Drucklufterzeugung basiert auf der Umwandlung von elektrischer oder mechanischer Energie in pneumatische Energie. Dabei entstehen potenzielle Herausforderungen: Reduzierung des Energieverbrauchs, Stabilität im Druckniveau, Produktionssicherheit und die Vermeidung von Verunreinigungen oder Leckagen. Hier setzt die Messtechnik an, indem sie Daten liefert, die zur Überwachung, Steuerung und Optimierung der Systeme genutzt werden können.
Gerade in der Pharmaindustrie sind die Anforderungen an die Druckluftqualität oft sehr hoch. Die Richtlinien für Herstellungsprozesse werden immer strikter und häufig ist eine Zertifizierung mit einer entsprechenden Nachweispflicht erforderlich. Eine genaue Überwachung der Prozesse während der gesamten Kette – von der Drucklufterzeugung bis zur -verteilung – ist daher sinnvoll, um gerade bei sensiblen Druckluftanwendungen die Sicherheit der Qualität gewährleisten zu können.
Innovative Anbieter von Lösungen für die Drucklufterzeugung haben dafür in den letzten Jahren Messtechniksysteme auf den Markt gebracht, die eine komplette Überwachung des gesamten Druckluftsystems einschließlich Bündelung der Daten, Analysen, einer entsprechenden Auswertung und damit einer durchgängigen Überwachung und Optimierung überhaupt erst möglich machen.
Wie werden aus Daten Informationen?
Jedes Druckluftsystem produziert in jeder Sekunde eine große Menge an Daten. Die Herausforderung liegt darin, diese Daten zu erfassen und sie zu sinnvollen Informationen zu wandeln. Informationen, aus denen sich im nächsten Schritt tatsächlich Schlussfolgerungen ziehen und Handlungsempfehlungen, mit einem konkreten Nutzen für den Betreiber einer Druckluftstation, ableiten lassen.
Sensoren in Kompressoren bzw. in Druckluftstationen gibt es schon lange. Doch Sensor ist nicht gleich Sensor und Überwachung nicht gleich Überwachung. Die Digitalisierung hat die Messtechnik revolutioniert. Moderne Druckluftsysteme nutzen Multi-Sensoren, die Messdaten in Echtzeit an zentrale Steuerungseinheiten oder als IoT-Lösung an Cloud-Plattformen übertragen können. Diese Daten lassen sich analysieren, um Trends zu erkennen und vorausschauende Instandhaltung zu ermöglichen. Unternehmen sparen dadurch nicht nur Kosten, sondern reduzieren auch ungeplante Stillstandzeiten.
Das richtige Gerät an der richtigen Stelle
Ein sinnvolles Bild ergibt sich also erst, wenn intelligente Sensoren an den richtigen Stellen sitzen, die für eine Optimierung relevanten Daten vollständig erfassen und sinnvoll interpretieren. Auf einen speziellen Zweck ausgerichtete Einzelsensoren, die an den relevanten Stellen im Druckluftsystem montiert sind, erfassen wie „künstliche Augen“ multipel die gewünschten Daten und liefern diese an ein zentrales Managementsystem, das wiederum die Daten nicht nur erfasst und aufzeichnet, sondern auch analysiert und visualisiert.
Diese Ergebnisse können sowohl im Leitsystem des Betreibers der Druckluftstation abgerufen als auch an die Cloud des Druckluftsystemanbieters für den Zweck der intelligenten Fernüberwachung weitergeleitet werden. Der Betreiber der Station hat die Option, selbst sein Druckluftsystem im Blick zu haben und eigenständig Optimierungsmaßnahmen durchzuführen, oder er nutzt die Kompetenz des Druckluftsystemanbieters für Echtzeit-Monitoring und lässt diesen – als Servicedienstleistung – die Druckluftversorgung überwachen und kontinuierlich optimieren.
Um die Daten zu gewinnen, braucht es entsprechende Sensoren. Dank Fortschritten in der Sensortechnologie sind moderne Messgeräte kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger geworden. Innovative und intelligente Sensoren der neuesten Generation ermöglichen eine flexible Installation, auch an schwer zugänglichen Stellen. Sie arbeiten energieeffizient und können über lange Zeiträume hinweg zuverlässig Daten liefern.
Das ganze System im Blick
Um eine möglichst komplette Überwachung des Druckluftsystems zu gewährleisten, empfiehlt sich die Installation unterschiedlicher Messgeräte zur Volumenstrom-, Prozessluft-, Drucktaupunkt-, Ansaug- und Umgebungsluft- und Energie-Analyse. Diese sollten eine Prozess- und Raumüberwachung, ein entsprechendes Qualitäts- und Energiemonitoring und die Vernetzung aller Komponenten zu einem effizienten System ermöglichen. Auch eine schnelle und einfache Datenauswertung für höchste Effizienz und zu Dokumentationszwecken ist wichtig.
Doch an welchen Stellen braucht es überhaupt Sensoren und zu welchem Zweck? Wer eine Druckluftsystem betrachtet, sollte vom Ansaugpunkt der Kompressoren ausgehen. So wird beispielsweise eine Überwachung des Raumes häufig unterschätzt. Doch gerade die Ansaug- und Umgebungsbedingungen können die Komponenten der Druckluftstation und die Qualität der Druckluft maßgeblich beeinflussen.
So hat zum Beispiel die Umgebungstemperatur einen Einfluss auf die Betriebstemperatur des Kompressors. Diese bedingt ihrerseits die spezifische Leistung, das heißt die erforderliche elektrische Energie, die benötigt wird, um die gewünschte Menge an Druckluft bereitzustellen. Bei luftgekühlten Kompressoren beeinflusst die Umgebungsluft zusätzlich auch die Druckluftaustrittstemperatur. Je nachdem, welche Werte vorliegen, sind die nach dem Kompressor folgenden Druckluftaufbereitungskomponenten (zum Beispiel Kälte- oder Adsorptionstrockner) zu schalten.
Werden Parameter, die bei der ursprünglichen Auslegung zugrunde gelegt wurden, überschritten, könnte dies zu einer Verschlechterung der Druckluftqualität führen, was bei sensiblen Produktionsprozessen unerwünscht ist. Gerade bei der Herstellung von Tabletten kann das zum Problem werden. Nicht nur, weil Tabletten bei zu feuchter Druckluft aufquellen können, sondern vor allem, weil bei Verunreinigungen auch ein gesundheitliches Risiko für den Endverbraucher entstehen kann.
Ein Messgerät, das Raum- und Ansaugbedingungen überwacht, ist ideal, um die Umgebungsparameter zu beurteilen und zu ermittelt, unter welchen Umgebungsbedingungen die Komponenten einer Druckluftstation jeweils betrieben werden und welcher Feuchtigkeitsanteil unter den herrschenden Umständen in das System gelangt. Die Betriebs- und Ansaugbedingungen, die in das Monitoring-System übermittelt werden, geben Auskunft über die ordnungsgemäße Funktionsweise der Komponenten. Diese erhobenen Daten erlauben zum Beispiel Rückschlüsse auf die erforderliche Kühlung und Lüftungstechnik in der Druckluftstation, wie zum Beispiel die Umluftsteuerung einer Druckluftstation im Winter.
Für bestimmte Prozesse wird statt des Druckluftvolumenstrom der Druckluftmassenstrom benötigt. Mit Erfassung der Ansaugbedingungen lässt sich durch dynamische Kompensation direkt der Massenstrom ermittelt, analysieren und bedarfsabhängig bereitstellen.
Darüber hinaus sind die Ansaug- und Umgebungsbedingungen für Fehleranalysen von großem Vorteil und werden zum Beispiel für die Volumenstromregelung bei Gebläsen, für die Vakuumregelung und für die dynamische Kompensation auf Normvolumenstrom benötigt. Die gemessenen Parameter sorgen dafür, dass ein Fehlverhalten des Systems, aufgrund von Unregelmäßigkeiten, sicher ausgeschlossen werden kann.
Einen der wichtigsten Prozessparameter stellt der Druck an der Übergabestelle dar. Dieser nimmt maßgeblich Einfluss auf eine effiziente Regelung der Kompressoren und gibt Auskunft darüber, ob die Produktion ungefährdet weiterlaufen kann.
Weitere Möglichkeiten der Analyse sind die Erfassung der Medientemperaturen oder des Drucks nach den Drucklufterzeugern, vor und nach der Aufbereitung. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse zeigen zusätzliche Optimierungspotenziale für die Druckluftversorgung auf.
Die nächste Art Messgerät, die in einer Druckluftstation vorhanden sein sollte, dient dazu, Volumenströme zu erfassen. Wobei es wichtig ist, zu unterscheiden, nach welchem Prinzip das Messgerät funktioniert und an welchem Ort im Druckluftsystem es eingesetzt wird. Direkt nach dem Kompressor installiert, ist ein Volumenstrommessgerät, dass auf Differenzdruckprinzip beruht, ideal, um den erzeugten Volumenstrom bei hohen Temperaturen und bei Luft mit erhöhter Feuchtigkeitskonzentration zu ermitteln. Gemessen und berechnet wird in diesem Fall der Durchfluss und der Gesamtverbrauch. Außerdem werden Druck, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit erfasst. Die Messspanne liegt bei diesen Geräten im Bereich 1:10.
Ein Durchflussmessgerät, dass auf dem thermischen Massenstromsensorprinzip basiert, hat den Vorteil, dass es einen größeren Messbereich erfasst. Es ist jedoch empfindlicher im Hinblick auf Verschmutzungen und sollte deshalb im Druckluftsystem erst nach Druckluft-Aufbereitungskomponenten wie zum Beispiel einem Druckluftkältetrockner eingesetzt werden. Mit diesem Gerät können auch geringe Volumenströme erfasst werden. Dies ermöglich zum Beispiel die Erfassung von Leckagen, wenn am Wochenende nicht gearbeitet wird.
Sicherheit für die Produktion
Für den Einsatz von Druckluft in der Produktion ist das Einhalten bestimmter Grenzwerte von enormer Bedeutung. Mit der richtigen Überwachung gehören Ausfälle und Produktionsstillstand der Vergangenheit an. Für diesen Einsatz und um den Systemdruck an verschiedenen Stellen zu beurteilen, eignen sich kombinierte Messgeräte, die den Druck und die Temperatur überwachen. Sie können zum Beispiel am Ein- und/oder Austritt von Komponenten oder auch vor sensiblen Anwendungen installiert werden. Dies erlaubt unter anderem die Überwachung des Differenzdrucks der kompletten Druckluftaufbereitung, des Druckluftnetzes und die Einhaltung der entsprechenden Temperaturen. So lassen sich Einsparpotenziale, wie beispielsweise eine Absenkung des Systemdrucks, Filterwechsel, und vieles mehr ermitteln. Zusätzlich können die Ein- und Austrittstemperaturen der Komponenten überwacht werden. Das rechtzeitige Erkennen von erhöhten Eintrittstemperaturen in den Aufbereitungskomponenten schützt sicher vor Überlastung. Eine erweiterte Variante misst den Drucktaupunkt, also die Feuchte der Druckluft und sichert so die Druckluftqualität in Hinblick auf einen eventuell erforderlichen Trocknungsgrad.
Energiemonitoring
Komplettiert wird das System durch ein oder mehrere Messgeräte zur Energie-Analyse. Dies ist ein multifunktionaler Netzanalysator für die elektrische Energiezufuhr. Es überwacht die Qualität und Zuverlässigkeit der Spannungsversorgung und erfasst alle wesentlichen Werte und Kennzahlen. Es ist damit eine komplette Systemlösung zur Unterstützung für zeitgemäßes Energiedatenmanagement, zum Beispiel nach ISO 50001. Wünscht der Betreiber den Einsatz für ein Energiedatenmanagement, kann das Gerät jederzeit optional mit der Eichgültigkeit MID (Measuring Instruments Directive) erweitert werden. Dieses Gerät unterstützt den Betreiber der Druckluftstation somit bei der Dokumentation zur Einsparung von Endenergie. Ebenso erfüllt das Messgerät die Anforderung zum Nachweis der Spannungsqualität (nach z.B. EN 61000-2-4).
Mit Vernetzung zu einem effizienten System
Wie bereits angeführt, erfassen alle genannten intelligenten Sensoren die Daten multipel und können relevante Messwerte je Messstelle über eine Datenleitung an ein Druckluftmanagementsystem weitergegeben und in ein Netzwerk integriert. Sprich die Prozessdatenerfassung ermöglicht ein Echtzeit-Monitoring, die Datenauswertung, darauf basierend eine Kennzahlenbildung und vorausschauende Instandhaltung. Auffälligkeiten werden frühzeitig erkannt und im Fehlerfall mittels Langzeitdatenspeicherung eine Problemdiagnose durchgeführt.
In einer optimal ausgelegten Kompressorstation bildet jene Verbindung zwischen dezentraler Intelligenz, der Komponentensteuerung, und einer zentralen Intelligenz – einem Druckluftmanagement-System – optimale Voraussetzungen für einen Datenaustausch und die anschließende Auswertung der Daten. Der Betreiber selbst hat alles im Blick. Über interne Schnittstellen und mittels eines Druckluftmanagementsystems hat er sozusagen ein Auge auf alle Kennzahlen der Druckluftstation. Dies geschieht in Echtzeit und auf jedem Endgerät. Druckluftmanagement-System können folgende Informationen bereithalten: Betriebsdaten der Kompressoren, Störungen, Verbrauchsverhalten, Wirtschaftlichkeit des gesamten Druckluftsystems und der angeschlossenen Peripheriegeräte wie beispielsweise Drucklufttrockner, Kondensatableiter und -aufbereitungsgeräte sowie Umgebungsbedingungen und Prozessdaten. Das ermöglicht, unerwünschte Veränderungen aus der Vergangenheit zu analysieren, diese in die Zukunft zu prognostizieren und mögliche Störungen somit erfolgreich abzustellen, bevor sie tatsächlich auftreten. Die gesammelten Daten können bis zu einem Jahr von der Druckluftstation aus dem Druckluftmanagement-System abgerufen werden.
So kann der Betreiber den Zustand der Druckluftversorgung selbst aus der Ferne überwachen. Darüber hinaus unterstützt ihn ein umfassendes Reporting und ein leichter Datendownload bei der Dokumentation.
Mit einigen Messgeräten und dank intelligenter Technik können also bis dato unsichtbare Abläufe und Prozesse erkannt und sichtbar gemacht werden. Ziel ist die höchste Transparenz, denn dieses Verständnis bildet das Fundament für zuverlässige Vorhersagemodelle. Moderne Entwicklungen machen dies möglich und eine hohe Versorgungssicherheit wird damit immer mehr zum Standard.
Text- und Bildquelle: Kaeser Kompressoren SE