Zustandsüberwachung misst den Zustand einer Maschine während des Betriebs, damit Wartung auf Befunden statt auf einem Kalender beruht. ISO 17359 beschreibt das Vorgehen: Betriebsmittel nach Kritikalität ordnen, relevante Fehlerarten bestimmen, darauf ansprechende Messgrößen wählen, eine Referenz aufbauen und bei Abweichungen handeln.
Viele Standorte messen große Motoren, Pumpen, Lüfter und Kompressoren bereits für die Energieberichterstattung. Stromsensoren und Zähler sind installiert, Daten werden aufgezeichnet. Zusätzlicher Aufwand für die Zustandsüberwachung aus diesen Daten entsteht vor allem durch Referenzbildung und Alarmregeln, nicht durch neue Hardware.
Wann sich Zustandsüberwachung lohnt
Bei einem billigen, unkritischen Teil kann Betrieb bis zum Ausfall sinnvoll sein. Feste Wartungsintervalle passen, wenn Verschleiß vorhersehbar und Wartung günstig ist. Zustandsüberwachung lohnt sich bei Anlagen, deren ungeplanter Stillstand mehr kostet als mehrere Jahre Überwachung: einem Prozesskühler in der Lebensmittelproduktion, dem Hauptluftkompressor einer Fertigungslinie, einer Abwasser-Hebepumpe ohne Reserve oder einem großen Motor mit mehrwöchiger Vorlaufzeit für die Neuwicklung. Ordnen Sie die Anlagen nach dem Kritikalitätsschritt der ISO 17359 und beginnen Sie oben auf der Liste.
Was elektrische Daten zeigen können
Ein dreiphasiger Monitor wie der ZEM erfasst Effektivstrom und -spannung, Wirk- und Scheinleistung sowie Leistungsfaktor je Phase, dazu Frequenz und kumulierte Energie. Für den Anlagenzustand sind diese Messwerte nur im Vergleich mit demselben Betriebszustand aussagekräftig:
| Indikator | Änderung | Mögliche Ursache | Gegenprüfen mit |
|---|---|---|---|
| Leistung bei gleichem Durchfluss (Pumpe, Lüfter) | Steigt über Wochen | Verschmutzter Filter oder Wärmetauscher, Laufradverschleiß, Lagerreibung, Fehlausrichtung | Differenzdruck, Lagertemperatur |
| Leistung bei gleichem Drehzahlsollwert (riemengetriebener Lüfter) | Sinkt sprunghaft | Riemenschlupf oder Riemenbruch, geschlossene Klappe | Lüfterdrehzahl oder Luftstrom |
| Energie je Produktionseinheit (kWh/m³, kW je m³/min) | Steigt über Wochen | Wirkungsgradverlust irgendwo im System | Produktionsmessung und ihre Kalibrierung |
| Kompressorlast bei Produktionsstillstand | Über null | Druckluftleckagen | Last- und Leerlaufzeiten während eines Stillstands |
| Starts pro Stunde | Steigen | Kurztakten, defekter Sensor, Steuerungsfehler | Sollwerte und Hysteresen des Reglers |
| Stromunsymmetrie bei symmetrischer Spannung | Steigt | Hochohmige Verbindung, Wicklungsfehler | Wärmebild der Klemmen, Isolationsprüfung |
| Spannungsunsymmetrie | Über 1 % | Ungleich verteilte einphasige Lasten, Versorgungsfehler | Einphasige Lasten in derselben Verteilung |
| Leistungsfaktor (direkt eingeschalteter Motor) | Sinkt | Motor läuft leichter belastet, etwa nach einer Prozessänderung | Wirkleistung im Verhältnis zur Nenneingangsleistung |
Wicklungs- und Rotorfehler sind im Leistungsfaktor aus Intervallwerten selten eindeutig erkennbar. Ein sinkender Leistungsfaktor bei einem direkt eingeschalteten Motor deutet meist auf eine Laständerung hin: Der Magnetisierungsstrom bleibt nahezu konstant, während der Arbeitsstrom sinkt.
Unter etwa 50 % der Volllast ist Strom ein schlechter Maßstab für die Motorlast. Das DOE-Merkblatt zur Motorlast zeigt, dass die Stromkennlinie in diesem Bereich wegen des Magnetisierungsstroms nichtlinear wird. Schätzen Sie die Last eines schwach belasteten Motors mit Wirkleistung statt mit Strom.
Drehzahl verändert die Zahlen stärker als die meisten Fehler. Nach den Affinitätsgesetzen ist die Pumpenleistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Eine Reduzierung von 1500 auf 1200 U/min (80 % Drehzahl) senkt die ideale Leistung auf 0,8³, also 51 %. Bei 60 % Drehzahl benötigt die Pumpe etwa 22 %. Eine rohe Leistungskurve einer drehzahlgeregelten Pumpe vermischt Last- und Zustandsänderungen. Gruppieren Sie Messwerte zuerst nach Drehzahl oder Durchfluss:
Spannungsunsymmetrie: ein Beispiel
Spannungsunsymmetrie ist die am einfachsten nutzbare elektrische Prüfung. Bei unsymmetrischer Spannung werden die Motorströme etwa 6- bis 10-mal stärker unsymmetrisch. NEMA MG 1-14.35 beschreibt die Wärmewirkung: In der Phase mit dem höchsten Strom steigt die Temperaturerhöhung prozentual um etwa das Doppelte des Quadrats der prozentualen Spannungsunsymmetrie. Bei 3,5 % Unsymmetrie sind das rund 25 %. Das DOE-Merkblatt empfiehlt weniger als 1 % an den Motorklemmen. NEMA MG 1 verlangt oberhalb 1 % eine Leistungsreduzierung und rät bei mehr als 5 % vom Betrieb ab.
Die Berechnung nutzt die drei Leiter-Leiter-Spannungen. Bei 460 V, 467 V und 453 V beträgt der Mittelwert 460 V und die größte Abweichung 7 V:
Das Ergebnis ist 7 ÷ 460 = 1,52 %. Das liegt über der 1-%-Grenze. Die Ströme können um 9 bis 15 % unsymmetrisch sein; die heißeste Wicklung erwärmt sich gegenüber symmetrischer Versorgung um etwa 2 × 1,52² = 4,6 % stärker. Das DOE-Merkblatt nennt bei Volllast als Beispiel für den Wirkungsgrad des Motors 94,4 % bei symmetrischer Versorgung und 93,0 % bei 2,5 % Unsymmetrie.
Liegt die Spannungsunsymmetrie unter 1 %, aber nur an einem Motor ist der Strom stark unsymmetrisch, liegt die Ursache in dessen Stromkreis. Prüfen Sie Anschlüsse und Wicklungen vor der Versorgung.
Motoren mit Drehzahlregelung
Die meisten Pumpen und Lüfter dieser Anleitung laufen an Frequenzumrichtern. Das ändert, was der Monitor sehen kann.
Setzen Sie den Monitor auf die Netzseite des Umrichters. Der ZEM ist für Versorgungen mit 50 oder 60 Hz spezifiziert; am Umrichterausgang liegen variable Frequenz und eine geschaltete Wellenform an. Auf der Netzseite umfasst die Wirkleistung die Motorleistung zuzüglich der Umrichterverluste von einigen Prozent. Eine Leistungsreferenz bei gleichem Durchfluss bleibt sinnvoll.
Andere elektrische Prüfungen ändern ihre Aussage: Der Leistungsfaktor auf der Netzseite beschreibt den Gleichrichter des Umrichters, nicht den Motor. Spannungsunsymmetrie am Eingang betrifft den Umrichter; der Motor erhält eine vom Umrichter erzeugte symmetrische Spannung. Ein Wicklungsfehler kann daher hinter dem Umrichter verborgen bleiben. Lesen Sie Ausgangsstrom, Drehzahl und Fehlerprotokoll des Umrichters über Modbus RTU und nutzen Sie die Drehzahl als Zustandsgröße der Referenz.
Messqualität und Datenereignisse
Eine Referenz vergleicht die Messkette mit sich selbst. Ein fester Kalibrierfehler steckt sowohl in der Referenz als auch im heutigen Messwert und hebt sich deshalb auf. Zwei Fehlerarten tun das nicht.
Erstens ändern sich Fehler mit dem Betriebspunkt. Bei kleinem Strom und niedrigem Leistungsfaktor werden die Fehlergrenzen des Zählers größer; der Phasenfehler des Stromwandlers wirkt sich bei niedrigem Leistungsfaktor besonders stark auf die Leistung aus. Wählen Sie einen Stromsensorbereich passend zum Betriebsstrom des Motors. Eine 3000-A-Rogowski-Spule an einem 40-A-Motorstromkreis legt jeden Messwert ans untere Ende ihres Bereichs.
Zweitens kann sich die Messkette sprunghaft ändern. Ein Ersatzstromwandler mit anderem Verhältnis, ein geänderter Skalierungsfaktor oder ein Zählerwechsel verschiebt alle Messwerte zu einem Zeitpunkt um einen festen Prozentsatz. Ein Modell meldet das als Anlagenfehler. Ein verkehrt montierter Stromwandler erzeugt auf dieser Phase negative Wirkleistung. Zwischen Phasen vertauschte Wandler erzeugen auf beiden Phasen unplausible Leistungsfaktoren. Prüfen Sie nach jedem elektrischen Eingriff Vorzeichen der Wirkleistung und Leistungsfaktor je Phase und erfassen Sie den Eingriff als Ereignis zur Anlage.
Eine Referenz aufbauen
Die Referenz ist der Normalbereich jedes Indikators in jedem Betriebszustand der Anlage.
- Betriebszustände auflisten. Zum Beispiel Aus, Bereitschaft, Betrieb bei niedriger, mittlerer und hoher Last sowie Reinigungszyklus.
- Zustandssignal erfassen. Nutzen Sie Betriebssignal, Drehzahlsollwert, Durchfluss oder Produktionszahl, um jeden Messwert einem Zustand zuzuordnen. Ein ZIO liest einen 4-bis-20-mA-Durchflussmesser; ein ZMB liest Umrichter oder Durchflussrechner über Modbus.
- Normale Daten sammeln. Erheben Sie mindestens zwei Wochen je Zustand und bei Anlagen mit Start/Stopp mindestens 50 Laufzyklen. Eine witterungsabhängige Last braucht eine Heiz- und eine Kühlsaison.
- Ereignisse dokumentieren. Notieren Sie Wartung, Reparaturen, Sollwert- und Prozessänderungen mit Datum. Jede davon beginnt eine neue Referenz.
- Normalbereich berechnen. Nutzen Sie Median sowie 5. und 95. Perzentil jedes Indikators je Zustand.
Halten Sie die Referenz beim Anlagenprotokoll. Wird gefragt, warum ein Alarm ausgelöst wurde, ist sie der Beleg.
Von der Referenz zum Alarm
Verwenden Sie vier Regeltypen in dieser Reihenfolge:
- Feste Grenzen für Zustände, die nie normal sind: Spannungsunsymmetrie über 1 %, Strom über dem Volllast-Nennstrom oder Betrieb außerhalb des Zeitplans.
- Referenzgrenzen je Zustand wie im Pumpenbeispiel: Leistung über dem 95. Perzentil plus Reserve für eine festgelegte Dauer. Beginnen Sie mit 3 bis 5 % Reserve und 30 bis 60 Minuten und passen Sie danach an.
- Änderungsrate für langsamen Verschleiß: spezifische Energie steigt mindestens drei aufeinanderfolgende Wochen.
- Modelle für Anlagen, deren normale Leistung von mehreren Größen zugleich abhängt (nächster Abschnitt).
Geben Sie jeder Regel eine zuständige Person und eine festgelegte Maßnahme. Dokumentieren Sie je Anlage die Alarmzahl pro Monat und wie viele Alarme einen Arbeitsauftrag auslösten. Erzeugt eine Regel dreimal nacheinander Fehlalarme, vergrößern Sie die Reserve, verlängern die Haltezeit oder entfernen die Regel.
Wann maschinelles Lernen hilft
Eine feste Grenze scheitert, wenn normale Leistung zugleich von mehreren Größen abhängt. Ein typisches Beispiel ist eine Kältemaschine: Ihre Leistung hängt von Kühllast, Kühlwassertemperatur oder Außenlufttemperatur und vom Kaltwasser-Sollwert ab. Eine im Juli passende Grenze ist im Januar falsch.
Passen Sie bei solchen Anlagen aus der Referenzperiode eine Regression der Leistung gegen die bestimmenden Größen an. Alarmieren Sie anhand des Residuums, also gemessene minus vorhergesagte Leistung, mit derselben Grenz- und Haltezeitregel. Ein Beispiel ist ein Residuum von mehr als drei Standardabweichungen über null für 30 Minuten. Eine lineare Regression mit wenigen Termen genügt meist; eine Fachkraft kann ihre Koeffizienten lesen und mit der Anlage abgleichen.
Fehler sind selten, daher gibt es wenige gekennzeichnete Beispiele für ein komplexeres Modell. Das NIST AI Risk Management Framework fordert dokumentierte Validierung und Überwachung der Modellleistung im Einsatz. Halten Sie für ein Wartungsmodell einen Zeitraum aus der Referenz zum Testen zurück, erfassen Sie jeden Alarm und sein Ergebnis und passen Sie das Modell nach jedem dokumentierten Ereignis neu an.
Weitere Messungen
Elektrische Daten ersetzen nicht die Messgröße, die zuerst auf eine Fehlerart anspricht. Schwingungen reagieren früh auf Lagerschäden, Unwucht, Fehlausrichtung und Lockerung. Temperatur reagiert auf Lager-, Wicklungs- und Anschlussfehler. Ölanalyse deckt Getriebe, Hydraulik und Transformatoren ab. Durchfluss, Druck und Differenzdruck setzen Leistung in Beziehung zum Wirkungsgrad.
Bei einem kritischen Motor ist die Kombination aus Leistung und Fühlertemperatur am antriebsseitigen Lagergehäuse besonders nützlich. Ein TES-2X-Temperaturfühler am Gehäuse meldet über dasselbe Zigbee-Netz wie der ZEM. Vergleichen Sie den Temperaturanstieg des Lagers über Umgebungstemperatur bei gleicher Last. Steigende Leistung bei normaler Lagertemperatur deutet auf angetriebene Last oder Prozess; steigende Leistung zusammen mit Lagertemperatur auf Lager oder Ausrichtung.
Mit einem Pilotprojekt beginnen
- Wählen Sie anhand der Kritikalitätsliste drei bis fünf wichtige Anlagen mit jeweils bekannter Fehlerart.
- Installieren Sie einen ZEM je Motorstromkreis und erfassen Sie eine Prozessgröße für die Ausgabe, etwa Durchfluss, Druck oder Produktionszahl.
- Sammeln Sie Referenzdaten und dokumentieren Sie jedes Ereignis.
- Konfigurieren Sie zuerst feste, dann referenzbezogene Grenzen.
- Prüfen Sie drei Monate lang jeden Alarm. Behalten Sie Regeln, die reale Probleme gefunden haben, und entfernen Sie die übrigen.
- Erweitern Sie den Ansatz mit bewährten Regeln auf weitere Anlagen.
Definieren Sie Erfolg vor Beginn des Pilotprojekts: zum Beispiel ein Fehler, der vor einem ungeplanten Stillstand erkannt wird, oder ein nachgewiesener Wirkungsgradverlust, dessen Behebung sich wirtschaftlich trägt.
Häufige Fragen
Kann ein Energiemonitor Lagerschäden erkennen?
Nicht zuverlässig. ISO 20958 nennt Wälzlagerschäden als mögliche Befunde der elektrischen Signaturanalyse. Ihre Anteile im Motorstrom sind jedoch klein und erfordern Wellenformaufzeichnung mit Kilohertz-Abtastrate. Ein Beschleunigungssensor am Lagergehäuse findet sie früher. Intervall-Leistungsdaten zeigen nur späte Folgeeffekte wie höhere Leistung bei gleicher Ausgabe; ein Fühlertemperatursensor am Gehäuse zeigt die Erwärmung.
Wie viele normale Daten brauche ich für eine Referenz?
Mindestens zwei Wochen je Betriebszustand und bei einer startenden und stoppenden Anlage mindestens 50 Laufzyklen. Eine witterungsabhängige Last wie ein Lüfter einer Lüftungsanlage benötigt eine Heiz- und eine Kühlsaison. Dokumentieren Sie jede Reparatur und Sollwertänderung mit Datum; jede beginnt eine neue Referenz.
Was unterscheidet zustandsbasierte von vorausschauender Wartung?
Zustandsbasierte Wartung greift ein, wenn ein gemessener Zustand eine Grenze überschreitet. Vorausschauende Wartung extrapoliert zusätzlich den Trend und schätzt, wann die Grenze erreicht wird. Beide nutzen dieselben Daten und dieselbe Referenz. Die Schätzung ist nur so verlässlich wie der Beleg, dass sich der Trend mit derselben Rate fortsetzt.