Pneumatische Antriebe Warum Automatisierung mit pneumatischen Antrieben wirtschaftlich und innovativ ist

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Wolfgang Rieger / Dr. Jörg Kempf

In der kommunalen Wasserwirtschaft ist es üblich, nach vertrautem Stand der Technik zu planen. Das führt dazu, dass bei Neuanlagen oder Sanierungen die elektrische Antriebstechnik stark im Fokus steht. Eine Antriebs- und Automatisierungslösung auf Basis Pneumatik stellt dabei im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Technik eine interessante Alternative dar.

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Sie wollen Kosten sparen? Pneumatische Antriebe sind in puncto Energieeffizienz wettbewerbsfähig.
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(Bild: ©Mopic - stock.adobe.com, Festo, [M]-Sahlmüller)

Die Auswahl eines geeigneten Antriebssystems für Industriearmaturen stellt Planer und Betreiber häufig vor eine schwierige Entscheidung. Um pneumatische und elektrische Antriebstechnik angemessen vergleichen zu können, ist eine Abgrenzung der betrachteten Systeme nötig. Die Armatur ist nicht Teil des Systems, sie ist unabhängig vom gewählten Antriebskonzept. In der Automatisierungspyramide nach oben ist die Schnittstelle die Signalübertragung – die Feldbusschnittstelle. Die Elemente zur Energieversorgung sind Bestandteil des Vergleichs.

Bildergalerie

Automatisierungsstruktur mit pneumatischen Antrieben

Abb. 1 (siehe Bildergalerie) zeigt die Automatisierungsstruktur mit pneumatischen Antrieben in Kombination mit Ventilinseln als zentralem Element. In Abhängigkeit vom Umfang einer Anlage umfasst die Automatisierung ein Prozessleitsystem (PLS) oder die Visualisierung, die SPS-Ebene sowie die Feldebene. Das Prozessleitsystem und die SPS-Ebene werden über Ethernet verbunden, SPS und Feldgeräte über parallele Datenübertragung oder Feldbus (seriell). Moderne Automatisierungslösungen werden heute mit Feldbussystemen zur Kommunikation in der Feldebene realisiert. Das gilt für alle Armaturen, Pumpen, Gebläse oder Messgeräte, die an eine SPS angeschlossen werden. Auch eine Anbindung an das Intranet zur werkübergreifenden Kommunikation ist einfach realisierbar.

In der Regel werden heute dezentrale und zunehmend modulare Strukturen aufgebaut, wobei die Intelligenz von der zentralen SPS in die Feldebene verlagert wird. Festo entspricht diesem Trend durch den Einsatz pneumatischer Ventilinseln ohne oder mit integrierter Steuerung.

Die Ventilinsel stellt die Verbindung her zwischen den pneumatisch betätigten Armaturen und den Endlagenschaltern, den Messgeräten und der Steuerungs- bzw. Prozessleitebene. Für die Platzierung der Ventilinsel im Feld gelten zwei Kriterien: möglichst nahe an den Armaturen für kurze Verbindungen (Schläuche und Kabel) und die Zusammenfassung der Armaturen zu sinnvollen Gruppen die über die Ventilinsel angesteuert werden.

Die Ventilinsel hat einen pneumatischen (MPA) und einen elektrischen Teil (CPX-Terminal). Beide Teile lassen sich mit vielen Bausteinen flexibel konfigurieren. Für die Elektrik stehen digitale und analoge Ein- und Ausgangsmodule zur Verfügung. Der pneumatische Teil besteht aus verschiedenen Magnetventilfunktionen und Durchflussmengen. Der modulare Aufbau gewährleistet die optimale Anpassung an das Anlagenkonzept in allen Bereichen eines Wasserwerks oder einer Kläranlage.

Die Vorteile dieser Automatisierungslösung sind:

  • deutliche Einsparung für die Installation,
  • mehr Transparenz auf den einzelnen Ebenen,
  • durchgängiges Konzept mit wenig Schnittstellen,
  • schnelle Inbetriebnahme und Fehlerbeseitigung,
  • Zusammenführen der Stellglieder auf der Ventilinsel,
  • einfache Erweiterbarkeit.

Die pneumatischen Antriebe arbeiten mit Druckluft, die durch einen Kompressor erzeugt wird. Bestandteile der Drucklufterzeugung sind immer ein Trockner und ein Druckspeicher. Druckluft als zweite Energieform auf der Anlage ist einfach in der Handhabung und kostengünstig speicherbar für Fail-Safe-Funktionen bei Stromausfall.

Automatisierungsstruktur mit elektrischen Antrieben

Die Automatisierungsstruktur für elektrische Antriebe zeigt Abb. 2 (siehe Bildergalerie). Bei elektrischen Antrieben ist die Energiebereitstellung einfacher. Der elektrische Antrieb erhält seine Energie über eine 3-Phasen-400-V-Drehstromleitung. Die Steuersignale überträgt das Feldbuskabel. Dazu muss der elektrische Antrieb mit einer integrierten Steuerung mit Feldbus-Schnittstelle ausgerüstet sein. Im Schaltschrank sind für die Energieübertragung Anschlussklemmen und Sicherungen zu installieren. Dieser Teil wird bei Kostenvergleichen häufig außer Acht gelassen.

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Für einen vollständigen Vergleich beider Systeme ist es notwendig, die Feldebene einzubeziehen. Konkret würde das bedeuten, die Antriebsarten im Detail zu vergleichen. Das kann anhand physikalisch-technischer Kriterien oder praktischer Aspekte (Zuverlässigkeit, Handhabung, Sicherheit im Betrieb, Fehlererkennung- und behebung, etc.) geschehen, würde aber den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Der Vergleich beschränkt sich deshalb auf Investitions- und Betriebskosten, da neben den technischen Anforderungen und der Handhabung im Betrieb die Kosten zumeist das wichtigste Kriterium für eine Entscheidung sind.

Investitions- und Betriebskosten im Vergleich

Das Prinzip der Total Cost of Ownership (TCO) liefert einen Bewertungsansatz, der alle anfallenden Kosten für den Betreiber über deren gesamte Lebensdauer berücksichtigt und als Entscheidungsgrundlage bei der Beschaffung herangezogen werden kann. Die Höhe der Gesamtkosten wird dabei nur teilweise durch die gewählte Antriebslösung bestimmt.

Als Beispiel für den Kostenvergleich dient der Neubau einer Fil­trationsanlage eines kommunalen Wasserwerks. Die Anlage ist seit über drei Jahren in Betrieb und mit einer Festo-Systemlösung auf Basis Pneumatik automatisiert. Sie besteht aus sieben Mehrschichtfiltern und sieben Aktivkohlefiltern mit 84 automatisierten Armaturen der Nennweiten 200 bis 600, davon 35 geregelt.

Investitionskosten: In der Anschaffungs- und Installationsphase wurden folgende Kosten berücksichtigt:

  • Antriebe und Zubehör,
  • Komponenten der Ansteuerung bis zur Feldbusschnittstelle,
  • Komponenten der Energieversorgung (pneumatische Antriebe: Kompressor mit Trockner und Druckspeicher, elektrische Antriebe: Schaltschrankelemente für Energieübertragung und Sicherungen),
  • Montage und Inbetriebnahme.

Grundlage für die Anschaffungspreise bilden die Listenpreise von Festo und marktüblicher Anbieter. Die Summe der Investkosten ergibt etwa 222 000 Euro für das pneumatische und ca 310 000 Euro für das elektrische Antriebssystem. Das ergibt einen Kostenvorteil von 28 % für die pneumatische Antriebslösung.

Betriebskosten: Energieeffizienz und Möglichkeiten zur Einsparung stehen derzeit in vielen Diskussionen im Fokus. Druckluft hatte und hat immer noch den Ruf eine teure Energie zu sein. Tatsache ist: Moderne Druckluftsysteme sind aus Sicht Energieeffizienz voll wettbewerbsfähig.

Ein Vergleich beider Antriebslösungen kann einerseits über das Verhältnis aufgenommener zu abgegebener/nutzbarer Leistung geführt werden. Andererseits über die in der Praxis benötigten Stromkosten. Moderne Druckluftanlagen besitzen einen Wirkungsgrad von 42 %.

Für elektrische Antriebe kann die elektrisch aufgenommene Leistung nach folgender Formel berechnet werden: P = U · I · cos φ · √3

Die entsprechenden Daten, sowie die abgegebene Nennleistung können den Unterlagen der Hersteller entnommen werden. Für die elektrischen Antriebe errechnet sich das Verhältnis von nutzbarer zu aufgenommener Leistung für die beschriebene Beispielanlage zu etwa 40 %.

Für den Praktiker interessanter und konkret bewertbar sind die Kosten für den Bedarf an elektrischer Energie beider Systeme.

Energiekosten im Vergleich

Wie berechnen sich Druckluftkosten? Über eine einfache Rechnung: Die Anzahl der Armaturen und damit die Größe der Antriebe bestimmen den Druckluftverbrauch pro Betätigung. Diese Größe multipliziert mit der Anzahl der Betätigungen pro Tag ergibt den Gesamt-Druckluftbedarf.

Die Spanne der Druckluftkosten liegt heute zwischen 1,5 ct/Nm3 (Optimum) und 10 ct/Nm3 für „alte Schraubenkompressoren“.

Die durchschnittlichen Druckluftkosten betragen 2 ct/Nm3 (Quelle: EnEffAH – Energieeffizienz in der Produktion im Bereich Antriebs- und Handhabungstechnik, EnEffAH Projektkonsortium 2012, www.eneffah.de). In diesen Kosten sind sowohl die fixen Kosten (Anschaffung, Abschreibung, Zinsen und Platzkosten) als auch die variablen Kosten (Energieverbrauch, Wartung und Reparatur) enthalten.

Die Energiekosten pro Jahr berechnen sich aus: Druckluftbedarf/Tag x Druckluftkosten/Nm3 x 365 Tage. Für das genannte Beispielwasserwerk betragen die Energiekosten für die Drucklufterzeugung etwa 104 Euro/Jahr.

Welche Energiekosten entstehen bei elektrischen Antrieben? Angesetzt wurde ein Energiepreis von 0,14 Euro/kWh. Unter Berücksichtigung der entsprechenden Antriebsdrehzahlen und Laufzeiten der Armaturen ergeben sich für die elektrischen Antriebe in Summe etwa 146 Euro/Jahr.

Beide Größenordnungen sind für den Betrieb eines Wasserwerks vernachlässigbar. Das Ergebnis belegt: Pneumatische Antriebe sind in puncto Energieeffizienz wettbewerbsfähig.

Energie-Effizienz-Modul macht Energiesparen einfach

Optimierungspotenziale beim Druckluftverbrauch sind heute noch nicht ausgeschöpft. Durch das Energie-Effizienz-Modul MSE6-E2M, kurz E2M (siehe Bildergalerie Abb. 3) wird Energiesparen einfach. Mithilfe integrierter Durchfluss- und Drucksensoren reduziert und überwacht es selbstständig den Luftverbrauch an Anlagen.

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Das Modul erkennt, wenn keine Druckluft verbraucht wird und schaltet die Zufuhr automatisch ab. Im abgesperrten Zustand prüft das E2M die Dichtigkeit des Systems. Bei zu starkem Abfall wird die Steuerung informiert. Die automatische Leckage-Erkennung ermöglicht eine gezielte Wartung, und die permanente Überwachung des Verbrauchs steigert die Prozesssicherheit.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten bietet das Festo Motion Terminal. Es ist ein Beispiel dafür, wie etablierte Automatisierungstechnologien durch Digitalisierung revolutioniert werden können. Durch eine konsequente Trennung von Hardware und Software-Funktionen im Motion Terminal wird eine neue Dimension der Flexibilität erreicht. Diese neue Art der Funktionsintegration – standardisierte Hardware kombiniert mit individuellen Software-Apps – vereinfacht die komplette Wertschöpfungskette, denn es wird nur noch eine Hardware benötigt. Die individuelle Funktion dieser Hardware wird über die Software-Apps realisiert.

Zum Verkaufsstart stehen zehn Funktionen über Software-Apps zur Verfügung – von der einfachen Änderung der Wegeventilfunktionen bis zu energieeffizienten Bewegungen, z.B. Verfahrzeitvorgabe, wählbare Druckniveaus und ECO-Fahrt.

Fazit: Das Ergebnis zeigt, dass im Beispiel die Anfangskosten eindeutig überwiegen. Der Anteil der Folgekosten ist gering. Für die betrachtete Filteranlage ist eine Automatisierungslösung auf pneumatischer Basis vorteilhaft, da die Gesamtkosten auch über einen langen Zeitraum deutlich geringer sind. Durch neue Produkte sind weitere Optimierungsmöglichkeiten gegeben. Dadurch stellt die Pneumatik eine insgesamt effiziente und zukunftsweisende Antriebslösung dar.

* Der Autor ist Key Account- und Branchenmanager Wasser/Abwasser, Festo AG & Co. KG, Esslingen.

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