Fortschrittliche Vibrationssensoren für IIoT: Predictive Maintenance & Asset Reliability stärken

Vibrationsanalyse ist Schlüsseltechnologie in der dynamischen Welt von IIoT und Predictive Maintenance.

Sie ist die Schlüsseltechnologie zur Gesundheitsbewertung rotierender Assets in der Industrie – und gibt Ihrer Organisation frühe Warnung vor Degradation und drohendem Asset-Ausfall. Sie treibt hohe Asset-Verfügbarkeit über den gesamten Lebenszyklus.

Worum geht es genau?

Vibrations-Grundlagen

Einfach: Vibration ist Oszillation oder Bewegung eines Assets/Bauteils hin und her aus der Ruhelage.

Denken Sie an ein Pendel, das vom höchsten Punkt losgelassen wird. Es schwingt hin und her, bis die Schwingungsenergie dissipiert ist – dann Ruhelage. Bei Ihren Assets: Vibration stoppt erst, wenn die Rotationsenergie stoppt. Primäre Energiequelle (meist Motor) muss stoppen, damit Vibration aufhört.

Kann so ein simples Phänomen verraten, was in Ihren Assets schiefläuft? Ja!

Gemessene Vibrationsparameter – Amplitude, RMS, Periode – erlauben Berechnung und Sichtbarmachung der mechanischen, rotatorischen und Reibungskräfte in Ihren Assets.

Quelle: motioncontroltips.com

Kräfte im Asset verursachen Vibration – typisch gemessen am Lagergehäuse. Quellen: Rotierende Elemente – Rotoren, Getriebe, Wellen, Lager, Laufräder.

Nicht alle Kräfte/Vibrationen sind schlecht. Wenn doch: Fast Fourier Transform (FFT) transformiert in Zeit- und Spektraldomäne.

Quelle: motioncontroltips.com

Hier sehen wir individuelle Frequenzen und Amplituden (in Beschleunigung oder Geschwindigkeit) – und ordnen Muster spezifischen Asset-Fehlern zu.

Welche Fehler lassen sich detektieren?

Vibrationsanalyse detektiert viele potenzielle Fehler, u. a.:

• Verschlissene Lager
• Pumpenkavitation
• Asset-zu-Asset-Fehlausrichtung
• Zahnradverschleiß
• Strukturelle Risse in Fundamenten
• Schmiermangel
• Verschlissene Keilriemen
• Resonanz

Haben diese Ihnen signifikante Stillstände oder Kopfschmerzen bereitet? Wetten, ja.

Vorteile der Vibrationsanalyse und CBM allgemein sind bekannt:

• Höhere Asset-Verfügbarkeit
• Gesteigerter Produktionsoutput
• Weniger ungeplante Stillstände
• Reduzierte Wartungs- und Lebenszykluskosten
• Optimierte Personaleinsätze
• Reduzierte invasive PMs (Generalüberholungen, Komponententausch)
• Verbesserte Wartungsplanung und -terminierung
• Bessere Ersatzteilprognose
• Root-Cause-Analyse-Informationen für Defektbeseitigung

Vibrationsanalyse ist reife Predictive-Maintenance-Technologie und in fast allen Industrien im Einsatz: Öl & Gas, Food & Beverage, Papier & Zellstoff, Stahl, Automotive, Mining, Aviation, Nuklear, Chemie u. v. m.

Vibrationsanalyse: Der Prozess

Condition Monitoring Prozess ist geradlinig in drei Phasen: Detektion, Diagnose, Prognose.

Detektion – Ob manuell alle 4 Wochen oder stündlich per "Online"-System: Daten werden getrendet. Getrendet wird Schwere der Vibration am Lagergehäuse. Best Practice: Baselines für alle Assets setzen – normale Betriebspegel bei gutem Zustand. Überschreitet Vibration voreingestellte Alarmpegel (mm/s oder G), ist tiefergehende Untersuchung fällig. Internationale Standards (ISO 10816 Serie) helfen bei Alarmpegel-Setup.

Diagnose – Frage: Was stimmt nicht mit der Maschine? Messung am Lager ≠ Defekt am Lager. Vielfältige Ursachen möglich. Typische Gründe für Lagerwear, detektierbar per Vibrationsanalyse:

• Lagerwear durch Fehlausrichtung
• Lagerwear durch Soft Foot
• Lagerwear durch Unwucht
• Lagerwear durch Lockerheit

Wie finden? Zeit- und Frequenzdomäne (siehe FFT). Beide enthalten wertvolle Diagnose-Informationen. Zeitdomäne: Schwere gegen Zeit – gut für Lagerfehler, Kavitation, Unwucht, Schwebung, Zahnradschaden. Frequenzdomäne: Einzelne Frequenzen des komplexen Signals – besonders gut für Lagerfehler, Lockerheit, Unwucht, Fehlausrichtung, Riemenprobleme, Schmiermangel, Soft Foot u. v. m.

Prognose – Die härteste Frage: Wie lange hält es noch bis zum Ausfall? Maschinen sind komplex, Verhalten komplex, keine zwei gleich. Restnutzungsdauer-Schätzung nach Defektdekton ist sehr herausfordernd. Basiert auf Steilheit des Vibrationstrends: Wie schnell steigt Schwere über Zeit? Nach Inkubationsfehler: häufigere Messungen (besonders bei kritischen Assets). Restnutzungsdauer schätzbar bei Daten zu Vorherausfällen oder gutem Verständnis der spezifischen P-F-Kurve. Prognosephase ist schwierig, aber gute Daten und Anlakenntnis reduzieren Risiko unerwarteter Ausfälle.

Fokus auf häufige Probleme rotierender Anlagen: Fehlausrichtung, Lagerwear, Lockerheit, Unwucht. Keine Zeit an exotischen/seltenen Vorkommnissen verschwenden.

Analogie: Auto vibriert über Wochen immer stärker beim Beschleunigen. Schwere steigt. Werkstatt prüft häufige Ursachen: Radunwucht, Reifendruck. Nicht Getriebe zerlegen auf fehlende Zähne/exzentrische Räder. Condition Monitoring = Fokus auf häufige Probleme. Und deren schnelle, präzise Diagnose.

Drahtlose Vibrationssensoren

Sensoren haben sich gewandelt. Schwere, kabelgebundene, extern gespeiste, einachsige Beschleunigungsmesser der Vergangenheit weichen drahtlosen, Bluetooth-, batteriebetriebenen, 3-Achsen-Sensoren. Funktionen: Datenlogger, "Wake-up" bei Schwellenwertüberschreitung, ISO-Alarmpegel integriert, viele erfassen auch Asset-Temperatur.

Quelle: machinesentry.com

Traditionelle große CM-Anbieter ändern Produktlinien und Geschäftsmodelle im Industry-4.0-Zeitalter. Viele neue, junge Marktteilnehmer fordern Status Quo heraus und disruptieren alte Modelle.

Vibrationsanalyse: Vorher & Nachher

Condition Monitoring – speziell Vibrationsanalyse – hat sich verändert. Wie praktisch?

VORHER – Manuelle Arbeit dominierte

• Zutrittsgenehmigungen für risikobehaftete Assets: 15–30 Min Zeitverlust
• Büro: "Route" auf Datensammler laden
• Anlage ablaufen mit Kabel-Beschleunigungsmesser & schwerem Datensammler
• Nur hochkritische Maschinen, jede Achse (X,Y,Z) an jedem Lager einzeln
• 5–15 Min pro Maschine
• Zurück ins Büro, Upload in proprietäre Software auf Standalone-PC
• Daten nur auf diesem PC, nur für Berechtigte zugänglich. Nichts in der Cloud.
• Sicherheitsgenehmigung abzeichnen nicht vergessen
• Vibrationsanalyst wühlt durch Datenmengen, manuelle Analyse, Excel/Word aktualisieren
• Empfehlungen/Reports per Mail an Planer/Supervisors
• Hoffen auf das Beste!
• Nach 4 Wochen: Zykluswiederholung (4 Wochen war immer Default-Zyklus. Kaum jemand fragte warum.)

NACHHER – Stark automatisiert

• Keine/kaum Sicherheitsgenehmigungen, wenig/kein Ablaufen!
• 3-Achsen-Drahtlos-Sensoren permanent installiert (Magnet, Kleber, Bolzen), Batterie ca. 3 Jahre
• Daten → lokaler Gateway → Plant-WiFi → Cloud-Software → weltweit per Login zugänglich
• Statt 4-Wochen-Zyklus: Konfigurierbar, oft bis 60 Sekunden

Quelle: pruftechnik.com

Option bleibt: Manuelles Auslesen per Bluetooth-Device (Tablet/Handy) – Vorteil: Techniker kann gleichzeitig Sichtprüfung, Fotos, Notizen machen. Sensor auch "mobil" für temporäres Troubleshooting an anderen Assets nutzbar.

Alarmpegel: ISO-Standards oder asset-individuell konfigurierbar. Bei Überschreitung: Automatisierte E-Mails an Stakeholder – Warnung vor drohenden Issues oder Bedarf an Vibrationsanalyse/Root-Cause-Analyse.

Durch Skaleneffekte: Deutlich mehr Assets überwachbar als im traditionellen Modell – nicht nur kritische.

Manuelle Datenanalyse noch üblich, aber mit Industry 4.0/IIoT-Digitalisierung wandert Analyse zu Predictive Maintenance, Machine Learning, Algorithmen.

Scanning-Sensoren vs. Screening-Sensoren

Scanning-Sensoren

Teurer, für kritische Assets. Enthalten Selbstdiagnostik & Vibrationsmessvalidierung. Intelligenz & hoher Datendurchsatz: Nach Validierung senden sie Zeit- & Frequenzdomänen-Infos an Gateway/Cloud zur Weiteranalyse. Nicht für niedrig-kritische/Utility-Assets. Oft mit Temperatursensoren für Langzeit-Temperaturtrend parallel zur Vibration.

Screening-Sensoren

Deutlich günstiger, für niedrig-kritische/Utility-Assets. Gut für IIoT-Ansatz. Erfassen oft nur Gesamtvibrationswert & Spitzenvibration – keine Zeit-/Frequenzdomäne. Geringes Datenvolumen. Aber: Niedrige Kosten ermöglichen Überwachung vieler vernachlässigter Assets – deren Ausfall trotzdem Produktionsverluste, Kosten, Ärger verursacht.

Der Workflow

Trotz rasanter Digitalisierung/IIoT: Vibrationsmonitoring-Workflow im Kern gleich. Veränderung: Weniger Zeit für unnötige Analyse, signifikant niedrigere Kosten. Heutiger typischer Workflow:

Dieser Workflow fokussiert Ressourcen dort, wo sie gebraucht werden. Mehr Leistung fürs Budget!

Große Kosteneinsparungen: Automatisierte Datenerfassung & Herausfiltern gesunder Assets. Hier machen moderne, asset-intensive, operativ effiziente Unternehmen signifikante Gewinne auf dem Weg zu Exzellenz, Konnektivität, IIoT.

Wettbewerbsfähig sein. Teil der modernen, datengetriebenen Reise zu niedrigeren Kosten, Risiken, höherer Asset- und Business-Performance.

Weiterlesen: Umfassender Leitfaden zu IIoT in der Instandhaltung