Condition Monitoring: Betriebsfähig im Dauerbetrieb – zur Verfügbarkeit von Lackieranlagen

Insbesondere bei stark verketteten Vorgängen, wie sie in den Lackieranlagen vorliegen, muss die Betriebsfähigkeit aller am Prozess beteiligten Komponenten während des Dauerbetriebes gegeben sein. Da in Wörth die Lackieranlagen im 3-Schichtbetrieb laufen, müssen alle Schäden so früh erkannt werden, dass Abhilfemaßnahmen in den geplanten Stillstandszeiten an den Wochenenden durchgeführt werden können. Daimler setzt deshalb für diagnostische Online Condition Monitoring Systeme von Prüftechnik zur Überwachung der kritischen Ventilatoren in der Lackieranlage ein. Positive Erfahrungen und messbare Erfolge zeigen, dass eine Erhöhung der Verfügbarkeit durch den Einsatz der richtigen Mittel in der Praxis funktioniert. Der Produktionsprozess Der Produktionsprozess im weltweit größten Montagewerk für LKW über 6,5t Gesamtgewicht umfasst den Fahrerhausrohbau, die Lackierung, den Innenausbau und den Fahrzeugaufbau. Im Bereich der Fahrerhauslackierung werden neben den Anlagen zur kathodischen Tauchlackierung Grundierung, eine gemeinsame Füllerlinie und drei Decklacklinien zum Lackauftrag betrieben. Ein qualitätsrelevanter Teil der Anlagentechnik in den Lackierlinien dient dabei der Aufbereitung der Luft und der Auswaschung der Lacknebel, dem so genannten Overspray. Kritische Maschinen In Bezug auf die Verfügbarkeit der Lackieranlagen sind die zur Luftförderung eingesetzten Ventilatoren und deren Antriebe als kritisch einzustufen. Fällt einer dieser Ventilatoren aus, muss aufgrund des gestörten Lufthaushaltes die komplette Lackierlinie stillgelegt werden. Ziel einer optimalen Instandhaltungsstrategie muss es daher sein, alle notwendigen Arbeiten an diesen Maschinen nur während der planmäßigen Anlagenstillstände durchzuführen. Dabei sollen möglichst viele Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten zustandsabhängig, d.h. nur bei Bedarf, durchgeführt werden. Regelmäßige, zeitorientierte Methoden werden nur noch dort eingesetzt, wo sich keine geeigneten Indikatoren für die Auslösung von Maßnahmen finden lassen. So können z.B. korrektive Maßnahmen, wie das Reinigen und Nachwuchten von Laufrädern, das Nachspannen, oder Auswechseln von Antriebsriemen über die Erfassung der Schwingungen und des Wälzlagerzustandes gesteuert werden. Zur Behebung von Maschinenfehlern und -schäden müssen Reparaturen und Komponentenwechsel während der ohnehin vorgesehenen Betriebspausen durchgeführt werden. Dazu ist eine entsprechende Früherkennung von Fehlern zu fordern. Kritische Veränderungen Besonders an lufttechnischen Anlagen sind mechanische Schwingungen ein bewährter und zuverlässiger Indikator für veränderte oder unzulässige Belastungen. Typische Verursacher von Schwingungen sind Unwuchten an den Laufrädern und Fluchtungs- oder Riemenfehler. Die Veränderungen der Maschinenbelastung führen direkt zu erhöhten Schwingungspegeln. Aber auch Folgeschäden von Dauerbelastungen, wie Lockerungen von Schraubverbindungen und Schwingungsrisse in tragenden oder rotierenden Teilen, werden auf diese Weise erkannt. Mithilfe der diagnostischen Beurteilung in den eingesetzten Überwachungssystemen lassen sich sowohl die Gesamtschwingungen, Summenwerte als auch die einzelnen Schwingungsverursacher in separaten Kennwerten erfassen. Alle notwendigen Kenngrößen werden aus den Schwingungssignalen mithilfe der Fast-Fourier-Trans­formation (FFT) ermittelt und können mit eigenen Grenzwerten überwacht und im Klartext angezeigt werden. Kritische Informationen Wälzlager unterliegen auch bei ordnungsgemäßer Auslegung, fachgerechtem Einbau und Betrieb immer einem natürlichen Verschleiß. Bei erhöhten Belastungen durch äußere oder innere Kräfte und durch ungünstige Umgebungsbedingungen können die Standzeiten der Lager aber erheblich von den prognostizierten Werten abweichen. Werden Schäden in den Lagern zu spät erkannt, können große Folgeschäden bis hin zum \’Fressen\‘ der Lager und Beschädigung der Lagersitze oder gar zur Zerstörung der Wellen führen. Es ist daher unbedingt erforderlich, Schädigungen in den Lagern rechtzeitig zu erkennen und zuverlässig zu melden. Als Kenngrößen zur Wälzlagerbeurteilung werden die stoßerregten Schwingungsanteile mit der Hüllkurvenmethode und die durch Überrollgeräusche angeregten Beschleunigungswerte im hochfrequenten Bereich genutzt. Auch bei der Wälzlagerbeurteilung werden neben den allgemeinen Summenwerten mithilfe der frequenzselek­tiven Überwachungstechnik die Werte einzelner Fehlersymptome wie Außenring-, Innenring-, Wälzköper- und Käfigschäden separat ermittelt und überwacht. Diese zusätzlichen Informationen ermöglichen der Instandhaltung eine genauere Diagnose und damit auch mehr Sicherheit bei der Abschätzung der noch verfügbaren Restbetriebsdauer der Maschinen. So lässt sich beispielsweise ein Lager mit gleichmäßigem Verschleiß, Rauigkeiten in den Laufbahnen, noch wesentlich länger betreiben, als ein Lager mit einem defekten Käfig oder mit starken Ausbrüchen in der Lastzone, wo eine schnellere Reaktion gefordert ist. Die Realisierung Im ersten Schritt wurden alle Ventilatoren und die zugehörigen Antriebsmotoren der Lackieranlage 1 und 2 ausgerüstet. Im zweiten Schritt folgte die Ausrüstung der Füllerlinie. Dazu wurden an allen Lagerstellen, Ventilator und E-Motor, Beschleunigungsaufnehmer appliziert. Im Bereich der Decklacklinie 3 ist das System noch im Aufbau. Die Investitionskosten lagen dabei nicht wesentlich höher, als die Kosten die für das periodische Abfragen mit mobilen Datensammelgeräten angefallen wären, da fast alle Ventilatoren eingehaust und somit bei Betrieb nicht zugänglich sind. Zur Erfassung des Maschinenzustandes hätten daher ohnehin Beschleunigungs-Aufnehmer permanent an den Lagern installiert und die Signale nach außen in begehbare Bereiche geführt werden müssen. Die Differenz zwischen einer Datensammler-Lösung und einer automatischen Online-Erfassung mit den Vibnode-Systemen von Prüftechnik lag daher im Wesentlichen nur noch in den Installations- und Montagekosten für die notwendigen Online-Systeme. Für die einmalige Mehrinvestition ergeben sich für die gewählte Online-Lösung aber entscheidende Vorteile. Das Online-System misst und überwacht in kurzen Zykluszeiten – ca. 5 bis 10 Minuten – wodurch eine unmittelbare Erkennung von Veränderungen gewährleistet ist. Überschreitungen von Alarmen und Warnschwellen werden automatisch erkannt und per E-Mail und über die digitalen Ausgänge gemeldet. Die Messdaten werden automatisch abgespeichert und visualisiert. Kabel- und Verlegekosten Um die Signalleitungslängen der Sensoren und damit die Kabel- und Verlegekosten klein zu halten, wurden die Vibnode-Systeme dezentral, d.h. möglichst nahe der Ventilatoren, montiert. Als positiver Nebeneffekt wurde damit gleichzeitig das Risiko eventueller Störquellen ausgeschlossen. Die Verbindung der Einzelsysteme zum zentralen Instandhaltungs-Rechner erfolgt über das vorhandene Ethernet der Anlage. Damit lassen sich die notwendigen großen Entfernungen zum Rechner ohne weiteren Verdrahtungsaufwand und kostenneutral überwinden. Jedes Messwerterfassungs-System hat eine eigene IP-Adresse innerhalb des Netzes und kann bei Bedarf auch zusätzlich individuell, z.B. über den Internetexplorer, angesprochen und bedient werden. Erfolgreich erkannte Schäden Bereits in den ersten Wochen der Inbetriebnahme des Systems in der Decklack 1 Linie fiel der Motor des Zuluftventilators 1 durch erhöhte Lagerkennwerte auf. Die Summenbeschleunigungswerte lagen um den Faktor 10 höher, als an der Vergleichsmessstelle an der Schwestermaschine \’Zuluftventilator 2\‘. Der Motor wurde daraufhin während des planmäßigen Wochenendstillstandes inspiziert. Dabei wurde von der Instandhaltung auch subjektiv ein rauer Lauf des Lagers beim Durchdrehen per Hand festgestellt. Da ein Lagertausch vor Ort nicht möglich war, wurden die Lager zunächst nur nachgeschmiert. Ein kompletter Motortausch wurde für das kommende Wochenende eingeplant. Die Lagerkennwerte haben sich durch das Nachschmieren kurzeitig verringert, stiegen aber bereits im laufenden Betrieb wieder auf das vorherige hohe Niveau an. Die Analyse der Schadensfrequenzen mit der Hüllkurven-FFT zeigte hohe Stoßanregungen mit der Lageraußenringpassierfrequenz und bereits deutliche Werte bei der Wälzkörperpassierfrequenz. Aufgrund der Analysen konnte ein bereits fortgeschrittener Laufbahnschaden im Außenring mit Beschädigung der Zylinderrollen angenommen werden. Der eingeplante Motortausch wurde vor diesem Hintergrund nochmals als notwendig bestätigt. Die Diagnosen mit dem Überwachungssystem konnten in vollem Umfang bestätigt werden. Sowohl der Außenring als auch die Wälzkörper zeigten bereits starke Schäden. Ein weiterer Betrieb hätte mit Sicherheit zu einem kurzfristigen Ausfall des Motors und damit der Zuluftversorgung geführt. Geplante Instandsetzung Ein zweiter Schadensfall wurde ebenfalls an einem Zuluftantrieb frühzeitig erkannt. Hier wurden kontinuierlich ansteigende Wälzlagerzustandskennwerte gemessen. Nachdem die eingestellte Alarmgrenze überschritten wurde und sich die Werte auch weiterhin kontinuierlich verschlechterten, wurde der Motor aus Sicherheitsgründen gewechselt. Das ausgebaute Lager zeigte eine starke Verschleißmarke im Bereich der Lastzone des Aussenrings und weitere regelmäßige kleineren Marken am Umfang. Da sich der Schadensverlauf seit dem ersten Einsatz des Motors gleichmäßig entwickelt hat, liegt die Vermutung nahe, dass bereits von Anfang an eine Vorschädigung, eventueller Transport, oder Lagerschaden vorlag. Auch hier konnte die verfügbare Diagnosetiefe und die dadurch mögliche frühe Reaktion auf sich anbahnende Schäden genutzt werden, um eine geplante Aktion zur Instandsetzung durchzuführen. Beurteilung des Systems Die bisherige Erfahrung mit dem installierten System hat gezeigt, dass eine Früherkennung von Schäden und eine einfache Schadensdiagnose ohne großen Aufwand für die Messwertgewinnung funktionieren. Damit ist man bei Daimler im Werk Wörth dem Ziel einer gesicherten und hohen Anlagenverfügbarkeit einen großen Schritt näher gekommen. Die Erfahrungen waren Anlass, weitere Schlüsselmaschinen in das Condition Monitoring Konzept aufzunehmen. So wurde ein neues System zur thermischen Rückgewinnung bereits von Anfang an mit einem diagnostischen Überwachungssystem versehen. Nachfolgend wurden auch die produktionswichtigen Rollenprüfstände zur Funktionsprüfung der Fahrzeuge am Montageband mit diagnostischen Überwachungssystemen ausgestattet. Autoren: Wilfried Geibel, Prüftechnik Condition Monitoring GmbH, Ismaning Max-Josef Meyer, Daimler AG, Mercedes-Benz Werk Wörth.