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Maintenance im Rahmen von Industrie 4.0 für Unternehmen

Seminararbeit 2017 28 Seiten

BWL - Sonstiges

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Motivation und Wahl der Thematik
1.2 Methodik
1.3 Aufbau und Struktur

2. Grundlagen
2.1 Instandhaltung (Maintenance)
2.1.1 Definition und Ziele von Instandhaltung
2.1.2 Grundmaßnahmen und Strategien von Instandhaltung
2.2 Entwicklung von Industrie 4.0

3. Predictive Maintenance 4.0

4. Anwendungsfälle von Predictive Maintenance
4.1 Vibration- und Temperatur
4.2 Feuchtigkeit und T emperatur

5. Vor- und Nachteile von Predictive Maintenance

6. Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Gebiete der Instandhaltung

Abb. 2: Strategien der Instandhaltung

Abb. 3: Eingliederung von Predictive Maintenance (PdM)

Abb. 4: Vibration and Temperature Sensors: QM42VT Series

Abb. 5: QM42VT - Vibration and Temperature

Abb. 6: DXM Series

Abb. 7: Monolithischer Sensor HMC01 von E+E Elektronik

Abb. 8: EE33 - Feuchte- und Temperaturmessumformer

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Motivation und Wahl der Thematik

Die zunehmende Bedeutung der Wettbewerbsfaktoren Qualität und Kosten auf den Absatzmärkten haben die Anforderungen an die Produkte in die Höhe ge­trieben. Dazu gehören die Anforderungen an die Produktion und Komplexität, welche dazu geführt haben, dass sich die Instandhaltung (englisch: Maintenan­ce) von Maschinen, Anlagen und Komponenten zu einem bedeutenden Wett­bewerbs- und Wertschöpfungsfaktor entwickelt hat. (vgl. Reichel, Müller, 2009, S. X)

Der volkswirtschaftliche Umsatz der Instandhaltung wird auf 380 Mrd. Euro ge­schätzt und gehört zu den umsatzstärksten Industriezweig in der Bundesrepublik Deutschland (vgl. Strunz, 2012, S. 6-7). Heute ist die Instandhaltung in den pro­duzierenden Unternehmen fest verankert und ermöglicht eine zuverlässige und kosteneffiziente Produktion sowie die Aufrechterhaltung des funktionsfähigen Zustands. (vgl. Reichel, Müller, 2009, S. V)

Das Unternehmen Bilfinger SE Segment Industrial erzielte im Jahr 2015 einen Inlandsumsatz in Höhe von rund 534 Millionen Euro und gehörte im genannten Jahr zu den wichtigsten Unternehmen der industriellen Instandhaltung in Deutschland (vgl. Statista, 2017a). Besonders der Umsatz der Instandhaltungs­branche von Lastkraftwagen (LKW) ist in den letzten Jahren in Deutschland kon­tinuierlich gestiegen. Im Jahr 2008 lag der Umsatz bei 17.39 Millionen und ist in­nerhalb von 5 Jahren auf 25.98 Millionen Euro gestiegen (vgl. Statista, 2017b). Die Ausgaben für die Instandhaltung des Schienennetzes der Deutschen Bahn AG betrugen im Jahr 2015 rund 3.7 Milliarden Euro. Laut der Prognose des Bundes werden diese im Jahr 2019 auf 4.3 Milliarden Euro steigen (vgl. Statista, 2017c).

Seit etwa drei Jahren hat die Digitalisierung und Vernetzung in der Produktion rasant an Bedeutung gewonnen und lässt bisher ungeahnte Nutzenpotentiale zu. Modernste Informations- und Kommunikationstechniken verändern nach­haltig die Art und Weise der Produktion. Maschinen, Anlagen, Logistik und Pro­dukte müssen zur Kooperation miteinander vernetzt sein. Das Zeitalter der In­dustrie hat sich zur vierten industriellen Revolution weiterentwickelt und ermög­licht mit der digitalen und vernetzten Produktion den Unternehmen sich am Markt zu differenzieren und die Produktivität zu steigern. (vgl. Heise, 2015)

Die Unternehmen aus den Branchen wie Maschinen- und Anlagebau, Elektro­technik, Automobilherstellung und chemische Industrie können davon profitie­ren. Besonders große Konzerne der Branche Maschinen- und Anlagenbau be­schäftigen sich verstärkt mit der Einführung der Industrie 4.0. Bereits 43 Prozent der IT-Unternehmen bieten im aktuellen Jahr 2017 Dienstleistungen und Pro­dukte für die vierte industrielle Revolution an und 53 Prozent der Unternehmen planen oder können sich vorstellen spezielle Dienstleistungen oder Produkte für die Industrie 4.0 zu entwickeln. (vgl. Heise, 2017)

Mit der zunehmenden Relevanz der Digitalisierung und Instandhaltung hat sich Predictive Mainentance, kurz PdM, als eine beliebte und moderne Instand­haltungsstrategie durchgesetzt. Es hat in letzter Zeit viel an Aufmerksamkeit gewonnen und gehört mittlerweile zu einem wichtigen Werttreiber in der Indust­rie 4.0. PdM soll durch die vorausschauende Instandhaltung die Maschinen und Anlagen reparieren, bevor sie kaputtgehen und das Einsparpotenzial soll hoch sein (vgl. Wang et al., 2015, S. 97-98). Das amerikanische Schienenverkehrsun­ternehmen Union Pacific Railroad spart dank PdM bereits jährlich rund 100 Milli­onen Dollar ein (vgl. Hannovermesse, 2017).

Die vorliegende Arbeit verfolgt an erster Stelle das Ziel, Predictive Mainentance eingehend zu erläutern. Daraufhin sollen auf die Beispiele für Anwendungsfälle eingegangen werden, wobei zwei Systeme von unterschiedlichen Anbietern vor­gestellt werden sollen. Sinn und Zweck dabei ist es, die erforderliche Grundlage und die Funktionsweise von PdM zu beleuchten. Im letzten Teil des Hauptteils sollen die Vor- und Nachteile und Chancen von PdM erläutert werden.

1.2 Methodik

Die wissenschaftliche Arbeit basiert auf der Durchführung einer systematischen Literaturrecherche. Dabei wird eine systematische, rückwärts und vorwärts ge­richtete Suche angewendet (vgl. Kornmeier, 2013, S. 82 ff.), wobei für den Überblick der Themenfelder die Begriffe „Maintenance", „Instandhaltung", „In­dustrie 4.0" und „Predictive Maintenance" verwendet werden. Die Literatursuche erfolgt in den folgenden Bibliotheken Springer Link, ScienceDirect und Google Scholar. Die Suche nach Statistiken erfolgt in dem Statistik-Portal Statista. Für die Suche nach den Anwendungsfällen von Predictive Maintenance wird die Suchmaschine „ecosia.de" und „google.de" verwendet.

Bei der Ausarbeitung der Thematik werden die gängigen Regeln der For­schungsmethode Review für die Recherche und Auswertung der Literatur an­gewendet. Die Basis für die Methodik bilden die folgenden zwei Artikel: „The Handbook of Research Synthesis and Meta-Analysis von Harris Cooper und Larry V. Hedges", und der Artikel „State-of-the-Art des State-of-the-Art, eine Un­tersuchung der Forschungsmethode „Review" innerhalb der Wirtschaftsinform a- tik von Peter Fettke" (vgl. Cooper et al., 1994, S. 11 ff.; vgl. Fettke, 2006, S. 260). Mit der Anlehnung an die beiden Forschungsmethoden erfolgt die Ausar­beitung der wissenschaftlichen Arbeit nach den Phasen Problemformulierung, Literaturrecherche, Literaturauswertung, Analyse und Interpretation sowie Prä­sentation der Ergebnisse.

Anhand der oben genannten Methodik werden die Grundlagen von „Instandhal­tung" und „Industrie 4.0" erläutert. Daraufhin fokussiert sich die Arbeit auf die Er­läuterung von Predictive Maintenance, die Vorstellung von zwei Anwendungsfäl­len von verschiedenen Anbietern sowie die Erläuterung der Vor- und Nachteile und Chancen von PdM für Unternehmen.

1.3 Aufbau und Struktur

Die Arbeit ist insgesamt in fünf Kapitel gegliedert. Das erste Kapitel stellt die Ein­leitung und Einführung in die Thematik dar, wobei auf die Motivation und Wahl der Thematik sowie die Vorgehensweise und Methodik eingegangen wird.

Das zweite Kapitel umfasst die theoretischen Grundlagen der wesentlichen Be­griffe „Instandhaltung" und „Industrie 4.0", die eine Basis für den weiteren Ver­lauf der wissenschaftlichen Arbeit bilden.

Im dritten Kapitel wird Predictive Maintenance für Unternehmen eingehend er­läutert.

Im vierten Kapitel erfolgt die Beschreibung der Vor- und Nachteile und Chancen von PdM für Unternehmen.

Das fünfte und letzte Kapitel behandelt den inhaltlichen Abschluss der Arbeit. Dieser beinhaltet ein Fazit, in dem eine Zusammenfassung der wesentlichen Er­gebnisse sowie ein Ausblick in die Zukunft wiedergegeben werden.

2. Grundlagen

2.1 Instandhaltung (Maintenance)

2.1.1 Definition und Ziele von Instandhaltung

Die Instandhaltung (englisch: Maintenance) wird laut DIN 31051 wie folgt defi­niert: „Instandhaltung ist die Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Betrachtungs­einheit zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann" (Strunz, 2012, S. 1). In der Volkswirtschaft führt die Instandhaltung einen hohen Stellenwert und ist entscheidend für die Qualität, Produktivität, pünktliche Lieferung sowie für die Gewährleistung einer sicheren Arbeitsumgebung (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 1). Die Ausübung kann jederzeit und an jedem Ort erfolgen. (vgl. Reichel, Mül­ler, 2009, S. 76)

Zu den Hauptzielen der Instandhaltung gehören die Erhöhung und optimale Nutzung der Lebensdauer von Anlagen und Maschinen, die Erkennung und Vermeidung von Störungen und die Steigerung der Produktivität (vgl. Strunz, 2012, S. 1-2). Die Ausfälle sollen analysiert und technische Unterbrechungen in der Produktion vermieden werden (vgl. Strunz, 2012, S. 7). Im Allgemeinen kann die folgende Zielsetzung festgehalten werden: „Kosten gering halten, Kosten­treiber identifizieren und eliminieren“ (Strunz, 2012, S. 7). Zu den weiteren Zie­len gehören die Modernisierung der Betriebsmittel, Verbesserung der Betriebs­sicherheit und Betriebsprozesse sowie die Verbesserung der Planungssicher­heit. (vgl. Strunz, 2012, S. 31)

2.1.2 Grundmaßnahmen und Strategien von Instandhaltung

Die Instandhaltung umfasst laut der DIN-Norm DIN 31051 die vier Grund­maßnahmen: Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung (vgl. Strunz, 2012, S. 3). In der folgenden Darstellung sind die einzelnen Grundmaß­nahmen abgebildet:

Abb. 1: Gebiete der Instandhaltung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: In Anlehnung an Strunz, 2012, S. 3

Die Wartung behandelt Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des Ab­nutzungsvorrats der Betrachtungseinheiten. Die Inspektion beinhaltet die Maß­nahmen zur Festlegung und Bewertung des tatsächlichen Zustandes der Be­trachtungseinheiten und die Bestimmung der Ursachen für die Abnutzung. Dar­aus sollen die erforderlichen Konsequenzen für die künftige Nutzung abgeleitet werden. Die Instandsetzung beschäftigt sich mit den Maßnahmen zur Wieder­herstellung des funktionsfähigen Zustands wie beispielsweise nach einem Aus­fall. Verbesserungen werden hierbei nicht mit einbezogen. Das letzte Gebiet der Instandhaltung ist die Verbesserung und hat die Aufgabe mit seinen Maßnah­men die Funktionssicherheit einer Betrachtungseinheit zu erhöhen, ohne dass die geforderte Funktionalität beeinträchtigt wird. (vgl. Helbing et al., 2010, S. 984)

Basierend auf der DIN EN 13306 werden die Instandhaltungsstrategien in kor­rektive Instandhaltung und präventive Instandhaltung aufgeteilt, welche in der folgenden Abbildung 2 zu sehen sind (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 2).

Abb. 2: Strategien der Instandhaltung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: In Anlehnung an Schmidt, Wang, 2016, S. 2

Die korrektive Instandhaltung, auch bezeichnet als reaktive Instandhaltung, er­folgt sofort oder verzögert nach einem Ausfall oder Defekt. Bei einem Ausfall kann dieser Ansatz hohe Kosten verursachen. Die präventive bzw. proaktive In­standhaltung dagegen ist ein vorbeugender Ansatz, welcher in festgelegten zeit­lichen Abständen oder nach vorgeschriebenen Kriterien zur Reduzierung von Ausfallwahrscheinlichkeiten ausgeführt wird (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 1). Dazu gehören beispielsweise die systematische Inspektion sowie die Identifizie­rung und Reduzierung von eingetretenen Störungen. (vgl. Wang et al., 2007, S. 151-152)

Die präventive Instandhaltung unterteilt sich in „zustandsorientiert“ und „zeitlich festgelegt“. Der erste präventive Ansatz der Instandhaltung erfolgt anhand der Überwachung von Arbeitsweisen und/oder von Messgrößen. Die Überwachung der Messgrößen erfolgt nach den Maßnahmen „nach Plan“, „kontinuierlich“ oder „auf Anforderung“. (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 1-2)

Die zweite Variante der präventiven Instandhaltung wird im Voraus geplant und erfolgt anhand von Zeitintervallen oder Laufzeiten wie der genutzten Leistung und/oder Betriebszeit. Die Zeitintervalle werden vom Hersteller oder vom In­standhaltungspersonal des Unternehmens festgelegt. Maschinen und Anlagen werden zeitbasiert instandgehalten und die Wartungsaktivitäten werden mit der Definition von einem Datum oder Zeitpunkt ausgelöst. Auch gesammelte histori­sche statistische Daten können die Zeitpunkte für die vorbeugende Instandhal­tung definieren. (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 1-2)

Der Nachteil der präventiven Instandhaltungsstrategie ist, dass viele unnötige Instandhaltungsarbeiten durchgeführt werden, denn intakte Komponenten wer­den ausgetauscht und noch verfügbare Restlaufzeiten nicht vollkommen ausge­nutzt. Die verschleißenden Komponenten werden systematisch durch neue er­setzt. (vgl. SPS-Magazin, 2014)

2.2 Entwicklung von Industrie 4.0

Der Begriff Industrie umfasst ein Teil der Wirtschaft, bei dem materielle Güter oder Waren mit einem hohen Grad an Mechanisierung und Automatisierung produziert und weiterverarbeitet werden. Die erste Revolution der Industrie be­gann circa im Jahre 1800, wobei die Mechanisierung im Vordergrund stand. Die Mechanisierung bezeichnet die Unterstützung der menschlichen Arbeitskraft durch den Einsatz von technischen Hilfsmitteln. Die Industrie 2.0 begann Ende des 19. Jahrhunderts und umfasste den verstärkten Einsatz von Elektrizität als Antriebskraft. Der Fortschritt der Digitalisierung durch Elektronik und IT war in den 1970 Jahren der Grund zur nächsten industriellen Revolution „Industrie 3.0".

Seit Ende des 20. Jahrhunderts startete die vierte industrielle Revolution. Unter dem Begriff Industrie 4.0 wird ein Zukunftsprojekt verstanden, welches darauf abzielt, durch moderne Technologie und Produktion die Industrie für die Zukunft zu rüsten. Intelligente und digital vernetzte Systeme ändern die Industrie in der Produktion, Fertigung und Automatisierung. Modulare und effiziente Fertigungs­systeme sollen zukünftig ihre Herstellungsprozesse selbst steuern und gleichzei­tig individuelle Produkte herstellen. (vgl. Lasi et al., 2014, S. 239-240)

Die Definition für Industrie 4.0 lautet nach Bitkom wie folgt: „Der Begriff Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, einer neuen Stufe der Organi­sation und Steuerung der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyk- lus von Produkten. Dieser Zyklus orientiert sich an den zunehmend individuali­sierten Kundenwünschen und erstreckt sich von der Idee, dem Auftrag über die Entwicklung und Fertigung, die Auslieferung eines Produkts an den Endkunden bis hin zum Recycling, einschließlich der damit verbundenen Dienstleistun­gen.“ (Bitkom, 2017)

3. Predictive Maintenance 4.0

Predictive Maintenance (PdM) ermöglicht eine Verschmelzung zwischen der physischen und der digitalen Ebene und gilt als das Kernstück der Industrie 4.0 (vgl. Lasi et al., 2014, S. 240). Es ist eine moderne Instandhaltungsstrategie, wird wie die präventive Instandhaltung vor dem Ausfall ausgeführt und ist be­kannt als eine zustandsorientierte Instandhaltung. Im Gegensatz zur präventiven Instandhaltung überwacht PdM die aktuellen Zustände und erkennt durch digi­tale Techniken und Analysemodelle komplexe Zusammenhänge, aus denen Rückschlüsse auf erzeugbare Produktqualitäten und Produktmengen sowie Vorhersagen für voraussichtliche Ausfälle gezogen werden können. (vgl. Last, Sinaiski, 2011, S. 246)

Es erfasst, analysiert und bewertet die Zustände und Zusammenhänge von Ma­schinen, Anlagen und Komponenten. Im nächsten Schritt wird die Instand­haltung durchgeführt, wenn es tatsächlich notwendig ist. PdM hat das Ziel, mög­lichen Leerlauf oder Schäden zu erkennen, Ausfallwahrscheinlichkeiten vorher­zusagen und die Instandhaltungsarbeiten vor den eintretenden Ausfällen durch­zuführen. (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 1-2)

Laut dem ISO 13381-1 umfasst PdM die folgenden Maßnahmen:

- Vorverarbeitung aller vorhandenen Ausfallarten und Ermittlung von mög­lichen voraussichtlichen Ausfällen
- Prognose und Beurteilung von aktuellen Ausfallarten
- Prognose und Beurteilung von zukünftigen Ausfallarten
- Identifizierung von Wartungsaktivitäten für aktuelle Ausfälle und Einlei­tung von Wartungsmaßnahmen, um voraussichtliche Ausfälle zu vermei­den. (vgl. Schmidt, Wang, 2016, S. 2)

PdM führt bestimmte Aufgaben aus und misst die Parameter für die Optimierung der Lebensdauer von Maschinen und Prozessen ohne die Ausfälle zu erhöhen.

Bei der Umsetzung der PdM-Strategie werden mit Sensoren- und Signaltechni­ken die Messwerte erfasst und mathematische Algorithmen sowie Technologien zur Fehlerdiagnose und Wartungsoptimierung eingesetzt. Aus den erfassten Messwerten werden Prognosen für voraussichtliche Ausfälle gezogen. (vgl. Wang et al., 2015, S. 97-98).

Die folgende Abbildung zeigt die Unterteilung der Instandhaltung in korrektive Instandhaltung, präventive Instandhaltung und vorausschauende Instand­haltung. Die vorausschauende Instandhaltung „PdM“ unterteilt sich in „statisch­orientierte Instandhaltung“ und „zustandsorientierte Instandhaltung“.

Abb. 3: Eingliederung von Predictive Maintenance (PdM)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

Bei der statistisch-orientierten Instandhaltung werden auf Basis von erfassten Daten Analysen für Prognosen durchgeführt, bei denen Kennzahlen erfasst und nach den Häufigkeiten visualisiert werden. Für einen hohen Informationsgehalt ist die Einführung von zusätzlichen Dimensionen erforderlich (vgl. verlag moder­ne industrie GmbH, 2017).

Die zustandsorientierte Instandhaltung beschäftigt sich während der Festlegung von Wartungsintervallen mit den Zuständen und künftigen Verhalten von Ma­schinen, Anlagen und Komponenten, welche Aktivitäten für Wartungen auslösen (vgl. Herterich et al., 2015, S. 9).

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Details

Seiten
28
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668522817
ISBN (Buch)
9783668522824
Dateigröße
820 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v374879
Institution / Hochschule
FOM Essen, Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, Hochschulleitung Essen früher Fachhochschule
Note
1,7
Schlagworte
maintenance rahmen industrie unternehmen

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