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Filtertechnik

Jetzt kommt Filtration 4.0 – Intelligente Filtersysteme verändern Arbeitsabläufe in Wartung und Produktion

| Autor/ Redakteur: Peter Krause* / Manja Wühr

Smarte Pumpen, smarte Antriebe, smarte Ventile: In verfahrenstechnische Anlagen zieht immer mehr Intelligenz ein. Nun schließen die Filtrationsspezialisten von Wolftechnik gemeinsam mit dem Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart mit einem smarten Filter eine weitere Lücke der Smart Factory.

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Ende 2018 wurde ein erster Prototyp eines smarten Filtercontrollers erfolgreich getestet und in ein Wolftechnik Filtersystem eingebaut (Demonstrator)
Ende 2018 wurde ein erster Prototyp eines smarten Filtercontrollers erfolgreich getestet und in ein Wolftechnik Filtersystem eingebaut (Demonstrator)
(Bild: Martin Wolf Wagner)

Das Produktionswerk für lösemittelhaltigen Klarlack läuft störungsfrei. Vor der Abfüllung in die Transportgebinde durchläuft die Charge einen letzten Filtrationsschritt, der gewährleistet, dass in die Liefergebinde keine Verunreinigungen aus dem Prozess eingetragen werden. Eingesetzt wird ein Kerzenfiltergehäuse Typ WTGDS. Plötzlich verringert sich der Durchsatz rapide und der Abfüllvorgang muss schließlich unterbrochen werden. Der Filter ist verblockt. Nichts geht mehr. Eine hektische Suche nach den richtigen Ersatzelementen beginnt. Im Lager sind diese aus Sicherheitsgründen in hoher Stückzahl vorhanden. In aller Eile wird der Filterwechsel vorgenommen. Endlich kann der Abfüllvorgang neu gestartet werden. Die ungeplante Produktionsunterbrechung ist nicht alleine ein Problem der Quantität, sondern auch der Qualität.

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Wäre das Filtersystem „intelligent“ und damit in der Lage gewesen, die Anzeichen für sein eigenes Verblocken frühzeitig selbst zu erkennen und optimal zu visualisieren, hätte der skizzierte Fall mit sehr großer Wahrscheinlichkeit vermieden werden können. Der Beladungszustand des Filters wäre nämlich zu jeder Zeit bekannt gewesen. Der Filter hätte zum optimalen Zeitpunkt darauf vorbereitet werden können, die zur Abfüllung anstehende Menge an Lack ohne Unterbrechung des Abfüllvorgang zu filtrieren.

Ein solches, „intelligentes“ Filtersystem hat jetzt die Firma Wolftechnik Filtersysteme aus Weil der Stadt entwickelt. Der smarte Filter bildet einen neuen Baustein innerhalb der Smart Factory und ermöglicht durch die echtzeitnahe Verfügbarkeit und die optimale Visualisierung der Informationen ganz neue Ansätze in der Organisation und Steuerung der Filtersysteme. Mit dem smarten Filter lässt sich die Filtration einfach überwachen und Filterwechselzyklen lassen sich besser planen. Auch die Nachversorgung mit neuen Filterelementen kann nicht mehr vergessen werden. Es ist somit weder erforderlich einen Filter aus Sicherheitsgründen viel zu früh zu wechseln, noch ist es notwendig einen hohen Sicherheitsbestand an Ersatzfiltern auf Lager zu bevorraten.

Das Herzstück, der smarte Filtercontroller, wurde in Zusammenarbeit mit dem Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart entwickelt. Denn hinter der Zukunfts­technologie steckt ein ausge- klügeltes IT-Konzept, das in den Druckbehältern der Filtersysteme relevante Daten erfasst und verarbeitet. Ein erster Prototyp des smarten Filtercontrollers wurde Ende 2018 erfolgreich getestet und in ein Wolftechnik-Filtersystem eingebaut. Derzeit arbeitet die Firma Wolftechnik daran, den Prototypen des Smarten Filters in ein verkaufsfähiges Serienprodukt weiter zu entwickeln.

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Filtersystem wird zum Allround-Talent

Smarte Filtercontroller überwachen im Filtersystem diverse Betriebsparameter, wie Differenzdruck, Temperatur und Durchfluss/Volumenstrom, übermitteln Daten und zeichnen sie zudem für die Protokollierung auf. Innerhalb der IT-Umgebung sind filterspezifische Informationen zu Ersatzteilen und Ersatzfiltern hinterlegt, sowie digitale Wartungs- und Prüfpläne eingestellt. Bedienungsanleitungen für Wartung, Pflege und Filterwechsel, in Text und Bild visualisiert, leiten das Personal bei der Arbeit an. Das vereinfacht die In­stallation, aber auch Wartungs- und Servicearbeiten, wie das Tauschen eines Filterelements.

Smarte Filter ermöglichen einen Austausch der Betriebsdaten mit einem externen Servicepartner, z.B. dem Filtersystemlieferanten. Damit kann bei Störungen am Filtersystem eine zeitnahe Diagnose durch den Experten erfolgen und Fehlerursachen können anhand der gesammelten Daten detektiert werden. Durch die Vernetzung mit dem Servicepartner lässt sich zudem die eigene Lagerhaltung optimieren, denn der Servicepartner kann Komponenten für den Filterwechsel „just in time“ versenden. Die automatische Ersatzteilbeschaffung wird mit dem Benachrichtigungsservice aufgewertet.

Neben neuen Services, wie den oben beschriebenen, handelt es sich beim Smarten Filter um ein System zur vorausschauenden Wartung und Produktionsoptimierung. In der optisch an moderne Bedürfnisse angepassten Ausgabe der Daten zum Beispiel auf dem Smartphone, Tablet oder in der Cloud und in der Vernetzung mit dem spezialisierten Servicepartner liegen die großen Vorteile gegenüber einer reinen Überwachung des Filtersystems mit der SPS. Die Cloud-Anbindung ist aber kein Muss, sondern vielmehr eine Option. Der Smarte Filter kann auch über eine rein interne Datenanbindung in den vernetzten Produktionsprozess eingebunden werden.

Das smarte Funktionsprinzip

Im Entwicklungsprojekt für den smarten Filter arbeitete Wolftechnik mit dem Mittelstand-4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart zusammen. Dabei erarbeitete das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA als Mitglied des Kompetenzzentrums mit entsprechender Erfahrung das IT-Konzept und den smarten Filtercontroller zur Aufnahme und Übermittlung der Sensordaten, während Wolftechnik selbst das filterspezifische Know-how einbrachte.

Primäres Entwicklungsziel war es, eine Plattform zu konzipieren, die mit variablen Stellgrößen für jedes Filtersystem und jeden Prozess modifizierbar ist. Für die Umsetzung wurde ein Konzept aus zusätzlicher Sensorik in Kombination mit Mikrocontrollern und einer dahinterliegenden Cloud-Infrastruktur entwickelt. Das Herzstück des „intelligenten“ Filtersystems ist der smarte Filtercontroller. Die Mikrocontrollereinheit kommuniziert mit den angeschlossenen Sensoren und mit einem im Umfeld des Endanwenders installierten Gateway. Der Filtercontroller sendet einerseits die Sensorwerte an das Gateway, kann aber auch Befehle, wie die Anpassung der Abtastraten empfangen.

Das Gateway ist der zentrale Eintrittspunkt in das Internet und sendet die Sensorwerte bei Bedarf in einer aggregierten Form an eine Datenbank, welche in der Cloud gehostet ist. Der Endanwender kann über Visualisierungen (zum Beispiel ein Dashboard) den Zustand seiner Filter überwachen. Eine Applikation (der „Filter Assessment Service“ = Filterbewertungsdienst) überwacht die Filterparameter aus den Sensordaten und kann daraus Entscheidungen ableiten.

Wie ermittelt und meldet der Smarte Filter den Differenzdruck?

Relativdrucksensoren vor und nach dem Filter liefern ihren momentan gemessenen Druck über ein stromcodiertes Signal an den smarten Filtercontroller. Der wandelt das Signal in den entsprechenden Druckwert in der Einheit bar um und sendet die Werte über das Netzwerk an das Gateway, welcher wiederum für die automatisierte Auswertung der Messdaten und die Visualisierung über ein Dashboard verantwortlich ist. Über das Dashboard können berechtigte Personen die Druckwerte und somit den Zustand des Filters in „near real-time“ betrachten, überwachen und bei Bedarf auf Ereignisse reagieren.

Im System können unterschiedliche Benutzergruppen, wie Endkunden oder Administratoren (z.B. bei Wolftechnik) angelegt werden. Sollte einer der Filter einen konfigurierbaren Grenzwert überschreiten, so wird eine E-Mail-Benachrichtigung für eine notwendige Wartung des Filters an die vordefinierten Personen/E-Mail-Adressen versendet. Zudem kann ein Alarm ausgelöst werden.

Fazit: Mit dem „Smart Filter“ bringt Wolftechnik Intelligenz in den Filter. Der echtzeitnahe Einblick in den Zustand und die Betriebsdaten des Filters ermöglicht die Produktionsoptimierung und eine vorausschauende Wartung.

Ergänzendes zum Thema
IT-Konzept hinter dem smarten Filter

IT-Konzept für das Smarte Filter
IT-Konzept für das Smarte Filter
( Bild: Fraunhofer IPA/Wolftechnik )

Integration zwischen Smarten Filtern beim Endanwender und den Systemen beim Servicedienstleister kann sowohl als Private Cloud (in einem lokalen Rechenzentrum im Unternehmen), wie auch als Public Cloud (in einem Rechenzentrum außerhalb des Unternehmens z.B. bei einem Cloudanbieter) umgesetzt werden.

Funktionsprinzip beim Endanwender

  • Sensoren am Filtersystem sind mit Mikrocontrollern (Smart Filter) verbunden
  • Smart Filter lesen die Sensorwerte aus, wie Druck (Eingang/Ausgang), Temperatur, Durchfluss/Volumenstrom und übermittelt diese an das Gateway
  • Anzeige und Visualisierung der Werte über ein Dashboard als Übersichtsbild eines Filters; verbaute Sensoren können einzeln ausgewählt werden, um deren Werte anzuzeigen
  • Nutzung über jedes Web-fähige Endgerät möglich (Computer, Tablet, Smartphone)
  • Smarte Filter steuern bei Bedarf die Sensoren über empfangene Kommandos; Treffen von Entscheidungen auch lokal möglich
  • Weitere lokale Systeme können falls gewünscht auf die Sensordaten zugreifen
  • Zusätzliche Dokumente (Bedienungsanleitung, Betriebsanleitung, etc.) können abgefragt und lokal angezeigt werden
  • Systeme und Services sind skalierbar
  • Funktionsprinzip beim Servicedienstleister (z.B. Wolftechnik)

  • Ermittelte Daten beim Endanwender werden in einer Datenbank gespeichert, in einem System („Filter Assessment System“ = Filterbewertungsdienst) zusammengeführt und kundenspezifisch ausgewertet
  • Eine notwendige Aktion wird vom „Filter Assessment System“ an ein ERP-System übermittelt, welches dann die Auftragsabwicklung übernimmt (automatische Ersatzteilbeschaffung, etc.)
  • Geschlossener Kreis von der Problemidentifikation bis zum Auslösen eines Bestellprozesses
  • * Der Autor ist Geschäftsführer der Firma Wolftechnik Filtersysteme, Weil der Stadt.

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