Beitrag 15

Vielseitige Nutzung von Informationen aus der Technischen Diagnose und ihre Gewinnung

Dieter Troppens
VDI, GFIN, VIW


  1. Einleitung
  2. Diagnoseverfahren, Fehlerdiagnose und Inspektionshilfsmittel
  3. Anwendung der Technischen Diagnostik auf Schiffen
  4. Literatur


1. Einleitung

Informationen aus der Technischen Diagnose werden hauptsächlich mit Beurteilungen des Zustands von Maschinen und Anlagen auf den Schiffen verbunden, um Aussagen über die Verfügbarkeit oder die Erhaltung dieser zu machen (auch geschuldet den früheren Formulierungrn in TGL 39446 "Instandhaltung - Termini und Definitionen, 1988). Bei der klassischen Instandhaltung hat diese Aufgabe die Inspektion zu erfüllen (z.B. nach DIN 31051 "Grundlagen der Instandhaltung, Ergänzungen zu DIN EN 13306", Entwurf Juli 1999 bzw. EN 13 306 "Maintenance Terminology", 1999). Im modernen Management eines Schiffes laufen jedoch zunehmend verschiedene Strategien zusammen, wie es ein sicherer, ökonomischer, umweltgerechter Betrieb, sowie die Erfüllung bestimmter Qualitätsforderungen durch den Schiffsbetrieb an Ladung, Personen, Logistik u.a. erfordern. Derartige Aussagen gehen über Inspektionsbefunde und Ergebnisse der Beurteilung hinaus, sie entsprechen jedoch der umfassenden Einschätzung der zusammenhängenden Prozesse im angesprochenen Sinne.

Sie sind heute mit ähnlichen, teilweise gleichen technischen Einrichtungen (hardware) und angepaßter Software so aufbereitbar, daß sie nachvollziehbar werden und an die verschiedensten Punkte (Maschinenleitstand, Schiffsführung, Reederei, Servicestütztpunkten u.a.) verwertbar übermittelt werden können, um Entscheidungen zu treffen und schnell Verfahrensanweisungen zum Schiffsbetrieb und zu seiner Erhaltung auszugeben.

Instandhaltung wird bislang negativ bewertet, weil sie Kosten verursacht, die zwar nicht vermeidbar sind, aber schwer vermeidbar erscheinen und manchmal verschleiert werden, um die negativ wirkenden Probleme nicht zu forcieren. Eine kostenoptimale Beherrschung verlangt jedoch möglichst objektive Bewertungen, d.h. die Informationen über den tatsächlichen Zustand der Schiffe und aller Maschinenanlagen und der Prozesse in ihnen. Auf die Einschätzung der Kosten soll hier nicht eingegangen werden, da sie immer spezifisch sind.

Auch für die Instandhaltung spielen zunehmend komplexere Informationen als es die klassischen Aufgaben der Inspektion beinhalten eine Rolle, deshalb werden von mir solche Untersuchungsergebnisse als Diagnoseergebnisse bezeichnet (sie sind jedoch in keiner der o.g. Normen definiert). Sie enthalten verschiedenartige Diagnosebefunde und werden entsprechend der Nutzung der komplexen Aussagen durch die Beurteilung aufgrund von A-priori-Informationen sowohl für die Instandhaltung verwendbar als auch für andere Managementaufgaben.

Subjektive Faktoren, die zwar durch die Diagnosebefunde (gemessene Größen, Abbildungen mittels verschiedener Strahlungen, Klangbilder u.a.) in ihrer Wirkung abbaubar sind (bis auf Meßabweichungen, Unschärfe, Übertragungsfehler usw.), verlangen aber auch objektivierte Beurteilungen, die geeignete Experten immer besser ermöglichen, aber auch das Vorliegen von Kenntnissen über die Objekte und deren Prozesse voraussetzen. Das sind A-priori-Informationen, da sie aus Erfahrungen, bekannten Gesetzmäßigkeiten u.a. ableitbar sind, aber oftmals nicht sofort zur Verfügung stehen [Pahl 98, EiLe 99, Wern 98].

Computergestützte Bereitstellung bzw. weltweit realisierbares Zusammenstellen und Zuführen zu den Experten bzw. den Entscheidungsträgern (Telekommunikation) zusammen mit den aktuellen und zuvor vorhandenen Diagnosebefunden über den Zustand und die Prozesse sind die Basis und können die Kosten verringern, die eine höhere Sicherheit für Menschen, Güter und die Umwelt und somit für eine höhere Qualität (Kundenzufriedenheit) verlangen [Trop 99].


2. Diagnoseverfahren, Fehlerdiagnose und Inspektionshilfsmittel

An Hand ausgewählter Beispiele solcher Informationen und moderner Informationsgewinnung und -aufbereitung für eine anstehende Beurteilung (Aufgaben der Technischen Diagnostik, bzw. Zustandsbeurteilung an Hand von Inspektionsbefunden) sollen moderne Methoden und Mittel dargestellt und anempfohlen bzw. aufgezeigt werden, wie die Weiterentwicklung aus den sich abzeichnenden Möglichkeiten zielgerichtet vorangetrieben werden sollte.

DiagnosekenngrößenMaschinen, AnlagensystemeZustandsaussagen über:
Verschiebung, Verlagerung u.a. während des BetriebsTurbinen, Verdichter, GeneratorenLagerspiel, Lagereigenschaften, Verlagerung der Fundamente
Geometrische Größen der Ausrichtung, Gradheit u.a.gekuppelte rotierende Maschinen, Werkzeugmaschinen u.a.Aufstellung und Fundamentierung, Oberflächengestalt
Form, Oberflächen verdeckter Elemente mit VideoendoskopenTurbinen, Verdichter, Kolbenmaschinen, Rohrleitungen u.a.Verformungen, Korrosion, Ablagerungen, Verschleiß, Risse
Thermographische Bilderelektrische Anlagenelemente, Maschinen, Gebäudeunnormales Erwärmen durch: Widerstand, Lichtbogen u.a., Lagerreibung, Schleifen u.a., Wärmebrücken, Lecks u.a.
UltraschallanalyseRohre, Behälter, MaschinenelementeUngänzen, Korrosion, Risse, Wandstärken, Schichtdicken
Ultraschallemissionen
(akust. Emission)
Rohrleitungen und Ventile, Behälter, spez. KonstruktionenUndichtkeiten, Risse und Rißentstehung, Anstreifen, Reibung
vibroakustische Größenrotierende Maschinen, Maschinen und Baugruppen mit sich bewegenden Bauelementen z.B.: Wälzlager, Kolben, -ringe, Ventile u.a.unzulässige Spiele, Verschleiß, Verformung von Elementen, Überbeanspruchungen an Lagern, durch Reibung u.a.
von Partikeln in Gasen und Flüssigkeiten (Betriebsmedien)Maschinen mit Schmierung, Förderung von Fluiden, Elemente fluidischer Systeme (zur Steuerung., Kühlung),Verschleiß, Verschmutzung, Funktionsmängel,
Systeme mit VerbrennungMängel in der Verbrennungssteuerung
Funktionskenngrößen, wie: Elektrische Leistungsgrößen, Drehmoment/Drehzahl, Druck/Volumenstrom, Kraft/Geschwindigkeit Temperatur/WärmestromAntriebssysteme, Steuer- und Stellbaugruppen, Fördereinrichtungen u.a.Funktionsmängel, ggf. mit Zuordnung typischer Fehler an Baugruppen oder Elementen

Tabelle 1: Überblicksdarstellung wichtiger Größen und Merkmale für die Diagnose in Maschinen und Anlagen [Trop 99]

Tabelle 1 zeigt allgemein in Maschinen und Maschinenalagen, wie sie im Schiff mehrfach vorhanden sind, eine Reihe von verschiedenen Verfahren für Aufgaben dieser Überschrift.

Eine Anwendung in spezifischen Anlagen ist jedoch recht verschieden. Auf einige Aspekte für das Schiff und speziell für eine Schiffsinstandhaltung soll unter 3. noch eingegangen werden.

Besonders für Inspektionen sind subjektive Beurteilungen von Bildern (Thermografie siehe Tabelle 2 oder Rißbilder s Abb.IV-2.3/1 in [EiLe 99] sowie vergrößerter (Ausschnitt-)Darstellungen von kritischen Punkten mit modernen Kameras (digital) und Endoskopen ist wieder stärker im Gespräch [Pahl 98]. Die Übertragung solcher "Bilder" an Experten über den Erdball ist nicht unaufwendig aber trotzdem effektiv. Durch Kataloge gespeicherter typischer Bilder bzw. zuvor festgehaltener kann die Beurteilung sicherer gemacht werden.

ObjekteAussagen über
Hochspannungsanlagenhohen Widerstand, Überschläge u.a.
elektrische AnlagenÜbergangswiderstände zu hoch durch Anpreßdruck, Korrosion u.a., hohe Erwärmung durch Überlastung, mangelnde Wärmeabführung u.a.
Maschinenörtliche Erwärmungen z.B. durch:
  • Lagerreibung (Fettmangel, Verspannung von Wellen u.a.)
  • mangelnde Wärmeableitung,
  • Bremseinrichtungen,
  • Schlupf an Riemen und Laufrädern
GebäudeWärmebrücken, mangelnde Isolierung, feuchte Elemente, Leitungslecks (Wasser, Heizung), Schornsteinschäden u.a.
Anomalien in der LandschaftLeitungslecks, Undichtheiten an Deponien und unterirdischen Lagern u.a.

Tabelle 2: Zusammenstellung einiger Anwendungen der Thermographie

Analyseverfahrenzum Nachweis
SpektroskopieSpurenelemente quantitativ
FerrographieAnzahl, Größe u. Form von Partikeln
RadiographieMenge der Partikel
(Laser)-Optische PartikelanalyseAnzahl und Größe der Partikel in Flüssigkeiten und Gasen

Tafel 1: Verfahren zur Analyse von Partikeln in Flüssigkeiten und Gasen

Bei einigen Maschinenanlagen werden auch die Verfahren der Partikelanalyse mit modernen Verfahren nach Tafel 1 verwendet [EiLe 99].

Die Ferrographie und laseroptische Verfahren zur Partikelanalyse gestatten auch eine Analyse der Größe bzw. Form der Partikel für eine Tiefendiagnose (s. [StFö 90]). Im Zusammenhang mit Umweltschutzaufgaben werden Partikelemissionen von Abgasen überwacht. Aus diesen Informationen (ggf. verbunden mit einer Patikelanalyse) können Hinweise über den Zustand von Baugruppen in Verbrennungsanlagen und Verbrennungsmotoren (Gas- und Dieselmotoren) gezogen werden. Hersteller von Schmiermitteln und Hydraulikflüssigkeiten bieten derartige Analysen als Dienstleistungen an (s. z.B. [DeBP], [HYDAC]).

Bedeutung gewinnen auch Meßgrößen, die aus den Prozessen resultieren aber durch die Zustände der Maschinen und Anlagenelemente beeinflußt werden. Diese sind als Funktionskenngrößen gleichzeitig Diagnosekenngößen. In anderen Fällen sind solche Größen bei der Beurteilung von Diagnosekenngrößen zur richtigen Zustandseinschätzung unbedingt zu beachten. Auch die Fehlerdiagnostik verwendet zm Teil solche Größen [Iser 84].

Beispiele für das Nutzen sich bewährter Kombinationen von Merkmalen solcher Diagnosesysteme mit Funktionskenngrößen sind z.B.:

  • ein Smart Sensor für Elektromotoren, der Daten über Infrarotdatenkopplung abrufbar aus magnetischem Streufluß, Temperatur und Schwingungen speichert [Most 98]
  • ein intelligenter Strom-Spannungssignalwandler mit Auswertung von Leistung, Wirkungsgrad, cosphi, Drehzahländerung u.a., der den Elektomotor zum Sensor für einen Antrieb werden läßt [emot 98],
  • Auswerten von Wirkleistungs-/Drehmoment- und Schwingungssignalen bei Antrieben [Beck 98] ,
  • Auswerten von Funktionskenngrößen und Schwingsignalen bei Pumpen [Sure 98],
  • Auswerten von Funktionskenngrößen, Schallemission, Körperschall an Fertigungssystemen [Prom 97].

Einen allgemeinen Überblick über die technische Diagnose und Verfahren für Maschinen und Anlagen findet man z.B. bei Sturm/Förster [StFö 90].

Einen Überblick über Anwendungen vibroakustischer Signale für Zustandsaussagen in den verschiedensten Maschinenanlagen an Land gibt Tabelle 3, ebenfalls als indirekte Darstellung bestimmter Zustandskonstellationen, die sich aus dem Schwingungsübertragungsverhalten und den Entsteheungsmechanismen ergeben [Trop 99].

Meltzer versuchte in einer jüngsten Einschätzung der Schwingungsüberwachung auch einen Überblick über die Kosten zur Beschaffung zu geben [Melt 99].

Maschinen/ BaugruppenCharakterisierung der Signalverarbeitung und der Aussagen zum Zustand
Maschinen und Aggregate
  • Schwingstärke nach VDI 2056 u.a. als Komplexbeurteilung u. a.
  • Schallabstrahlung als Komplexbeurteilung, in Sonderfällen für Detailaussagen
  • Schwingbeschleunigung und Analyse von Amplitudenmerkmalen über der Frequenz in der Nähe der Wellenlagerung für das Erkennen von:
    • Unwuchten,
    • Fehlern in Ausrichtung und Ankopplung
    • Wellenschäden (Verformung, Anriß u.a.)
    • Unwuchten von Rotoren
    • periodische Anregung durch Funktionselemente (Lager, Wellen, Gebläse, Turbinen u.a.) und daraus Detailaussagen, Tiefendiagnose (siehe z.B. weiter unten)
spezielle MaschinenSchwingbeschleunigung, -geschwindigkeit und -wege (Verlagerungen) an verschiedenen ausgewählten Punkten der Maschinen mit Analyse von Amplitudenmerkmalen bei verschiedenen Frequenzen und unterschiedlichen Darstellungen zur komplexen Zustandseinschätzung und für Detailaussagen über Baugruppen, wie oben und z.B.:
Rädergetriebe, Riemen-, Kettengetriebe
  • Zahnflankenzustand, Zahnbruch, Lager
  • Riemenspannung, Kettenlängung,
Pumpen, Verdichter, Turbinen
  • Schaufelschäden, Kavitation, Ablagerung,
  • Schaufelschäden, Anlaufen,
Verbrennungsmotoren
  • Verschleiß an Lagern oder Laufbuchsen
WälzlagerSchwingbeschleunigung mit Bildung von verschiedenen Merkmalen für Komplexeinschätzung (Alarme, Trendaussagen) und Tiefendiagnose des Zustandes an Elementen: Innen-, Außenring, Käfig, Wälzkörper
GleitlagerSchwingbeschleunigung am Lager (oft in geeigtneten Frequenzbereichen) mit Merkmalsbildung zu Aussagen über:
  • anormales Gleiten (höhere Reibung),
  • Spielzunahme (z.B. auch Schwingweg für Orbitkurvendarstellung)

Tabelle 3: Beispiele für die Anwendung vibroakustischer Diagnoseverfahren für Maschinenanlagen und Baugruppen in ihnen ([Wern 1998])


3. Anwendung der Technischen Diagnostik auf Schiffen

Die Verwendung von verschiedenen Verfahren der Inspektion auf Schiffen, unter die auch zuvor eingereihte Diagnoseverfahren für Maschinen und Anlagen bei planmäßigen Instandsetzungen gehören, sind in unterschiedlichem Umfang üblich, wenn man die Maschinen und Anlagen auf Schiffen insgesamt sieht. Denn da wichtige Maschinensysteme gemäß den Sicherheitsbestimmungen redundant vorhanden sein müssen, kann man auf den Ausfall warten, um dann die Instandhaltung in Gang zu setzen.

Ist noch ausreichend dazu befähigtes Personal an Bord werden bei Wartungen auch Inspektionen (meistens mit den Sinnesorganen wahrgenommene Informationen) und ggf. eine Instandhaltung vorgenommen bzw. vorbereitet.

Bei der von Schrüfer empfohlenen Strategie zur Sicherung der Verfügbarkeit [Schrü 84] kommen dann nur Aspekte des Findens der Fehlerursachen und der damit verbundenen schnelleren Instandsetzung in Frage, um mit effektiven Inspektions-/Diagnoseverfahren ggf. Kosten zu sparen. Was meistens bei komplizierten automatisierten Systemen der Fall ist, wofür auch spezielle Verfahren der Fehlerdiagnose zum Tragen kommen (z.B. nach [Iser 84]), die in Automatisierungsanlagen einbezogen sind.

Die Vorteile der vorbeugenden Instandhaltung mit Zustandsanalyse werden nicht ausgenutzt [EiLe 99]. Solche Aspekte spielen wegen der oftmals fehlenden kalten Redundanz nur bei den Hauptantrieben des Schiffes eine zu beachtende Rolle. Aber auch hier werden die einleitend angesprochenen Verbindungen von Prozeßkontrolle, Zustandseinschätzung der Baugruppen um die Brennräume und vereinzelt der Lager sowie auch Umweltfragen eine Rolle [WeBu 99, VoSN 97, Scha 98, Hage 99].

Besonders die Hauptmaschinen werden im Motormanagement so beeinflußt, daß sie ökonomisch gemäß Kraftstoffverbrauch oder gemäß den zulässigen Emissionen, besonders von NO- und SO-Verbindungen [Götz 98] arbeiten, wie es zunehmend wirksam gefordert wird.

Eine Aufteilung der Energieerzeugung für den Antrieb bei dieselelektrischen Schiffen auch unter Verwendung der innovativen Pod-Antriebssysteme entschärft die Situation beim Verhindern eines Totalausfalls, und trotzdem werden mit den modernen Steuerungen gleichfalls Zustandsüberwachungen vorgesehen [Hage 99, Nurm 98]. Beim Pod-Antrieb werden Schmieröldruck, Wicklungstemperatur über einem Datenbus dem Leitstand für den Fahrantrieb übermittelt. Nurmi diskutiert den dieselelektrischen Antrieb auch nach den Aspekten der Kosten bei den strengeren Forderungen zulässiger Emissionen, wenn sie z.B. auf 6 g/kWh NOX zurückgehen müssen [Nurm 98].

Im Zusammenhang mit der Erhöhung der Sicherheit von Tankern durch ein Zweihüllenschiff werden Möglichkeiten der Überwachung des Schiffkörpers (Spannungssensoren an bestimmten Punkten verbunden mit Messung von Bugbodendruck und -beschleunigung bei bestimmten Schiffsgeschwindigkeiten) werden von LR Überlegungen mitgeteilt, wie die Inspektionen des Schiffskörpers (Wanddicken, Anstriche, Korrosionsschutz) durch moderne Mittel in den Kosten verringert werden können. In der Darstellung dieser Vorstellungen in Schiff & Hafen 10/1998 S. 154 ff. werden auch Hinweise gegeben, derartige Kosteneinsparungen bei und durch Inspektionen auf die Maschinenanlagen auszudehnen. Es wird ein System ICMS von LR und BP empfohlen, das Drücke, Temperaturen, Drehzahlen, Schwingungsgrößen und Schmierstoffanalysen festhält, um dann den Zustand auch von Hilfsmaschinen, Turbolader, Hilfskessel, also Diagnosesysteme von Anlagensystemen, die unter Punkt 2 aufgeführt wurden, beurteilen zu können und bei planmäßigen Instandhaltungen heranzuziehen.

Bei den Kreuzfahrtschiffsneubauten wird bei Vorstellung dieser z.B. auf die Sicherung der klimatischen Bedingungen an Bord durch Überwachungssysteme verwiesen (Zuverlässigkeit wird zu höherer Qualität für die Passagiere).

Man erkennt, daß neben der Lösung der Fragen der zuverlässigen Meßtechnik für Diagnosekenngrößen (z.B. für den Druckverlauf im Verbrennungsraum) auch die der Datenkommunikation einschließlich der geeigneten Aufbereitung der Informationen anstehen.

Es werden, wie in der Industrie teilweise unterschiedliche Konzepte zur Anwendung gebracht (z.B. auch von Herstellern bestimmter Maschinensysteme im Schiff), die den Schiffsbetreibern höhere Aufwendungen bescheren als gemäß der Möglichkeiten nötig wären.

Das Abschätzen der Kostenentwicklungen für eine breitere Anwendung der Diagnose im Schiff für die verschiedenen Managementaufgaben, müssen die Reedereien erledigen, z.B. auch bei solchen Fragen, wie Vorteile erwachsen, wenn das Klima an Bord besser überwacht wird, die Ladung in höherer Qualität transportiert wird u.a. . Mit den Herstellern der Schiffe und allen Beteiligten, die für den Schiffsbetrieb verantwortlich sind (Bordpersonal, Serviceunternnehmen an Land) werden sie diese Forderungen zu realisieren haben.


4. Literatur

[Beck 98]
Becker, E.:
Telediagnose als Basis für Teleservice - Stand der technik für Antriebsanlagen. Beiträge des IBZ Hohen Luckow e.V. 6 (1998) 2 S. 79 - 90

[DeBP]
BP Oil international Ltd. bzw. BP Oil Deutschland GmbH, Geschäftsbereich Schmierstoffe u. Bitumen PF 930180, D-21081 Hamburg

[EiLe 99]
Lemke E., Eichler, Ch. (Hrsg.):
Integrierte Instandhaltung - Handbuch für die betriebliche Praxis. Landsberg/Lech ecomed 2. Erg.Lfg 1999

[emot 98]
-: EL-FI R Überwachungsgeräte - Überwachen, schützen und messen elektrischer Antriebe. Prospekt emotron AB, Helsingborg S, 1998

[Götz 98]
Götze, H-J.:
Zukünftige Anforderungen an Abgasemissionen. Schiff & Hafen 7/98 S. 46 - 48

[Hage 99]
Hagemann, H-J.:
Ein innovatives Pod-Antriebssystem. Schiff & Hafen 3/99 S.56

[HYDAC]
HYDAC Technologie GmbH, Servicecenter Werk 1 Industriegebiet, D 66280 Sulzbach/Saar

[Iser 84]
Isermann, R.(Hrsg.):
Überwachung und Fehlerdiagnose - Moderne Methoden und ihre Anwendung bei technischen Systemen. Düsseldorf, VDI-Verlag, 1994

[Melt]
Meltzer, G.:
Stand und Tendenzen der Schwingungsüberwachung und -diagnostik / Innovative Diagnosetechnik. VDI Berichte Nr. 1466, 1999

[Most 98]
-: MOTORSTATUS Integrated 'Smart Sensor' for Monitoring AC Induction Motors. Prospekt STATUS Technologies a Subsidiary of CSi, Knoxville TN 1998

[Nurm 98]
Nurmi, J.:
Dieselelectric machenery - Enviromental aspects fuelemissions. Schiff & Hafen 10/1998

[Pahl 98]
Pahl, J.-P. (Hrsg.):
Instandhaltung , Arbeit - Technik - Bildung. Seelze-Velber Kallmeyer`sche Verlagsbuchhandlung 1998

[Prom 97]
-: Modulares Process Monitor System PROMOS. Prosekt PDA 235.097.GE, PROMETEC GmbH Aachen 1997

[Scha 98]
-: Schutz vor Lagerschäden im Schiffsbetrieb (Schaller Automation, Blieskastel) Schiff & Hafen 10/98 S. 139/140

[Schrü 84]
Schrüfer, E.:
Zuverlässigkeit von Meß- und Automatisierungseinrichtungen. München Carl Hanser Verlag, 1984

[StFö 90]
Sturm, A., Förster, R.:
Maschinen und Anlagendiagnostik. Stuttgart B.G. Teubner 1990

[Sure 98]
Surek, D.:
Anlagenüberwachung und Pumpendiagnose. Beiträge des IBZ Hohen Luckow e.V. 6 (1998) 2 S. 185 - 200

[Trop 99]
Troppens, D.:
Technische Diagnose wichtiges Hilfmittel für das CAE (Computer Aided Engineering). Wismar Referateband zum 3. Beckmannkolloquium (Vortr. 67) 1999

[VoSN 97]
Vogt, R., Schlemmer-Kelling, U., Nagel, N.:
Modernes Motormanagement - Ein Baustein für zuverlässige emissionsarme Schiffsdieselmotoren. Jahrbuch der Schiffbaut. Gesells. 91. Bd. (1997) S.317 - 324

[WeBu 99]
Wehner, K., Busse, W.:
Zustandsabhängige Prozeßführung von Schiffsantriebsanlagen. Vortrag auf Mari 99, veröffentl. in Beiträge des IBZ Hohen Luckow e.V. 1999 in Vorbereitung

[Wern 98]
Werner, G.-W. (Hrsg.):
Praxishandbuch Instandhaltung. Augsburg WEKA-Verlag 1998