Vorausschauende Wartung von Leitungen

Andreas Mühlbauer,

Das Kabel tauschen, bevor es bricht

Ungeplante Stillstände zu vermeiden ist das Ziel der vorausschauenden Wartung. Doch wie lässt sich vorhersagen, wann ein Kabel ausfällt? Attraktiv ist eine Lösung, die ohne Änderungen an der Leitung auskommt. 

Im Testlabor von Lapp. © Lapp

Wenn von der Digitalisierung in Fabriken und von Industrie 4.0 die Rede ist, fällt den meisten als erstes Predictive Maintenance ein, die vorausschauende Wartung. Die Hoffnung: Man tauscht Teile aus, bevor sie ihren Geist aufgeben, und nicht erst wenn die Maschine bereits stillsteht. Als Basis dient eine große Menge an Sensordaten, die Rückschlüsse auf die Alterung des Teils zulassen. Leitungen standen bisher weniger im Fokus dieser Anwendung, weil sie üblicherweise viele Jahre halten und vergleichsweise kostengünstig sind. Dennoch sollte man die Bedeutung der Verkabelung nicht unterschätzen. Ein defektes Kabel kann eine ganze Produktion lahmlegen und hohe Folgekosten nach sich ziehen. Vor allem hochdynamische, komplexe Bewegungen belasten die Verbindungssysteme stark. „Deshalb wollten wir eine Lösung anbieten, die sich meldet, bevor eine Leitung ausfällt“, sagt Guido Ege, Leiter Produktentwicklung und -management bei Lapp.

Das Team von Guido Ege hat sich zu Beginn des Projekts auf Ethernet-Leitungen fokussiert, weil die industrielle Datenkommunikation in den Anlagen und der Maschinenvernetzung eine immer wichtigere Rolle spielt. Ethernet-Leitungen haben einen komplexen Aufbau und müssen anspruchsvolle Hochfrequenzeigenschaften erfüllen. Eine gebrochene Abschirmung führt zu erhöhten EMV-Störungen. Wenn Litzen brechen, nimmt die Dämpfung zu und die Datenrate sinkt. Bricht eine Ader vollständig, kommt es zum Totalausfall der Kommunikation.

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Die Predictive Maintenance Box ist klein wie eine Zigarettenschachtel und wird einfach in die zu überwachende Leitung eingeschleust. Für eine angeschlossene SPS ist sie nicht sichtbar. © Lapp

Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, das Alterungsverhalten und daraus den optimalen Austauschzeitpunkt einer Leitung vorausberechnen, sodass die Produktion möglichst wenig gestört wird. Dazu werden die Übertragungseigenschaften von Datenleitungen und deren Veränderungen überwacht, was eine Berechnung der voraussichtlichen Lebensdauer zulässt. Ethernet-Leitungen seien nur der erste Schritt, so Ege. Im nächsten Schritt sollen auch stromführende Leitungen überwacht werden. „Wir wollen mithelfen, Fabriken smart, zuverlässiger und transparenter zu machen, und da ist Predictive Maintenance ein Schlüssel.“

Keine Opferader nötig

Vorgabe bei der Entwicklung war, dass das System ohne Veränderung des Leitungsaufbaus auskommt, also ohne zusätzliche Mess- oder Opferader im Kabel. Diese zusätzlichen Adern erfordern einen erhöhten Aufwand bei der Installation. Bei der Lösung von Lapp sollten ein Protokoll und ein spezieller Algorithmus genügen. Dadurch lassen sich Standard-Ethernet-Leitungen sowie Standard-Steckverbinder wie RJ45 oder M12 verwenden. Der Installateur schließt die Leitungen wie gewohnt an und muss keine zusätzlichen Opferadern verbinden. Dieser Ansatz hat zudem den Vorteil, dass auch ein Retrofit bestehender Anlagen möglich ist.

Die Etherline Torsion Cat 7 ist eine Hochgeschwindigkeitsleitung für industrielles Ethernet. © Lapp

Bei dieser Lösung erfolgt die Messung in der sogenannten Predictive Maintenance Box, kurz PMBx. Sie hat zwei Ethernet-Ports und wird einfach am Anfang der zu überwachenden Leitung eingeschleust. Die Datenpakete gelangen transparent und nahezu ohne Verzögerung vom einen Ethernet-Port zum anderen. Für eine angeschlossene SPS ist die PMBx daher nicht sichtbar, sie hat keinen Einfluss auf die Datenübertragung und die Funktion der Steuerung. Damit eignet sie sich auch für bestehende Anlagen, ohne dass Änderungen an der Software der SPS notwendig sind.

Die entscheidende Größe für die Ausfallprognose ist der „Lapp Predictive Indicator“, der auf mehreren übertragungsrelevanten Parametern basiert. Dadurch sind auch Plausibilitätsprüfungen möglich, um Fehlinterpretationen von Messwerten zu verhindern. Im hauseigenen Testzentrum hat Lapp für seine Energiekettenleitungen Messwerte im Big-Data-Ansatz gesammelt und anschließend durch mathematische Algorithmen analysiert. Die Daten analysiert das Unternehmen während des Entwicklungsprozesses in der PMBx, das kann aber je nach Kundenwunsch auch später in der Cloud geschehen. Je mehr Daten es gibt, auch aus dem Betrieb beim Kunden, umso genauer wird die Vorhersage. Lapp prüft nach den ersten Testläufen im eigenen Logistikzentrum die Anwendung von Machine-Learning-Ansätzen, um die Vorhersagequalität des Algorithmus zu verbessern. Zukünftig soll es möglich sein, eine Restlebensdauer zu berechnen, die abhängig vom Bewegungsprofil der Leitung ist. Denn der gleiche Leitungstyp kann in unterschiedlichen Anwendungen unterschiedlich lange halten. Damit lässt sich der passende Austauschzeitpunkt planen und ein Zeitraum nutzen, zu dem die Anlage ohnehin stillsteht, zum Beispiel während einer Umrüstung oder zeitgleich mit anderen Wartungsvorgängen.

Neue technische Lösungen in konkreten Anwendungen testen

Guido Ege, Leiter Produktentwicklung und -management bei Lapp. © Lapp

„Wir sind mit einigen Interessenten und Pilotkunden im Gespräch, mit denen wir unsere Lösung in die konkreten Anwendungen integrieren und auf den Kunden zuschneiden wollen“, sagt Ege. „Dazu gehört auch ein passendes Geschäftsmodell, das wir in der Folge entwickeln wollen.“

Erfolgsgarant war ein neuer Innovationsprozess namens „Innovation for Future“. Damit will das Unternehmen auch radikale und disruptive Innovationen ermöglichen, für die zum Beispiel ein klassischer Stage-Gate-Prozess ungeeignet ist. Innovation for Future hat drei Anforderungen: Es muss eine technische Lösung vorliegen, man muss mit mindestens einem potenziellen Kunden sprechen und man muss ein Business Model Canvas erstellen. Guido Ege ist optimistisch, dass sich Lapp damit tiefgreifend verändern wird. „Innovation for Future schafft die Freiräume, damit wir uns weiter vom Anbieter physischer Produkte zum Anbieter von System-lösungen entwickeln können.“

Bernd Müller, freier Journalist / am

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