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18.08.2014 | Betriebstechnik + Instandhaltung | Im Fokus | Onlineartikel

Punktgenaue Wartung

Autor:
Dieter Beste
4 Min. Lesedauer

Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten sind notwendig – aber immer auch teuer. Forscher entwickeln nun ein Cloud-gestütztes Sensorsystem, das eine zustandsorientierte Instandhaltung ermöglicht.

In der technischen Qualitätskontrolle und -sicherung gilt grundsätzlich die Schadensvermeidung. Dabei, so Marc-Denis Weitze und Christina Berger in „Werkstoffe“, kommt einem an die spezifischen Bedingungen einer Anlage angepasstes Lebensdauermanagement große Bedeutung zu. Ziele sind die Erhaltung der Funktion der Anlage, des Sicherheitsniveaus und der Wirtschaftlichkeit. Eine Maßnahme dafür ist die Instandhaltung, bei der in regelmäßigen Abständen Überprüfungen des Istzustandes der Anlage erfolgen (Seite 156). In diesem Sinne setzt zum Beispiel die Deutsche Bahn auf eine engmaschige Kontrolle ihrer ICE-Züge.

Heute ist es oft schon möglich, mit Hilfe von Sensoren die Beanspruchungen zu erfassen (Monitoring) und dadurch Rückschlüsse auf die Veränderungen in der Anlage oder individuell in den hoch beanspruchten Werkstoffbereichen zu ziehen, um daraus Maßnahmen abzuleiten. Dies, so Weitze und Berger, erlaube eine zustandsorientierte Instandhaltung.

Ein solches Ziel verfolgt jetzt auch das vom Bundesforschungsministerium geförderte Verbundprojekt MoSe (Mobile Sensorsysteme für zustandsbasierte Instandhaltung). „Wir wollen sehr früh Schäden aufspüren und weg von der intervallbasierten Wartung hin zur zustandsbasierten Instandsetzung“, erklärt Dr. Michael Niedermayer vom Berliner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, der das Projekt koordiniert. In den kommenden beiden Jahren wird ein Prototyp entwickelt wird, der sich zunächst in einer Straßenbahn der Verkehrsbetriebe Brandenburg an der Havel bewähren soll, später jedoch S-Bahnen und Fernzüge überwachen könnte.

Lückenlose Kontrolle

Hinter MoSe verbirgt sich ein Cloud-gestütztes drahtloses Sensornetzwerk: Alle Achsen und Fahrgestelle eines Zugs sind dazu mit kleinen Funksensoren bestückt. Diese erfassen die für den Zustand der Verschleißteile relevanten Daten und leiten sie weiter in die „Wartungswolke“, die Maintenance-Cloud im Internet. Dort werden die Mess- und Analysedaten verschlüsselt für die Nutzer abgelegt. Sogar feinste Risse einer Kugel in einem Lager sollen so erkannt werden. Niedermayer beschreibt das System: „Die Sensorknoten können kleinste Schwingungsänderungen erfassen. Wir nennen das Tiefendiagnose.“ Das ermöglicht eine Reparatur, bevor es scheppert und sich ein Schaden auswächst.

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„Das Besondere an dem Ansatz ist, dass er eine lückenlose Kontrolle während der Fahrt erlaubt und Züge nicht ins Depot müssen – wobei eine Sichtprüfung auch nicht zu hundert Prozent zuverlässig ist“, sagt Manfred Deutzer vom Projektpartner Deutzer Technische Kohle GmbH. Zwar gibt es auch drahtgebundene Sensoren, mit denen Fahrwerke von Schienenfahrzeugen auf Verschleiß überprüft werden, doch diese erreichen nicht die hohe Diagnosequalität, die die MoSe-Entwickler anstreben.

Sensor-Daten werden passgenau aufbereitet

Mit dem neuen Verfahren sind exakte Angaben etwa darüber möglich, ob ein Achslager in drei Monaten ausgetauscht werden muss – und nicht auf Verdacht deutlich eher. Wenig wirtschaftlich ist auch die bislang übliche Wartung von Rädern, die nach starren Intervallen abgedreht werden, um Flachstellen zu beseitigen, die auch Schienen verschleißen lassen. „Dies ist dreimal möglich, dann wandern die Räder auf den Schrott“, berichtet Deutzer. „Sinnvoller und kostensparender wäre es, nur schlecht laufende Räder zu schleifen. Doch für Flachstellen gibt es bisher noch keine gute Analyseanwendung.“ Die soll MoSe liefern.

Mehr noch: „Wir möchten nicht nur die Diagnostik verbessern, sondern vor allem die erfassten Daten möglichst detailliert und passgenau aufbereiten“, sagt Niedermayer. So soll der Zugführer die für ihn wichtigen Informationen, etwa über einen kritischen Radschaden, erhalten. Der Diagnosetechniker kann anhand detaillierter Messdaten beurteilen, wie schnell etwa ein Getriebeschaden voranschreitet. Der Entwickler verbessert das technische Design der nächsten Produktgeneration mit Hilfe von statistisch aufbereiteten Messwerten zum Verschleiß aller Teile. Alle Beteiligten bekommen die Daten so geliefert, dass sie gleich damit arbeiten können. Dafür werden intelligente Diagnose-Algorithmen entwickelt. „Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die drahtlosen Sensoren leicht nachrüsten lassen“, ergänzt Mikrosystemtechniker Niedermayer.

MoSe setzt auf Energy Harvesting

Neu ist auch, dass sich das System an die unterschiedliche Drehzahl des untersuchten Materials, etwa der Räder von Zügen, anpassen und so äußerst präzise Daten in jedem Betriebszustand liefern kann. Bislang sind Sensoren nur auf die konstante Drehzahl ausgelegt. Das ist zwar einfacher handhabbar, aber die Diagnosequalität leidet. Möglich wird das durch Analyse-Algorithmen. Allerdings ist deren Entwicklung eine Gratwanderung: „Sie dürfen nicht zu viel Rechenpower und damit Energie für sich beanspruchen, weil das System batterielos funktionieren soll“, erklärt der Forscher. MoSe setzt auf Energy Harvesting, nutzt also Energie aus Vibrationen oder Wärme, die beim Rotieren der Teile entsteht.

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