Kabelaustausch optimal planen
Praxistaugliche Predictive Maintenance
Wenn ein Teil defekt ist, kann dies eine ganze Produktion lahmlegen. Besser wäre es, wenn man das betreffende Teil schon austauschen könnte, bevor es überhaupt ausfällt. Für Leitungen gab es bisher keine überzeugenden Lösungen zur vorausschauenden Wartung. Lapp hat vor Kurzem eine Lösung für Ethernet-Leitungen entwickelt, die die Alterung der Leitung abschätzt und den rechtzeitigen Austausch empfiehlt, ohne Änderungen an der Leitung vorzunehmen.
Fragt man in Industriekreisen nach besonders vielversprechenden Anwendungen, die durch die Digitalisierung möglich werden, kommt sehr häufig als eine der ersten Antworten: Predictive Maintenance. Dies liegt vor allem daran, wie Wartung und Instandhaltung bislang gehandhabt wurden: Fällt ein Teil oder eine Maschine aus, sucht man nach der Ursache und repariert das defekte Teil oder tauscht es aus.
Der Ausfall einer Maschine oder Anlage ist teuer und deshalb möglichst zu vermeiden. Deshalb hat die vorbeugende Wartung in den vergangenen Jahren an Bedeutung gewonnen. Dabei werden Teile nach einem Wartungsplan ersetzt. Der Nachteil: Die Teile muss ein Betreiber selbst dann tauschen, wenn sie eigentlich noch tadellos funktionieren. Dies ist ein Kostenfaktor, der sich mit Predictive Maintenance signifikant verringern lässt.
Die vorausschauende Wartung basiert auf der zunehmenden Bestückung von Maschinen und Anlagen mit Sensorik und ihrer datentechnischen Vernetzung. Das System erfasst Sensordaten, und Algorithmen werten diese aus. Dies lässt Rückschlüsse auf den tatsächlichen Verschleiß der jeweiligen Bauteile und ihre verbleibende Lebensdauer zu. Man kann relativ genau bestimmen, wie lange welche Komponente problemlos arbeiten wird und wann sie ausgetauscht werden sollte: rechtzeitig vor einem Ausfall - aber eben auch erst, wenn es tatsächlich nötig ist. Dies spart bares Geld.
Lösung, die sich rechtzeitig meldet
Genau diesen Effekt peilt Lapp mit seiner jüngsten Entwicklung an. "Wir wollen unseren Kunden eine Lösung bieten, die sich meldet, bevor eine Leitung ausfällt", erklärt Guido Ege, Leiter Produktentwicklung und -Management. Zwar halten Kabel und Verbindungssysteme in der Regel viele Jahre, dennoch lässt sich ein Ausfall nie ganz ausschließen. Dies gilt besonders in anspruchsvollen Anwendungen wie beispielsweise in der Robotik, wo sich die Leitungen millionenfach bewegen. Obwohl ein Kabel meist nur wenige Euro kostet - funktioniert es nicht wie gewünscht, kann es eine ganze Produktionslinie lahmlegen. Dies möglichst ganz auszuschließen und Kabel zum optimalen Zeitpunkt auszutauschen, ist das Ziel der vorausschauenden Wartung.
Bei seiner Entwicklung hat sich das Team um Guido Ege zunächst auf Ethernet-Leitungen konzentriert. Sie sind wegen ihres komplexen Aufbaus und ihrer Hochfrequenz-Eigenschaften eher ausfallgefährdet als etwa stromführende Leitungen, vor allem, wenn sie in Energieketten verlegt und hohen physischen Belastungen ausgesetzt sind. Eine gebrochene Abschirmung etwa führt zu erhöhten Störungen durch EMV. Brechen Litzen, nimmt die Dämpfung zu, und die Datenrate sinkt. Ein Bruch ganzer Adern sorgt für den Totalausfall der Kommunikation.
Optimalen Zeitpunkt für den Austausch vorausberechnen
Ziel der Predictive-Maintenance-Lösung, war es, den optimalen Zeitpunkt für den Austausch einer Leitung vorausberechnen zu können. Damit lässt sich auch die Wartung zeitlich so planen, dass die Produktion möglichst wenig gestört wird. Lapp erreicht dies, indem man die Übertragungseigenschaften der Datenleitungen überwacht und aus deren Veränderungen ihre voraussichtliche Lebensdauer errechnet. Ege: "Wir wollen mithelfen, Fabriken smart zu machen, und da ist Predictive Maintenance ein Schlüsselthema."
Entscheidende Vorgabe für die Entwickler war: Die Messungen sollten ohne Veränderung der Leitung möglich sein, also ohne zusätzliche Mess- oder Opferadern im Kabel. Denn diese würden zusätzlichen Aufwand bei der Installation mit sich bringen. Daher suchte man eine Lösung, die allein über ein Protokoll und einen speziellen Algorithmus funktioniert.
Damit sind die Messungen mit Standard-Ethernet-Leitungen sowie Standard-Steckverbindern wie RJ45 oder M12 realisierbar: Der Installateur schließt die Leitungen wie gewohnt an und muss keine zusätzlichen Opferadern verbinden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass auch ein Retrofit bestehender Anlagen möglich ist.
Die Messung selbst findet in der so genannten Predictive Maintenance Box (PMBX) statt. Die Box verfügt über zwei Ethernet-Ports und ist einfach am Anfang der zu überwachenden Ethernet-Leitung eingeschleust. Die Datenpakete laufen transparent und nahezu verzögerungsfrei vom einen Ethernet-Port zum anderen. Für eine angeschlossene SPS ist die PMBX nicht sichtbar. Sie übt keinerlei Einfluss auf die Datenübertragung aus. Damit eignet sich diese Lösung auch für bestehende Anlagen ohne Änderungen an der Software der SPS.
Bis zu vier übertragungsrelevante Parameter wertet das System aus, um daraus den Lapp-eigenen Predictive Indicator zu berechnen. Die Messung mehrerer Größen macht auch Plausibilitätsprüfungen möglich, wodurch sich Fehlinterpretationen von Messwerten minimieren lassen.
Das Predictive Maintenance System arbeitet dabei mit Deep Learning. Zunächst hat Lapp dazu über viele Jahre hinweg im hauseigenen Testzentrum Millionen von Messwerten aus seinen Schleppkettenleitungen gesammelt und diese historischen Daten anschließend mittels mathematischer Algorithmen analysiert. Daraus definierten die Entwickler die wichtigsten Parameter, die als Grundlage für eine verlässliche Prognose dienen. Die Messdaten analysiert Lapp während des Entwicklungsprozesses lokal auf einem PC. Später kann dies auch in der Cloud geschehen, falls der Anwender das will.
Klar ist: Je mehr Daten verfügbar sind, umso genauer wird die Vorhersage. Das System ist "intelligent", lernt also eigenständig. Schon nach wenigen Wochen Datensammlung im eigenen Testzentrum erreichte es eine Vorhersagegenauigkeit des Kabelausfalls von einigen Stunden bis zu einigen Tagen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Lässt sich der Ausfall des Kabels vorhersagen, macht dies den Austausch sehr genau planbar. Der Instandhalter kennt den Zeitplan und kann sich darauf einstellen, das Ersatzbauteil ist bestellt. Der Austausch findet statt, wenn die Maschine ohnehin steht, etwa während einer Umrüstung oder wenn andere Wartungsvorgänge ablaufen.
Lapp hat sein neues Predictive Maintenance System im Future Lab auf der Hannover Messe 2019 erstmals öffentlich präsentiert. Mit Erfolg, wie Ege betont: "Wir sind mit einigen Interessenten und Pilotkunden im Gespräch, mit denen wir unsere Lösung in die konkreten Anwendungen integrieren und auf den Kunden zuschneiden wollen." Im nächsten Schritt will sein Team ein passendes Geschäftsmodell entwickeln.
Das Predictive-Maintenance-System entstand im Rahmen des neuen Innovationsprozesses des Herstellers. Mit "Innovation for Future", so die Bezeichnung des neuen Prozesses, will das Unternehmen unter anderem radikale und disruptive Innovationen realisieren, für die sich zum Beispiel ein klassischer Stage-Gate-Prozess nicht eignet. Innovation for Future arbeitet dazu mit drei Grundvoraussetzungen:
- Es muss eine technische Lösung vorliegen,
- die Entwickler müssen mit mindestens einem potenziellen Kunden darüber sprechen, und
- ein Business Model Canvas muss ausgefüllt sein.
Ege ist überzeugt davon, dass sich sein Haus mit Innovation for Future tiefgreifend verändern und sich weiter vom Anbieter physischer Produkte zum Anbieter von Systemlösungen entwickeln wird.
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