Drucklufterzeugung 4.0 Smarte Drucklufterzeuger sorgen für Effizienz

Autor / Redakteur: Marcus Jungkunst, Daniela Koehler* / Wolfgang Ernhofer

Vom unvollständigen Einzelgerät geht die Entwicklung zur vollständig vernetzten Komplettstation, die Daten liefert, die überall bequem abrufbar und auswertbar sind: Industrie 4.0 hält Einzug im Gebläsebereich und bringt so höchste Energieeffizienz und Kostenersparnis.

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Steuerungen, die in die Gebläse integriert sind, ermöglichen es, die gewonnen Daten zu nutzen
Steuerungen, die in die Gebläse integriert sind, ermöglichen es, die gewonnen Daten zu nutzen
(Bild: Kaeser)

Industrie 4.0 bedeutet, dass alle Komponenten einer Station optimal aufeinander abgestimmt und gesteuert, am Bedarf des Anwenders orientiert, arbeiten. Aus dem Prozess werden durch Echtzeitüberwachung Daten gewonnen, übertragen und ausgewertet. Die Ergebnisse dienen dazu, potenzielle Störungen frühestmöglich vorauszusehen und ihnen durch rechtzeitiges Eingreifen zuvor zu kommen. Außerdem ermöglichen die Daten eine weitere Verbesserung der Produkte und – falls sich in der Produktion Veränderungen ergeben – eine möglichst schnelle Anpassung und Optimierung der Anlage.

Das ist ähnlich wie bei einem Orchester, bei dem die Musiker nicht nur für sich selbst irgendwelche Töne produzieren, sondern das, geführt von einem Dirigenten, harmonisch zusammenspielt. Aus diesem Zusammenspiel entsteht ein musikalisches Werk. Der Dirigent erkennt frühzeitig, anhand des Spiels der einzelnen Musiker, wo eventuell Übungs- oder Harmonisierungsbedarf herrscht und gibt rechtzeitig ein entsprechendes Feedback, tauscht eventuell sogar Musiker aus oder kann absehen, wann ein Musiker ausscheidet oder weitere Musiker benötigt werden. Dies erfordert vor allem eines: Kommunikation. Sowohl zwischen Menschen, als auch zwischen Maschinen, und – im Fall von Indus­trie 4.0 – zwischen Maschine und Mensch.

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Möglich geworden ist dies im Gebläsebereich erst durch die Weiterentwicklung von ehemals so genannten unvollständigen Maschinen (bestehend aus Verdichterblock, Kraftübertragung, Motor, Schalldämpfer sowie Ventilen, oft irgendwie an die Stromversorgung angeschlossen und kaum überwacht), hin zu vollständigen Maschinen (mit integrierter Vollüberwachung, elektrischem Leistungsteil wie z.B. Frequenzumrichter und der Möglichkeit zur umfassenden Kommunikation von Betriebs- und Zustandsdaten). Dies gilt sowohl für innovative Drehkolben- als auch für Schraubengebläsen.

Flexiblere Ansteuerung der Maschine

Durch die Steuerungen und die Komplettbauweise sind diese Maschinen inzwischen auch kompatibel mit den Absichten, die sich hinter dem Begriff Industrie 4.0 verbergen. Diese auch als 4. Industrielle Revolution bezeichnete Umwälzung in der Industrieproduktion erfordert als Grundlage die Möglichkeit einer umfassenden Kommunikation von Maschine zu Maschine bzw. mit einem übergeordneten Prozessleitsystem im Rahmen der fortschreitenden Vernetzung und Digitalisierung. Ziel ist eine flexiblere Ansteuerung der Maschine sowie die Diagnostik deren Betriebs-und Zustandsdaten in Echtzeit (so genanntes Condition Monitoring), um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten und vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) zu betreiben.

Zusätzlich zu den integrierten Gebläse-Steuerungen kommen nun auch maschinenübergreifende Verbundsteuerungen auf den Markt. Diese sind bereits aus dem Bereich der industriellen Drucklufterzeugung bekannt und werden künftig auch bei Gebläse-Stationen ihren Einsatz finden.

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Sicherer, kostengünstiger und effizienter Betrieb

Letztendlich ist für den Betreiber einer Station nicht nur ein störungsfreier Betrieb interessant, sondern es geht darum, die Prozessluftversorgung langfristig sicher und effizient am Laufen zu halten, bei gleichzeitig möglichst geringen Kosten. Nicht nur die Höhe der Energiekosten spielt dabei eine Rolle. Schäden am Gebläse, die durch mangelnde Wartung oder Überlastung zustande kommen, haben häufig finanzielle Folgen, die sich leicht auf viele Tausend Euro summieren.

Oft ist der Status Quo in Gebläse-Stationen alles andere als automatisiert und flexibel anpassbar. Nach wie vor versorgen eine Vielzahl von Gebläsen Prozesse mit Druckluft, ohne nennenswert überwacht zu sein. Der Zustand von Ansaugfiltern in den Gebläsen, der Getriebeölstand, Betriebsdruck und eventuell auch die Verdichtungsendtemperatur werden bestenfalls in turnusgemäßen Rundgängen vom Wartungspersonal visuell erfasst und protokolliert.

Gleichzeitig steht immer weniger Personal oder Fachwissen über Drucklufttechnik vor Ort zur Verfügung. Der Ansatz von Industrie 4.0, eine nahezu vollständige und automatische Überwachung möglichst von einem zentralen und leicht zugänglichen Ort aus zu liefern, bietet daher viele Möglichkeiten bestehende und auch neue Stationen im Hinblick auf Energie- und Lebenszykluskosten zu optimieren.

Steuerungen sind der Schlüsselfaktor

Innovative Drehkolben- und Schraubengebläse sind inzwischen in den meisten Fällen so ausgerüstet, dass sie die Voraussetzungen für Industrie 4.0-Dienstleistungen erfüllen können. Vorausgesetzt es handelt sich um Komplettsysteme. Integrierte Steuerungen ermöglichen es, dass eine Vielzahl von Informationen über den Betriebs- und Wartungszustand des Gebläses in eine Richtung ausgelesen werden können und umgekehrt, dass das Gebläse in die andere Richtung ferngesteuert (Start-Stopp, Drehzahl, Druck) werden kann – idealerweise mit nur einem Kabel, dem Daten-Buskabel.

Als Analogwerte können z.B. in Echtzeit ausgelesen werden: der Ansaug-, End- und Differenzdruck, die Ansaug-, End-, Öl- und Schallhauben-Innentemperatur, der Druckabfall am Ansaugfilter, im Falle Frequenzumrichter Gebläse-Drehzahl, Stromaufnahme Umrichter und Zwischenkreisspannung. Überwacht werden Temperatur und Stromaufnahme der Motoren, Öl-Niveau, Temperaturen auf Platinen der Leistungselektrik und vieles mehr.

Jedem dieser Werte sind Schwellwerte für die Meldung einer Warnung und Störung hinterlegt, die auch in das Prozessleitsystem mittels Busprotokoll implementiert werden können und so die Möglichkeit für eine bequeme und einfache Überwachung bieten.

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Hinzu kommen noch Zähler für die Betriebsstunden der Maschine und deren Einzelkomponenten wie z.B. Gebläse-Block, Motor, Steuerung, Leistungsteil, Wartungsteile usw. Den Wartungsteilen (beispielsweise Ansaugfilter, Öl, Keilriemen usw.) sind auch Zeitintervalle hinterlegt, die nach Ablauf eine Wartungsmeldung generieren. Zustandsgrößen z.B. „Maschine aus“, „startbereit“, „Betrieb“ und „Störung“, liegen ebenfalls auf dem Prozessabbild.

Kommunikation sichert mehr als nur Information

Im Falle der Schüttgutförderung kann die Information über einen plötzlichen Druckanstieg am Gebläse dazu dienen, der Gefahr einer Pfropfenbildung durch kurzzeitige Reduzierung der aufgegebenen Schüttgutmenge entgegen zu wirken. Umgekehrt kann die Leitwarte die Maschine in den gewünschten Betriebszustand versetzen und diverse Steuer- und Regelarten an- und abwählen.

Die Vorgabe einer externen Solldrehzahl für das Gebläse ist genauso möglich im Rahmen einer Fern-Drehzahlsteuerung, wie auch die Regelung von Prozessgrößen wie z.B. Enddruck, Sauerstoffgehalt in Flüssigkeiten oder Verbrennungsluft mit Vorgabe des jeweiligen Soll- und gegebenenfalls auch externen Istwertes für die Regelung, da moderne Gebläse-Steuerungen auch über einen integrierten, leicht parametrierbaren PI-Regler verfügen.

Die übergeordnete Verbundsteuerung sorgt dann später dafür, dass zum einen die Gebläse untereinander optimal aufeinander abgestimmt arbeiten, zum anderen gibt sie die Daten zu Analysezwecken weiter. Kommt es dennoch zu einer Störung, so lässt sich aus der gesammelten Datenhistorie, Ursachenforschung betreiben, um künftigen Störfällen vorzubeugen.

Geschickte Vernetzung bereits fertiger Systeme

Als weiteren Vorteil bietet der Trend von unfertigen Maschinen, also Teilkomponenten, hin zu vollständigen, betriebsfertigen, smarten und kommunikativen Maschinen – den Vorteil der Rechtssicherheit. Wurden in der Vergangenheit Maschinenteilkomponenten vor Ort zu einer vollständigen, betriebsfertigen Maschine zusammengeführt und in Betrieb versetzt, so fordert die Europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EG inzwischen ein Konformitätsbewertungsverfahren als Basis für die CE-Kennzeichnung des fertigen, kompletten Produktes. Derjenige, der die unfertigen Teilkomponenten am Ende komplettiert, begibt sich im Grunde in die Rolle des Maschinenherstellers mitsamt notwendiger Risikoanalyse, Dokumentation der ergriffenen mechanischen und elektrischen Schutzmaßnahmen und hat die Niederspannungsrichtlinie, die Richtlinie zur elektromagnetischen Verträglichkeit und noch einige mehr, wie z.B. die Betriebsssicherheitsverordnung, zu beachten.

Smarter im Sinne von Industrie 4.0 und der ganzheitlichen Betrachtung von Anlagen ist es, den Aufwand für die Planung, Dokumentation, Messung und Zertifizierung von Teilsystemen gering zu halten, um sich stattdessen auf die geschickte Vernetzung bereits fertiger Systeme, deren Datenerfassung und logische Auswertung zu konzentrieren. Dann kann der Betreiber sich sicher sein, den notwendigen Überblick zu haben, um die Prozesse sicher und wirtschaftlich am Laufen zu halten.

* * M. Jungkunst ist Produktsupport, D. Koehler Pressesprecherin bei Kaeser Kompressoren, Coburg. Kontakt: Tel. +49-9561-640-0

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