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Crim – Welches ist die beste Instandhaltungsstrategie?

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25.04.2014 Wie sieht die optimale Instandhaltung aus? In der praxisorientierten ABB-Forschung beschäftigen  sich die Wissenschaftler ständig mit technologischen Trends in den Industrien und entwickeln daraus Ansätze, die in Zukunft die Effektivität und Effizienz von Prozessanlagen verbessern.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Bei Crim - CRIticality-analysis-based Maintanance - handelt es sich um eine Methode, mit deren Hilfe Kunden insbesondere in der Prozessindustrie in Zukunft ihre individuellen Instandhaltungsstrategien zwischen  präventiv und/oder reaktiv austarieren und optimieren können.
  • Crim liefert eine systematische Instandhaltungsplanungsmethode. 

So entstand jetzt in einer Pilotanwendung eine neue Dienstleistung: das Crim – CRIticality-analysis-based Maintanance. Dabei handelt es sich um eine Methode, mit deren Hilfe Kunden insbesondere in der Prozessindustrie in Zukunft ihre individuellen Instandhaltungsstrategien zwischen  präventiv und/oder reaktiv austarieren und optimieren können.
Der Wechsel von einer reaktiven zu einer präventiven Instandhaltungsstrategie kann in vielen Industriezweigen erhebliche Kosteneinsparungen einbringen. In der Prozessindustrie umfassen Anlagen häufig viele Tausend Elemente, die instandgehalten werden müssen, was eine rein präventive Instandhaltungsstrategie unpraktisch oder gar unmöglich macht. Wie lässt sich in solchen Fällen die optimale Mischung aus beiden Instandhaltungsstrategien ermitteln? Crim iefert eine systematische Instandhaltungsplanungsmethode zur Identifizierung kritischer Betriebsmittel und geeigneter präventiver Instandhaltungspläne unter Berücksichtigung von Umgebungs- und Prozessbedingungen. Grundlage der Methode ist eine schnelle Kritikalitätsanalyse der Anlagenausrüstung mit einer anschließenden Lebenszykluskostenanalyse.
Der Begriff „Instandhaltungsoptimierung“ umfasst eine Vielzahl verschiedener Ansätze, die von einfachen erfahrungsbasierten „Faustregel-Methoden“ bis hin zu komplexen systematischen Methoden reichen. Zu den einfachen Methoden gehören der Betrieb bis zum Ausfall (Run-to-Failure, RTF), eine Methode, die sich für redundante Betriebsmittel und solche mit einer sehr geringen Ausfallrate eignet; die zeitabhängige Instandhaltung (Time-based Maintenance, TBM), die sich besonders eignet, wenn eine regelmäßige Überholung bzw. ein regelmäßiger Austausch des Betriebsmittels im Vergleich zu den Kosten eines Ausfalls günstig ist und eine einzige, bekannte Ausfallart vorherrscht; und die zustandsabhängige Instandhaltung (Condition-based Maintenance, CBM), die kostengünstigste Methode für kritische Betriebsmittel.
Zu den komplexeren Methoden gehören die zuverlässigkeitsorientierte Instandhaltung (Reliability-
Centered Maintenance, RCM), die genaueste Methode zum Bestimmen des richtigen proaktiven Instandhaltungsansatzes für eine hohe Systemverfügbarkeit, und TPM (Total Productive Maintenance), die Integration der Instandhaltung in den Fertigungsprozess – ein Konzept, das umfassende Qualitätsmanagement- und proaktive Instandhaltungsstrategien kombiniert, um eine maximale Produktionseffizienz zu gewährleisten. RCM ist ein eher „gewichtiger“ Ansatz, während sich TPM vornehmlich auf die Maximierung des Maschinendurchsatzes konzentriert – d.?h. keine der beiden Methoden eignet sich in dem hier betrachteten Kontext. Hier kommt die Crim-Methode ins Spiel. Sie ermöglicht das Bestimmen einer kostengünstigen Instandhaltungsstrategie für die gesamte Anlage durch systematische Anwendung von Kritikalitätsanalysen (CA), Lebenszykluskostenanalysen (LCCA) und Lebensdauerschätzungen.

Am Anfang steht die Kritikalitäts­analyse
Der Crim-Prozess beginnt mit einer Kritikalitätsanalyse – ein wichtiger Vorgang bei jeder Instandhaltungs- und Zuverlässigkeitsmethode. Die CA liefert die Grundlage für das Bestimmen des Werts und der Auswirkung bestimmter Betriebsmittel auf die Sicherheit von Menschen, der Umwelt und des Produktionsprozesses. Darüber hinaus bestimmt die CA das Maß an Aufmerksamkeit, das ein Betriebsmittel in Bezug auf die Instandhaltungsstrategie und -taktik benötigt. Der zweite Schritt im Crim-Prozess ist die LCCA. Sie wird für kritische Objekte durchgeführt, um zu sehen, welche Vorteile bestimmte Instandhaltungsprogramme für dieses Objekt bieten.
Vor Beginn der Kritikalitätsanalyse bittet der Projektbegleiter den Anwender, eine Liste aller zu analysierenden Betriebsmittelpositionen in ein CA-Werkzeug zu laden. Anschließend stellt er eine Reihe von Fragen zu jeder Position und wählt auf der Grundlage der Antworten die Kritikalitätsstufen für jeden aufgeführten Kritikalitätsfaktor. Diese Faktoren werden zuvor in Diskussion mit den Instandhaltungs- und Prozessfachleuten des Kunden bestimmt. Die endgültige Kritikalitätsstufe, die für jedes Betriebsmittel automatisch generiert wird, berücksichtigt sämtliche Aspekte wie Ausfallzeit, Reaktionszeit der Produktion, Kapazität, Qualität, Umwelt, Sicherheit und Energieverluste im Falle eines Betriebsmittelausfalls sowie mögliche sekundäre Effekte. Aus all diesen Informationen wird ein CA-Bericht erstellt.

Kollektives Verfahren:
Lebenszykluskostenanalyse

Die LCCA ist ein kollektives Verfahren, das eine Vielzahl von verschiedenen Analysen umfasst. Ziel der LCCA ist das Berechnen der Kosten und der Rentabilität eines Systems oder Betriebsmittels über seine Einsatzdauer hinweg einschließlich Forschung und Entwicklung, Herstellung, Betrieb, Instandhaltung und Entsorgung (Bild 2). Die LCCA beginnt mit der Problemdefinition und setzt sich im Uhrzeigersinn auf iterative Weise fort, bis alle im ersten Prozess definierten Kriterien erfüllt sind.
Im Fall von Crim besteht das Problem darin, die durchschnittlichen minimalen langfristigen Instandhaltungskosten pro Zeiteinheit für reaktive, zeit- und zustandsabhängige Instandhaltungsstrategien zu bestimmen. Das hier angewandte LCCA-Konzept berücksichtigt nur die mit der gewählten Instandhaltungsstrategie für das betreffende Betriebsmittel verbundenen Kosten. Folglich sind die einzigen berücksichtigten Investitionskosten die für die CBM erforderlichen Ausrüstungskosten. Die Betriebskosten unterteilen sich in jährliche Fixkosten und Kosten aufgrund von reaktiven oder präventiven Instandhaltungsmaßnahmen. Die jährlichen Fixkosten beinhalten nur Kosten für die Zustandsüberwachung.
Der Unterschied zwischen Produktionsverlusten durch Betriebsmittelausfälle und Verlusten durch präventive Instandhaltungsmaßnahmen ist das Schlüsselelement der Analyse.
Die proaktive bzw. präventive Instandhaltung basiert auf Vorhersagen des Instandhaltungsbedarfs, wobei kein Diagnoseschritt vorgesehen ist. Bei guter Auslegung und Vorausplanung des Prozesses sollte die Produktionsausfallzeit deutlich kürzer sein als bei der reaktiven Instandhaltung. Darüber hinaus können alle erforderlichen Materialien bestellt werden, bevor es zum Ausfall kommt, sodass diese bei Bedarf bereitliegen.
Die durchschnittlichen Instandhaltungskosten in einem bestimmten Zeitraum sind also eine Summe aus verschiedenen Instandhaltungskosten, gewichtet nach der Häufigkeit der betreffenden Instandhaltungsart. Die Häufigkeit und Gesamtzahl der Instandhaltungsmaßnahmen hängen von der gewählten Instandhaltungsstrategie ab. Die Häufigkeiten werden mithilfe von Lebensdauermodellen geschätzt, die die Betriebsbedingungen der Instandhaltungsobjekte beinhalten. Diese Bedingungen – Temperatur, Schmutzigkeit, Belastung usw. – werden bei der beschriebenen positionsspezifischen Analyse der kritischen Betriebsmittel beurteilt.
Der nächste Schritt der Analyse umfasst die Formulierung des Lebenszykluskostenmodells (LCC-Modell) für jede der Instandhaltungsstrategien mithilfe der Lebensdauer- und Kostenmodelle. In einem konkreten TBM-Fall, bei dem der Austausch einer Komponente nach Erreichen ihres geplanten präventiven Austausch­alters bzw. nach ihrem Ausfall – je nachdem, was zuerst eintritt – vorgesehen ist, wurde eine optimale Austauschzeit von 2,8 Jahren ermittelt. Daraus ergeben sich jährliche Lebenszykluskosten von 310.000 US-Dollar.
Die LCCA kann auch zur Optimierung von Ersatzteilstandorten eingesetzt werden, indem verschiedene LCC für eine Reihe von Standorten errechnet werden. Die Auswirkung veränderter Eingangsparameter auf das Ergebnis kann mithilfe von Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen untersucht werden. Durch Veränderung der Eingangsparameter über einen bestimmten Bereich können die Auswirkungen der wichtigsten Faktoren und Kompromisse auf die Kosten aufgezeigt werden.

Crim in Zahlen

Bei einer zweitägigen CA an einem Pilotkundenstandort wurden 698 einzelne Betriebsmittel von zwei Prozess­linien erfasst. Das Kalibrieren und Einführen dauerte etwa einen halben Tag. Die Beurteilung der ersten 100 Einheiten nahm die zweite Hälfte des ersten Tages in Anspruch. Danach lag die Beurteilungsgeschwindigkeit zwischen 50 und 100 Einheiten/h. Die CA liefert die Eingaben für die LCCA, und das Werkzeug listet die im Rahmen der LCCA errechneten endgültigen Kosten für die identifizierten kritischen Komponenten auf?.
Alle für ein Objekt, beispielsweise ein Getriebe, errechneten LCC-Ergebnisse können zusammengefasst werden. Die gestrichelten Linien in Bild 3 zeigen die Unsicherheiten verschiedener LCCA-Schätzungen. In diesem Fall gibt es ein optimales Zeitintervall für die TBM-Strategie, die mit entsprechenden CBM-Strategien konkurriert. Auf der anderen Seite zeigt sich, dass eine TBM, die nicht während der geplanten Instandhaltungspausen erfolgt, kein Minimum aufweist und somit teurer ist als eine reaktive Instandhaltung. Normalerweise wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Auswirkung einer positiven oder negativen Veränderung jedes Parameterwerts auf das LCC-Ergebnis zu errechnen.
Die vom CA-Werkzeug erstellte Ersatzteilliste wird für das weitere Optimieren der Ersatzteilstandorte mithilfe der LCCA verwendet. Ein Vergleich der errechneten LCC für die gelisteten Objekte unter zwei verschiedenen Annahmen hinsichtlich der Ersatzteilstandorte – logistische Verzögerungen von mehr als einem Tag gegenüber einer Stunde – zeigt, dass die LCC in einigen Fällen durch einfaches Verlagern des Ersatzteils näher an das Betriebsmittel bzw. durch Erhöhen der Ersatzteilverfügbarkeit drastisch reduziert werden kann.
Außerdem kann sich eine Veränderung des Ersatzteilstandorts direkt auf den vom CA-Werkzeug errechneten Kritikalitätswert auswirken. In dem betrachteten Fall konnte eine Reduzierung vom Höchstwert fünf auf den nichtkritischen Wert zwei festgestellt werden.  Die Folgen eines solchen Rückgangs des Kritikalitätswerts zeigen sich in der Veränderung der LCC. Die in der Berechnung verwendeten Ersatzteilkosten betragen nur einen Bruchteil der LCC.

Crim-Lösung bietet optimale Mischung
Crim bietet hilfreiche Unterstützung beim Bestimmen einer optimalen Mischung aus prädiktiven, präventiven und RTM-Instandhaltungsstrategien für die Tausenden von Betriebsmitteln in einer Anlage. Am Pilotstandort konnten durch die Wahl einer geeigneten CBM-Strategie und den Einsatz guter Zustandsüberwachungsmethoden für kritische Pumpenventile LCC-Einsparungen in Höhe von 620.000 US-Dollar identifiziert werden.

Den Original-Artikel aus der ABB-Firmenzeitschrift können Sie sich hier als pdf herunterladen.

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Heftausgabe: Mai 2014

Über den Autor

Kari Saarinen, Shiva Sander Tavallaey, ABB Corporate Research, Patrik M. Westerlund, ABB AB, Process Automation
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