Industrie-4.0-Praxistest bestanden Digitale Sensorik erkennt drohenden Lagerschaden an Pumpe

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Sabine Mühlenkamp* / Dr. Jörg Kempf

Jeder hat bei Industrie-4.0-Anwendungen blitzblanke Fertigungshallen im Blick, in der hochautomatisierte Roboter Präzisionsteile weiterreichen. Wie sieht es aber mit Chemieanlagen aus, die Jahrzehnte auf dem Buckel haben? Ist es möglich, diese ins Zeitalter der Digitalisierung zu überführen? Beispiel Pumpe: Eine Antwort findet sich im Chemiepark Kalle-Albert …

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Industrie 4.0 geht auch „dreckig“: Eine Pumpe unter typischen rauen Umgebungsbedingungen, wie sie in der Prozessindustrie herrschen.
Industrie 4.0 geht auch „dreckig“: Eine Pumpe unter typischen rauen Umgebungsbedingungen, wie sie in der Prozessindustrie herrschen.
(Bild: Infraserv Wiesbaden)

Anlagen und Betriebe in Chemieparks sind oft jahrzehntelang im Einsatz, so auch im Industriepark Kalle-Albert. Hier gäbe es fast nur Brownfield-Anlagen, die teilweise 30 bis 40 Jahre alt sind, weiß Andreas Kronisch, Innovationsmanagement bei ISW-Technik in Wiesbaden, und zeigt die Problematik solcher Altanlagen auf: „Wir haben uns gefragt, wie sich diese intelligent vernetzen lassen.“ Die Tochtergesellschaft der Infraserv Wiesbaden (ISW) treibt im Schulterschluss mit IT-Experten des Konzerns unter dem Produktnamen „KI-Konzept“ seit einigen Jahren die Digitalisierung in der Instandhaltung voran. Dabei wurden bereits erste innovative Technologien für die digitale Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) von Maschinen und Anlagen und darauf aufsetzende, intelligente Wartungs- und Instandhaltungsprozesse (Smart Maintenance) etabliert.

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„Vor einigen Jahren war „Industrie 4.0“ nur ein Begriff, jeder verstand etwas anderes darunter. Wir schärfen diesen Begriff immer mehr, sodass die jetzt entstehenden Projekte tatsächlich die Betriebe entlasten“, beschreibt Kronisch die Entwicklung am Standort. Zunächst noch unter dem Stichwort „Smart Maintenance“ wurden viele Anwendungen dahingehend überprüft, ob sich diese sinnvoll digitalisieren lassen. Seit 2018 kooperiert ISW-Technik mit dem Pumpenhersteller KSB, um neue vorausschauende Instandhaltungsansätze (Predictive Maintenance) mithilfe innovativer Technologien zu entwickeln.

Im Blickpunkt stand dabei u.a. die Druckluftversorgung, die für viele Betriebe im Industriepark essenziell ist. So wird diese etwa für die mechanische Steuerung großer Produktionsanlagen eingesetzt, insbesondere in sensiblen Bereichen, in denen aus Sicherheitsgründen eine elektrische Anlagensteuerung ausgeschlossen ist. Selbstverständlich benötigt man auch für den Standortbetrieb selbst große Mengen an Druckluft, etwa für die Stickstofferzeugung oder die Werkstätten der ISW-Technik.

Die Druckluftversorgung wird in einem speziellen Technikgebäude über insgesamt vier Turboverdichter gesteuert. Diese liefern rund um die Uhr im Durchschnitt 22 Tausend Kubikmeter Druckluft pro Stunde mit 5 bar Überdruck – pro Jahr summiert sich dies auf etwa 200 Millionen Kubikmeter. Die Luftverdichter erzeugen im Betrieb erhebliche Abwärme und sind zur Begrenzung ihrer Betriebstemperatur mit einem Kühlsystem verbunden. Die Kühlwasserversorgung übernehmen seit 2015 zwei Etanorm-Pumpen aus dem Hause KSB. Diese arbeiten im Redundanzbetrieb d.h., sie sind parallelgeschaltet, um beim Ausfall einer Pumpe die Versorgung sicherzustellen. „Allerdings wird bei einem solchen Ausfall jeder Produktionsleiter unruhig, schließlich ist ein Großteil der Betriebe auf Druckluft angewiesen. In einer solchen Situation ist immer schnelles Handeln gefragt. Die ausgefallene Pumpe muss daher schnell repariert oder ersetzt werden“, erklärt Klaus Jakobi, Leiter der Druckversorgung bei ISW.

Zustandsdaten jederzeit im Blick

Seit Oktober 2019 sind die beiden Testaggregate mit dem smarten Pumpenüberwachungssystem KSB Guard ausgestattet. „Wir hatten das Gerät allerdings schon früher im Einsatz, als es noch nicht offiziell auf dem Markt war. In die Entwicklung ist daher auch unser Know-how eingeflossen“, so Kronisch. Mit dem System lassen sich die Betriebs- und Zustandsdaten einer Pumpe jederzeit und überall mobil im Blick behalten. Der große Vorteil für die praktische Umsetzung: Montage und Inbetriebnahme sind sehr einfach. „Die Sensoreinheit außen auf den Lagerstuhl der Pumpe aufkleben und auf der Sendeeinheit drei Tasten drücken – das war’s“, beschreibt Kronisch das Prozedere.

Die Sensoreinheit misst u.a. die auftretenden Schwingungen. Die Daten werden über ein Gateway in die Cloud des Pumpenherstellers gesendet. Dank einer Cloud-to-Cloud-Verbindung zwischen ISW-Technik und KSB, die mittels Datenschnittstelle realisiert wird, haben sowohl die ISW-Produktionsleitung als auch KSB-Techniker Zugriff auf die Daten. Im Übrigen ist diese Anbindung der Pumpen an eine Cloud keine Einzellösung. ISW-Technik entwickelte ein Dashboard für die 75 Unternehmen, die es am Standort betreut. Auf diesem laufen alle wichtigen Informationen ein. Auch automatisierte Meldungen, wie sie im Schadensfall KSB Guard liefern würde.

Warum solche innovativen Konzepte in der Großchemie nicht immer ganz einfach umzusetzen sind? Die Antwort lesen Sie auf der nächsten Seite.

Warten auf die Betriebsbewährung

Solche innovativen Konzepte in der Großchemie umzusetzen, ist nicht immer ganz einfach, wie Kronisch erklärt: „Bei Pilotanwendungen in der Chemieindustrie hat man folgende Schwierigkeit: Entweder ist die Anwendung so kritisch, dass man Anlagenteile in einem gewissen Turnus (Pumpen nach 50.000 Betriebsstunden) vorsorglich austauscht, oder man versucht, ein anderes Konzept umzusetzen. Mitunter vergeht aber sehr viel Zeit, bis man beurteilen kann, ob sich ein neues Konzept wirklich lohnt.“

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Umso erfreulicher – zumindest aus Sicht des IoT-Projektteams bei ISW-Technik – war es, dass der KSB Guard etwa zwei Monate nach der Inbetriebnahme eine Anomalie im Schwingungsbild einer Etanorm-Pumpe, also eine Abweichung zum Normalbetrieb, meldete. Die Techniker identifizierten einen sich anbahnenden Lagerschaden und leiteten zu unkritischen Zeiten eine gezielte Instandhaltungsmaßnahme ein, obwohl die Pumpe sicher noch zwei Wochen problemlos gearbeitet hätte.

„Es ist natürlich viel praktischer, wenn diese Maßnahmen im normalen Betrieb stattfinden, anstatt in einer ungeplanten Nachtaktion“, macht Jakobi deutlich. Gleichzeitig können viele Vorgänge parallel ablaufen. So wurde die Ersatzteillieferung sofort angestoßen, und auch der Ausbau und die Reparatur konnten besser geplant werden. Der größte Vorteil jedoch: Ein spontaner Ausfall der Anlage mit ungeplanten Stillstandzeiten und möglichen, weiterreichenden Betriebsschäden konnte verhindert werden. Dank der gezielten, vorausschauenden Instandhaltungsmaßnahme erhöhten sich damit nicht zuletzt die Sicherheit und Verfügbarkeit der Energieversorgung im Industriepark.

Da es sich beim Einsatz des neuen Überwachungssystems um ein Pilotprojekt handelte, hat man die Pumpen weiterhin klassisch im Blick. „Natürlich achtet der Schichtleiter weiter auf Geräusche oder Leckagen, so wie er es viele Jahre gemacht hat“, erklärt Jakobi, der jedoch einen Ausblick in die Zukunft wagt. „Der Fachkräftemangel wird seine Spuren hinterlassen, und daher werden solche intelligenten Überwachungssysteme immer interessanter.“ Wurden früher routinemäßig kritische Komponenten nach einer bestimmten Betriebsstundenzahl getauscht, ist man in den vergangenen Jahren in vielen Anlagenteilen zu einer zustandsorientierten Wartung übergegangen.

Mit der jetzigen Lösung geht man aber noch einen Schritt weiter – in eine vorausschauende Wartung. „Das ist wirklich ein Sprung und vor allem eine Anwendung, die sich zu Recht Industrie-4.0-Anwendung nennen darf“, so Kronisch.

Auf dem Weg zum Full-Service-Konzept

Seiner Meinung nach funktionieren solche innovativen Konzepte nur, wenn sie vom Anwender akzeptiert werden. Doch hier merkt Kronisch einen Bewusstseinswandel. „Vor einigen Jahren war für viele Anwender Smart Maintenance noch nicht greifbar, inzwischen haben wir einige Projekte hinsichtlich Machine Learning- oder Big-Data-Analysen mit Erfolg umgesetzt.“ Auch KSB Guard ist mittlerweile bereits bei einem weiteren Kunden der ISW-Technik am Standort im Einsatz. Kronisch ist überzeugt, dass man die KSB-Lösung weiter ausbauen wird, vor allem bei kritischem Equipment. Dies ist vor dem Hintergrund interessant, dass die Pumpeninstandhaltung zum Full-Service-Konzept ausgebaut werden soll.

„Das heißt, der Kunde am Standort bekommt kaum etwas von den Instandhaltungsaufgaben mit und hat mit dem Austausch eines Lagers so wenig wie möglich zu tun“, wagt Kronisch einen Ausblick. Geplant ist, diese Predictive-Maintenance-Lösung im Laufe der nächsten Monate auf die nächste Stufe der Digitalisierung zu heben: Die Zustandsüberwachung wird dann zukünftig über die eigene IoT-Plattform „KI-Konzept“ automatisiert erfolgen. Man darf gespannt sein.

* Die Autorin ist Fachjournalistin für Chemie und Technik.

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