ISO 24032:2020 Kran Health-Monitoring-System Normeninterpretation

Systemarchitektur des Health-Monitoring-Systems

ISO 24032:2020 gliedert das Health-Monitoring-System für Krane in eine Vier-Schichten-Architektur: Sensorikschicht – die an den kritischen Baugruppen des Krans installierten Sensoren – darunter Schwingungssensoren (Beschleunigungssensoren – messen den Effektivwert und den Spitzenwert der Schwingungsbeschleunigung an Getriebelagern und Motoren), Temperatursensoren (Thermoelemente oder PT100-Widerstandsthermometer – messen die Temperatur an Motorwicklungen, Lagergehäusen und im Hydrauliköl), Dehnungssensoren (Dehnungsmessstreifen – messen die Spannung an kritischen Querschnitten des Hauptträgers), Wegsensoren (Laserdistanzmessgeräte – messen die Durchbiegung in der Mitte der Spannweite des Hauptträgers), Kraftsensoren (messen die Spannung des Hubseils und den Auflagedruck der Stützbeine) sowie Schallemissionssensoren (erkennen hochfrequente Spannungswellen, die bei der Rissinitiierung und -ausbreitung in der Stahlkonstruktion freigesetzt werden). Datenerfassungsschicht – Datenerfassungsmodul (Hochpräzisions-ADC + Signalaufbereitungsschaltung) – Abtastfrequenz ≥ 10 kHz (Schwingungssignale) und ≥ 1 Hz (langsam veränderliche Signale wie Temperatur/Dehnung). Datenübertragungsschicht – Übertragung der Daten an das Überwachungszentrum über industrielles Ethernet oder 5G/4G-Mobilfunknetze. Datenanalyseschicht – Echtzeit-Datenanalyse-Engine auf Basis einer Cloud-Plattform – Analyse der Sensordaten mithilfe von Signalverarbeitungsalgorithmen (FFT-Zeit-Frequenz-Analyse, Wavelet-Analyse, Hüllkurvenanalyse) und KI-Modellen (Deep-Learning-Modelle zur Anomalieerkennung und Fehlerklassifizierung) – Ausgabe des Echtzeit-Zustandsbewertungsergebnisses. Die Norm empfiehlt außerdem die Mindestausstattung an Sensoren für verschiedene Krankategorien – ein Brückenkran benötigt mindestens 8 Sensoren (Dehnung am Hauptträger in Spannweitenmitte × 2, Vibration am Getriebe × 2, Motortemperatur × 2, Vibration an der Hakenflasche × 2) – ein Turmkran benötigt mindestens 12 Sensoren (Dehnung an den Hauptgurten des Turms × 4, Vibration an der Drehverbindung × 2, Vibration am Hubgetriebe × 2, Windgeschwindigkeit/-richtung × 1, horizontale Verschiebung der Turmspitze × 1, Fundamentsetzung × 2).

Datenanalyse und Fehlerdiagnose

Die von der Norm empfohlenen Methoden zur Datenanalyse und Fehlerdiagnose: Schwingungssignalanalyse – Zeitbereichsanalyse (Berechnung des Effektivwerts Vrms, des Spitzenwerts Vp und des Kurtosis-Faktors des Schwingungssignals – wenn der Effektivwert den in ISO 10816 festgelegten Grenzwert überschreitet oder der Kurtosis-Faktor > 4 beträgt, deutet dies auf einen beginnenden Schaden hin), Frequenzbereichsanalyse (Umwandlung des Zeitsignals in ein Spektrum mittels FFT – Suche nach Seitenbändern um die Verzahnungsfrequenz (GMF) im Spektrum – Bestätigung von Zahnradverschleiß oder Zahnbruch) und Hüllkurvenanalyse (Hüllkurvendemodulation des Schwingungssignals – Extraktion der charakteristischen Frequenzen von Lagerschäden (BPFI/BPFO/BSF/FTF) – Erkennung von Ermüdungsabblättern auf den Laufbahnen des Innen- bzw. Außenrings, Wälzkörperverschleiß oder Käfigbruch). Temperaturanalyse – Überwachung der Temperaturverlaufstrends an den einzelnen Messpunkten – wenn die Temperatur unter denselben Betriebsbedingungen um mehr als 10 °C über der normalen Betriebstemperatur liegt – deutet dies auf Lagerschaden, unzureichende Wärmeabfuhr oder Schmierungsfehler hin. Dehnungsanalyse – Beurteilung der Steifigkeitsänderung der Hauptträgerkonstruktion anhand der Verlaufstrends der historischen Dehnungssensordaten – und Vergleich der Dehnungsdifferenz zwischen Volllast und Leerlauf – zur Erkennung von Ermüdungsschäden am Hauptträger. Schallemissionsanalyse – Erkennung der Rissinitiierung und -ausbreitung in der Stahlkonstruktion anhand der von den Schallemissionssensoren erfassten Zählraten- und Energieparameter. Die Norm legt fest, dass das Health-Monitoring-System über eine dreistufige Alarmschwelle verfügen muss: Aufmerksamkeitsschwelle (Over Level) – geringfügige Parameterabweichung (20 %–30 % über dem Normalwert) – das System benachrichtigt automatisch das Wartungspersonal zur Inspektion. Alarmschwelle (Alarm Level) – deutliche Parameterabweichung (50 %–80 % über dem Normalwert) – das System benachrichtigt automatisch den Wartungsleiter und empfiehlt eine Stillstandsprüfung. Gefahrenschwelle (Danger Level) – schwerwiegende Parameterüberschreitung (> 100 % über dem Normalwert) – das System löst automatisch ein Notabschaltsignal aus und unterbricht die Stromversorgung.

Zustandsbewertung und Lebensdauerprognose

Die in der Norm festgelegten Methoden zur Zustandsbewertung und -prognose: Health-Index (HI) – Vergleich der aktuellen Werte der einzelnen überwachten Parameter mit ihren normalen Referenzwerten (Ausgangswerte bei neuer Ausrüstung oder nach einer Generalüberholung) – Berechnung eines Health-Index im Bereich von 0–100. HI ≥ 80 bedeutet gesunder Zustand – der normale Betrieb kann fortgesetzt werden. 60 ≤ HI < 80 bedeutet aufmerksamkeitsbedürftiger Zustand – eine Inspektion sollte eingeplant werden. 40 ≤ HI < 60 bedeutet anomaler Zustand – eine baldige Stillstandsprüfung ist erforderlich. HI < 40 bedeutet Gefahrenzustand – sofortiger Stillstand. Restlebensdauerprognose (Remaining Useful Life – RUL) – für Bauteile mit trendmäßiger Verschlechterung (z. B. Verschleiß von Zahnrädern und Lagern) – Prognose der Zeit bis zum Erreichen der Ausfallschwelle (d. h. der verbleibenden sicheren Betriebsstunden) mithilfe von Trendprognosemodellen auf Basis historischer Daten (lineare Regression, exponentielle Regression oder maschinelle Lernmodelle). Die Norm empfiehlt, das betreffende Bauteil bei RUL < 500 Stunden auszutauschen. Empfehlungen zur prädiktiven Wartung – das Health-Monitoring-System soll auf Basis der Zustandsbewertung und Lebensdauerprognose automatisch Wartungsempfehlungen generieren, z. B. „Der Schwingungstrend am Eingangswellenlager des Hubgetriebes zeigt einen deutlichen Anstieg – ein Lagertausch innerhalb der nächsten 200 Betriebsstunden wird empfohlen" und „Der Dehnungswert in Spannweitenmitte des Hauptträgers liegt 8 % über dem Referenzwert – eine konstruktive Überprüfung wird empfohlen". Die Norm betont, dass das Health-Monitoring-System die regelmäßigen gesetzlichen Prüfungen des Krans (z. B. Jahresprüfung und Belastungsprüfung) nicht ersetzt – jedoch die „Blindflüge" zwischen den regelmäßigen Prüfungen schließen kann (Zustandsänderungen des Krans innerhalb von bis zu 12 Monaten zwischen zwei Prüfungen könnten sonst unentdeckt bleiben) – und durch kontinuierliche Echtzeitüberwachung eine zeitnähere Sicherheitswarnung bietet.

Systemintegration und -management

Die Empfehlungen der Norm zur Integration und zum Management des Health-Monitoring-Systems: Vernetztes Management mehrerer Krane – Dutzende Krane in großen Fabriken und Häfen können über eine einheitliche Plattform zentral verwaltet werden – der Health-Index jedes Krans wird auf dem Überwachungsmonitor in Form einer Instrumententafel einheitlich angezeigt – grün (gesund), gelb (aufmerksamkeitsbedürftig), rot (Alarm) – per Klick können die detaillierten Messdaten und Verlaufstrends des jeweiligen Krans eingesehen werden. Alarmmanagement – das System muss über eine Alarmstufung und Alarm-Benachrichtigung verfügen – Aufmerksamkeitsalarme werden an die Instandhaltungsabteilung gesendet (täglicher Sammelbericht) – Alarmstufenalarme werden unmittelbar an Vorgesetzte und Bedienpersonal gesendet (per SMS oder APP-Push) – Gefahrenalarme lösen automatisch eine Fernabschaltung aus (über das Fernabschaltrelais im Steuerungssystem des Krans). Datenspeicherung und -verwaltung – die Rohmessdaten müssen mindestens 3 Monate gespeichert werden – Merkmalsdaten und Alarmaufzeichnungen sind bis zur Verschrottung der Anlage aufzubewahren. Die vom Health-Monitoring-System erzeugten Daten bilden die Eingangsgröße für die Lebensdauerbewertung nach ISO 12482 – das kontinuierlich erfasste und aufgezeichnete tatsächliche Lastkollektiv und der Schädigungszustand – ermöglichen eine präzise Restlebensdauerbewertung. Die Norm fordert außerdem, dass das Health-Monitoring-System über offene Datenschnittstellen (über REST-API oder OPC-UA-Protokoll) verfügt – zur Integration mit dem MES (Manufacturing Execution System) und CMMS (Computerized Maintenance Management System) des Werks – für eine nahtlose Anbindung des Kran-Helath-Monitorings an die Produktionsverwaltung. Kelude Schwerindustrie bietet Lösungen für Health-Monitoring-Systeme an Kranen an.

Häufige Fragen zum Health-Monitoring-System