dies verstärkt den Einfluss nur eines schlecht eingestellten Seils eines Seilsatzes immens: Der Seilverschleiß kann beispielsweise die Lebensdauer des gesamten Seilsatzes um 60 % reduzieren, wenn ein Seil lediglich um 15 % vom Mittelwert des Einfachseils abweicht Seillasten (Feyrer, 2000).

Basierend auf den Ergebnissen des Pilotprojekts und der eingehenden Untersuchung von aufzugstauglichen Messmethoden hat die Firma Henning in den letzten Jahren ein Condition Monitoring System für Aufzüge entwickelt. Es wird Ende 2012 fertiggestellt sein und anschließend in Deutschland Feldtests durchlaufen. Die Besonderheit des WearWatcher ist ein intelligenter Schwingungssensor, der permanent den Verschleiß wichtiger Aufzugssystemkomponenten überwacht. Der Sensor wird oben am Auto montiert und erkennt den aktuellen Fahrzustand, so dass Türbewegungen, Fahrtanfänge, ständige Fahrten etc. separat untersucht werden können. Der Schwingungssensor übernimmt diese Überwachung autonom, ohne mit der Aufzugssteuerung verbunden zu sein. In jedem dieser Fahrzustände werden signifikante Kennwerte generiert. Die Überwachung und Analyse all dieser Daten ermöglicht es, langfristige Trends sowie sprunghafte oder vorübergehende Zustandsänderungen zu erkennen, die vollständig dokumentiert werden können. Über das Fahrwerk werden auch Schwingungen auf den Sensor übertragen, wodurch indirekt auch Motoren und Getriebe erfasst werden können. Der Sensor ist in der Lage, zwischen zahlreichen Verschleißaspekten kritischer Komponenten wie Türen, Antriebe und Führungen zu unterscheiden. Gleichzeitig erfassen weitere Sensoren die Belastung jedes Tragseils. Dadurch wird auch die Ladung im Auto identifiziert.

Eine Anbindung an übergeordnete Gebäudeleitsysteme ist aufgrund der entsprechenden Schnittstellen des Systems problemlos möglich. Signifikante Änderungen der übertragenen Kennwerte werden dann rechtzeitig vor Erreichen der Ausfallgrenze einer Komponente gewarnt, sodass die erforderliche Wartungstätigkeit im Voraus geplant werden kann und nicht mehr festen Intervallen unterliegt.

4. Zusammenfassung

Condition Monitoring ist in vielen Bereichen der Industrie bereits weit verbreitet, wird aber in der Aufzugsbranche noch eher vernachlässigt. Servicestrategien, die in einer zustandsorientierten und proaktiven Instandhaltung enden, sind nicht für alle Aufzugsanlagen notwendig, aber eine solche kostenintensive vorbeugende Instandhaltungsstrategie ist die einzige erfolgversprechende Alternative für Aufzugsanlagen, die Teil eines Produktionsprozesses sind und in öffentlichen Sektoren zur Sicherung der Mobilität von Menschen mit körperlichen Beeinträchtigungen oder die für Repräsentationszwecke unabdingbar sind. Die einzige adäquate Gegenmaßnahme, die die teilweise massiven Kostensenkungen bei Aufzugskomponenten in den letzten Jahren kompensieren kann, kann nur in Form einer Überwachung sicherheitsrelevanter und funktionskritischer Komponenten erfolgen. Eine effiziente Lösung für die oben genannten Probleme ist die automatische Zustandsüberwachung. Es garantiert eine optimale Ressourceneffizienz verbunden mit einer hohen Anlagenverfügbarkeit.

REFERENZEN
1.) Feyrer, Prof. Dr. K. (2000). Drahtseile: Messung, Betrieb, Sicherheit. 2. Aufl. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York.
2.) Scheunemann, Dr. W. (2007). Randbedingungen für den Einsatz von Tragseilen unter 8 mm im Aufzug. Vortrag beim Schwelmer Symposium.