Zustandsüberwachung: Methoden, Sensoren und Normen für Anlagen

Das Wichtigste auf einen Blick

• Zustandsüberwachung beurteilt den Maschinenzustand aus Messgrößen wie Schwingung, Temperatur und Ölzustand.
• Schwingungsanalyse, Thermografie und Ölanalyse decken die meisten Schadensbilder an rotierenden Anlagen ab.
• Sensoren liefern Hersteller wie SKF, Schaeffler und PRÜFTECHNIK, die Bewertung folgt Normen wie DIN ISO 10816 und VDI 3832.
• Ein Online-Sensorsystem kostet typisch rund 2.000 Euro pro Kanal netto, mit 19 Prozent MwSt. 2.380 Euro brutto.
• Die BetrSichV verlangt Gefährdungsbeurteilung und wiederkehrende Prüfungen, deren Nachweise Messdaten stützen.

Was Zustandsüberwachung leistet und wo sie ansetzt

Zustandsüberwachung erfasst den Zustand einer Maschine während des Betriebs. Gemessen werden physikalische Größen, aus denen sich Verschleiß ableiten lässt: Schwingung, Temperatur, Druck, Durchfluss, Stromaufnahme und Partikel im Schmierstoff. Der starre Bauteiltausch nach Laufzeit entfällt.

Die Messung allein genügt nicht. Zur Zustandsüberwachung gehören Grenzwerte, Trendbildung und eine Diagnose, die aus dem Signal eine Ursache ableitet. Erst daraus entsteht eine Handlungsempfehlung für die Wartungsplanung und den Ersatzteilbedarf.

Drei Betriebsarten sind üblich. Offline arbeitet ein tragbarer Datensammler eine Messroute ab. Online messen fest installierte Sensoren und melden Grenzwertüberschreitungen. Kontinuierliche Systeme liefern zusätzlich eine automatische Diagnose und Werte für das Leitsystem.

Sie unterscheidet sich von der vorbeugenden Instandhaltung. Diese tauscht Bauteile nach festen Intervallen, unabhängig vom Zustand. Zustandsbasiert wird erst gehandelt, wenn die Messung es verlangt. Vorausschauende Ansätze rechnen zusätzlich die Restlebensdauer hoch.

Die Auswahl folgt der Kritikalität. Anlagen ohne Redundanz und mit hohen Stillstandskosten kommen zuerst. Beispiel: Kostet eine Stillstandstunde 8.000 Euro, amortisiert sich die Sensorik häufig nach einem einzigen vermiedenen Ausfall.

Schwingungsanalyse: das Kernverfahren für rotierende Maschinen

Ein Beschleunigungsaufnehmer wandelt die Bewegung der Lagerstelle in ein elektrisches Signal um. Piezoelektrische Sensoren geben eine Ladung ab, die der Beschleunigung proportional ist. Ein Verstärker formt daraus eine Spannung, die der Wandler abtastet.

Aus dem Zeitsignal berechnet die Software über eine Fourier-Transformation das Frequenzspektrum. Jede Schadensursache hinterlässt dort ein typisches Muster. Das macht die Schwingungsanalyse zum genauesten Verfahren für rotierende Maschinen.

Unwucht zeigt sich bei der einfachen Drehfrequenz. Fluchtungsfehler erzeugen die doppelte Drehfrequenz. Lagerschäden erscheinen in der Hüllkurve bei den Lagerfrequenzen, Zahnschäden bei der Zahneingriffsfrequenz. Lose Bauteile und Resonanzen erzeugen breite oder drehzahlabhängig wandernde Muster.

Neben dem Spektrum hilft der Zeitbereich. Der Crest-Faktor beschreibt das Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert, die Kurtosis die Form der Amplitudenverteilung. Beide Kennwerte reagieren früh auf Stoßimpulse aus Wälzlagern.

Der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde dient als Summenkennwert. Er ist robust und lässt sich mit den Bewertungsbereichen der DIN ISO 10816 vergleichen. Für Frühdiagnosen reicht er nicht, dafür braucht es Spektrum und Hüllkurve.

Der Messaufbau entscheidet über die Aussagekraft. Gemessen wird horizontal, vertikal und axial. Die Befestigung mit Gewindebolzen, Magnet oder Kleber verändert den nutzbaren Frequenzbereich. Abtastrate und Linienzahl bestimmen die Auflösung im Spektrum.

Bei drehzahlvariablen Antrieben ordnet eine Ordnungsanalyse die Frequenzen der jeweiligen Drehzahl zu. Ein Kaskadenspektrum zeigt die Entwicklung über die Drehzahl und macht Resonanzen sichtbar.

Tragbare Geräte, permanente Systeme und Auswertesoftware gehören zum Standardangebot der Messtechnikhersteller. SKF beschreibt sein Leistungsspektrum zur zustandsbasierten Instandhaltung und Schwingungsüberwachung auf einer eigenen Seite (SKF zu zustandsbasierten Lösungen der Schwingungsüberwachung).

Thermografie: Wärme als Frühindikator

Infrarotkameras messen die abgestrahlte Wärmestrahlung und rechnen sie in eine Oberflächentemperatur um. Das Verfahren arbeitet berührungslos, flächig und im laufenden Betrieb. Für die Prüfung gilt die Norm DIN EN 16714.

Emissionsgrad, reflektierte Strahlung, Entfernung und Luftfeuchte beeinflussen das Ergebnis. Blanke Metalloberflächen brauchen einen bekannten Emissionsgrad oder einen Messfleck aus Klebeband. Aufnahmen aus mehreren Winkeln trennen echte Hotspots von Reflexionen.

Typische Befunde sind warme Klemmen, heiße Lager, überlastete Kupplungen, verstopfte Kühler und undichte Dampfleitungen. Ein Temperaturunterschied von wenigen Kelvin gegenüber vergleichbaren Anlagen ist bereits ein Hinweis.

Die Grenzen liegen in der Physik. Thermografie erkennt Schäden erst, wenn sie Wärme erzeugen. Mechanische Fehler ohne Reibleistung bleiben unsichtbar. Als Ergänzung zur Schwingungsanalyse ist sie dennoch wirtschaftlich, weil eine Kamera viele Anlagen in kurzer Zeit abdeckt.

Ölanalyse: Partikel und Additive lesen

Öl ist ein Informationsträger. Abriebpartikel, Wasser, Kraftstoff und Abbauprodukte sammeln sich im Schmierstoff und lassen sich im Labor bestimmen.

Die Partikelzählung nach ISO 4406 beschreibt die Sauberkeitsklasse. Die Elementspektrometrie zeigt, welches Metall verschleißt: Eisen, Kupfer, Blei oder Zinn. Viskosität, Wasseranteil und Oxidationswerte kommen aus einfachen Laborprüfungen hinzu.

Entscheidend ist der Verlauf. Ein einzelner Wert sagt wenig, eine Probenreihe zeigt den Trend. Die Probenahme muss immer an derselben Stelle und im gleichen Betriebszustand erfolgen, sonst sind die Werte nicht vergleichbar.

Das Probenintervall richtet sich nach Anlage und Beanspruchung. Bei großen Getrieben, Turbinen und Umlaufschmierungen sind Proben im Abstand von einigen hundert Betriebsstunden üblich. Nach einem Schadensfall wird kürzer beprobt.

Das Verfahren passt zu Getrieben, Hydraulikanlagen und großen Ölkreisläufen. Bei kleinen fettgeschmierten Lagern ist es kaum sinnvoll.

Für Wälzlager ergänzt die Ölanalyse die Schwingungsdiagnose. Ein steigender Eisenanteil bei stabiler Schwingung deutet auf beginnenden Abrieb hin, lange bevor der Summenkennwert reagiert.

Weitere Verfahren: Ultraschall, Motorstrom und Prozessdaten

Ultraschallaufnehmer arbeiten im Bereich um 40 Kilohertz. Sie erfassen Leckagen, elektrische Entladungen und Schmierstoffmangel. Das Verfahren reagiert empfindlich auf Reibung, ist aber wenig selektiv bei der Zuordnung.

Die Motorstromanalyse nutzt den Stromverlauf des Antriebs. Aus ihm lassen sich Läuferfehler, Exzentrizität und Lastzustände ableiten. Im Umrichterbetrieb sind die Signale schwerer zu deuten.

Prozessdaten liegen oft schon vor. Druck, Durchfluss, Wirkungsgrad und Stellgrößen stehen in der Steuerung und lassen sich mit dem Neuzustand vergleichen. Das kostet keine zusätzliche Sensorik, verlangt aber saubere Referenzdaten.

In der Praxis werden Verfahren kombiniert. Ein Lagerschaden zeigt sich zuerst in der Hüllkurve, später in der Temperatur und im Summenkennwert. Mehrere Beobachtungen senken die Zahl der Fehlalarme.

Sensoren und Messketten von SKF, Schaeffler und PRÜFTECHNIK

Die Messkette beginnt beim Sensor. Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer mit IEPE-Schnittstelle sind der Standard; sie liefern rund 100 Millivolt pro g bei konstanter Stromversorgung. MEMS-Sensoren sind preiswerter und für niederfrequente Überwachungsaufgaben ausreichend.

Für Gleitlager eignen sich Wirbelstromsensoren, weil sie die Wellenbewegung direkt erfassen. Drehzahlsensoren, PT100-Widerstandsthermometer und Drucksensoren ergänzen die Kette. Digitale Bussysteme wie IO-Link oder Funkmodule erleichtern die Nachrüstung.

PRÜFTECHNIK, Teil der Fluke-Gruppe, bietet tragbare Messgeräte und Systeme für Schwingungs- und Zustandsüberwachung an (Messtechnik und Verfahren zur Schwingungs- und Zustandsüberwachung von PRÜFTECHNIK).

SKF deckt Aufnehmer, Datenkollektoren, Online-Module und Software ab. Schaeffler überwacht mit dem FAG SmartCheck kompakte Aggregate direkt an der Maschine.

Bei der Auswahl zählen Frequenzbereich, Temperaturbereich, Schutzart und die Frage, ob der Sensor im explosionsgeschützten Bereich arbeiten muss. Kalibrierintervalle und die Austauschbarkeit gleicher Bauformen halten die Messkette über Jahre vergleichbar.

Welche Methode zu welcher Anlage passt

Nicht jede Anlage braucht alle Verfahren. Die folgende Zuordnung hilft bei der Planung von Messstellen und Messgrößen.

Anlagentyp	Vorrangige Methode
Elektromotor, Pumpe, Ventilator	Schwingungsanalyse, Lagertemperatur
Getriebe	Schwingungsanalyse mit Hüllkurve, Ölanalyse
Gleitgelagerter Maschinensatz	Wirbelstrommessung, Öldruck, Temperatur
Hydraulik und Umlaufschmierung	Ölanalyse mit Partikelzählung
Schaltschrank und elektrische Anschlüsse	Thermografie, Ultraschall

Die Tabelle ersetzt keine Gefährdungsbeurteilung. Sie begrenzt die Zahl der Sensorpunkte und legt fest, welche Größe an welcher Stelle erhoben wird.

Kosten für Sensorsysteme: Beispielrechnung

Die Investition hängt von Kanalzahl, Messgröße und Umgebung ab. Die folgenden Größenordnungen sind Anhaltswerte für die Budgetierung und schwanken je nach Hersteller, Schutzart und Projektumfang.

Komponente	Typische Netto-Kosten
Beschleunigungsaufnehmer, Standard	300 bis 800 Euro
Online-Kanal mit Sensor, Kabel und Modul	rund 2.000 Euro pro Kanal
Tragbarer Datenkollektor	3.000 bis 10.000 Euro
Software, Server und Einrichtung	5.000 bis 20.000 Euro
Montage und Inbetriebnahme	150 bis 400 Euro pro Kanal

Beispiel: Ein Aggregat aus Motor, Getriebe und Pumpe soll mit 16 Online-Kanälen überwacht werden. Sensoren und Module kosten 16 mal 2.000 Euro, also 32.000 Euro netto. Die Montage zu 250 Euro pro Kanal ergibt 4.000 Euro. Software und Einrichtung schlagen mit 12.000 Euro zu Buche. Die Summe liegt bei 48.000 Euro netto. Bei 19 Prozent MwSt. kommen 9.120 Euro hinzu, der Bruttobetrag beträgt 57.120 Euro.

Ein einzelner Kanal kostet netto also 2.000 Euro und brutto 2.380 Euro. Dazu kommen Betriebskosten für Kalibrierung, Softwarepflege und Auswertung. Ob ein externer Dienstleister einbezogen wird, hängt von Personaldecke und Messumfang ab.

Normen der Zustandsüberwachung: DIN ISO 10816, DIN ISO 20816 und VDI 3832

DIN ISO 10816 bewertet Schwingungen an Maschinen. Die Norm ordnet gemessene Effektivwerte der Schwinggeschwindigkeit in Bereiche ein. Teile gelten für verschiedene Maschinenklassen, etwa für industrielle Maschinen mit einer Leistung über 15 Kilowatt.

Die Normenreihe DIN ISO 20816 löst die Teile der 10816 ab. Bewertet wird dort in den Zonen A bis D: A steht für den Neuzustand, D für einen Zustand mit Gefahr. Wer Messpläne neu aufsetzt, sollte die aktuelle Ausgabe heranziehen.

VDI 3832 behandelt die Schwingungsdiagnose an Maschinen und Anlagen. VDI 3839 Blatt 1 beschreibt, wie Schwingungsmessungen durchgeführt und interpretiert werden. Beide Richtlinien ergänzen die ISO-Normen um Hinweise für die Praxis.

Für das Personal gilt ISO 18436-2. Die Norm beschreibt vier Kategorien für Schwingungsdiagnostiker und die Anforderungen an Ausbildung, Erfahrung und Prüfung. Begriffe der Instandhaltung definiert DIN EN 13306.

Wie Normen und Standards Arbeitsschutzanforderungen aufnehmen und welche Gremien daran mitwirken, erläutert din.de in einem Überblick (Arbeitsschutz in der Normung).

Grenzwerte lassen sich nicht pauschal übernehmen. Sie hängen von Maschinentyp, Leistung, Lagerungsart und Messrichtung ab. Normen liefern Bewertungsbereiche, die projektspezifisch angepasst werden. Für den Schmierstoff gelten eigene Vorgaben, etwa die Sauberkeitsklassen nach ISO 4406.

Messpläne halten fest, welche Größe an welcher Stelle in welchem Intervall erfasst wird. Diese Dokumentation macht Ergebnisse über Jahre vergleichbar und erleichtert die Übergabe zwischen Schichten.

Rechtliche Pflichten: BetrSichV, TRBS und DGUV

Arbeitsmittel müssen sicher betrieben und wiederkehrend geprüft werden. Diese Pflicht trifft den Betreiber, unabhängig davon, ob er selbst überwacht oder ein Messsystem beauftragt. Die Vorgaben stehen in der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV im Volltext).

Den Rahmen bilden Gefährdungsbeurteilung und Prüffristen. Wie oft geprüft wird, leitet der Betreiber aus Beanspruchung, Schadenshistorie und dem Stand der Technik ab. Technische Regeln für Betriebssicherheit wie die TRBS 1201 konkretisieren die Anforderungen an Prüfungen von Arbeitsmitteln.

Zustandsüberwachung erfüllt keine Prüfpflicht automatisch. Sie liefert aber Nachweise über den Ist-Zustand und kann längere Prüfintervalle begründen, wenn die Gefährdungsbeurteilung das zulässt. Die Verantwortung bleibt beim Betreiber.

Welche Vorschriften, Regeln und Informationen die Unfallversicherungsträger veröffentlichen, bündelt die DGUV auf einer Übersichtsseite (Vorschriften, Regeln und Informationen der DGUV).

Von der Messung zur Wartungsentscheidung: fünf Schritte

1. Anlagen und Bauteile nach Kritikalität auswählen, mit Ausfallfolgen und vorhandener Redundanz.
2. Messgrößen, Messstellen und Grenzwerte festlegen und auf Normen beziehen.
3. Sensorik montieren und Messpositionen dauerhaft dokumentieren.
4. Referenzmessungen im guten Zustand aufnehmen und Trends über mehrere Wochen bilden.
5. Alarmstufen mit Wartungsplanung und Ersatzteilbestand verknüpfen.

Der fünfte Schritt entscheidet über den Nutzen. Bleibt ein Alarm ohne Konsequenz, entsteht keine Einsparung. Wer Alarme mit Aufträgen und Ersatzteilen koppelt, senkt ungeplante Stillstände spürbar.

Häufige Fragen

Welche Methode sollte ich zuerst einführen?

Beginnen Sie mit der Schwingungsanalyse an kritischen rotierenden Maschinen. Sie hat die höchste Trefferquote bei Lagern, Unwucht und Fluchtungsfehlern. Thermografie und Ölanalyse ergänzen sie anschließend dort, wo Wärme oder Schmierstoff eine Rolle spielen.

Was kostet der Einstieg in die Zustandsüberwachung?

Ein tragbarer Datenkollektor mit Zubehör kostet zwischen 3.000 und 10.000 Euro netto. Eine Softwarelizenz liegt je nach Umfang bei 5.000 bis 20.000 Euro netto. Ein fest installiertes System kostet rund 2.000 Euro netto pro Kanal, mit 19 Prozent MwSt. also 2.380 Euro brutto.

Ersetzt DIN ISO 20816 die DIN ISO 10816?

DIN ISO 20816 löst die Teile der DIN ISO 10816 ab. Bewertet wird weiterhin über Kennwerte, nun in den Zonen A bis D. Bestehende Messpläne lassen sich mit beiden Ausgaben vergleichen, neue Pläne sollten die aktuelle Fassung nutzen.

Muss ich nach BetrSichV zustandsüberwachen?

Nein. Die Verordnung verlangt Gefährdungsbeurteilung und wiederkehrende Prüfungen, nicht ein bestimmtes Messverfahren. Zustandsüberwachung ist ein Mittel, um den Ist-Zustand zu belegen und Prüftermine zu begründen.

Welche Sensoren eignen sich für Gleitlager?

Für Gleitlager sind Wirbelstromsensoren üblich, weil sie die Wellenbewegung berührungslos messen. Ergänzend liefern Temperatursensoren im Lager und Drucksensoren im Schmierkreislauf Hinweise auf den Zustand des Schmierfilms.