07101 Strukturierte Anlagenbewertung
Ein Instrument zur Optimierung des Instandhaltungsstrategiemix in der Smart Maintenance
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Ein kosteneffizientes Anlagenmanagement verlangt die Festlegung eines optimalen, an den Anforderungen der jeweiligen Produktionsanlage orientierten Instandhaltungsstrategiemix. Grundlage hierfür bildet eine strukturierte Bewertung sämtlicher Produktionsanlagen und somit eine Klassifizierung dieser nach bestimmten Kriterien. Zur Durchführung einer solchen Bewertung und zur Ableitung entsprechender Instandhaltungsstrategien bieten sich verschiedene Ansätze an. Dieser Artikel greift einige davon auf und beschreibt die Vorgehensweise anhand mehrerer Beispiele. von: |
1 Einleitung
Im Spannungsfeld aus Kosten, Qualität, Zeit und Flexibilität stellen die Märkte auf allen Stufen der Wertschöpfungskette immer höhere Ansprüche an Produktion und Anlagenmanagement. Hierbei stechen die zunehmenden Flexibilitätsanforderungen an Unternehmen hervor. Durch Trends in Richtung Losgröße 1 werden diese Ansprüche weiter steigen. Die evolutionäre Entwicklung zur Industrie 4.0, die aktuell stattfindet, soll die Möglichkeiten liefern, diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden.
Hohe Anlagenverfügbarkeit bei ...
Die daraus resultierenden Herausforderungen müssen zu einem Wandel in vielen Dimensionen des Anlagenmanagements führen. Hohe Flexibilitätsansprüche gehen direkt mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen einher. Die steigende Automation und Vernetzung unterstreicht ebenfalls die Bedeutung von Anlagenverfügbarkeit und Instandhaltung im Allgemeinen. [1] Die Vereinbarkeit von geplanten Stillständen mit dem Produktionsprogramm wird durch die steigende Flexibilität reduziert, was die Instandhaltungsplanung zusätzlich erschwert. [2]
Die daraus resultierenden Herausforderungen müssen zu einem Wandel in vielen Dimensionen des Anlagenmanagements führen. Hohe Flexibilitätsansprüche gehen direkt mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen einher. Die steigende Automation und Vernetzung unterstreicht ebenfalls die Bedeutung von Anlagenverfügbarkeit und Instandhaltung im Allgemeinen. [1] Die Vereinbarkeit von geplanten Stillständen mit dem Produktionsprogramm wird durch die steigende Flexibilität reduziert, was die Instandhaltungsplanung zusätzlich erschwert. [2]
... größtmöglicher Flexibilität
Unter diesen Voraussetzungen wird die Wahl der bestmöglichen Instandhaltungsstrategie komplexer, da es gilt, hohe Anlagenverfügbarkeit bei größtmöglicher Flexibilität zu erreichen. Die Veränderungen durch Industrie 4.0 im Bereich der IH-Strategie zeichnen sich unter anderem durch eine zunehmende Bedeutung von Erklärungsmodellen zur Echtzeitanalyse und Interpretation von Daten [3] mit dem Ziel einer höheren Ausfallprognosegenauigkeit aus. [4] [5]
Unter diesen Voraussetzungen wird die Wahl der bestmöglichen Instandhaltungsstrategie komplexer, da es gilt, hohe Anlagenverfügbarkeit bei größtmöglicher Flexibilität zu erreichen. Die Veränderungen durch Industrie 4.0 im Bereich der IH-Strategie zeichnen sich unter anderem durch eine zunehmende Bedeutung von Erklärungsmodellen zur Echtzeitanalyse und Interpretation von Daten [3] mit dem Ziel einer höheren Ausfallprognosegenauigkeit aus. [4] [5]
Im Instrumentenrahmen der Instandhaltung bedarf es ebenfalls einer Weiterentwicklung hin zu dynamischen Regelkreismodellen zur Strategiemixbestimmung. [4]
2 Instandhaltungsstrategien
Instandhaltungsstrategien sind objektbezogene Vorgaben, die festlegen, welche Instandhaltungsmaßnahmen hinsichtlich Umfang, Methode, Inhalt und zeitlicher Abfolge durchzuführen sind. [6] [7]
Zwischen den folgenden Instandhaltungsstrategien wird in der Regel unterschieden:
| • | Ausfallorientierte Instandhaltung (reaktiv) |
| • | Vorbeugende Instandhaltung (präventiv) |
| • | Zustandsorientierte Instandhaltung (prädiktiv) |
| • | Anlagenverbesserung (proaktiv) |
Auf eine ausführliche Beschreibung dieser Strategien wird verzichtet und auf die angegebenen Literaturquellen verwiesen. [6] [7] [8]
Sich auf eine einzige dieser Strategien für eine gesamte Anlage, bestehend aus Baugruppen und Bauteilen mit unterschiedlichem Ausfallverhalten, zu fixieren, ist nicht zielführend. Der optimale Mix aus ausfallabhängigen, zustandsorientierten, vorausschauenden und nachhaltig Ausfallursachen beseitigenden Maßnahmen muss durch einen logischen, systematischen und dynamischen Prozess bestimmt werden. [6]
Wahl der richtigen Strategie wesentlich
Die Instandhaltungsstrategieplanung und -auswahl ist wesentlich für die Erreichung der Instandhaltungsziele, die aus der Unternehmenspolitik auf die Instandhaltung heruntergebrochen werden. Abbildung 1 zeigt den Regelkreis der Instandhaltung mit der Instandhaltungsstrategieplanung als zentrales Instrument, das durch regelmäßige Zielerreichungskontrollen ständig angepasst und optimiert wird. [6] Diese permanente Anpassung des Instandhaltungsstrategiemix erlaubt, insbesondere durch Lernkurveneffekte, eine Annäherung an die optimale anlagenspezifische IH-Strategie.
Die Instandhaltungsstrategieplanung und -auswahl ist wesentlich für die Erreichung der Instandhaltungsziele, die aus der Unternehmenspolitik auf die Instandhaltung heruntergebrochen werden. Abbildung 1 zeigt den Regelkreis der Instandhaltung mit der Instandhaltungsstrategieplanung als zentrales Instrument, das durch regelmäßige Zielerreichungskontrollen ständig angepasst und optimiert wird. [6] Diese permanente Anpassung des Instandhaltungsstrategiemix erlaubt, insbesondere durch Lernkurveneffekte, eine Annäherung an die optimale anlagenspezifische IH-Strategie.
Aufbauend auf dem Regelkreis der Instandhaltung hat Hölbfer das in Abbildung 2 dargestellte Vorgehensmodell zur Strategieauswahl für Mehrortkomponenten (Elemente oder Baugruppen mit Normcharakter) in der Instandhaltung entwickelt. Bestehend aus den Schritten Anlagenprioritätsbestimmung, Analyse des Ausfallverhaltens und Strategieanpassung, die mittels vorgesehenen Regelschleifen periodisch wiederholt werden, erfüllt dieses Modell die zuvor beschriebenen Anforderungen der dynamischen Anpassung zur Annäherung an einen optimalen Strategiemix. [9]
Ein anlagenspezifisches und dynamisches Vorgehen bei der Instandhaltungsstrategiefestlegung ist zur Erreichung der Instandhaltungsziele notwendig. Daher ist die im Folgenden ausführlich behandelte strukturierte Anlagenbewertung ein wichtiges Instrument des Instandhaltungsmanagements.
3 Strukturierte Anlagenbewertung
Verwendungszweck festlegen
Die strukturierte Anlagenbewertung kann zusätzlich zur Instandhaltungsstrategiefestlegung für zahlreiche Problemstellungen des Anlagenmanagements, wie z. B. Outsourcing-, Investitionsentscheidungen, Instandhaltungsbudgetierung, Priorisierung von Verbesserungsmaßnahmen usw., eine Entscheidungsgrundlage darstellen. Vor der Entwicklung eines Anlagenbewertungsmodells muss daher der Verwendungszweck festgelegt werden. Dieser hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Modells, insbesondere hinsichtlich des zu betreibenden Aufwands für die Entwicklung und Bewertung sowie die Auswahl der Bewertungskriterien.
Die strukturierte Anlagenbewertung kann zusätzlich zur Instandhaltungsstrategiefestlegung für zahlreiche Problemstellungen des Anlagenmanagements, wie z. B. Outsourcing-, Investitionsentscheidungen, Instandhaltungsbudgetierung, Priorisierung von Verbesserungsmaßnahmen usw., eine Entscheidungsgrundlage darstellen. Vor der Entwicklung eines Anlagenbewertungsmodells muss daher der Verwendungszweck festgelegt werden. Dieser hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Modells, insbesondere hinsichtlich des zu betreibenden Aufwands für die Entwicklung und Bewertung sowie die Auswahl der Bewertungskriterien.
Im Sinne eines dynamischen Regelkreisvorgehens sollte nicht nur die Anlagenbewertung regelmäßig überprüft werden, sondern auch das Bewertungsmodell an sich neuen Gegebenheiten und Erkenntnissen angepasst werden.
Dynamische IH-Strategieanpassung
Eine homogene Instandhaltungsstrategie, meist ausfallorientiert, wird nur mehr von den wenigsten Industriebetrieben eingesetzt. Immer mehr Unternehmen wenden einen auf die Anlagen ausgerichteten Instandhaltungsstrategiemix an. Dieser wird jedoch sehr selten kritisch hinterfragt und an sich ändernde Bedingungen angepasst. Die Festlegung der Instandhaltungsstrategien ergibt sich meist aus dem Erfahrungswissen von langjährigen Mitarbeitern aus Produktion und Instandhaltung. Die damit verbundene unstrukturierte Bewertung der Anlagen, abgeleitet aus dem Expertenwissen, birgt jedoch Risiken bzw. Nachteile gegenüber einer strukturierten Vorgehensweise:
Eine homogene Instandhaltungsstrategie, meist ausfallorientiert, wird nur mehr von den wenigsten Industriebetrieben eingesetzt. Immer mehr Unternehmen wenden einen auf die Anlagen ausgerichteten Instandhaltungsstrategiemix an. Dieser wird jedoch sehr selten kritisch hinterfragt und an sich ändernde Bedingungen angepasst. Die Festlegung der Instandhaltungsstrategien ergibt sich meist aus dem Erfahrungswissen von langjährigen Mitarbeitern aus Produktion und Instandhaltung. Die damit verbundene unstrukturierte Bewertung der Anlagen, abgeleitet aus dem Expertenwissen, birgt jedoch Risiken bzw. Nachteile gegenüber einer strukturierten Vorgehensweise:
Verspätete oder ausbleibende Anpassung an sich ändernde Bedingungen
Je nach Branche können sich Veränderungen am Absatzmarkt, z. B. durch eine Nachfrageverlagerung im Produktsortiment oder eine grundsätzliche Verringerung oder Erhöhung der Gesamtauslastung, sehr schnell auf die Auslastung einzelner oder aller Anlagen auswirken. Eine Priorisierung der Anlagen nach Erfahrungswissen berücksichtigt solche Auslastungsschwankungen meist nicht oder zu spät.
Wichtige Perspektiven werden unter Umständen nicht berücksichtigt
Das operative Personal, das durch jahrelange Erfahrung ein Expertenwissen aufbaut, beurteilt Anlagen erfahrungsgemäß nicht nach sämtlichen für das Unternehmen relevanten Betrachtungsperspektiven. Eindrücke aus der jüngeren Vergangenheit und dem eigenen Tätigkeitsfeld sind bei subjektiver Betrachtungsweise viel präsenter als andere. So gilt z. B. eine Anlage, die in letzter Zeit mehrere Kleinstillstände hatte, für die davon betroffenen Mitarbeiter als besonders kritisch, auch wenn sie dies für das Unternehmen bei objektiver Betrachtung nicht ist. Dadurch fließen wichtige Kriterien für das Anlagenmanagement, wie z. B. die Instandhaltungskosten einer Anlage oder Risikobetrachtungen, oft nicht in die Bewertung mit ein.
Kritische Anlagen können übersehen werden
Die reaktive routinemäßige Instandhaltung führt dazu, dass nicht alle kritischen Anlagen als solche identifiziert und behandelt werden. Der Vergleich nach Durchführung einer strukturierten Anlagenbewertung zeigt zwar meist, dass die bisher als kritisch eingeschätzten Anlagen unter den Höchstgereihten sind, jedoch befinden sich dort auch Anlagen, die bisher als unkritisch eingeschätzt wurden.
Abhängigkeit vom internalisierten Wissen weniger Experten
Ein weiterer Nachteil dieser Herangehensweise ist die Abhängigkeit vom Erfahrungswissen einzelner Mitarbeiter, insbesondere, wenn das Ergebnis dieser unstrukturierten Anlagenbewertung nicht schriftlich festgehalten wird. Allerdings ist auch eine schriftliche Dokumentation eines subjektiven Ergebnisses meist nicht für jeden nachvollziehbar und reproduzierbar. Mitarbeiterfluktuation, demografischer Wandel und Fachkräftemangel verstärken diese Problematik.
Keine quantifizierte Vergleichbarkeit der Produktionsanlagen
Das Ergebnis einer unstrukturierten Bewertung des Anlagenparks lässt keine messbare Vergleichbarkeit der einzelnen Anlagen zu. Dies stellt jedoch für viele Entscheidungen des Anlagenmanagements eine wichtige Grundlage dar. Eine strukturierte Vorgehensweise bei der Bewertung von Produktionsanlagen führt zu einem objektiven, vergleichbaren und nachvollziehbaren Ergebnis.
3.1.1 Vorgehensweise zur Entwicklung eines Kriterienbewertungsmodells
Die Entwicklung eines auf das jeweilige Unternehmen maßgeschneiderten Bewertungsmodells ist dringend zu empfehlen, insbesondere was die Auswahl der Bewertungskriterien betrifft. In der Praxis hat sich hierfür die in Abbildung 3 dargestellte und im Folgenden beschriebene Vorgehensweise bewährt.
a) Expertenteam
Als erster Schritt muss ein Projektteam für diese Aufgabe zusammengestellt werden. Auf die richtige Zusammensetzung sollte großer Wert gelegt werden, da nur so sichergestellt ist, dass alle für das Unternehmen relevanten Perspektiven Beachtung finden. Neben erfahrenen Mitarbeitern aus Produktion und Instandhaltung – sowohl elektrische als auch mechanische – sollten je nach Organisationsgröße und -struktur auch leitende Funktionen in diesen Teams mitwirken. Zumindest müssen die Zwischenergebnisse regelmäßig mit diesen abgestimmt werden, um die Perspektiven des Managements nicht außer Acht zu lassen. Je nach zu diskutierenden Inhalten empfiehlt sich auch das Hinzuziehen von Experten aus anderen Unternehmensbereichen (z. B. Qualitäts- und Umweltmanagement, Controlling, Sicherheit, IH-Planungsabteilung usw.).
b) Kriterienentwicklung
Mit der zentralen Frage: „Was macht für unser Unternehmen eine kritische Anlage aus?” werden in Workshops möglichst viele geeignete Kriterien entwickelt, die sämtliche relevanten Perspektiven des Unternehmens, bezogen auf dessen Produktionsanlagen, abdecken. Eine entsprechende Vorbereitung der Workshopteilnehmer stellt sicher, dass diese alle für ihren Tätigkeitsbereich relevanten Perspektiven miteinbringen. Die richtige Teamzusammensetzung ist daher wichtig. Tabelle 1 zeigt exemplarisch mögliche Bewertungskriterien.
Tabelle 1: Mögliche Bewertungskriterien
Bewertungskriterium | Beschreibung |
|---|---|
Verfügbarkeit | Technische Verfügbarkeit der Anlage |
Störanfälligkeit | Anzahl der Störfälle pro Zeiteinheit |
Qualitätsrelevanz | Einfluss der Anlage auf die Produktqualität |
IH-Intensität | IH-Kosten/Wiederbeschaffungswert |
IH-Kosten | Kosten für Personal, Material, Fremdleistungen ... |
Substituierbarkeit | Alternative Anlagen bei Ausfall? Aufwand bei Wechsel |
Ersatzteilverfügbarkeit | Sind Ersatzteile verfügbar? Lieferzeit? |
OEE | Ist der OEE in einem kritischen Bereich? |
Umwelt/Sicherheit | Hat die Anlage besondere Auswirkungen auf Umwelt/Sicherheit im Störfall? |
Ausbringungsrelevanz | Ist die Anlage starr verkettet mit vor- und nachgelagerten Anlagen? Sind Pufferläger vorhanden? Wie viele Parallelanlagen führen den gleichen Arbeitsschritt durch? |
In einem nächsten Schritt müssen die Kriterien auf eine handhabbare Anzahl verdichtet werden. Je nach Umfang des zu bewertenden Anlagenparks und abhängig davon, ob eine qualitative oder quantitative Bewertung durchgeführt werden soll, ist es zweckmäßig, nicht zu viele Kriterien in das Bewertungsmodell aufzunehmen. Eine Anzahl von fünf bis zehn Kriterien hat sich in den meisten Fällen als ausreichend und bearbeitbar erwiesen. Meist lassen sich Kriterien zusammenfassen oder sie stellen sich als unwichtig heraus. Die Herausforderung ist, keine relevanten Perspektiven gänzlich wegfallen zu lassen und trotzdem ein möglichst schlankes Bewertungsmodell zu entwickeln.
Eine abschließende eindeutige Beschreibung der gewählten Kriterien ist wichtig, da sonst in vielen Fällen ein ungewünschter Interpretationsspielraum bleibt, der zu subjektiven Bewertungsergebnissen führen kann.
c) Abstufungsfestlegung
Sind die Kriterien für das Bewertungsmodell definiert und eindeutig beschrieben, müssen Abstufungen und Grenzen festgelegt werden. Meist wird, wie in Abbildung 4 ersichtlich, eine Unterteilung in drei bis fünf Abstufungen vorgenommen. Im Sinne einer objektiven und vergleichbaren Bewertung ist es essenziell, dass die einzelnen Abstufungen klar definiert werden. Wird dies durch Hinterlegung von konkreten Zahlenwerten erreicht, spricht man von quantitativen, in allen anderen Fällen von qualitativen Kriterien (siehe hierzu Abschnitt 3.1.3).
In dem Beispiel in Abbildung 4 lässt sich die Abstufung des Kriteriums „Störanfälligkeit” sehr leicht durch konkrete Zahlenwerte hinterlegen, indem man z. B. als „gering” jene Anlagen einstuft, die weniger als zehn, und als „hoch” jene, die mehr als vierzig Störungen pro Monat haben. Beim Kriterium „Anlagenkomplexität aus Sicht der Instandhaltung” ist dies jedoch nicht so einfach möglich. Hier empfiehlt sich eine genaue qualitative Beschreibung, wann eine Anlage die Ausprägung gering, mittel oder hoch erfüllt.
d) Kriteriengewichtung
Als abschließenden Schritt empfiehlt sich eine Gewichtung der Kriterien. Dies ist nicht zwingend notwendig, sollte jedoch durchgeführt werden, wenn der Einfluss der Kriterien auf die Anlagen unterschiedlich ausgeprägt ist. Dies lässt sich meist schon im Zuge der Kriterienentwicklung feststellen.
3.1.2 Kriterienbewertungsmodell
Als Ergebnis dieser vier beschriebenen Schritte erhält man ein Kriterienbewertungsmodell, wie es exemplarisch in Abbildung 5 dargestellt ist. Dieses kann in Excel aufgebaut oder auch in einem vorhandenen IT-System integriert werden.
Durch Summieren der Bewertung je Kriterium erhält man den Anlagenindex, der ein Ranking und somit eine Priorisierung der Anlagen untereinander ermöglicht. In Abbildung 5 erkennt man weiterhin, dass sich mit entsprechender Gewichtung die Priorität der Anlagen im Vergleich zur ungewichteten Bewertung verändert.
3.1.3 Qualitative vs. quantitative Kriterien
Ein eindeutiges und objektives Bewertungsergebnis wird erreicht, indem man sämtlichen Kriterien quantitative Messgrößen hinterlegt. Allerdings ist dies nicht immer möglich, da einerseits für grundsätzlich messbare Kriterien keine Daten vorhanden sind und andererseits gewisse Kriterien nicht quantitativ messbar sind. Zum Beispiel fällt es in den meisten Fällen schwer, die Umwelt-/Sicherheitsauswirkungen einer Anlage mit konkreten Zahlenwerten zu hinterlegen. Daher muss das Kriterium in seinen Abstufungen eindeutig qualitativ beschrieben werden, sodass jeder, der eine Anlage nach diesem Kriterium bewertet, möglichst zum gleichen Ergebnis kommt. Die Unterschiede zwischen qualitativen und quantitativen Bewertungen sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Tabelle 2: Qualitative und quantitative Bewertungen
quantitative Bewertung | qualitative Bewertung | |
|---|---|---|
Einmaliger Aufwand bei Modellentwicklung | Abhängig von vorhandenen Daten und deren Genauigkeit | Gering |
Veränderung der Bewertungsgrenzen | Unproblematisch | Meist komplette Neubewertung notwendig |
Periodische Neubewertung | Bei Verknüpfung mit ERP/BDE-System kein Aufwand, sonst gering | Aufwendige Neubewertung aller Anlagen |
Dynamische Anlagenbewertung | Bei Verknüpfung mit ERP/BDE-System möglich | Je nach Kriterium nicht möglich |
Meist besteht ein Bewertungsmodell aus qualitativen und quantitativen Bewertungskriterien.
3.2 Dynamische Anlagenbewertungen
Integration in ein IT-System
Wird eine statische Anlagenbewertung (einmalig oder in größeren Intervallen) vorgenommen, ist der Bewertungsaufwand nicht relevant. Soll jedoch eine regelmäßige – dynamische – Neubewertung, z. B. zur monatlichen Priorisierung der Anlagen, durchgeführt werden, ist sicherzustellen, dass das Bewertungsmodell einen möglichst geringen Bewertungsaufwand zulässt. Idealerweise ist dieses Modell in ein IT-System integriert und wird direkt aus einer Datenbank mit den aktuellen Kennwerten zu den Kriterien versorgt, sodass mit vordefinierten Grenzen und Gewichtungen jederzeit ein aktuelles Anlagenranking ausgelesen werden kann.
Wird eine statische Anlagenbewertung (einmalig oder in größeren Intervallen) vorgenommen, ist der Bewertungsaufwand nicht relevant. Soll jedoch eine regelmäßige – dynamische – Neubewertung, z. B. zur monatlichen Priorisierung der Anlagen, durchgeführt werden, ist sicherzustellen, dass das Bewertungsmodell einen möglichst geringen Bewertungsaufwand zulässt. Idealerweise ist dieses Modell in ein IT-System integriert und wird direkt aus einer Datenbank mit den aktuellen Kennwerten zu den Kriterien versorgt, sodass mit vordefinierten Grenzen und Gewichtungen jederzeit ein aktuelles Anlagenranking ausgelesen werden kann.
Echtzeitpriorisierung
Mithilfe einer solchen „Echtzeitpriorisierung” können nicht nur längerfristige Instandhaltungsstrategieentscheidungen getroffen werden, sondern auch sehr kurzfristige. So können z. B. bei beschränkten Instandhaltungsressourcen mehrere zeitgleich eintretende Störfälle anhand der aktuellen Anlagenprioritätsliste gereiht und abgearbeitet werden. Dies ist besonders für eine zentral organisierte Instandhaltung interessant.
Mithilfe einer solchen „Echtzeitpriorisierung” können nicht nur längerfristige Instandhaltungsstrategieentscheidungen getroffen werden, sondern auch sehr kurzfristige. So können z. B. bei beschränkten Instandhaltungsressourcen mehrere zeitgleich eintretende Störfälle anhand der aktuellen Anlagenprioritätsliste gereiht und abgearbeitet werden. Dies ist besonders für eine zentral organisierte Instandhaltung interessant.
Zur dynamischen Bewertung müssen Kriterien gewählt werden, die quantitativ bewertbar, in einer Datenbank vorhanden sind und die charakteristisch für die Veränderung der Anlagenpriorität sind. Die aktuelle Auslastung der Anlage, die Produktion von Gütern mit hohem marktseitigem Ausfallkostenpotenzial oder ein aktueller Lieferengpass des produzierten Produkts sind charakteristische Beispiele. Ergänzend zu diesen dynamischen Kriterien können auch dauerhaft konstante Kriterien wichtig sein. Zum Beispiel sind Anlagenausfälle am Ende einer starr verketteten Produktionslinie mit integrierten Pufferlägern weit kritischer als am Anfang. Somit wäre der Standort der Anlage in dieser Linie ein wichtiges konstantes Kriterium. Solche konstanten Kriterien müssen auch für diesen Anwendungszweck nicht quantitativ bewertbar sein, sondern können einmalig bewertet werden.
Einschränkend ist festzuhalten, dass Bauelemente, Baugruppen und die damit verbundenen Anlagen nur mittel- bis langfristig auf Strategieänderungen reagieren. Eine zu hohe Anpassungsdynamik erschwert das dynamische Lernen im Regelkreis (s. Abb. 1).
3.3 Weitere Bewertungsmethoden
Neben der Kriterienbewertungsmethode existiert eine Vielzahl von Bewertungen, die sich auf gewisse Perspektiven, wie z. B. Engpasssituation, Kosten oder Anlagenrisiko, konzentrieren. Da diese Perspektiven durch einzelne Kriterien charakterisiert sind, könnte man von einer eingeschränkten Kriterienbewertung sprechen.
Stellvertretend wird hier die Anlagenrisikobewertung, deren Ergebnis sich als Grundlage für Instandhaltungsstrategieentscheidungen ebenfalls gut eignet, näher betrachtet.
Anlagenrisikobewertung
In Bezug auf Anlagenausfälle wird Risiko meist als das Produkt von Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit definiert [11] [12] [13]. Das Schadensausmaß wird meist durch die finanziellen Konsequenzen des tatsächlichen Schadenseintritts für das Unternehmen ausgedrückt. Die Eintrittswahrscheinlichkeit beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der ein potenzieller Schaden eintreten wird [8]. Sind bereits Erfahrungswerte aus der Vergangenheit verfügbar, kann auch die Eintrittshäufigkeit anstelle der -wahrscheinlichkeit verwendet werden.
Risk Based Maintenance
Wenn man von Risikobewertungen in der Instandhaltung spricht, ist meist die Rede von Risk Based Maintenance (RBM). Eine strukturierte Anlagenrisikobewertung ist Teil dieses Instandhaltungskonzepts und bildet die Grundlage für die Ableitung einer risikoorientierten Instandhaltungsstrategie. Auf die Vorgehensweise zur Ermittlung von Anlagenrisiken und zur Bewertung dieser nach den Dimensionen Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit, die Schröder und Kleindienst ausführlich aufgearbeitet haben, wird hier nicht genauer eingegangen. [10]
Wenn man von Risikobewertungen in der Instandhaltung spricht, ist meist die Rede von Risk Based Maintenance (RBM). Eine strukturierte Anlagenrisikobewertung ist Teil dieses Instandhaltungskonzepts und bildet die Grundlage für die Ableitung einer risikoorientierten Instandhaltungsstrategie. Auf die Vorgehensweise zur Ermittlung von Anlagenrisiken und zur Bewertung dieser nach den Dimensionen Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit, die Schröder und Kleindienst ausführlich aufgearbeitet haben, wird hier nicht genauer eingegangen. [10]
Das Ergebnis dieser Anlagenrisikobewertung nach Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit ist die in Abbildung 6 dargestellte Risikomatrix, in der jedes Anlagenrisiko entsprechend seiner Bewertung eingetragen wird. Es ist auch möglich, das Toprisiko einer Anlage einzutragen und so eine zweidimensionale Anlagenbewertung nach potenziellem Risiko zu erhalten.
Die Grenzen zwischen den Risikobereichen hoch, mittel und gering werden als Wesentlichkeitsgrenzen bezeichnet. Diese müssen an die Bedingungen des Unternehmens angepasst und vom Management festgelegt werden. [12]
3.4 Klassifizierung von Anlagen
Ab einem größeren Anlagenumfang ist eine spezifische Instandhaltungsstrategiebestimmung nur für hochkritische bzw. hochriskante Anlagen sinnvoll. Daher ist es notwendig, die Anlagen anhand der Bewertungsergebnisse in passende Klassen zusammenzufassen und für diese Klassen Strategien festzulegen.
3.4.1 Klassifizierung nach Anlagenindex
Eine pragmatische Möglichkeit der Anlagenklassifizierung stellt die Einteilung nach festgelegten Grenzen des Anlagenindex dar. Bei der Festlegung dieser Grenzen ist darauf zu achten, dass diese eine eindeutige Strategiefestlegung je Klasse zulassen. Ist dies nicht möglich, sollte eine genauere Klassifizierungsmöglichkeit gewählt werden.
3.4.2 Klassifizierung mittels Entscheidungsbaum
Durch die Verwendung eines Entscheidungsbaums kann festgelegt werden, welche Kriterienausprägung zu welcher Anlagenklasse führen soll. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn Anlagen, die bei einem bestimmten Kriterium eine gewisse Ausprägung haben, unabhängig von der Ausprägung bei anderen Kriterien nicht mehr in jeder Anlagenklasse liegen dürfen. Eine Gewichtung der einzelnen Kriterien ist hier nicht notwendig, da dies durch die Positionierung im Entscheidungsbaum geschieht. Auch die Bildung eines Anlagenindex entfällt, sofern das einzige Ziel der Anlagenbewertung eine Bildung von Klassen mittels Entscheidungsbaum ist.
Beispiel
Anhand von Abbildung 7 lässt sich die Vorgehensweise zur Bewertung mittels Entscheidungsbaum gut beschreiben. Im Vorfeld werden die in Abschnitt 3.1.1 angeführten Schritte (ohne die Gewichtung) umgesetzt. Die Bewertungskriterien werden nach Priorität und sonstigen Vorgaben im Entscheidungsbaum platziert. In diesem Beispiel waren u. a. folgende Vorgaben einzuhalten:
Anhand von Abbildung 7 lässt sich die Vorgehensweise zur Bewertung mittels Entscheidungsbaum gut beschreiben. Im Vorfeld werden die in Abschnitt 3.1.1 angeführten Schritte (ohne die Gewichtung) umgesetzt. Die Bewertungskriterien werden nach Priorität und sonstigen Vorgaben im Entscheidungsbaum platziert. In diesem Beispiel waren u. a. folgende Vorgaben einzuhalten:
| • | Die Anlagenklasse D darf nur aus Anlagen bestehen, die nach allen Bewertungskriterien als unkritisch gelten. |
| • | Eine Anlage, die eine hohe Ausprägung hinsichtlich Sicherheit hat, darf nur in den Klassen A oder B liegen. |
| • | Anlagen der Klasse A müssen eine unkritische Ersatzteilverfügbarkeit haben. |
Solche Vorgaben sind mit einer Klassifizierung nach Anlagenindex kaum umsetzbar.
Die Anlagen werden wie in Abschnitt 3.1.2 beschrieben bewertet – ohne die Bildung eines Anlagenindex – und anschließend mittels Entscheidungsbaum in eine der vier Anlagenklassen (A, B, C, D) eingeteilt. Hierzu wird für jede Anlage, beginnend mit dem Kriterium Sicherheit, je nach Ausprägung des jeweiligen Kriteriums der weitere Pfad gewählt, bis sich schließlich die entsprechende Anlagenklasse ergibt.
3.4.3 Bildung von Risikoklassen
Das Ergebnis einer Anlagenrisikobewertung kann ebenfalls zur Klassifizierung der bewerteten Anlagen genutzt werden. Meist werden daraus die drei Risikoklassen hoch, mittel und gering, wie in der Risikomatrix (s. Abb. 6) dargestellt, gebildet. Bei Bedarf ist eine Unterteilung in mehr als drei Klassen möglich, diese ergeben sich aus einer Kombination von Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit.
4 Instandhaltungsstrategiefestlegung
Es existiert eine Vielzahl von Modellen zur Unterstützung der Instandhaltungsstrategiebestimmung, die mit unterschiedlichen Ansätzen versuchen, sich einer optimalen Instandhaltungsstrategie anzunähern. Hölbfer hat diese Modelle sehr ausführlich aufgearbeitet und einer kritischen Betrachtung unterzogen. Er unterteilt sie in vier Kategorien [9]:
| • | Zuverlässigkeits- und risikoorientierte Verfahren |
| • | Multikriterienverfahren |
| • | Simulationsmodelle zur Bestimmung des optimalen Eingriffszeitpunkts |
| • | Entscheidungsmodelle bei zustandsorientierter Instandhaltung |
Dieser Artikel widmet sich Auswahlverfahren, die an das Ergebnis der zuvor beschriebenen strukturierten Anlagenbewertungsmodelle anschließen.
4.1 Strategiefestlegung nach Ausfallcharakteristik und Anlagenpriorität
Die Strategieableitung direkt aus dem Ergebnis der Anlagenklassifizierung wird für komplexere Anwendungsfälle mit einem breiten Anlagenspektrum als zu ungenau angesehen. Es bedarf der Betrachtung von zumindest einer weiteren Dimension zusätzlich zur Anlagenklasse bzw. dem Anlagenindex.
Ausfallverhalten einer Anlage bestimmen
Eine mögliche Dimension ist das Ausfallverhalten einer Anlage, das einen entscheidenden Faktor bei der Strategiebestimmung darstellt. Stellt man dieses der Anlagenpriorität als Ergebnis der strukturierten Anlagenbewertung gegenüber, lässt sich aus dem in Abbildung 9 dargestellten Portfolio die Instandhaltungsstrategie bestimmen.
Eine mögliche Dimension ist das Ausfallverhalten einer Anlage, das einen entscheidenden Faktor bei der Strategiebestimmung darstellt. Stellt man dieses der Anlagenpriorität als Ergebnis der strukturierten Anlagenbewertung gegenüber, lässt sich aus dem in Abbildung 9 dargestellten Portfolio die Instandhaltungsstrategie bestimmen.
Die vier Bereiche des charakteristischen Ausfallverhaltens des Strategieportfolios lassen sich wie folgt beschreiben [9]:
| Bereich 1: | Hohe Ausfallfrequenz der Betrachtungseinheit (Anlage) |
| Bereich 2: | Hohe Streuung der Ausfallverteilung. Zufälliger Ausfallszeitpunkt |
| Bereich 3: | Nutzungsperiode probabilistisch bestimmbar |
| Bereich 4: | Nutzungsperiode deterministisch bestimmbar |
Vorgehensweise ermitteln
Folgende vier Vorgehensweisen ergeben sich, teilweise in Kombination, abhängig von Ausfallverhalten und Priorität der Anlagen [9]:
Folgende vier Vorgehensweisen ergeben sich, teilweise in Kombination, abhängig von Ausfallverhalten und Priorität der Anlagen [9]:
| • | Vorgehensweise 1 (V1)Es wird eine ausfallbezogene Strategie ohne vorbeugende Maßnahmen angewendet. |
| • | Vorgehensweise 2 (V2)Die Anlage wird zeitgesteuert nach den zwei folgenden Möglichkeiten instandgesetzt. |
Bei der Variante V2 (deterministisch) wird im Zuge eines geplanten Stillstands getauscht, wenn in der nächsten Betriebsperiode mit einem Ausfall der Betrachtungseinheit zu rechnen ist.
Bei der Variante V2 (probabilistisch) wird der optimale Austauschzeitpunkt mithilfe der in Abbildung 8 dargestellten Formel bestimmt. Dieser liegt bei einem Minimum der Summe der Kosten pro Nutzungsperiode und dem Erwartungswert der Ausfallkosten.
| • | Vorgehensweise 3 (V3)Es wird eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie eingesetzt. Verschleißfortschritt und Zustand werden laufend mittels Inspektionen festgestellt. |
| • | Vorgehensweise 4 (V4)Die Vorgehensweise 4 steht für eine technische Verbesserung der Betrachtungseinheit, z. B. durch konstruktive Maßnahmen. In Kombination mit reaktiver oder vorbeugender Instandhaltung soll durch die Verbesserung in erster Linie der Erwartungswert der Nutzungsdauer gesteigert sowie die Streuung verringert werden. |
Die Strategiefestlegung nach Ausfallcharakteristik und Anlagenpriorität ist ein Multikriterienverfahren zur Ableitung eines anlagenspezifischen Strategiemix. Die Bestimmung der Ausfallcharakteristik einer komplexen Anlage ist jedoch sehr aufwendig bzw. kaum möglich. Diese ist meist nur auf Baugruppen- bzw. Bauteilebene bestimmbar. Der Instandhaltungsstrategiemix der gesamten Anlage ergibt sich daher aus den Teilstrategien der einzelnen Komponenten.
4.2 Risikoorientierte Strategiefestlegung
Das RBM-Konzept ist darauf ausgerichtet, aus dem Ergebnis der Anlagenrisikobewertung dem jeweiligen Risikopotenzial entsprechende, anlagenspezifische Instandhaltungsstrategien abzuleiten. Anlagen mit höherem Risiko rechtfertigen eine kostenintensivere Strategie, die z. B. kürzere Wartungs- und Inspektionsintervalle sowie Aufwendungen für Zustandserfassungssysteme beinhaltet. Bei geringem Risiko gilt es, auch die Instandhaltungskosten möglichst gering zu halten. [10]
Strategieänderung führt zu veränderter Risikoausprägung
Durch Veränderung der Instandhaltungsstrategie kann sich natürlich auch die Risikoausprägung einer Anlage verändern. So wird zum Beispiel durch vorbeugenden Tausch oder konstruktive Verbesserungsmaßnahmen die Eintrittswahrscheinlichkeit eines unvorhergesehenen Ausfalls und somit das Risiko des Objekts verringert. Daher sehen gewisse RBM-Ansätze eine erneute Anlagenrisikobewertung vor, um die Wirksamkeit der Strategieänderung zu überprüfen und bei Bedarf weitere Maßnahmen zu ergreifen. [10] [12]
Durch Veränderung der Instandhaltungsstrategie kann sich natürlich auch die Risikoausprägung einer Anlage verändern. So wird zum Beispiel durch vorbeugenden Tausch oder konstruktive Verbesserungsmaßnahmen die Eintrittswahrscheinlichkeit eines unvorhergesehenen Ausfalls und somit das Risiko des Objekts verringert. Daher sehen gewisse RBM-Ansätze eine erneute Anlagenrisikobewertung vor, um die Wirksamkeit der Strategieänderung zu überprüfen und bei Bedarf weitere Maßnahmen zu ergreifen. [10] [12]
Eine relativ simple Risikomatrix ist in Abbildung 10 dargestellt. Je nach Risikobereich wird eine spezifische Strategie zur Instandhaltung vorgeschlagen. Diese sehr grobe Einteilung muss jedoch für die jeweilige Anlage zumindest hinterfragt und notfalls ergänzt werden. Die meisten risikoorientierten Strategieauswahlmodelle sehen, je nach Risikoausprägung, einen bestimmten Strategiemix vor.
Die Neun-Felder-Matrix in Abbildung 11 ermöglicht eine risikoorientierte Festlegung eines Instandhaltungsstrategiemix, in dem die Prognostizierbarkeit des Risikoeintritts dem Risikopotenzial gegenübergestellt wird.
Die drei Risikobereiche lassen sich aus der Risikomatrix ableiten [12]:
| Bereich A | beinhaltet hohe Risiken, für deren Vermeidung Maßnahmen umgesetzt werden müssen. |
| Bereich B | repräsentiert mittlere Risiken. Maßnahmen zu deren Verringerung gilt es nach Kostenoptimierungsaspekten abzuwägen. |
| Bereich C | beinhaltet geringe und somit vernachlässigbare Risiken. |
Die Determinierbarkeit des Risikoeintritts unterteilt sich in [12]:
| • | Vorhersehbar: Das Ausfallverhalten der Betrachtungseinheit ist bekannt. |
| • | Erkennbar: Auslösende Faktoren eines Ausfalls sind bekannt und erkennbar. |
| • | Nicht vorhersehbar: Unerwarteter Ausfall ohne erkennbare Vorzeichen. |
Positiver Nebeneffekt
Ein positiver Nebeneffekt der risikoorientierten Strategiefestlegung nach dem RBM-Ansatz ist die Identifizierung von potenziellen Risiken im Zuge der strukturierten Anlagenrisikobewertung, die bisher unberücksichtigt blieben. Eine Priorisierung der zur Risikominimierung identifizierten Maßnahmen ist jedenfalls durch das Ergebnis der Risikobewertung bereits gegeben. Zusätzlich ermöglicht das Ergebnis eine gezielte Reduktion des Instandhaltungsaufwands und somit der Instandhaltungskosten bei Anlagen mit geringem Risiko.
Ein positiver Nebeneffekt der risikoorientierten Strategiefestlegung nach dem RBM-Ansatz ist die Identifizierung von potenziellen Risiken im Zuge der strukturierten Anlagenrisikobewertung, die bisher unberücksichtigt blieben. Eine Priorisierung der zur Risikominimierung identifizierten Maßnahmen ist jedenfalls durch das Ergebnis der Risikobewertung bereits gegeben. Zusätzlich ermöglicht das Ergebnis eine gezielte Reduktion des Instandhaltungsaufwands und somit der Instandhaltungskosten bei Anlagen mit geringem Risiko.
5 Resümee und Ausblick
Industrie 4.0
Ohne eine strukturierte Anlagenbewertung fehlt eine fundierte Grundlage zur anlagenspezifischen Instandhaltungsstrategiewahl. Um jedoch den Anforderungen von Industrie 4.0 an das Anlagenmanagement gerecht zu werden, müssen die Bewertungsmodelle in ein dynamisches Regelkreismodell zur Strategiemixbestimmung integriert werden. Dieses ermöglicht nicht nur die Berücksichtigung von sich permanent ändernden Parametern zur Anlagenpriorisierung, sondern soll auch im Sinne eines lernenden Modells ständig weiterentwickelt werden.
Ohne eine strukturierte Anlagenbewertung fehlt eine fundierte Grundlage zur anlagenspezifischen Instandhaltungsstrategiewahl. Um jedoch den Anforderungen von Industrie 4.0 an das Anlagenmanagement gerecht zu werden, müssen die Bewertungsmodelle in ein dynamisches Regelkreismodell zur Strategiemixbestimmung integriert werden. Dieses ermöglicht nicht nur die Berücksichtigung von sich permanent ändernden Parametern zur Anlagenpriorisierung, sondern soll auch im Sinne eines lernenden Modells ständig weiterentwickelt werden.
Die Methode der strukturierten Anlagenbewertung ist Teil von ganzheitlichen Modellen des Anlagenmanagements. Sie stellt zum Beispiel eine Phase des Lean-Smart-Maintenance-Modells [16] dar, das dazu beiträgt, die gesamte Instandhaltung an die umfassenden Anforderungen von Industrie 4.0 anzupassen.
Quellen
1
Trommler, U., Horbach, S., Bullinger-Hoffmann, A., Löffler, T., Müller, E., Hopf, H. (2014): Instandhaltung in der Industrie 4.0. In: Industrie Management, 6/2014, S. 51
2
Heller, T., Buß, D. (2014): Industrie 4.0 – Die Bedeutung von industriellen Veränderungen für die Instandhaltung. In: Jahrbuch Maintenance 2014, S. 60 f.
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