Instandhaltung

Der Begriff Industrie 4.0 wurde erstmals 2011 eingeführt. Dabei ging es um die Automatisierung der Produktion durch moderne Technologien und das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Ziel war es, Maschinen und Systeme zu entwickeln, die ohne menschliches Eingreifen arbeiten können. Im Rahmen von Industrie 4.0 steht Instandhaltung 4.0 (Maintenance 4.0) bzw. Instandhaltungsmanagement 4.0 (Maintenance Management 4.0) für den Übergang zu einem stärker datenzentrierten Ansatz für die Instandhaltung und das Anlagenmanagement.

Dabei kommen Technologien wie Computerized Maintenance Management Systems (CMMS), visuelle Inspektionswerkzeuge für die Fernüberwachung und -inspektion, IoT-Sensoren zur Zustandsüberwachung für die vorausschauende Wartung, Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) für die Fernwartung und -schulung sowie Cloud-Technologien für ein optimiertes Datenmanagement und Analysen zum Einsatz.

Diese Technologien werden in diesem Artikel näher beschrieben. Wartungstechniker können nun fundiertere, datengestützte Entscheidungen treffen, die die Betriebseffizienz verbessern und die Lebensdauer der Anlagen verlängern.

Im Rahmen von Industrie 5.0 ist Instandhaltung 5.0 (Maintenance 5.0) ein fortschrittliches Konzept, das auf den Grundlagen von Instandhaltung 4.0 aufbaut. Es beinhaltet einen menschzentrierten Ansatz und ermöglicht die Fernüberwachung und -steuerung von Instandhaltungsprozessen. Entscheidend für den Erfolg dieses Konzepts ist die harmonische Zusammenarbeit von Mensch, Hardware und Software. Die Voraussetzungen für Instandhaltung 5.0 sind die Weiterentwicklung der fortschrittlichen Technologien von Industrie 4.0. Das Internet der Dinge wird sich zum Internet of Everything (IoE) weiterentwickeln und Cyber-Physical Systems werden sich beispielsweise zu Cognitive Cyber-Physical Systems weiterentwickeln.

Instandhaltung 5.0 zielt darauf ab, ein intelligenteres, effizienteres und nachhaltigeres Ökosystem für die Instandhaltung zu schaffen, indem innovative Technologien eingesetzt werden und eine engere Synergie zwischen Mensch und Maschine gefördert wird. Dazu werden interaktivere digitale Zwillinge, umfassende IoT- und Edge-Computing-Lösungen für die Datenverarbeitung in Echtzeit sowie fortschrittliche Robotertechnologien für flexible und ferngesteuerte Wartungsarbeiten eingesetzt.

Im Instandhaltungsmanagement 5.0 können KI-fähige Roboter Maschinenausfälle vorhersagen und Maßnahmen zu deren Vermeidung vorschlagen. Menschliche Wartungstechniker validieren diese Vorhersagen und stellen ihr Wissen zur Verfügung, um die von den Robotern verwendeten Vorhersagemodelle zu optimieren. Auf diese Weise wird die symbiotische Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine (Human-Robot-Collaboration (HRC)) deutlich, die im Mittelpunkt der Instandhaltung 5.0 steht.

Um einen optimalen Instandhaltungsplan erstellen zu können, muss der Instandhaltungsplaner die verschiedenen Arten der Instandhaltung kennen. Das Ziel von Instandhaltungsstrategien ist es, den effizienten, sicheren und kontinuierlichen Betrieb von Systemen, Maschinen und Infrastrukturen zu gewährleisten. Das Ergebnis: autonome Instandhaltung, reduzierte Ausfallzeiten und Kosten. Die Instandhaltung kann in eine der folgenden Kategorien eingeteilt werden:

1. Vorbeugende Instandhaltung: Geplante Wartungsaktivitäten oder Wartungen, die in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden, um Ausfälle von Anlagen zu verhindern und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Diese Strategie wird derzeit am häufigsten in den Bereichen Digitalisierung der Industrie, Digitalisierung des Bauwesens und Digitalisierung des Verkehrs eingesetzt.
2. Korrigierende Instandhaltung / Reaktive Instandhaltung: Reparaturen, die nach einem Ausfall durchgeführt werden, um den Betriebszustand der Anlage wiederherzustellen. Auch bekannt als „Run-to-Failure Maintenance“ oder „Breakdown Maintenance“. Korrigierende Instandhaltung kann entweder geplant („Planned Corrective Maintenance“ (CPL)) oder ungeplant („Unplanned Corrective Maintenance“ (CNP)) durchgeführt werden.
3. Zustandsorientierte Instandhaltung: Wartungsaktivitäten, die durch den tatsächlichen Zustand der Ausrüstung ausgelöst werden, wie er durch Echtzeitdaten und Überwachung angezeigt wird.
4. Planmäßige Instandhaltung: Instandhaltungsmaßnahmen, die im Voraus geplant und nach einem festgelegten Zeitplan durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit und Leistung der Ausrüstung unabhängig von ihrem tatsächlichen Zustand zu gewährleisten.
5. Vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance, PdM): Nutzt Datenanalyse, künstliche Intelligenz, Überwachungstechnologien wie IoT-Sensoren und integrierte Systeme, um Anlagenausfälle vorherzusagen und die Wartung rechtzeitig zu planen, um Ausfälle zu vermeiden. Die Informationen werden von Sensoren und Software wie Enterprise Resource Planning (ERP) und Enterprise Asset Management (EAM) gesammelt.
6. Risikobasierte Instandhaltung: Priorisierung von Instandhaltungsaktivitäten auf der Grundlage des Risikos, wobei die Ressourcen auf die Anlagen mit dem höchsten Ausfallrisiko konzentriert werden.
7. Zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung (Reliability-Centered Maintenance, RCM): RCM wurde zuerst in der Luftfahrtindustrie eingesetzt und ist ein systematischer und unternehmensorientierter Instandhaltungsansatz zur Optimierung von Instandhaltungsprogrammen. Unternehmen, die RCM anwenden, nutzen auch Asset Condition Monitoring, Instandhaltungsplanung, vorbeugende Instandhaltung und vorausschauende Instandhaltung.
8. Proaktive Instandhaltung: Eine Kombination aus vorbeugender und vorausschauender Instandhaltung. Der Schwerpunkt liegt auf der Ermittlung und Beseitigung der Ursachen von Anlagenausfällen, um ein erneutes Auftreten zu verhindern und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.
9. Zeitabhängige Instandhaltung (Time-Based Maintenance, TBM): Wartungsarbeiten, die unabhängig vom Zustand der Anlage in festgelegten Zeitabständen auf der Grundlage von Herstellerempfehlungen oder historischen Daten durchgeführt werden.
10. Notfallinstandhaltung (Emergency Maintenance): Sofortige, nicht geplante Instandhaltungsmaßnahmen zur Reparatur von Geräten, die unerwartet ausgefallen sind und den normalen Betrieb gestört haben.
11. Vorhersagende Instandhaltung (Prescriptive Maintenance, RxM): Eine fortschrittliche Instandhaltungsstrategie, die nicht nur Ausfälle vorhersagt, sondern auch spezifische Maßnahmen zur Behebung potenzieller Probleme und zur Optimierung der Anlagenleistung empfiehlt. Der nächste Schritt nach der vorausschauenden Instandhaltung.
12. Smart Maintenance: Nutzt fortschrittliche Technologien wie IoT, künstliche Intelligenz und Big-Data-Analysen, um Instandhaltungsaktivitäten kontinuierlich zu überwachen, zu analysieren und zu optimieren und so die Anlagenleistung und -zuverlässigkeit durch Echtzeiteinblicke und Vorhersagefunktionen zu verbessern. Eine Unterkategorie der intelligenten Instandhaltung ist die schlanke intelligente Instandhaltung (Lean Smart Maintenance, LSM). Dieser Ansatz kombiniert Lean-Prinzipien mit Smart Maintenance-Technologien, um Verschwendung zu beseitigen, die Effizienz zu steigern und den Wert von Instandhaltungsprozessen zu maximieren.

IoT-Produkte für die Instandhaltung sind eng mit der Zustandsüberwachung verbunden. IoT- oder Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsgeräte ermöglichen die kontinuierliche Überwachung der Umgebung, in der sie installiert sind. Zu diesen Geräten gehören Sensoren, IoT-Gateways, Aktoren, Messgeräte und speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs).

Mit Datenerfassungssystemen werden Daten gesammelt und für die Analyse aufbereitet. Konnektivitätsgeräte übertragen diese Daten an zentrale Cloud-Speicher oder Analysesoftware. Dazu werden kabelgebundene Netzwerke, Mobilfunknetze wie 5G oder Wi-Fi (WLAN IoT) verwendet.

An der Instandhaltung können verschiedene Teams und Abteilungen beteiligt sein, die die gleichen Softwaretools benötigen, um Wartungsarbeiten effizient zu planen und zu dokumentieren. Zu diesem Zweck werden Mehrbenutzerlizenzen verwendet, die es Unternehmen ermöglichen, eine bestimmte Instandhaltungssoftware auf mehreren Arbeitsplätzen oder Geräten zu installieren und zu verwenden.

OPC UA ermöglicht die interoperable Kommunikation zwischen Sensoren und Geräten unterschiedlicher Hersteller. Datenanalysesoftware wie KI und maschinelles Lernen können eingesetzt werden, um die erfassten Daten zu verarbeiten und zu analysieren. Dies wiederum ermöglicht eine vorausschauende Wartung.

Auch RFID- und NFC-Tags werden zur Optimierung der Wartung eingesetzt. Diese Tags enthalten alle relevanten Daten, die das Wartungspersonal benötigt, und werden von RFID- oder NFC-fähigen Geräten gelesen. Auf diese Weise können der Wartungsleiter und das Wartungspersonal auf die Wartungsdaten zugreifen und die Wartungshistorie und Wartungsprotokolle für jedes einzelne Produkt, Gerät oder System einsehen.

Die Instandhaltung ist eine Multimilliarden-Dollar-Industrie. Laut der Online-Plattform „Finances Online“ wird der weltweite Markt für CMMS-Software bis 2026 auf über eine Billion US-Dollar anwachsen. In der Fertigungsindustrie werden im Jahr 2020 weltweit 76 Prozent der Unternehmen auf vorbeugende Instandhaltung setzen. 60 Prozent der Unternehmen führten reaktive Instandhaltung durch. Schätzungen zufolge werden bis 2024 mehr als 4 Mrd. USD in Augmented Reality und Virtual Reality für die industrielle Instandhaltung investiert.

Die Einführung von IoT-Technologien für die Instandhaltung ist jedoch weltweit noch nicht weit verbreitet. Nur etwa 9 Prozent der Fertigungsunternehmen nutzen industrielle IoT-Technologien und Cloud-Computing-Tools. 32 Prozent der befragten Instandhaltungsmanager glauben, dass IoT ihnen helfen kann, den Zustand von Maschinen zu verstehen. 27 Prozent glauben, dass das IoT helfen kann, Maschinenausfälle vorherzusagen und zu verhindern.

Ziel der Instandhaltung ist es, die maximale technische Verfügbarkeit und Funktionalität von Werkzeugen, Geräten und Systemen zu gewährleisten. Die Instandhaltung kann im privaten, gewerblichen und industriellen Bereich durchgeführt werden und ist wichtig für die Gewährleistung der Sicherheit. Aus diesem Grund ist die Instandhaltung z. B. von Eisenbahnen, Zügen, Brücken und Flugzeugen besonders geregelt.

Die folgenden Lösungen zeigen erfolgreiche Beispiele aus der Praxis, wie drahtlose IoT-Technologien effizientere Wartungsprozesse ermöglichen. Dabei werden Bereiche wie die Reifenindustrie, das Bauwesen und die Digitalisierung im Gesundheitswesen abgedeckt.

Durch die technologische Entwicklung wird die Instandhaltung immer intelligenter und automatisierter. Im Zuge der Digitalisierung sind verschiedene Begriffe wie Instandhaltung 4.0, intelligente Instandhaltung, Predictive and Health Management (PHM) und digitale Instandhaltung entstanden. Intelligente Fabriken erfordern beispielsweise intelligente Instandhaltungsstrategien.

Das industrielle Internet of Things (IIoT), Big-Data-Lösungen, Cloud Computing, erweiterte Realitätstechnologien wie AR und VR, additive Fertigung und autonome Roboter sind die wichtigsten Voraussetzungen für die digitale Instandhaltung. Diese Technologien sind die Zukunft intelligenter Instandhaltungssysteme.

Diese Technologien lernen über Assets wie Maschinen, Werkzeuge oder Anlagen, treffen Vorhersagen über deren Leistung und Zustand und ermöglichen die notwendigen Hardware-Instandhaltungsaufgaben, um die Funktionalität der Assets zu erhalten.

Trotz der zunehmenden Automatisierung von Wartungsaufgaben bleibt menschliches Personal ein unverzichtbarer Bestandteil der Instandhaltung. Menschliche Arbeitskräfte überwachen und warten die automatisierten Systeme und sind auch für komplexe Aufgaben wie Qualitätskontrolle und Inspektion unverzichtbar. Der aufkommende Trend zu Wearables unterstützt das menschliche Bedien- und Wartungspersonal. Dazu gehören Augmented-Reality-Brillen und sprachgesteuerte Headsets. Sie ermöglichen die Fernsteuerung von Arbeitern.

Immer mehr Hersteller stellen langsam auf digitalisierte Instandhaltungsstrategien um. Das Interesse am Einsatz fortschrittlicher Technologien und datengestützter Lösungen zur Optimierung von Wartungsaktivitäten nimmt zu. Dadurch können Maschinenstillstände reduziert oder vermieden und somit Kosten eingespart werden.

Dennoch zögern viele Unternehmen noch, intelligente Instandhaltungsstrategien einzuführen. Häufig gestellte Fragen sind: Wie erfolgt der Übergang von der vorbeugenden zur vorausschauenden Instandhaltung? Wie wird der Wert der Daten bestimmt und welche Daten und Datenqualität werden benötigt? Sind Unternehmen und Kunden bereit für neue Geschäftsmodelle? Wie können Anlagen mit dem IoT verbunden werden? Sind Investitionen in eine neue IT-Plattform notwendig?

Computerized Maintenance Management Systems (CMMS), auch bekannt als Computerized Maintenance Management Information Systems (CMMIS), ist eine Softwarelösung zur Automatisierung und Effizienzsteigerung der Instandhaltung.

CMMS wird in Branchen eingesetzt, in denen die physische Infrastruktur wichtig ist. Dazu gehören die Öl- und Gasindustrie, die Fertigungsindustrie, die Digitalisierung der Bauindustrie und die Digitalisierung des Transportwesens.

Moderne CMMS-Systeme sind Cloud-basiert und mobil. Das Herzstück eines CMMS-Systems ist eine Datenbank mit einem Datenmodell. Hier werden die Informationen über die zu wartenden Anlagen organisiert. Informationen wie Kaufdatum, Garantieinformationen und Wartungshistorie werden gespeichert.

Die Verwaltung von Arbeitsaufträgen (Work Order Management) ist die Hauptfunktion eines CMMS-Systems. Es automatisiert die Erstellung von Arbeitsaufträgen und ermöglicht die Verwaltung von Materialien und MRO-Ausrüstung (Maintenance and Repair Operation). Der Status aller Assets kann in einem CMMS-System überprüft werden und die Ausfallzeiten der Assets können verfolgt werden. Die Instandhaltungskosten werden ebenfalls dokumentiert. CMMS unterstützt die vorbeugende Wartung durch die Planung regelmäßiger Wartungsaktivitäten, um Anlagenausfälle zu vermeiden und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.

Ein CMMS-System kann in andere Systeme wie Enterprise Resource Planning (ERP)-Systeme, Building Automation Systems (BAS) und Building Management Systems (BMS) integriert werden. Dadurch erhält das Wartungspersonal einen umfassenderen Überblick über die Wartungsarbeiten.

Virtuelle Inspektionswerkzeuge für die moderne Instandhaltung sind fortschrittliche Technologien, die eine effiziente und genaue Ferninspektion von Geräten und Anlagen ermöglichen. Diese Tools nutzen verschiedene Technologien, um Instandhaltungsprozesse zu optimieren und hohe Sicherheitsstandards und betriebliche Effizienz zu gewährleisten. Nachfolgend sind einige wichtige Beispiele für virtuelle Inspektionswerkzeuge aufgeführt:

Drohnen, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), Robotik und Unmanned Ground Vehicles (UGVs) können mit hochauflösenden Kameras und Sensoren ausgestattet werden, um gefährliche oder schwer zugängliche Bereiche zu inspizieren. Sie liefern Visualisierungen und Daten in Echtzeit und erhöhen die Sicherheit des Wartungspersonals.

Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) Technologien ermöglichen es dem Wartungspersonal, Geräte und Prozesse in einer virtuellen Umgebung zu visualisieren. AR kann digitale Informationen über physische Objekte einblenden und so die Fehlersuche und Schulung in Echtzeit und aus der Ferne unterstützen. VR simuliert komplexe Wartungsszenarien für Schulungs- und Planungszwecke.

IoT-Sensoren und intelligente Geräte werden auch als virtuelle Inspektionswerkzeuge eingesetzt. IoT-Sensoren können an Geräten angebracht werden, um verschiedene Parameter wie Temperatur, Vibration und Druck zu überwachen. Damit ermöglichen sie die Zustandsüberwachung von Anlagen. Diese Sensoren liefern kontinuierlich Echtzeitdaten, die eine vorausschauende Wartung und die Früherkennung potenzieller Probleme ermöglichen.

Fernüberwachungssysteme nutzen eine Kombination aus Sensoren, Kameras und Software, um Anlagen aus der Ferne zu überwachen. Sie liefern Echtzeitdaten und Warnmeldungen, so dass Wartungsteams Diagnosen und Inspektionen durchführen können, ohne physisch anwesend zu sein. Auch Datenbrillen werden für die Fernwartung und -inspektion eingesetzt.

Mobile Anwendungen unterstützen das Wartungspersonal bei der Durchführung von Inspektionen über Smartphones oder Tablets. Diese Apps enthalten häufig Funktionen zur Datenerfassung, Fotodokumentation und Integration in CMMS, was effiziente und genaue Inspektionen erleichtert.

Die Implementierung von Smart Maintenance ist mit verschiedenen Herausforderungen verbunden.

Beim Einsatz von KI in Unternehmen für Smart Maintenance müssen große Datenmengen bereitgestellt werden, damit die KI richtig trainiert werden kann. Unternehmen müssen Datenmanagementstrategien umsetzen, die es ihnen ermöglichen, große Datenmengen über einen längeren Zeitraum zu sammeln und zu analysieren. Eine voreingenommene KI kann zu Fehlalarmen und unnötigen Ausfallzeiten führen.

Smart Maintenance erfordert die Auswahl der richtigen Datenerfassungsgeräte. Um die richtigen Geräte auszuwählen, müssen Unternehmen genau wissen, welche Parameter überwacht werden müssen. Die Verwaltung großer Datenmengen stellt hohe Anforderungen an die Dateninfrastruktur. Datensicherheit und Datenschutz sind ebenfalls von großer Bedeutung, da vernetzte Technologien das Risiko von Cyberangriffen erhöhen.

Bei der Einführung von Smart Maintenance können hohe Implementierungskosten für die Integration von IoT-Sensoren, CMMS und Predictive-Analytics-Systemen entstehen. Die Integration in bestehende IT-Infrastrukturen und Maschinenparks kann komplex und zeitaufwändig sein.

Es besteht ein Mangel an Fachkräften mit den erforderlichen technischen und IT-Kenntnissen. Für die Umsetzung intelligenter Instandhaltungsstrategien ist ein entsprechendes technisches Wissen über die Anlagen erforderlich. Das Instandhaltungspersonal muss entsprechend geschult werden.

Auch die Skalierbarkeit von Lösungen über verschiedene Standorte hinweg kann schwierig sein. Die effiziente Fernwartung von Anlagen, Maschinen oder Geräten, die sich in abgelegenen Gebieten befinden oder in rauen Umgebungen betrieben werden, stellt eine Herausforderung dar.

Neue Wartungsmodelle, KI, maschinelles Lernen und Augmented Reality sind nur einige der aktuellen Trends in der Instandhaltung.

Maintenance-as-a-Service (MaaS)

Maintenance-as-a-Service (MaaS) ist ein abonnementbasiertes Modell, das für die Rationalisierung von Instandhaltungsprozessen und die Optimierung der Gesamtanlagenleistung entscheidend ist. Dieses Modell gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Cloud Computing und Cloud-basierte Geschäftsmodelle die industrielle Instandhaltung verändern.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen

Durch den Einsatz von KI und maschinellem Lernen wird die vorausschauende Wartung intelligenter. Gesammelte Daten werden analysiert und darauf basierend präzise Vorhersagen getroffen. Die auf KI und maschinellem Lernen basierenden Vorhersagen helfen, Entscheidungen zu treffen und die besten Zeitpunkte für Wartungsaktivitäten zu ermitteln.

Augmented Reality (AR)

Augmented Reality (AR) gilt als bahnbrechende Innovation in der Instandhaltung. Vor-Ort- und Fernwartungsmitarbeiter können beispielsweise mit Hilfe von AR-Brillen in Echtzeit geführt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Mitarbeiterschulungen.