Modernste Papiermaschinen und die Technik zur genaueren Überwachung von Maschinenschwingungen ermöglichen große Einsparungen im Sappi-Werk in GratkornFrühzeitiges Erkennen von Maschinenproblemen und geplante Instandsetzung helfen, ungeplanten Maschinenstillstand und damit kostspieligen Produktionsausfall zu vermeiden. Bei Sappi sind die Produktion und die Instandhaltung jeder Anlage in einem Gesamtplan koordiniert. Die Schwingungsüberwachungssysteme von SKF nehmen einen wichtigen Platz bei der Überwachung des Maschinenzustands und der Feststellung von Ausfallursachen ein. Um Lagerprobleme möglichst frühzeitig zu erkennen, verlässt man sich bei Sappi Gratkorn auf die Trend- und Alarmkurven, die anhand der Hüllkurven der Beschleunigungsmessung ermittelt werden. Die Hüllkurventechnik für Beschleunigungsmessung von SKF war für Sappi Gratkorn ein wichtiger Faktor, sich für SKF zu entscheiden.

In Gratkorn wird bereits seit über 400 Jahren Papier hergestellt. Heute ist das Sappi-Werk hier mit einer Produktionsmenge von 470.000 Tonnen jährlich der größte Hersteller weltweit von holzfreiem, beschichtetem Qualitätspapier. Die Zustandsüberwachung von SKF ist seit 1995 im Einsatz und garantiert maximale Fertigungszeit der beiden Papiermaschinen und der beiden separaten Beschichtungsmaschinen. Im Augenblick sind SKF Online-Zustandsüberwachungssysteme und Handgeräte zur Schwingungsüberwachung in fünf europäischen Papierfabriken von Sappi im Einsatz.

Erfolgreiche Aufzeichnungen

Bei der Papermaschine 11 (PM11) wurden SKF Geräte zur Zustandsüberwachung bereits bei der Installation eingebaut. Seitdem werden die Schwingungen der Maschine laufend überwacht. Ein Beispiel mag die Wirksamkeit eines solchen Frühwarnsystems darstellen: Zwischen der Inbetriebnahme der PM11 und dem Verfassen dieses Artikels wurden 25 Probleme an der Anlage entdeckt. Davon wurden 23 so rechtzeitig angezeigt, dass Analyse, Bestimmung des Trends und Reparatur während eines planmäßigen Stillstands der Maschine möglich waren. Die Erfolgsquote liegt damit bei 92 %.

Sappi schätzt den Produktionsausfall durch einen ungeplanten Stillstand der PM11 auf ca. 21.800 Euro pro Stunde. Theoretisch hat die Früherkennung von Maschinenproblemen Sappi in weniger als zwei Betriebsjahren ungefähr 4,3 Millionen Euro an Produktionsausfall eingespart.
Und hier sind noch nicht einmal die Folgekosten eingerechnet, wenn problematische Bauteile bis zum Ausfall betrieben wurden.

Der Erfolg in Gratkorn ist im wesentlichen auf das systematische Vorgehen der Zustandsüberwachung im Werk zurückzuführen. Chefanalytiker Kurt Neiser hat vier Techniker unter sich, die jeder den Zustand einer Maschine überwachen, der Papiermaschinen PM9 und PM11 und der separaten Beschichtungsmaschinen SM9 und SM11.

Von der Installation der Systemhardware über die Messungen zur Datenerhebung bis zur Dokumentation von Systemereignissen wurde jeder Aspekt der Überwachungssysteme systematisch aufbereitet, damit die Anlagen stets optimale Leistung bringen.

Die durchdachte Installation eines Online-Systems zur Schwingungsüberwachung ist entscheidend für den Erfolg. In Gratkorn wurden folgende Punkte berücksichtigt:

• einfache und zuverlässige Installation der Hardware;
• wirksame Schwingungsmessungen, um Probleme an den Papiermaschinen aufzudecken;
• optimale Alarmeinstellungen zum automatischern Erkennen von Maschinenproblemen;
• angemessene Reaktion auf entdeckte Probleme, auch wirkungsvolle Analyseverfahren und -techniken;
• Dokumentation des Schwingungsüberwachungssystems zur bestmöglichen Planung von Reparaturen; und
• Einsatz von Dokumentation für höhere Wirtschaftlichkeit.

Es wurde ein einheitliches Verfahren für jede Maschine vorgegeben, damit zu allen Anlagen die gleichen Informationen übermittelt und die Daten der Überwachungssysteme und Maschinenzustände austauschbar und vergleichbar werden.

Installation der Hardware

Bei einer großen Papiermaschine ist allein die Installation des Überwachungssystems schon eine große Aufgabe.

Schwingungssensoren wandeln mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird gemessen und von der Hardware des Überwachungssystems so „verarbeitet“, dass es Aussagen zu den Schwingungseigenschaften von Maschinenbauteilen erlaubt. In PM11 sind die Lager an beiden Enden der Walzen mit einem Sensor versehen. Alle Sensoren sind wasserfest angeschlossen, nur in der Pressenpartie wurden integrierte Sensorkabel verwendet. Damit die Sensoren auf gekrümmten Flächen (radiale Sensorposition) schnell eingebaut werden können, hat Sappi spezielle Adapterstücke entwickelt. So braucht die Walze für den Einbau der Sensoren nicht abgeflacht zu werden.

In der Pressenpartie sind Sensoren mit integriertem Kabel verwendet. Zur leichteren Wartung sind in Zukunft auch hier wassergeschützte Sensorverbindungen vorgesehen. Die Trockenwalzen der PM11 sind in CARB^®-Lagern von SKF abgestützt. Hier wurden die Sensoren axial angebracht, bei allen anderen Walzen dagegen in radialer Position. Soweit möglich, wurden axiale und radiale Sensoren in der Lastzone des Lagers angebracht, um die Dämpfung des Schwingungssignals möglichst gering zu halten.

Schwingungsüberwachung an Lagern ist aus zwei Gründen wichtig.

Zunächst einmal legt der Totalausfall eines Lagers die Maschine vollständig lahm. Die Überwachung von Veränderungen in den Lagerschwingungen ermöglicht das frühzeitige Erkennen von Lagerproblemen, so dass die Korrektivmaßnahmen im Rahmen der normalen Instandhaltungsarbeiten stattfinden können.
Weil die Lager die Last der Maschine tragen, können sich viele typische Maschinenprobleme wie Unwucht, Schiefstellung und zu großes Spiel durch Schwingungen an den Lagern bemerkbar machen. Durch Überwachung der Lagerschwingungen können Fachleute auch diese typischen Ursachen von Maschinenproblemen erkennen.

Die Sensorkabel werden durch Kabelkanäle aus der Maschine heraus zu Verteilerdosen aus korrosionsbeständigem Stahl geführt. In der Pressenpartie bestehen die Kanäle aus korrosionsbeständigem Stahl, in den anderen Partien aus Aluminium. Die Kabelkanäle sind zwar recht kostspielig, aber sie schützen die Sensorkabel zuverlässig und zeigen, welchen Stellenwert das Überwachungssystem hat.

Die Verteilerdosen sind 20 bis 30 Meter von den jeweiligen Sensoren entfernt. Ihr Standort wird so gewählt, dass sich die optimale Anzahl Sensorkabel anschließen lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Verteilerdosen vor der verunreinigten und feuchten Umgebung unmittelbar an der Maschine geschützt sind.

Die einzelnen Sensorkabel werden über Anschlussklemmleisten mit einem mehradrigen Kabel verbunden, das die Sensorsignale an die SKF Überwachungseinheiten Local Monitoring Units (LMUs) in der Nähe weiterleitet. Die LMUs der PM11 sitzen in Schaltschränken aus Rittal in einem Motorkontrollraum in der Nähe der Verteilerdosen. Die LMUs sind so an einem sauberen, kühlen und trockenen Ort untergebracht, was auch das Arbeiten an der Hardware erleichtert. Normalerweise sitzen drei oder vier LMUs in einen Schaltschrank, und mehrere Schaltschränke
stehen in jedem Motorkontrollraum.

Übersicht über das
Überwachungssystem

Jede Papiermaschine und Beschichtungsmaschine hat ein eigenes Online-Schwingungsüberwachungssystem. Jedes dieser Systeme besteht aus mehreren SKF LMUs, die die Schwingungen der Maschine laufend aufzeichnen. In der PM11 sitzen zum Beispiel 19 LMUs. Eine LMU ist eine eigenständige und programmierbare Überwachungseinheit, die 128 Messungen an bis zu 32 Sensoreingängen durchführen kann. Die Messdaten werden automatisch über ein Netz an einen Zentralrechner weitergeleitet, auf dem die SKF Software PRISM4/On-Line zur Speicherung und Analyse der Messwerte läuft.

In Gratkorn ist jede LMU voll mit 31 oder 32 Sensoreingängen bestückt. Allein 600 Sensoren sind an der PM11 installiert. Jede LMU ist über ein Netz mit dem Online-Rechner des Systems verbunden, der in einem Büro in der Nähe der Maschine steht. Diese Rechner sind wiederum mit einem Zentralrechner im Büro des Schwingungsüberwachungsteams verbunden, wie auch vier Analyserechner. Von ihrem Büro aus überwachen und untersuchen die vier Schwingungstechniker den Zustand ihrer Maschinen.

Der Erfolg eines solchen Systems hängt wesentlich von der Art der Schwingungsmessung ab. In Gratkorn sorgt ein zweistufiger Ansatz für die Lösung von Maschinenproblemen bereits zu einem frühen Zeitpunkt. Zunächst wird jedes Lager mit Hilfe von zwei „Erkennungsmessungen“ überwacht, die Maschinenprobleme bereits in einem frühen Stadium sichtbar machen. Wenn ein Problem angezeigt wird, reagiert das Team mit zusätzlichen Analysemessungen, um das Problem der Papiermaschine auf seine Ausmaße und die
Schadensentwicklung hin zu analysieren.

Die Erkennungsmessungen des Systems müssen schnell und zuverlässig erfolgen und die Alarmwerte richtig eingestellt sein. Dazu braucht man Fachkenntnisse in der Zustandsüberwachung und Schwingungsmessung an Papiermaschinen sowie Erfahrung mit dem „normalen“ Schwingungspegel jedes einzelnen Bauteils. Nur wenn der normale Schwingungspegel bekannt ist, kann überhaupt eine Abweichung festgestellt werden.

Zunächst wird die Maschine während der Inbetriebnahme „eingefahren“. Dabei werden für jedes überwachte Lager Angaben zur Schwingungsentwicklung gesammelt. Wenn die Trendkurve einen dauerhaft stabilen Betriebszustand erkennen lässt, werden die Alarmwerte oberhalb dieser Trendkurve eingestellt. Gegebenenfalls müssen die Alarmwerte verändert werden, etwa nach einer Reparatur oder wenn die Maschine mit einer anderen Geschwindigkeit gefahren wird.

Um das Schwingungssignal jedes Lagers zu isolieren und zu überwachen, wurde die Hüllkurvenmessung der Schwingung eingesetzt. Einfach ausgedrückt: Die Hüllkurve der Beschleunigung filtert alle diejenigen Schwingungssignale aus, die nicht auf typische Lagerschäden zurückgehen. Damit entsteht ein deutlicheres Bild von eventuellen Schadenssignalen vom Lager, so dass die Alarmwerte genauer eingestellt und Probleme am Lager selbst schneller erkannt werden können.

Die andere Erkennungsmessung ist eine Messung der Schwinggeschwindigkeit nach ISO, die in erster Linie Schwingungen erkennt, die auf allgemeine Maschinenschäden wie Unwucht, Schiefstellung und übermäßiges Spiel zurückgehen. Mit diesen beiden Messungen kann das Team fast alle Maschinenprobleme frühzeitig automatisch erkennen. Man verlässt sich vollkommen darauf, dass das System jede Veränderung des Maschinenzustands anzeigt, und die Techniker reagieren nur, wenn das System eine Alarmmeldung ausgibt.

Schadensuntersuchung

Ganz wichtig ist, dass ein Systemalarm normalerweise keinesfalls auf eine Notfallsituation hindeutet. Die Online-Schwingungsüberwachungssysteme erfassen täglich eine Vielzahl von Messungen, und die Messung der Hüllkurve der Schwingung ermöglicht ein frühzeitiges Erkennen von Lagerschäden, so dass Lagerprobleme meist bereits dann entdeckt werden, wenn sie noch nicht gravierend sind. Im allgemeinen ist ausreichend Zeit, um das Problem zu analysieren und zu lokalisieren und dann die Instandsetzung während eines geplanten Maschinenstillstands durchzuführen.

Ursprünglich kam es vor, dass „verdächtige“ Lager zu früh ausgetauscht wurden, einfach weil das System so frühzeitig einen Alarm ausgab. Das Team musste sich erst an die frühzeitige Schadenserkennung der Hüllkurvenmessung der Beschleunigung gewöhnen und entsprechend weniger schnell reagieren. Natürlich gibt es immer Ausnahmen, und die Techniker greifen schnell ein, um Ausfälle zu verhindern, wenn beispielsweise die Schadensanalyse auf einen Riss in der Innenringlaufbahn eines Lagers hindeutet.

Wenn das Überwachungssystem eine Alarmmeldung ausgibt, dann erstellt das Team eine systematische Analyse und Trendbestimmung zur Schwingung des betreffenden Lagers.
Normalerweise werden die Schwingungsdaten eines Lagers – Trendbestimmung und Spektralaufzeichnung – alle zwei Wochen analysiert. Nach einer Alarmmeldung erfolgen diese Analysen jedoch häufiger. Wenn bei dieser Analyse Spektralspitzen bei zugehörigen Lagerfrequenzen entdeckt werden, werden auf die LMU, die dieses Lager überwacht, vier standardisierte Analysemessungen heruntergeladen, so dass insgesamt sechs Messungen an diesem Lager durchgeführt werden.

Diese vier Analysemessungen erzeugen Schwingungsdaten mit höherer Auflösung und ermöglichen so das Erkennen spezieller Problembereiche. Der Techniker kann mit ihrer Hilfe die Art des Problems, seinen Umfang und die Ursache bestimmen. Lagerschäden haben ihre Ursache oft in anderen Maschinen- oder Instandhaltungsschäden, wie etwa Mangelschmierung, unsachgemäßem Einbau oder übermäßiger Belastung aufgrund von Unwucht oder Schiefstellung. Wenn die Ursache behoben ist, tritt auch das Lagerproblem nicht mehr auf.

Das verdächtige Lager wird in eine der fünf Lagerschadensstufen eingeordnet.
Sie reichen von Stufe 1 – geringfügiger Lagerverschleiß – bis zu Stufe 5 – erhebliche Ausbröckelungen in der Lastzone, Ermüdungsschäden, Lagerausfall steht unmittelbar bevor. Die Verschlechterung des Lagerzustands wird anhand folgender Kriterien bewertet:

• Aussehen der Lagerschadens-
  Frequenzspitzen in den Spektraldaten der Hüllkurvenmessung der Beschleunigung;
• Anstieg der Trendamplituden der
  Hüllkurvenmessung der Beschleunigung; und
• Auftreten von Lagerschadens-Frequenzspitzen in den Spektraldaten der Geschwindigkeitsmessung, die im allgemeinen auf ein erhebliches Problem hinweisen.

Die Techniker versuchen dann, den Austausch des Lagers auf einen geplanten Maschinenstillstand zu legen. Wenn die Ursache des Lagerschadens erkannt ist, werden auch hier die notwendigen Arbeiten durchgeführt.

Messungen am Antriebsstrang

Neben den Online-Schwingungsüberwachungssystemen stehen dem Team auch sechs Handgeräte zur Datenerfassung und – analyse vom Typ SKF Microlog zur
Verfügung. Mit diesen Geräten wird der Antriebsstrang von Anlagen außerhalb der eigentlichen Papiermaschinen oder Beschichtungsmaschinen überwacht.

Nach einem festen Zeitplan laufen die Instandhaltungstechniker eine bestimmte Route ab und führen mit ihrem Microlog Standard-Erfassungsmessungen an den Motoren, Pumpen und Getrieben der einzelnen Maschinen durch. Der Zeitplan
dieser „Messgänge“ reicht von alle zwei Wochen bis zu alle zwei Monate, je nachdem, mit welcher Geschwindigkeit die Maschine läuft und wie wichtig sie für den gesamten Prozess ist. Schnellere und kritische Anlagen werden genauer überwacht. Das Erfassen und Analysieren dieser Daten ist nicht gerade wenig Arbeit. An der PM11 einschließlich der separaten Beschichtungsmaschine und der separaten Kalandergruppe überwachen die Techniker regelmäßig 2 680 Messungen mit ihren Microlog-Handgeräten.

Zur Datenerfassung setzt der Techniker einen Handsensor auf die Maschine auf. Jede Messstelle ist genau festgelegt, und über die fest angebrachten Sensorhalterungen lassen sich die Sensoren des Microlog einfach und genau ansetzen. Wenn alle Daten einer Route aufgenommen sind, schließt der Instandhaltungstechniker den Microlog an den Systemrechner an und überträgt die Schwingungsdaten zur Auswertung und Speicherung an das Programm PRISM4.

Wenn einer der Messwerte über der Alarmgrenze liegt, werden mit Hilfe des Microlog weitergehende Analysemessungen an dem betreffenden Bauteil vorgenommen. Mit Beschleunigungshüllkurven und Geschwindigkeitsmessungen werden Art, Umfang und Ursache des Problems ermittelt. Der Microlog-Sensor ist nicht fest mit der Maschine verbunden und ermöglicht Messungen an verschiedenen Stellen. Wie bei der Online-Überwachung werden auch hier häufiger Messungen durchgeführt, um das verdächtige Bauteil genauer überwachen zu können. Dann wird das Problem in eine der fünf Stufen des Lagerverschleißes eingeordnet.

Dokumentation

Das Gratkorn-Team hat einheitliche Berichte entwickelt, in denen jedes bei der Schwingungsüberwachung festgestellte Ereignis festgehalten wird. Dabei wird das Ereignis genau beschrieben, von der Aufdeckung des Problems bis hin zur Untersuchung der Ausfallursache am ausgebauten Lager. So soll in jedem Fall ermittelt werden, warum ein Lager vorzeitig ausgefallen ist.

Das Schwingungsniveau vor und nach dem Ausfall wird festgehalten, Schwingungstrends und Spektraldarstellungen werden aus dem Analyseprogramm PRISM4 importiert, und ein digitales Photo des Schadens schließt den Bericht ab.

In jedem Bericht werden auch die theoretischen Einsparungen (Produktionsausfall) errechnet, die dadurch erzielt werden, weil das problematische Bauteil nicht so lange gelaufen ist, bis es im Betrieb ausfällt. Diese einfache Rechnung basiert
auf der Reparaturzeit für dieses Problem, multipliziert mit dem geschätzten Produktionsausfall aufgrund des ungeplanten Maschinenstillstands.

Die theoretischen Einsparungen werden eher niedrig geschätzt, denn sie basieren auf der tatsächlichen Reparaturzeit während des geplanten Maschinenstillstands. Oft benötigt man für ungeplante Reparaturen jedoch länger, weil die Mitarbeiter, Ersatzteile und Werkzeuge erst vor Ort gebracht werden müssen, während die Maschine schon steht. Auch Folgeschäden werden nicht berücksichtigt, die oft auftreten, wenn ein Bauteil bis zum vollständigen Ausfall läuft. Diese Berichte zu Systemereignissen werden gesammelt und können bei künftigen Ereignissen herangezogen werden.

Der Ausdruck „das läuft wie geschmiert“ bezieht sich nicht nur auf die hochmodernen Papiermaschinen in Gratkorn; er gilt genauso für die Bestrebungen, die Anlage stets mit voller Leistung betriebsbereit zu halten. Dank des systematischen Ansatzes von Sappi, für Fertigung, Instandhaltung und Zustandsüberwachung eigene Teams einzusetzen, und dank der Schwingungsüberwachung von SKF nimmt der Schwingungspegel der Maschinen und damit auch der Instandhaltungsaufwand im Werk kontinuierlich ab, während gleichzeitig höhere Geschwindigkeiten gefahren werden können und die Produktionserlöse steigen.

Doug Swansen, Leiter der Technischen Dokumentation bei SKF Condition Monitoring,
San Diego, Kalifornien (USA)

Besonderer Dank gilt: Kurt Neiser, Technik, Sappi, Gratkorn; Andre Smulders, Leiter der
Anwendungsentwicklung, SKF; Hermann Lager, Produktmanager, Condition Monitoring, SKF