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Instandhaltung mit Drohnen

Was fliegt denn da? – Wie Drohnen die Instandhaltung erobern

| Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Anke Geipel-Kern

Indoor-Drohnen liefern beispielsweise bei Tankinspektionen selbst in vollständiger Dunkelheit hervorragende und scharfe Aufnahmen von Schweißnähten, Zu- und Abläufen, Stutzen und Halterungen.
Indoor-Drohnen liefern beispielsweise bei Tankinspektionen selbst in vollständiger Dunkelheit hervorragende und scharfe Aufnahmen von Schweißnähten, Zu- und Abläufen, Stutzen und Halterungen. (Bild: Kopterflug)

Industriedrohnen sind im Alltag vieler Instandhalter bereits eine feste Größe: Sie inspizieren hochgelegene, enge oder unzugängliche Orte, passen sogar durch kleine Mannlöcher. Schöne neue Welt: Fließen die mit der Drohne generierten Bilder in eine Datenbrille ein, kann der Beobachter reale und virtuelle Welt miteinander verbinden und analysieren.

Können Drohnen in einer Ex-Umgebung eingesetzt werden? Bisher lautet die Antwort: Nein! Denn, so Kopterflug: Drohnen bestehen aus Komponenten, die nicht mit Ex-Richtlinien zu vereinbaren sind (Drohnen werden wärmer als 25° C; sie laden sich während des Fluges unter Umständen elektrisch auf). Eine Ex-Drohne – würde es sie geben - wäre um den Faktor 5 bis 10 schwerer als eine herkömmliche Drohne. Unter physikalischen Aspekten ist dieses Problem (noch) nicht zu lösen. Vielleicht ist dazu mehr zu hören auf der European Drone Summit am 18. und 19. September in Stuttgart.

Gibt es trotzdem eine Möglichkeit in Ex-Bereichen zu fliegen? Ja – mit einem Heißarbeitsschein! Das erlaube zwar nicht den direkten Zugang in Ex-Bereiche, aber wenn diese lokal in einen Zustand versetzt werden, in dem Menschen sie betreten dürfen und reguläre Arbeiten durchgeführt werden können, darf der Bereich auch von Drohnen beflogen werden.

Drohnen übernehmen relevante und riskante Arbeitsschritte

Mit seinen Indoor-Drohnen kann Kopterflug beispielsweise in Kohlekraftwerken Inspektionen des Kessels, der Brenner und der Luftschächte durchführen. Diese Drohnen liefern bei Tankinspektionen selbst in vollständiger Dunkelheit hervorragende und scharfe Aufnahmen von Schweißnähten, Zu- und Abläufen, Stutzen und Halterungen und hilft so, den Korrosionszustand des Tanks zu klären.

Drohnen überwachen nicht nur; sie entlasten Mitarbeiter, indem sie relevante und riskante Arbeitsschritte übernehmen. Beispielsweise setzt Statkraft (Chemiepark Knapsack – heute: Yncoris) für die Inspektionen der Schornsteine und Kessel der Gas- und Dampfturbinenkraftwerke Knapsack I und Knapsack II spezielle Drohnen ein.

Statt eines Spezialkrans, mit dem Personen in den Schornstein gehoben werden, um Sichtinspektionen von Anlagenteilen, Schweißnähten u.ä. vorzunehmen, übernimmt diese Arbeiten nun eine Drohne, die Filme und Fotos aufnimmt. Die aufgenommenen Bilder werden anschließend von Statkrafts Instandhaltungsteam ausgewertet.

Das gleiche gilt für Inspektionen in den Kesseln der Kraftwerke. Bislang wurden diese unter erschwerten Bedingungen eingerüstet – der Platz im Kessel dafür ist sehr begrenzt. Mit dem Einsatz einer Drohne können diese schwer zugänglichen Ecken einfach abgeflogen und abgefilmt werden.

Drohnen: Auge und Ohr für den Betriebsingenieur

Zu den vordergründigen Aspekten Gesundheitsschutz und Arbeitssicherheit kommen noch Zeit- und Kostenaspekte hinzu. Sichtinspektionen können in viel kürzerer Zeit vorbereitet und durchgeführt werden.

Der Dienstleister mtl hat Spezialdrohnen mit Schutzkäfigen für die Inneninspektion von Schiffen, Gebäuden und Tanks im Programm. Andere Drohnen sind mit speziellen Thermokameras ausgerüstet. Um in räumlich abgegrenzten Anlagenteilen zu arbeiten, werden die GPS-gesteuerten Drohnen so programmiert, dass sie einen Flugkorridor nicht verlassen.

Ronik Inspectioneering (Joint Venture mit Terra Drone Corporation) hat sich eine einzigartige Nische in der Branche geschaffen: Eine unternehmenseigene Technologie für Ultraschallprüfungen (UT) ermöglicht es, mit Hilfe von Ultraschall die Dicke bestimmter Materialien und schwer zugänglicher Innenräume äußerst leicht überprüfen zu können.

Die Verwendung von Drohnen für die Inspektion von Tanks macht dabei nicht nur den Einsatz von Menschen überflüssig, sondern verringert die Inspektionszeiten um 40 bis 60 Prozent. Die mithilfe der UT-Drohnen erfassten Daten werden in Form von cloudbasierten 3D-Modellen weitergegeben. Diese Berichte erfüllen die Vorgaben der Industrienormen für die Inspektion von Lagertanks, wie etwa API-653 und Eemua 159.

Drohne: Absturz in der Schweiz

Doch bleibt Vorsicht geboten: Im Mai ist eine autonome Liefer-Drohne der Schweizer Post neben einer Kindergartengruppe abgestürzt. Sogar der Notfall-Fallschirm versagte. Die Post stellte ihre Testflüge mit den Drohnen ein (es ging um dringliche Laborproben von einem medizinischen Labor zu Krankenhäusern). Der Absturz ist bereits die zweite außerplanmäßige Landung einer dieser Drohnen (bei rund 3000 durchgeführten Flügen). Beim ersten Vorfall im Januar 2019 konnte die Drohne aber wenigstens sanft auf dem Züricher See aufsetzen. Die Ursache damals: Ein Kurzschluss in der GPS-Hardware.

Die fliegende Realitätserweiterung

Kommen die Drohnen-Technologie mit der Datenbrille und Augmented Reality (AR) zusammen, entsteht die ‚fliegende Realitätserweiterung‘, wie es Code-Flügel aus Graz formuliert. Das Unternehmen setzt dafür eine DJI Phantom 4 mit stabilisierter, schwenkbarer Kamera und Objekterkennungssensoren ein. Dadurch können kleine Unachtsamkeiten des Piloten während des Flugs, im Sinne von übersehenen oder plötzlich auftretenden Hindernissen, vom Fluggerät selbst erkannt und umflogen werden. Diese Drohne streamt das aktuelle Kamerabild in 720p mit 30 Bildern pro Sekunde zur Fernsteuerung, auf der ein Handy bzw. vorzugsweise ein Tablet montiert ist, das als Monitor für die Kamera-Live-Ansicht dient.

Datenbrillen für VR & AR

Instandhalter schätzen neben Drohnen auch Smart Glasses, die hautnahe Schnittstelle zwischen den physisch-analogen Realitäten und den elektronisch-virtuellen Welten.

Brillen für den AR-Einsatz weisen ein transparentes Display auf, durch das der Nutzer auf die reale Welt schaut. Eine Kamera analysiert dabei das Sichtfeld und blendet auf dem Bildschirm passende Informationen ein. Bei Brillen für den VR-Einsatz blickt der Nutzer hingegen auf ein Display, das eine vollständig virtuelle Umgebung wiedergibt. Gekoppelt mit Bewegungssensoren, die jede Kopfbewegung in die virtuelle Welt übertragen, kann der Nutzer regelrecht in die künstliche Umgebung eintauchen und mit ihr interagieren.

Klingt alles gut – doch sind Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) noch immer eher bestaunte Leuchtturmprojekte denn Betriebsalltag.

Event-Tipp der Redaktion Erleben Sie auf dem 3. Smart Process Manufacturing Kongress (SPM) am 24. und 25. September in Würzburg zukunftsweisende Impulse sowie lösungsorientierte Best Practices zum Thema Digitalisierung in der Prozessindustrie. Von Digitalem Engineering, über Data Analytics und Predictive Maintenance, Virtual und Augmented Reality bis hin zum Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Blockchain in der Chemie oder Pharmaindustrie - auf diesem Kongress tauscht sich die Community der Prozessindustrie aus. Hier erhalten Sie Orientierung, Ideen und Lösungsvorschläge.

Der Industriedienstleister Infraserv Höchst hat verschiedene Szenarien zum Einsatz der Datenbrille getestet – von der Rufbereitschaft über Betriebsrundgänge bis zur Aus- und Weiterbildung. Das Fazit zu AR-Brillen lautet: Sie sind technologisch so weit entwickelt, dass sie in vielen Bereichen einsatzfähig sind. Als Hauptvorteil gilt dabei, dass die Hände frei zum Arbeiten sind.

Die Bedienung der Datenbrille erfolgt über Sprachsteuerung und kann mit der vollständigen persönlichen Schutzausrüstung wie Schutzhelm und -brille integriert werden – insbesondere im Industrieumfeld ein absoluter Pluspunkt. Eingebettet ist der Einsatz der Datenbrille in das Vorantreiben der so genannten ‚Mobile Maintenance‘, bei der mithilfe von individualisierten Apps die Instandsetzung sowie die Wartung und Inspektion mobil statt papierbasiert abgewickelt werden.

Aleger schätzt, dass Smart Glasses in Verbindung mit Videostreaming im Service Reisekosten und Reisezeit um bis zu 80 % senken. Und Produktivität erhöhe sich um bis zu 40 %, könne doch der Experte Ad-hoc Probleme rasch aus der Ferne begutachten und beheben.

AR-Brille im Vertrieb & Service

Der Vakuumpumpen-Hersteller Leybold setzt mit der App ‚Reflekt One‘ Augmented-Reality-Anwendungen im Vertrieb und im Kundenservice vor Ort ein. Ziel: Nutzern die Möglichkeit zu bieten, die Komponenten und Features visuell auf verschiedenen Geräten zu erkunden – auch um typische Reparatursituationen zu visualisieren. Dadurch vermeiden Kunden Ausfall- und Reparaturkosten durch leicht zu folgenden Schritt-für-Schritt-Anleitungen, ohne dabei gedruckte Handbücher verwenden zu müssen.

Dynabook Europe sieht als Haupteinsatzgebiete seiner Lösung dyna-Edge DE-100‘ Industrieanwendungen wie Wartung, standardisierte Produktionsprozesse und Schulungen, die freihändiges Arbeiten erfordern. Zusammen mit der Datenbrille AR100 Viewer sei das eine AR-Wearable-Komplettlösung für anspruchsvolle Anwendungen, die einen Windows 10 Pro-basierten PC mit einer Datenbrille in Industriequalität kombiniert. Vielfältiges Zubehör, wie zum Beispiel unterschiedliche Anbringungsmöglichkeiten vom Kopfband bis zum Helm-Aufsatz oder ein 4-fach Akku-Ladegerät, erweitere die Einsatzmöglichkeiten zusätzlich.

Quasi zum Standard gereift ist die Datenbrille HoloLens von Microsoft. Im Vergleich zum Vorgängermodell bietet HoloLens 2 ein mehr als doppelt so großes Sichtfeld, deutlich verbesserten Tragekomfort durch einen optimierten Schwerpunkt und erlaubt eine verbesserte und intuitivere Interaktion mit Hologrammen.

Dank des Time-of-Flight-Tiefensensors, eingebauter künstlicher Intelligenz und einer integrierten, semantischen Analyse sei der Umgang mit Hologrammen intuitiv wie mit Objekten in der realen Welt. Zudem kommt HoloLens 2 mit integrierten Eyetracking-Sensoren. Diese ermöglichen auch eine biometrische Authentifizierung.

Optimierung bei Akkulaufzeit, Gewicht und Tragekomfort

Den derzeit erhältlichen AR-Brillen mangele es bei allen Fortschritten noch immer an entscheidenden Parametern, die zur Nutzerfreundlichkeit und Ergonomie für den langfristigen Einsatz am Menschen nötig sind, sagt Fraunhofer FEP. Formfaktor, überdimensionale ‚Boxen‘ vor dem Gesicht aufgrund aufwändiger Optikelemente und Displays, ein enges Sichtfeld, kurze Akkulaufzeiten, komplizierte und teure Produktionsprozesse und ungenaue Farbauflösung sind einige der wichtigsten Fakten, die den Durchbruch der AR-Brille verzögerten.

Letin-AR ist ein koreanisches Startup-Unternehmen, das sich auf die Entwicklung neuartiger Optiken für AR-Brillen spezialisiert hat. Deren PinMR-Technologie soll neue Maßstäbe bei der Herstellung von Wearables setzen. Sie haben den so genannten ‚Pinhole-Effekt‘ auf kleinste Spiegel angewendet und diese in Brillengläser integriert. Diese Pin-Spiegel-Optik wurde mit der OLED-Mikrodisplay-Technologie des Fraunhofer FEP kombiniert, die für ihren extrem geringen Stromverbrauch bekannt ist.

Wissen konservieren mit Mixed Realiy

Fachkräftemangel und demographischer Wandel sorgen dafür, dass im Grunde jedes Unternehmen sich um das Bewahren seines Know-hows Gedanken machen muss. Die reine Dokumentation ist nach aller Erfahrung eher schwierig und stößt bei den Wissensträgern nicht selten auf Ablehnung.

3spin schlägt zum Konservieren von Fachwissen Mixed Reality vor; es vermittle Wissen nicht abstrakt, sondern im realen Kontext. Denn bei Mixed Reality greift nicht nur die faktenbasierte (semantische) Erinnerung, sondern auch das ereignisbasierte (episodische) Gedächtnis – hat man doch die Situation bereits einmal erlebt: Während der Durchführung, entweder vorab mittels einer virtuellen Simulation (VR) oder in der realen Umgebung mittels kontext-basierter Einblendungen (AR). Ausbildung bzw. Training werden durch Mixed Reality also anschaulicher und effizienter.

Videoclips als Know-how-Träger

Praxisbeispiel: Bilfinger Digital Next hat ein Industrial Tube entwickelt, um das im Laufe der Jahre erworbene Wissen zu erfassen, zu sichern und weiterzugeben. Die Plattform stellt sicher, dass das Video eine sehr gute Qualität hat und mit jedem Gerät gefilmt werden kann. Anschließend stellt die dahinterstehende Software alle Sequenzen zusammen und finalisiert den Clip.

Automatisch werden Untertitel generiert und das Video in der richtigen Kategorie gespeichert. Der Clou dabei: Die Videos der Datenbank werden von den Mitarbeitern selbst erstellt. Hierfür nehmen sie beispielsweise Arbeitsabläufe oder Tipps zur Arbeitssicherheit mit einer Smartphone-App oder einer Datenbrille auf. Die App dazu hat 3spin entwickelt.

Alle Daten zur richtigen Zeit, am richtigen Ort für den richtigen Anwender: Das verspricht UBIK von Augmensys: Während der gesamten Anlagenlebensdauer (Errichtung, Inbetriebnahme, Betrieb, Instandhaltung, Shutdown-Management) biete diese Lösung mittels mobiler Endgeräte einen intuitiven, aktuellen, papierlosen und eindeutigen Zugang zu den digitalen Systemen der gesamten Anlage für Kontrollorgane, Instandhalter, Techniker und Betreiber.

Mobile Eingabemöglichkeiten für Quell- und Zielsysteme, Rückmeldungen von Fotos und Sprachnotizen sowie das Ablesen von Messwerten schaffen ein hochwirksames und effizientes Arbeiten in und mit der Industrieanlage. Microsoft Hololens oder Android Smart Glasses sind optional einsetzbar.

Fazit: Ob Virtual bzw. Augmented oder Mixed Reality der letzte Schritt ist, um die digitale und analoge Welt zusammenzuführen? Wenn es nach Elon Musk geht (der bisweilen eratisch wirkende Tesla-Chef) wird sich schon bald das menschliche Gehirn mittels implantierter Chips mit Maschinen verbinden.

Keine Fake News: Mit seinem Startup-Unternehmen Neuralink sollen erste Experimente am Menschen bereits 2020 starten. Die Vision von Musk zur Entwicklung von Human-Computer-Implantaten folgt ähnlichen Ideen von Google und Facebook. Dann funkt auch die Inspektions-Drohne ihre Bilder direkt ins Gehirn des Instandhalters.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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