Zustandsüberwachung: Definition, Methoden und MES-Praxis

Was ist Zustandsüberwachung?

Zustandsüberwachung (englisch: Condition Monitoring) bezeichnet die kontinuierliche oder periodische Erfassung und Bewertung von Maschinenzuständen während des laufenden Betriebs. Ziel ist es, Veränderungen am Zustand einer Maschine oder Anlage frühzeitig zu erkennen, bevor sie zu ungeplanten Stillständen, Qualitätsproblemen oder teuren Reparaturen führen.

Der Begriff wird in der DIN ISO 17359 definiert und ist die Grundlage für zustandsorientierte Instandhaltung. Im Gegensatz zur zeitbasierten Wartung (alle 500 Betriebsstunden wird gewartet, egal ob nötig) und zur reaktiven Instandhaltung (repariert wird erst, wenn etwas kaputt ist) ermöglicht Zustandsüberwachung einen dritten Weg: Gewartet wird dann, wenn die Daten zeigen, dass es nötig ist.

In der Fertigungsindustrie bedeutet das konkret: Sensoren oder Maschinensignale liefern Daten über den aktuellen Betriebszustand. Wenn sich diese Daten verändern, zum Beispiel wenn eine Vibration zunimmt, eine Temperatur ansteigt oder eine Zykluszeit langsam driftet, wird das erkannt und gemeldet. Die Instandhaltung kann dann gezielt eingreifen, statt auf den Ausfall zu warten oder nach starrem Zeitplan zu warten.

Zustandsüberwachung vs. Predictive Maintenance

Die beiden Begriffe werden oft verwechselt, sind aber nicht dasselbe.

Zustandsüberwachung erfasst den Ist-Zustand. Sie beantwortet die Frage: Wie geht es meiner Maschine jetzt? Die Daten werden in Echtzeit oder in kurzen Intervallen erhoben und gegen Grenzwerte geprüft. Wenn ein Wert ausserhalb des Normalbereichs liegt, wird ein Alarm ausgelöst.

Predictive Maintenance geht einen Schritt weiter. Sie nutzt historische Zustandsdaten und statistische Modelle oder maschinelles Lernen, um vorherzusagen, wann eine Komponente wahrscheinlich ausfällt. Sie beantwortet die Frage: Wann wird meine Maschine ein Problem haben?

In der Praxis ist Zustandsüberwachung die Voraussetzung für Predictive Maintenance. Ohne kontinuierliche Zustandsdaten gibt es keine Datenbasis für Vorhersagen. Die meisten Fertigungsunternehmen im Mittelstand starten mit der Zustandsüberwachung und erweitern erst dann Richtung Predictive Maintenance, wenn genügend historische Daten vorliegen.

Welche Methoden gibt es?

Die Methoden der Zustandsüberwachung unterscheiden sich nach dem physikalischen Prinzip und nach dem, was überwacht werden soll.

Schwingungsanalyse (Vibrationsüberwachung). Die häufigste Methode in der mechanischen Fertigung. Beschleunigungssensoren messen die Vibrationen an Lagern, Getrieben, Motoren oder Spindeln. Veränderungen im Schwingungsmuster deuten auf Lagerverschleiss, Unwucht, Ausrichtungsfehler oder lockere Befestigungen hin. In der Metallverarbeitung und bei CNC-Maschinen ist die Schwingungsanalyse oft die erste Massnahme, die eingeführt wird.

Thermografie und Temperaturüberwachung. Temperatursensoren oder Wärmebildkameras erfassen Temperaturveränderungen an Motoren, elektrischen Verbindungen, Hydraulikkomponenten oder Werkzeugen. Ein Temperaturanstieg kann auf erhöhte Reibung, unzureichende Schmierung, elektrische Überlasten oder Werkzeugverschleiss hindeuten. In der Kunststoffverarbeitung (Spritzguss, Extrusion) ist die Temperaturüberwachung an Heizzonen und Düsen produktionskritisch.

Ölanalyse. Bei Hydraulikanlagen, Getrieben und grossen Antriebseinheiten werden Ölproben auf Partikel, Viskosität und chemische Veränderungen untersucht. Metallabrieb im Öl zeigt Verschleiss an, bevor er zu einem Ausfall führt. Diese Methode ist in der Schwerindustrie und bei Umformmaschinen (Pressen, Walzwerke) verbreitet.

Stromaufnahme und Leistungsüberwachung. Die elektrische Leistungsaufnahme eines Motors oder Antriebs wird kontinuierlich gemessen. Veränderungen im Stromprofil deuten auf mechanische Probleme hin (höherer Widerstand durch Verschleiss), auf Prozessabweichungen (anderes Material, anderer Werkzeugzustand) oder auf elektrische Fehler. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie keine zusätzliche Sensorik am Maschinengehäuse erfordert. Die Messung erfolgt am Schaltschrank.

Akustische Überwachung. Ultraschall- oder Körperschallsensoren erfassen hochfrequente Geräusche, die das menschliche Ohr nicht wahrnimmt. Leckagen in Druckluftsystemen, Risse in Bauteilen oder beginnende Lagerschäden erzeugen charakteristische akustische Muster. In Betrieben mit hohem Druckluftverbrauch lassen sich durch Leckageerkennung oft 10 bis 20 % der Energiekosten einsparen.

Prozessparameterüberwachung. Nicht jede Zustandsüberwachung braucht spezielle Sensorik. In vielen Fertigungen liefert die Maschinensteuerung (SPS) bereits Daten, die Rückschlüsse auf den Maschinenzustand erlauben: Zykluszeiten, Drehzahlen, Drücke, Positionen, Zählerstände. Wenn eine Zykluszeit langsam ansteigt, kann das auf Werkzeugverschleiss oder mechanische Veränderungen hindeuten. Diese Daten werden oft schon erfasst, aber nicht systematisch ausgewertet.

Instandhaltungsstrategien im Vergleich

Die meisten Fertigungsunternehmen im DACH-Raum befinden sich heute irgendwo zwischen reaktiver und zeitbasierter Instandhaltung. Der Schritt zur zustandsbasierten Instandhaltung erfordert keine Revolution. Er erfordert eine systematische Datenerfassung und die Bereitschaft, auf Basis dieser Daten Entscheidungen zu treffen.

Was Zustandsüberwachung in der Fertigung konkret bringt

Die Vorteile klingen abstrakt, solange man sie nicht in Zahlen übersetzt. Hier ein Rechenbeispiel.

Ein Fertigungsbetrieb mit 20 Produktionsmaschinen hat im Durchschnitt 2 ungeplante Maschinenausfälle pro Monat. Jeder Ausfall dauert durchschnittlich 4 Stunden (inklusive Fehlersuche, Ersatzteilbeschaffung, Reparatur, Wiederanlauf). Die Stundenkosten eines Stillstands (Maschinenkosten, Personalkosten, entgangene Produktion) liegen bei 500 Euro.

Das sind 2 × 4 × 500 = 4.000 Euro pro Monat, also 48.000 Euro pro Jahr an ungeplanten Stillstandskosten. Wenn Zustandsüberwachung 50 % dieser ungeplanten Ausfälle verhindert (ein realistischer Wert für den Anfang), spart das 24.000 Euro pro Jahr. Dazu kommen reduzierte Reparaturkosten (Folgeschäden werden vermieden), geringere Ersatzteilkosten (Komponenten werden bis zum tatsächlichen Verschleiss genutzt) und eine höhere OEE, weil der Verfügbarkeitsfaktor steigt.

Die Rolle des MES in der Zustandsüberwachung

Zustandsüberwachung im klassischen Sinn ist ein Thema der Instandhaltung. Spezialisierte Condition-Monitoring-Systeme (CMS) von Anbietern wie SKF, Schaeffler oder Brüel & Kjær messen Vibrationen, Temperaturen und akustische Signale an einzelnen Komponenten mit hoher Präzision.

Ein MES ersetzt diese Systeme nicht. Aber es ergänzt sie auf einer Ebene, die für die Fertigungssteuerung oft entscheidender ist: der Ebene der Maschinenproduktivität.

Was ein MES wie SYMESTIC zur Zustandsüberwachung beiträgt:

• Stillstandserfassung und -klassifikation. SYMESTIC erfasst automatisch, wann eine Maschine steht und wie lange. Über den Shopfloor-Client werden Stillstandsgründe klassifiziert: technischer Defekt, Rüsten, Materialmangel, organisatorischer Stillstand. Damit entsteht eine lückenlose Stillstandshistorie pro Maschine, die zeigt, welche Maschinen am häufigsten ungeplant stehen und welche Ursachen dominieren.
• Zykluszeitüberwachung. Wenn die Zykluszeit einer Maschine langsam ansteigt, obwohl Produkt und Parameter unverändert sind, deutet das auf Verschleiss hin: stumpfere Werkzeuge, höhere Reibung, nachlassende Hydraulikleistung. SYMESTIC erfasst jede Zykluszeit automatisch und macht Trends sichtbar, die bei manueller Beobachtung untergehen.
• Maschinenalarme. Über das Alarme-Modul werden SPS-Alarme direkt in SYMESTIC erfasst und mit Stillständen korreliert. Wenn ein bestimmter Alarm wiederholt auftritt, bevor es zu einem Ausfall kommt, entsteht ein Frühwarnsignal. Bei Neoperl (Hersteller von Strahlreglern) hat diese Korrelation von SPS-Alarmen mit Stillständen und Qualitätsdefekten zu 10 % weniger Stillständen geführt.
• Prozessdaten. Über das Prozessdaten-Modul können Temperaturen, Drücke, Drehzahlen und andere analoge Werte aus der Maschinensteuerung erfasst und historisch gespeichert werden. Wenn ein Prozessparameter driftet, ist das oft das erste Anzeichen für einen veränderten Maschinenzustand.
• Energiemonitoring. Die Leistungsaufnahme einer Maschine ist ein sensibler Indikator für ihren Zustand. Ein Anstieg des Energieverbrauchs bei gleicher Produktion deutet auf erhöhte Reibung, Verschleiss oder suboptimale Einstellungen hin. SYMESTIC erfasst Energiedaten pro Maschine und macht Abweichungen sichtbar.

Der entscheidende Punkt: Ein MES liefert keine Schwingungsdiagnose eines einzelnen Lagers. Aber es liefert die Gesamtschau über den Zustand einer Maschine aus Produktionssicht: Steht sie häufiger? Produziert sie langsamer? Braucht sie mehr Energie? Kommen mehr Fehlerteile heraus? Diese Signale in Kombination sind oft aussagekräftiger als ein einzelner Vibrationssensor.

Wo anfangen: Zustandsüberwachung in 3 Stufen

Nicht jedes Fertigungsunternehmen braucht sofort ein vollständiges Condition-Monitoring-System mit Schwingungssensoren an jeder Maschine. Der pragmatische Weg hat drei Stufen.

Stufe 1: Stillstände und Zykluszeiten erfassen. Das ist die Basis. Wer automatisch erfasst, wann Maschinen stehen und wie schnell sie produzieren, hat bereits eine Form der Zustandsüberwachung. Wenn eine Maschine häufiger steht als üblich oder langsamer produziert, ist das ein Zustandssignal. Diese Stufe erfordert keine zusätzliche Sensorik, nur eine Maschinendatenerfassung über digitale Signale oder OPC UA. SYMESTIC setzt das in wenigen Tagen pro Maschine um.

Stufe 2: Maschinenalarme und Prozessdaten einbeziehen. Wenn die SPS der Maschine Alarme liefert (und das tun die meisten modernen Steuerungen), können diese Alarme in SYMESTIC erfasst und mit Stillständen und Qualitätsdaten korreliert werden. Zusätzlich werden Prozessdaten (Temperaturen, Drücke, Ströme) historisch gespeichert. Damit lassen sich Muster erkennen: Welche Alarmkombination tritt typischerweise vor einem Ausfall auf?

Stufe 3: Spezialisierte Sensorik für kritische Komponenten. Für Maschinen mit hoher Ausfallkritikalität (teure Reparatur, lange Ersatzteilbeschaffung, hohe Produktionsausfallkosten) lohnt sich die Investition in dedizierte Condition-Monitoring-Sensorik: Vibrationssensoren an Hauptlagern, Ölpartikelsensoren an Hydraulikaggregaten, Thermografie an elektrischen Schaltschränken. Diese Daten können über das Prozessdaten-Modul in SYMESTIC integriert werden.

Häufige Fragen zur Zustandsüberwachung

Was ist der Unterschied zwischen Zustandsüberwachung und Condition Monitoring?

Kein Unterschied. Zustandsüberwachung ist die deutsche Übersetzung von Condition Monitoring. Beide Begriffe bezeichnen dasselbe Konzept. In der internationalen Normung (ISO 17359, ISO 13374) wird der englische Begriff verwendet, in der deutschsprachigen Praxis beide parallel.

Brauche ich spezielle Sensoren für die Zustandsüberwachung?

Nicht zwingend. Viele Maschinenzustände lassen sich aus Daten ableiten, die bereits in der Maschinensteuerung vorhanden sind: Zykluszeiten, Drehzahlen, Temperaturen, Alarme, Zählerstände. Ein MES wie SYMESTIC kann diese Daten über OPC UA oder digitale I/O-Gateways erfassen, ohne zusätzliche Sensorik an der Maschine. Für tiefergehende Analysen (Schwingungsdiagnose, Ölanalyse) sind spezialisierte Sensoren nötig.

Für welche Maschinen lohnt sich Zustandsüberwachung am meisten?

Für Maschinen mit hoher Ausfallkritikalität. Das sind Maschinen, deren Ausfall die gesamte Produktion stoppt (Engpassmaschinen), deren Reparatur teuer und langwierig ist (lange Ersatzteilbeschaffung) oder deren Ausfall Sicherheitsrisiken verursacht. In der Praxis startet man mit den 3 bis 5 kritischsten Maschinen und erweitert schrittweise.

Wie hängt Zustandsüberwachung mit OEE zusammen?

Direkt. Der Verfügbarkeitsfaktor der OEE sinkt mit jedem ungeplanten Stillstand. Zustandsüberwachung reduziert ungeplante Stillstände, indem sie Probleme erkennt, bevor sie zum Ausfall führen. Der Leistungsfaktor der OEE sinkt, wenn Maschinen langsamer laufen als geplant. Auch das kann ein Zustandsproblem sein: Verschleiss, der die Maschinengeschwindigkeit reduziert. Wer die OEE verbessern will, kommt an der Zustandsüberwachung nicht vorbei.

Kann SYMESTIC Zustandsüberwachung?

SYMESTIC ist kein klassisches Condition-Monitoring-System für Schwingungsdiagnose oder Ölanalyse. Aber SYMESTIC erfasst automatisch Stillstände, Zykluszeiten, Maschinenalarme, Prozessdaten und Energieverbräuche. Diese Daten liefern ein umfassendes Bild des Maschinenzustands aus Produktionssicht. Für spezialisierte Sensorik (Vibration, Ultraschall, Ölpartikel) kann die Datenschnittstelle genutzt werden, um die Messwerte in SYMESTIC zu integrieren.

Über den Autor:

Martin Brandel

MES Consultant und Projektleiter bei der symestic GmbH. Über 30 Jahre Erfahrung in industrieller Automatisierung und Maschinenanbindung. Dipl.-Ing. Nachrichtentechnik.