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Online Condition Monitoring: Kosten senken - Einfach. Sicher. Effizient!

Condition Monitoring

Abb. 1.1: Gründe für den Ausfall von Kugellagern [1]

Abb. 2.1: Instandhaltungsstrategien

Abb. 2.2: Zustandsbasierte Instandhaltung

Abb. 2.3: Facetten der Öl-Zustandsüberwachung

Abb. 3.1: Schematische Darstellung des Algorithmus zur Berechnung des Ölzustands

Abb. 3.2: Rel. Permittivität des Kühlöls im Bremssystem

Abb. 3.3: Rel. Permittivität und TAN Messung im Vergleich

Abb. 3.4: Leitfähigkeit des Kühlöls im Bremssystem

Abb. 3.5: Leitfähigkeit und Menge an Additiven bei verschiedenen Ölen

Abb. 3.6: Alterungsverlauf des Kühlöls im Bremssystem

Abb. 3.7: Quellen für Wassereintrag in hydraulischen Systemen

Abb. 3.8. Typischer Zusammenhang zwischen relativer und absoluter Feuchte für verschiedene Öle

Abb. 3.9: Temperatureinfluss auf relative Feuchte bei konstantem absolutem Wassergehalt für verschiedene Öltypen

Abb. 3.10: Messung der rel. Feuchte im Bremssystem

Abb. 3.11: AEG-Kanis Dampfturbine

Abb 3.12: Entwässerungsprozess

Abb. 3.13: Messung während des Entwässerungsprozesses mit COPS

Abb. 3.14: Feuchtemessung mit OPCom portable II

Abb. 3.15: Feuchtemessung mit OPCom Portable II

Abb. 3.16: Partikelüberwachung in mobiler Maschine

Abb. 4.1: Vernetzung von Öl-Zustandsüberwachungssystemen

Abb. 4.2: Cloud-Interface für die Integration der Ölzustandssensoren auf stationären und mobilen Maschinen

Abb. 4.3: Gateway und Kommunikationswege für das online Condition Monitoring System

1. Einführung

In fluidtechnischen Systemen wird das Öl als konstruktives Element betrachtet, das verschiedenste Aufgaben erfüllt. Es überträgt Leistung, übernimmt die Schmierung, den Wärmehaushalt und transportiert den Schmutz zu den Filtern. Obwohl es vielfältige Ursachen für Ausfälle in fluidtechnischen Systemen gibt, rückt neben mechanischer Ermüdung oder Überlast einzelner Komponenten besonders der Zustand des Öls in den Focus. Am Beispiel von Kugellagern wurde nachgewiesen, dass bis zu 80% aller Ausfälle auf den Zustand des Schmierstoffes zurückzuführen sind [1].

Weithin bekannt ist dabei der negative Einfluss von Kontamination mit Partikeln. Diese können von außen z.B. durch Belüfter und Dichtungen in das System gelangen, oder sie werden durch Verschleiß im System selbst erzeugt. Folgen der Partikelkontamination sind ein erhöhter Verschleiß, der Ausfall von Komponenten und die Reduzierung der Systemleistung sowie -lebensdauer.

Neben der Verschmutzung mit Feststoffen können aber auch flüssige Verunreinigungen in das System gelangen. Hier ist vor allem Wasser ein Problem, das aus der Luft oder durch Leckagen ins System gelangt. Dort verursacht es Korrosion und verringert die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Öls. Ebenso kann eine Vermischung von Ölen zu einer kürzeren Standzeit und bei Inkompatibilität sogar zu schweren Schäden führen.
 
Durch thermische oder mechanische Last wird das Öl im Betrieb beansprucht und verliert dabei seine Leistungsfähigkeit oder gar Funktion. Dies lässt sich Anhand von Oxidation, dem Abbau von Additiven oder einer Veränderung des Säuregehalts erkennen.

Um auf Veränderungen des Ölzustands rechtzeitig reagieren zu können ist es deshalb unerlässlich den Ölzustand kontinuierlich zu überwachen. Hierzu bietet ARGO-HYTOS maßgeschneiderte und zuverlässige Condition Monitoring Lösungen an.

2. Online Öl Zustandsüberwachung
Online Condition Monitoring oder kontinuierliche Zustandsüberwachung bezeichnet hierbei die kontinuierliche Bestimmung und Interpretation von Zustandsinformationen von Maschinen, Systemen und ihrer Komponenten. Die Vorteile der online Überwachung zur herkömmlichen Laboranalyse liegen nicht nur in der einfacheren Handhabung und den geringeren totalen Kosten, sondern speziell in der lückenlosen Zustandsüberwachung. Die Informationen aus der Onlineüberwachung spiegeln nicht eine beliebige Momentaufnahme wieder, sondern erfassen die kontinuierliche Veränderung. Dadurch lässt sich eine zustandsabhängige, vorausschauende Instandhaltung realisieren.

Im Vergleich zu einer reaktiven Instandhaltung, wo ein Service nur nach einem Fehler durchgeführt wird, oder einer präventiven Instandhaltung, die mit starren Zeitintervallen arbeitet, ermöglicht die zustandsbasierte Instandhaltung eine Reduzierung der Ausfallzeiten und Servicekosten.

In Abbildung 2.2 ist ein zustandsbasiertes Instandhaltungskonzept schematisch dargestellt. Hierin werden die Sensormessdaten mit der Historie und dem aktuellen Betriebszustand abgeglichen und anschließend eine Zustandsbewertung durchgeführt. Die Bewertung selbst erfolgt automatisiert durch intelligente Algorithmen, die mittels Mustererkennung und Grenzwertbetrachtung, auf Basis voreingestellter oder erlernter Parameter, arbeiten.

Heutzutage beschränkt sich die Zustandsanalyse von fluidtechnischen Systemen vielfach auf die Erfassung von Prozessparametern wie Druck, Temperatur oder Durchfluss. Dabei wird jedoch der Zustand des Öls selbst oftmals vernachlässigt.

In den vergangenen Jahren wurden deshalb unterschiedliche Messlösungen entwickelt um den Ölzustand während des Betriebs kontinuierlich zu überwachen. Mit ihnen lassen sich Verschleiß, Kontamination,  Leckagen, Öl-Vermischung und -Alterung erkennen. Zusätzlich lassen sich durch die vielfältig einsetzbaren Multi-Parameter-Sensoren herkömmliche bereits verwendete Temperatur- oder Level-Sensoren ersetzen und damit weitere Kosten sparen. In Abbildung 2.3 sind aktuell Verfügbare Sensoren und die damit überwachten Systemparameter dargestellt.

3. Anwendungsbeispiele
Der wirtschaftliche Vorteil der Öl-Zustandsüberwachung ergibt sich aus den Einsparungen bei den Kosten für Ölwechsel, Vermeidung von Schäden und Ausfällen sowie einer optimalen Planung von Servicemaßnahmen. Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Potential der heutigen Öl-Zustandsüberwachung und machen deren Mehrwert deutlich.

3.1. Überwachung der Ölalterung

Um die Sicherheit eines Bremssystems einer mobilen Maschine zu gewährleisten, wird das Bremsenkühlöl kontinuierlich überwacht. Jede Maschine ist mit zwei Bremskreisläufen (links - rechts) ausgestattet. Die Sensoren sind im Tank des Bremsenkühlöls installiert und via CANopen mit der Maschinensteuerung verbunden. Der Bediener kann dadurch jederzeit den Zustand des Bremssystems überprüfen [3].

Der verwendete Sensor ist in der Lage mehrere Ölparameter zu erfassen und zu verarbeiten. Alle Messdaten werden gefiltert und im internen Speicher abgelegt. Die Änderung der Parameter wird überwacht und mittels einer Historie ein Trend gebildet (vgl. Abbildung 3.1).

Abbildung 3.2 stellt die Messung der temperaturkompensierten relativen Dielektrizitätskonstante (DK), auch Permittivität (P) genannt,  sowie deren automatisch erlernten Grenzwerte in beiden Bremskreisläufen dar.

Die rel. Dielektrizitätskonstante ist ein Maß für die Polarität des Öls. Anhand der gemessenen Polarität lassen sich nicht nur verschiedene Grundöle unterscheiden, sondern auch Ölwechsel oder -vermischungen erkennen [2]. Weiterhin lässt sich mittels der Änderungsgeschwindigkeit der Permittivität die Alterung des Öls überwachen.

Um die Signifikanz der gemessenen Größen zu belegen, wurden die Zusammenhänge durch Feldversuche bestätigt. In Abbildung 3.3 ist ein Vergleich der relativen Dielektrizitätskonstante mit der Neutralisationszahl dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass zwischen den zwei Messwerten eine sehr gute Korrelation besteht, was sich durch die hohe Polarität der vermehrten Säuren erklären lässt. Die Änderung der rel. Dielektrizitätskonstante ist deshalb ein sehr guter Maßstab für die Ölalterung.

Da die Mechanismen der Alterung von Ölen jedoch vielfältig sind, ist es angeraten mehrere Messgrößen auszuwerten, um eine zuverlässige Aussage über den Ölzustand treffen zu können. Intelligente Sensoren kombinieren deshalb mehrere Messgrößen wie z.B. rel. Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit und Temperatur und berechnen daraus die Ölalterung. Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 3.4 die Messung der temperaturkompensierten Leitfähigkeit desselben Öls dargestellt.

Eine Veränderung der Leitfähigkeit kann unterschiedliche Ursachen haben und wird anhand des Verlaufs interpretiert. Generell ist die Höhe der Leitfähigkeit eines Öls nur begrenzt durch das verwendete Grundöl bestimmt, sondern vielmehr durch die Additive.

Nimmt ein hoher Anfangswert der Leitfähigkeit wie in Abbildung 3.4 kontinuierlich ab, erklärt sich der zugrunde liegende Prozess durch einen Abbau der Additive im Öl. Das Ergebnis der Bestimmung der Ölalterung im Bremssystem ergibt sich aus der automatischen Berechnung im Sensor selbst. In Abbildung 3.6 wird der Lebenszyklus des Öls in beiden Bremskreisläufen dargestellt, wobei parallel der aktuelle Zustand durch Laboranalysen von Ölproben überprüft wurde.

Vor dem Einsatz der Öl-Zustandsüberwachung musste das Kühlöl alle 2.000 h gewechselt werden. Mit den neuen Sensoren ließ sich das Wechselintervall dynamisieren und auf ca. 4.000 h verlängern, wodurch die Instandhaltungskosten erheblich gesenkt werden konnten.

3.2. Kontamination mit Wasser
Ein hoher Wassergehalt hat einen nachweislich negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Öls sowie anderer Systemkomponenten und damit auf die Zuverlässigkeit des Systems. Typische Quellen für den Eintrag von Wasser ins System sind neben der Luftfeuchtigkeit z.B. Spritzwasser oder Leckagen vgl. Abbildung 3.7 [4].

Wie bei der Luftfeuchtigkeit wird auch im Öl die relative Feuchtigkeit (RH) gemessen, was die Handhabung immens vereinfacht. Die rel. Feuchtigkeit ergibt sich dabei aus der aktuell gelösten Menge an Wasser im Öl ρW im Verhältnis zu dessen Sättigungsgrenze ρW,max [5].

Öle können eine unterschiedliche Mengen an Wasser aufnehmen, was sich in verschieden Sättigungsgrenzen widerspiegelt. In Abbildung 3.8 ist für drei unterschiedliche Öle der Zusammenhang von absolutem und relativem Wassergehalt bei konstanter Temperatur dargestellt.

Im Allgemeinen können Medien bei höheren Temperaturen mehr Wasser aufnehmen, was analog auch für Öle giltemperatur dargestellt. Deshalb verändert sich die rel. Feuchtigkeit bei gleichbleibender Wassermenge mit der Temperatur (vgl. Abbildung 3.9).

Um den Nutzen der Überwachung der Feuchtigkeit zu demonstrieren, wird nochmals das vorangegangene Applikationsbeispiel aufgegriffen. In einer Maschine wurde nach einem Service ein kritischer Zustand des Bremssystems gemeldet. Daraufhin wurde durch das Flottenmanagement umgehend eine Kontrolle veranlasst um das Problem zu analysieren.

Es stellte sich heraus, dass während des Service des Bremssystems (2) statt dem vorgeschriebenen Kühlöl ein reguläres Kühlmittel auf Wasser-Glykol-Basis verwendet wurde. Durch die schnelle Detektion des Fehlers und das sofortige Reinigen des Systems (3) konnte die Kontamination behoben (4) und Schäden sowie ein Ausfall der Maschine vermieden werden.


3.3. Entwässerung einer Dampfturbine

Als weiteres Beispiel dient eine Dampfturbine die zur Energieerzeugung genutzt wird (vgl. Abbildung 3.11). Im Rahmen der Analyse der turnusmäßigen Ölprobe wurde ein erhöhter Wassergehalt festgestellt. Um das System abzureinigen wurde deshalb ein Entwässerungsgerät eingesetzt.

Der allgemeine Verlauf eines solchen Reinigungsprozesses ist in Abbildung 3.12 dargestellt. Zu Beginn ist der absolute Wassergehalt extrem hoch und das Öl vollständig gesättigt. Das Wasser wird dem Öl kontinuierlich entzogen, bis die Sättigungsgrenze unterschritten wird und kein freies Wasser mehr vorliegt. Anschließend lässt sich anhand der rel. Feuchtigkeitsmessung eine gewünschte Zielreinheit erreichen.

3.4. Verschleißdetektion durch Partikelüberwachung
Beim Betrieb fluidtechnischer Systeme verursacht die Partikelkontaminationen des Öls hohe Kosten für den Eigentümer. Deshalb werden im Allgemeinen verschiedene Filter eingesetzt damit die Verschmutzung eine empfohlene Grenze nicht überschreitet. Um die Kosten zu senken und Schäden zu erkennen, besteht jedoch darüber hinaus ein großes Interesse, erhöhten Verschleiß frühzeitig zu erkennen. Deshalb ist eine Hauptanwendung von Öl-Zustandssensoren die Reinheits- bzw. Verschließüberwachung.

Als Standard bei der online Partikelmessung hat sich das optische Verfahren nach ISO11500:2008 durchgesetzt, da es kostengünstig und zuverlässig ist.  Die Partikelkonzentration selbst wird nach unterschiedlichen Standards angegeben, wobei die  ISO4406:1999 der gebräuchlichste ist. Anhand des Beispiels einer Verlademaschine auf einem Kohleterminal soll nun die Messung im Feld demonstriert werden (vgl. Abbildung 3.16).

Die Reinheit des Systems wird kontinuierlich überwacht und beim Überschreiten voreingestellter Grenzwerte ein Alarm ausgegeben. Trotz rauer Umgebungsbedingungen zeigt die Messung ein sehr sauberes Hydrauliksystem als Resultat einer effektiven Nebenstromfiltration. Während des Betriebs ereignete sich plötzlich ein starker Anstieg der Partikelkonzentration und ein Alarm wurde ausgelöst. Der gerufene Servicemitarbeiter konnte bei der Inspektion der Maschine einen entstehenden Pumpenschaden diagnostizieren und rechtzeitig die benötigten Ersatzteile beschaffen. Nach der Reparatur stabilisiert sich die Partikelkonzentration wieder auf dem Niveau vor dem Schaden. Durch die Frühzeitige Behebung des Problems konnten weitere Schäden und ein Stillstand der Maschine verhindert werden.

4. Systemintegration und Datenverwaltung

Wie dargelegt helfen Öl-Zustandssensoren dabei Service & Instandhaltung zu optimieren und Kosten zu senken. Um die Handhabung der Sensoren zu erleichtern wurden aber auch die Möglichkeiten zur Informationsübertragung weiterentwickelt. Neben vielfältigen Schnittstellen für den mobilen und stationären Bereich werden verstärkt Remote-Lösungen zur Datenfernabfrage genutzt. Diese ermöglichen es Experten zentral auf verteilte Systeme zuzugreifen und deren Zustand zu überwachen.

Eine große Herausforderung beim Fernzugriff ist eine sichere Kommunikation, besonders wenn die überwachte Anlage schwer erreichbar oder gar mobil ist. Heutige Remote-Lösung verbinden die Zustandssensoren deshalb direkt über ein geeignetes Interface mit einer webbasierten Datenbank. Dieser Cloud-Service ermöglicht es den Maschinenzustand ortsungebunden zu überwachen. Jeder Benutzer kann auf die Messdaten und Statusmeldungen mit einem beliebigen internetfähigen Endgerät zugreifen.

Das für die Kommunikation mit der Internetdatenbank verwendete Gateway sammelt die Sensordaten und leitet diese über ein internes Ethernet- oder GSM-Modul automatisch weiter (vgl. Abbildung 4.3).

Der Fernzugriff auf die Maschinendaten hilft Experten dabei den Zustand der Maschine zu beurteilen und ihre Leistung zu optimieren, ohne dabei vor Ort sein zu müssen.  Zusätzlich können lokale Techniker bei der Inbetriebnahme von Systemen oder der Instandhaltung unterstütz werden.

Für Maschinenhersteller ergibt sich aus der kontinuierlichen Zustandsanalyse zusätzlich die Möglichkeit, einen sachgemäßen Gebrauch und Service der Anlage zu überwachen und damit Garantiekosten zu senken. Aus den gewonnen Informationen lassen sich im Umkehrschluss aber auch Optimierungspotentiale im Anlagendesign identifizieren, um so die eigenen Produkte zu verbessern.

5. Zusammenfassung
Der Einsatz von Öl-Zustandssensoren ermöglicht neue Instandhaltungskonzepte, mit denen sich Ölwechselintervalle verlängern, Probleme frühzeitig erkennen und Ausfallzeiten reduzieren lassen. Die heutigen Sensoren können sicher erkennen wenn das Öl gewechselt werden muss, ein falscher Öltyp verwendet wurde, oder das Öl mit Wasser und Partikeln verschmutzt ist. Dank gesunkener Kosten für Hardware, Integration  und Datenanalyse, haben sich Öl-Zustandssensoren als effizientes Mittel zur Senkung der Betriebskosten von Anlagen etabliert.

List of References:
[1]    Gold, P. W.; Aßmann, C.; Loos, J.: Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe für Wälzlager, Gleitlager und Freiläufe. In Lehrgang Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe, Technische Akademie Esslingen (TAE)
Published: 2000

[2]    Meindorf, T.: Sensoren für die Online-Zustandsüberwachung von Druckmedien und Strategien zur Signalauswertung, Dissertation, Aachen, RWTH, Verlag Mainz
    Published: 2005
    Page 42 - 63

[3]    Dyck, Harry: LubCos Brake Cooling Oil Aging Monitoring, ARGO-HYTOS Application Notes,
www.argo-hytos.com
    Published: 2012

[4]    ARGO-HYTOS: Fluid Management Technical Handbook, The ARGO-HYTOS guide to fluid management and oil condition monitoring
www.argo-hytos.com
    Published: 2009

[5]    Hendrik Karl and Steffen Bots:
"Humidity Saturation Limits of Hydraulic and Lubrication Fluids", OELCHECK GmbH, www.oelcheck.com
Published: 2012


Dipl.-Ing. Dipl.-Kfm. Roman Krähling
Leiter Condition Monitoring & Elektronik ARGO-HYTOS

Dipl.-Ing. (FH) Harry Dyck
Entwicklungsingenieur Sensortechnik und Elektronik ARGO-HYTOS

Artikel erschienen in der Fachzeitschrift O+P , Ausgabe 06/2013

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