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Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung – Anomalien von Messfehlern trennen

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Einleitung

Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung – Anomalien von Messfehlern trennen

Leitfrage: Ist der Messwert falsch – oder verändert sich die Maschine wirklich?

Zielgruppe: Ausbildung in Mechatronik, Industriemechanik und Automatisierungstechnik. Zeit: ca. 60–90 Minuten in fünf kurzen Einheiten. Lernziel: Du prüfst Messqualität, vergleichst unabhängige Signale und begründest eine sichere nächste Prüfung.

Wichtig: Alle folgenden Maschinendaten, Namen, Messreihen und Übungsschwellen sind fiktiv. Arbeite ausschließlich mit diesem Kurs, einer lokalen Offline-Simulation oder ausdrücklich freigegebenen Lernsystemen. Keine Zugriffe auf fremde Netze, Produktionsanlagen, Steuerungen, Zugangsdaten oder Kundendaten; keine ungefragte Übertragung von Daten. Keine Schalt- oder Wartungseingriffe an einer realen Maschine.

Lerneinheit 1: Was überwachen wir?

5–10 Minuten | Basis

Schnittbild der Kreiselpumpe: Kennzeichne gedanklich Welle, Lager und Laufrad. Bild: Fantagu/Sunspeanzler, CC BY-SA 3.0.

Animation der Strömung am Laufrad. Bild: Nguyen thanh chinh, CC BY-SA 4.0.

Zustandsüberwachung erfasst beispielsweise Temperatur, Schwingung, Strom und Durchfluss. Vorausschauende Instandhaltung versucht aus mehreren geeigneten Beobachtungen abzuleiten, ob und wann Wartung sinnvoll werden könnte. Erkennen, Diagnostizieren und Prognostizieren sind unterschiedliche Aufgaben.

Beispiel eines Schwingungssensormoduls, nicht des Sensors unserer fiktiven Pumpe. Bild: Suyash Dwivedi, CC BY-SA 4.0.

Beschleunigungssensor als Beispiel für die Messkette. Bild: Aerom, CC BY-SA 3.0.

Merke: Messort, Einbau, Einheit, Zeitstempel, Kalibrierung und Betriebszustand beeinflussen die Aussage. Ein Sensor liefert zunächst ein Signal, keine sichere Fehlerursache. Fachliche Orientierung: ISO 17359:2018, 2023 als aktuell bestätigt.

Lerneinheit 2: Welche Art von Abweichung?

10 Minuten | Basis

Ein statistischer Ausreißer: Auffällig heißt nicht automatisch falsch. Grafik: Indoor-Fanatiker, CC0.

Muster	Mögliche Erklärung	Erste sinnvolle Prüfung
Einzelne Spitze	Störung der Messkette oder kurzer realer Vorgang	Zeitstempel, Nachbarwerte, Referenz
Langsame Verschiebung	Drift des Sensors oder schleichende Prozessänderung	Kalibrierstatus, weitere Größen
Konstanter Wert trotz Betrieb	Eingefrorene Übertragung oder tatsächlich stabiler Prozess	Datenaktualität und unabhängige Messung
Gemeinsam steigende Größen	Betriebszustandswechsel oder möglicher Prozessfehler	Last, Drehzahl, Durchfluss

Beispiel zum Temperaturmessprinzip; nicht jede Temperaturmessung funktioniert mit Thermoelementen. Grafik: すじにくシチュー, CC0.

Vier Fragen: Sind die Daten vollständig? Ist die Messung plausibel? Bestätigt eine unabhängige Größe die Beobachtung? Könnte ein anderer Betriebszustand sie erklären?

Vergleich zweier Größen: Ein gemeinsamer Blick kann Auffälligkeiten zeigen, die einzeln unauffällig bleiben. Grafik: Sigbert/Andel, CC0.

Achtung: Auch zwei übereinstimmende Sensoren können denselben systematischen Fehler haben. Eine automatische Anomalieerkennung ersetzt weder Messunsicherheitsbetrachtung noch Fachprüfung. Siehe NIST: Sensorfehlerdiagnose und Martins et al. 2023.

Lerneinheit 3: Ausbildungsfall P-17

15 Minuten | Anwendung

Auftrag: Du bewertest die fiktive Kreiselpumpe P-17 bei ungefähr gleicher Drehzahl. T-A und T-B messen nahe beieinander an derselben Lagerstelle, jedoch über getrennte Messkanäle. Die Tabelle ist erfunden, nicht aus einer Anlage ausgelesen.

Uhrzeit	T-A in °C	T-B in °C	Schwinggeschwindigkeit in mm/s RMS	Motorstrom in A
10:00	52	52	1,8	8,2
10:05	52	52	1,8	8,2
10:10	84	52	1,9	8,2
10:15	53	52	1,8	8,3
10:20	56	55	2,4	8,6
10:25	62	61	3,3	9,0
10:30	66	65	4,1	9,5

Fall A – 10:10 Uhr: Nur T-A springt hoch und fällt zurück. Die Differenz zwischen T-A und T-B beträgt 32 K. Vorläufige Deutung: Ein Fehler des Kanals T-A ist plausibel. Eine kurze reale lokale Erwärmung ist ohne Zusatzprüfung nicht vollständig ausgeschlossen.

Fall B – 10:20 bis 10:30 Uhr: Zwei Temperaturen, Schwingung und Strom steigen zusammen. Vorläufige Deutung: Eine reale Veränderung des Betriebs ist plausibel. Ob Lastwechsel, Förderproblem, Lagerzustand oder eine andere Ursache, bleibt offen.

Nächste sichere Schritte: Betriebszustand und Zeitstempel prüfen, unabhängige Referenzmessung im freigegebenen Schulungsaufbau erwägen, Beobachtung dokumentieren und den zuständigen Ausbilder informieren. Keine eigenständige Überbrückung von Schutzfunktionen und keine reale Störungsauslösung.

Gestufte Hilfen und begründetes Feedback

Hilfe 1 – Spur: Vergleiche zuerst T-A und T-B zum selben Zeitpunkt.

Hilfe 2 – Methode: Berechne die Differenz T-A minus T-B. Vergleiche anschließend Schwingung und Motorstrom mit dem Ausgangszustand.

Hilfe 3 – Einordnung: Ein einzelner abweichender Kanal deutet eher auf die Messkette; mehrere zusammenpassende Änderungen eher auf den Prozess. Beide Schlüsse sind Hypothesen, keine Beweise.

Feedback Fall A: „Sensorfehler wahrscheinlich“ ist begründet durch 84 gegenüber 52 °C, unveränderte Begleitgrößen und Rückkehr zu 53 °C. „Pumpe ist defekt“ lässt sich daraus nicht ableiten.

Feedback Fall B: „Reale Prozessabweichung prüfen“ ist begründet durch den gemeinsamen Trend. „Lagerschaden sicher“ ist unbegründet, weil Last, Druck, Durchfluss und Messbedingungen fehlen.

Lerneinheit 4: Zwei interaktive Diagnosemodelle

10–15 Minuten | Anwendung und Transfer

Modell A – Messkanalvergleich: Ändere gedanklich nur T-A, während T-B, Schwingung und Strom stabil bleiben. Was geschieht mit der Vermutung „Sensorfehler“? Beantworte die Eingaben.

Modell B – Signale verknüpfen: Ändere gedanklich beide Temperaturen, Schwingung und Strom gemeinsam. Wähle erst die Diagnose, dann die nötige Gegenprüfung.

Experiment zum Variieren: Setze T-A auf 66 °C und T-B auf 65 °C. Was ändert sich, wenn allein T-A um weitere 20 °C steigt? Was ändert sich, wenn zugleich Motorstrom und Schwingung steigen? Skizziere zwei unterschiedliche Begründungen. Ein ergänzendes, rein lokales HTML-Reglermodell kann als separate Kursbegleitdatei verwendet werden; die hier eingebauten Quizmodelle funktionieren ohne zusätzliche Software.

Didaktische Regel, kein Anlagenalarm: Für die Übung darf eine Temperaturdifferenz von mehr als 5 K als Prüfhinweis dienen. Das ist kein universeller Normgrenzwert und nicht zur Anlagensteuerung geeignet.

Lerneinheit 5: Praxisvideos kritisch ansehen

10 Minuten | Beobachtung und Quellenkritik

Video 1 – Grundlagen der Schwingungsdiagnose (ADASH, 2018, Herstellerdemonstration). Beobachte Messort und den Unterschied zwischen Schwingungsanzeige und Diagnose.

Video 2 – Messdatenerfassung an einer Maschine (LearningZone, 2023, Praxisaufzeichnung). Prüfe, ob Last, Zeitbezug und Referenzwerte nachvollziehbar sind.

Vergleichsauftrag: Welche Handlung ist im Video sichtbar? Welche Schlussfolgerung wird nur behauptet? Welche zusätzliche Messung würdest Du fordern? Beide Videos zeigen Praxis, sind aber keine unabhängige Normprüfung. Kein Nachstellen an realen Anlagen; kein Kopieren oder Wiederveröffentlichen der Videos. Das Abspielen über YouTube kann Daten an den Videodienst übermitteln.

Fachquellen, Aktualität und Medienrechte

Quellenstand: 11. Oktober 2026. Unterscheide Norm, begutachtete Forschung und Herstelleraussage:

Quelle	Stärken	Grenze / kritische Frage
ISO 17359:2018, 2023 bestätigt	Rahmen für Zustandsüberwachung, Messqualität, Diagnose	Normtext nicht frei vollständig verfügbar; kein allgemeiner Grenzwert für P-17
ISO 13374-1:2003, 2025 bestätigt	Datenverarbeitung und Darstellung	Keine automatische Feststellung eines Sensorfehlers
NIST/Dadfarnia et al., 2025, systematische Übersicht	Aktuelle wissenschaftliche Einordnung und Evaluation	Studien nicht ohne Weiteres auf jede Maschine übertragbar
Martins et al., Sensors 2023	Begutachtete Untersuchung von Sensorzustand und Kalibrierüberwachung	Verwendet simulierte Signale; kein Beweis für P-17
ADASH-Demonstration	Anschauliche Einführung vom Messgeräteanbieter	Interessenlage des Herstellers und vereinfachende Aussagen kritisch prüfen

Rechteprüfung: Die sieben oben verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien haben einzeln auf ihren verlinkten Dateiseiten dokumentierte Lizenzen: CC0 (Outlier statistics.svg, BivariateOutlier.svg, Thermocouples diagram.svg), CC BY-SA 3.0 (Centrifugal Pump de.svg, Accelerometer.jpg) und CC BY-SA 4.0 (Centrifugal pump.gif, Vibration sensor module 01.jpg). Bei Weiterverwendung Namensnennung, Lizenzverweis und ggf. Weitergabe unter gleichen Bedingungen beachten. YouTube-Einbettung ist keine Freigabe als OER; Rechte und Verfügbarkeit der Videos können sich ändern. Fremde PDF-Abbildungen werden nicht ungefragt kopiert.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was bedeutet eine erkannte Anomalie zunächst? (Eine Auffälligkeit mit noch ungeklärter Ursache) (!Ein sicherer Lagerschaden) (!Ein nachgewiesener Sensorbruch) (!Eine vorgeschriebene Abschaltung)

Welches Muster macht einen einzelnen Sensorfehler besonders plausibel? (Nur ein Messkanal zeigt eine kurze Spitze) (!Alle Messkanäle steigen im gleichen Trend) (!Die Last steigt bei gleichen Sensoranzeigen) (!Zwei unabhängige Temperaturen steigen gemeinsam)

Was bedeutet Sensordrift? (Eine langsame Veränderung der Messabweichung) (!Ein sofortiger Stillstand der Pumpe) (!Eine regelmäßige Schmierung) (!Eine geplante Drehzahlerhöhung)

Warum müssen Last und Drehzahl beim Vergleich berücksichtigt werden? (Weil der Betriebszustand Messwerte beeinflussen kann) (!Weil Sensoren nur im Stillstand messen) (!Weil alle Maschinen dieselben Grenzwerte haben) (!Weil Strom nie auf Laständerung reagiert)

Wozu dient eine unabhängige Referenzmessung? (Zur Prüfung einer vermuteten Messkanalabweichung) (!Zum Überschreiben aller Sensordaten) (!Zum Abschalten der Schutztechnik) (!Zur Garantie eines störungsfreien Betriebs)

Was legen gemeinsam steigende Temperatur, Schwingung und Strom nahe? (Eine zu prüfende Veränderung des Prozesses) (!Einen bewiesenen Wälzlagerschaden) (!Einen sicheren Softwarefehler) (!Einen grundsätzlich defekten Temperatursensor)

Was gilt für zwei Sensoren mit gleichen Anzeigewerten? (Gemeinsame systematische Fehler sind weiterhin möglich) (!Beide Sensoren sind damit sicher fehlerfrei) (!Eine Kalibrierung ist damit unnötig) (!Beide Werte sind stets unabhängig)

Was bezeichnet ein Residuum in der Diagnose? (Die Differenz zwischen Messwert und Vergleichswert) (!Die verbleibende Lebensdauer der Pumpe) (!Die eingestellte Motordrehzahl) (!Die Länge eines Sensorkabels)

Was unterscheidet eine Prognose von einer Diagnose? (Sie schätzt eine künftige Zustandsentwicklung ab) (!Sie ersetzt die Messdatenerfassung) (!Sie kennt die Ursache immer sicher) (!Sie ist immer ein gesetzlicher Grenzwert)

Welches Übungsszenario ist hier zulässig? (Eine lokale Simulation mit fiktiven Messdaten) (!Ein ungefragter Zugriff auf eine Produktionssteuerung) (!Ein Test mit fremden Zugangsdaten) (!Die Übertragung von Kundendaten in einen Chatdienst)

Memory

Sensorspitze	Einzelner auffälliger Ausschlag
Messdrift	Langsame Verschiebung der Anzeige
Prozessabweichung	Reale Änderung einer Betriebsgröße
Plausibilitätsprüfung	Vergleich mit physikalischen Zusammenhängen
Referenzmessung	Unabhängiger Vergleich mit geeignetem Messmittel
Datenlücke	Fehlender Messpunkt im Zeitverlauf
Residuum	Unterschied zwischen Messung und Vergleichswert
Prognose	Einschätzung einer künftigen Entwicklung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Prüffeld
Zeitstempel prüfen	Synchronisation
Referenzmessung vergleichen	Messkanal
Motorstrom einordnen	Belastung
Schwingtrend auswerten	Mechanik
Maßnahme dokumentieren	Instandhaltung

Kreuzworträtsel

Kalibrierung	Wie heißt die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Messanzeige und Referenzwert unter festgelegten Bedingungen?
Drift	Wie nennt man eine langsame Änderung der Messabweichung?
Ausreisser	Wie heißt ein einzelner statistisch auffälliger Messwert?
Referenz	Wie heißt ein geeigneter Vergleichsmaßstab bei einer Messung?
Redundanz	Wie nennt man die zusätzliche Erfassung über mehrere Messkanäle?
Zeitstempel	Welche Kennzeichnung ordnet einem Messwert seinen Erfassungszeitpunkt zu?

LearningApps

Suchansicht: Die Treffer sind externe, nicht einzeln geprüfte Lernmaterialien. Prüfe Inhalt und Rechte vor der Nutzung.

Lückentext

Zustandsüberwachung beobachtet den aktuellen

anhand geeigneter Merkmale.

Eine auffällige Messung ist zunächst eine

und keine gesicherte Schadensdiagnose.

Ein einzelner kurzfristiger Ausschlag wird oft als

bezeichnet.

Eine langsame Änderung der Messabweichung heißt

im Messkanal.

Ein geeigneter Vergleichsmaßstab für die Messung ist eine

mit bekannter Eignung.

Die beiden Temperaturen müssen mit passenden

zeitlich zugeordnet werden.

Bei P-17 spricht der große Unterschied zwischen T-A und T-B für einen möglichen

des ersten Kanals.

Ein gemeinsamer Anstieg mehrerer unabhängiger Größen kann auf eine

hinweisen.

Die Änderung der

kann einen Schwingungsvergleich verfälschen.

Messgenauigkeit und

gehören zur Beurteilung der Datenqualität.

Die Zustandsvorhersage nennt man auch

im Instandhaltungskontext.

Eine Wartungsentscheidung muss durch eine

mit nachvollziehbaren Indizien gestützt werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Sensor: Zeichne eine fiktive Messkette von der Pumpe bis zur Anzeige und markiere zwei mögliche Fehlerstellen. Feedbackkriterium: Messort und Übertragung sind unterscheidbar.
Messwert: Markiere die auffälligen Tabellenwerte aus P-17 farbig und nenne die jeweils passende Einheit. Feedbackkriterium: °C, mm/s RMS und A werden nicht verwechselt.
Ausreißer: Formuliere zu 10:10 Uhr eine Hypothese und ein Gegenargument in je einem Satz. Feedbackkriterium: Die Ursache bleibt ausdrücklich offen.
Messfehler: Erstelle zwei kleine Skizzen: einmal Sensorspitze, einmal langsame Drift. Feedbackkriterium: Zeitverläufe sind erkennbar verschieden.

Standard

Plausibilitätsprüfung: Berechne für 10:10 Uhr die Temperaturdifferenz und erläutere ihren Aussagewert. Feedback: 32 K sprechen für einen auffälligen Kanal, nicht für einen bewiesenen Defekt.
Trend: Visualisiere alle sieben Zeitpunkte auf Papier oder offline als Diagramm mit beschrifteten Achsen. Feedbackkriterium: Der einmalige Ausschlag und der spätere gemeinsame Anstieg werden unterscheidbar.
Datenqualität: Entwickle eine Prüfliste für fehlende Messwerte, falsche Einheiten, Zeitversatz und Sensordrift. Feedbackkriterium: Jeder Punkt hat eine konkrete Prüfmethode.
Instandhaltung: Schreibe eine fünfzeilige, fiktive Störungsmeldung ohne voreilige Bauteildiagnose. Feedbackkriterium: Befund, Unsicherheit und nächster sicherer Schritt sind enthalten.

Schwer

Anomalieerkennung: Entwickle ein Offline-Regelmodell, das Messkanalverdacht und Prozessverdacht getrennt ausgibt. Feedbackkriterium: Ein Ergebnis „unklar“ ist vorgesehen.
Fehlalarm: Simuliere auf Papier drei harmlose Lastwechsel und erkläre, weshalb ein starrer Grenzwert zu Fehlalarmen führen könnte. Feedbackkriterium: Betriebsbedingungen werden berücksichtigt.
Quellenkritik: Vergleiche einen Satz aus dem Herstellervideo mit ISO 17359 und der NIST-Übersicht von 2025. Feedbackkriterium: Aussage, Belegstärke und Grenze werden getrennt.
Transfer: Entwirf einen Unterrichtsversuch nur mit fiktiven Daten, in dem ein Sensorfehler und eine echte Prozessabweichung gleichzeitig auftreten. Feedbackkriterium: Indizien, Gegenproben und Unsicherheiten sind dokumentiert.

Lernkontrolle

Beurteile Zusammenhänge statt nur Begriffe. Belege Deine Antworten jeweils mit mindestens zwei konkreten Hinweisen.

Kausalität: Warum könnte die Temperatur bei P-17 ansteigen, ohne dass ein Lager defekt ist? Entwickle zwei Alternativerklärungen und passende Prüfungen.
Fehlerdiagnose: Ein zusätzlicher Referenzsensor zeigt bei 10:10 Uhr ebenfalls 84 °C. Wie verändert dies Deine Hypothesen? Begründe, welche Fragen offenbleiben.
Statistik: Ein starres Alarmsystem meldet jede Temperatur über 60 °C als Schaden. Beurteile Fehlalarmrisiko und Nutzen kontextabhängiger Regeln.
Systemdenken: Die Drehzahländerung wurde nicht protokolliert. Erkläre, welche Schlussfolgerungen dadurch weniger belastbar werden.
Sicherheitstechnik: Entwickle einen sicheren Ablauf vom Alarm bis zur Entscheidung im Ausbildungsbetrieb, ohne Eingriff in eine reale Anlage.
Quellenkritik: Eine Produktwerbung verspricht fehlerfreie Vorhersagen. Widerlege den Absolutheitsanspruch mithilfe der Grenzen von Datenqualität und Modellen.

Bewertungsmaßstab: nachvollziehbare Evidenz, plausible Alternativen, benannte Unsicherheit, sichere Folgeschritte.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis dokumentierst Du in einem kurzen, rein fiktiven Diagnoseprotokoll:

Messkette mit Messorten, Einheiten und Zeitbezug.
Datenanalyse mit markierter Einzelspitze und späterem Trend.
Hypothese zum Sensorfehler und zur Prozessabweichung, jeweils mit Gegenhypothese.
Referenzmessung oder andere überprüfbare Gegenprobe.
Messunsicherheit und Grenzen der Schlussfolgerung.
Instandhaltungsstrategie mit begründeter, sicherer Handlungsempfehlung ohne realen Steuerungseingriff.
Quellenkritik mit je einer Stärke und Grenze einer Norm, einer Fachstudie und eines Herstellervideos.

Nachweis bestanden: Die Diagnose behauptet keine Sicherheit, die die Daten nicht hergeben, und respektiert den Schutz von Anlagen und Daten.

OERs zum Thema

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