Industrie 4.0

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Produzierende Unternehmen stehen permanent vor der Herausforderung, ihre Prozesse effizienter zu gestalten. Dazu ist eine immer höhere Automatisierung erforderlich – aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, also der Energie- und Personalkosten, ebenso wie unter den Aspekten der Qualität, also Reproduzierbarkeit, und der Zuverlässigkeit in puncto Arbeitssicherheit und Umweltschutz. Wachstum ist angesagt: Für 2014 meldet der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie) ein Umsatzwachstum der deutschen Prozessautomatisierer um sechs bis sieben Prozent, und es soll sich 2015 fortsetzen.

Sigma Air

Der maschinenübergreifende Steuerung Sigma Air
Manager 2 von Kaeser Kompressoren ist dafür konzipiert, eine Druckluftstation so zu managen, dass sie die bestmögliche Leistung bei minimalem Energieverbrauch bringt.

Der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik meldet gleichfalls steigende Auftragseingänge. Diese Entwicklung im verfahrenstechnischen Anlagenbau prägt auch die Anforderungen an Pumpen, Kompressoren und Armaturen: Sie müssen sich in Automatisierungskonzepte flexibel einbinden lassen, müssen kommunikativer werden.

Trend zu mehr als dem reinen Produkt

Deshalb bieten die Hersteller zunehmend Systemlösungen oder sogar Package-Units an, die mehr leisten als das reine Produkt Prozesspumpe‚ Verdichter oder Regelventil bisher bot. Unverkennbar geht die Entwicklung – parallel zur Anbindung aller relevanten Technik in die zentrale Prozessleittechnik – zur dezentralen Intelligenz auf Komponentenebene.

Das entlastet zum einen die zentrale Leittechnik und macht zum anderen die Anlagentechnik flexibel für Änderungen im Prozess. Warum diese Flexibilität erforderlich ist? Auf der Namur-Tagung 2014 wurden dazu als Grund die Entwicklung zur Individualisierung der Produktion genannt, die immer kürzeren Produktlebenszyklen und schwankende Absatzmengen für Produkte, die immer schneller zur Marktreife gebracht werden müssen.

Intelligent, dezentral, vernetzungsfähig

Feldbuskarten

Um seine Pumpensysteme in ein Feldbus-System integrieren zu können, nutzt Grundfos seit Jahren bereits pumpenspezifische Feldbuskarten. Bild: Grundfos

Branchenbeobachter erwarten, dass in Zukunft wesentlich mehr Intelligenz und Funktionalität in die Feldebene wandern. Der Trend zur Modularisierung von Anlagen, bei denen standardisierte Komponenten oder Anlagenteile nach dem Lego-Prinzip miteinander verbunden werden, tut ein Übriges: Wenn Komponenten je nach Anwendung flexibel miteinander kombiniert werden oder ein Austausch binnen einer Stunde gefordert wird, muss die Technik sich schnell neuen Anforderungen anpassen und in verschiedenste Systeme einbinden lassen.

Für den Komponentenhersteller bedeutet dies: Er muss seine Technik zur Einbindung in die zentrale Leittechnik zum einen kommunikativer machen, beispielsweise mit Hilfe der echtzeitfähigen Ethernet-Bus-Technologie, zum anderen muss die Komponente vor Ort per Mikroprozessor und hinterlegten Algorithmen in eigener Regie bestimmte Funktionalitäten ausführen können.

Der Datenaustausch muss dazu in beide Richtungen, also bidirektional, möglich sein – das ist der Kern des Industrie-4.0-Konzepts: Der Fluss von Information von der zentralen Leittechnik zur dezentralen Feld-Komponente und zwischen den Komponenten, beispielsweise zwischen Pumpe und Armatur oder zwischen Kompressor und Armatur. Ein zusätzlicher Punkt, der für diese Vorgehensweise spricht: Die gemäß Systemansatz ausgelegte und betriebene Komponente (Pumpe/Kompressor/Armatur) arbeitet in aller Regel zuverlässiger und neigt weniger zu Störungen. Das ist insbesondere für OEM im internationalen Geschäft ein wichtiger Aspekt – jede Störungsbeseitigung im fernen Ausland frisst schnell die Margen auf.

Brüssel treibt die Anbieter weiter an

Den schlafenden Riesen Energieeffizienz aufwecken und zur zweiten Säule der Energiewende machen – dies ist das Ziel des NAPE (Nationaler Aktionsplan Energieeffizienz), der am dritten Dezember 2014 vom Bundeskabinett verabschiedet wurde. Bestimmte Energieeffizi-enzmaßnahmen werden finanziell gefördert, verstärkt setzt NAPE auf Beratungsleistungen und Netzwerke; auf regulatorische Vorgaben verzichtet der Bund weitgehend.

Das ist bei der Ökodesign-Richtlinie anders: Auf europäischer Ebene laufen seit 2005 unter dem Begriff EuP (Energy using Products = energiebetriebene Produkte; heute: ErP = Energy related Products = energieverbrauchsrelevante Produkte) Gesetzgebungsverfahren zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes durch Minimierung des elektrischen Stromverbrauchs.

Markteintrittsbarierre Wirkungsgrad

Die Motoren-Richtlinie (EG640/2009) ist ein zentraler Punkt des Ökodesigns. Sie betrifft sowohl Pumpen wie Kompressoren. Für die Hersteller bedeutete dies, sich auf Hocheffizienzmotoren und Frequenzumformer zur Drehzahlregelung zu konzentrieren. Hinzu kam später – ebenfalls als Folge entsprechender EU-Vorgaben – ein verstärkter Fokus auf den hydraulischen Wirkungsgrad von Pumpen. Mit der ab Januar 2015 greifenden Motorenverordnung verstärkt die EU den Systemgedanken; der ZVEI erwartet dadurch Wachstumsimpulse für die elektrische Antriebstechnik.

Grundfos Remote Managemen

Grundfos hat seine Pumpen bereits auf die Bedürfnisse von Industrie 4.0 abgestimmt. Das Grundfos Remote Management dient als intern-basiertes Telemetriesystem sozusagen als Auge und Ohr zur Überwachung entfernt installierter Pumpensysteme. Dazu sind die Pumpen und Steuerungen mit einem GPRS/GSM-Modul verbunden, das die Daten per Mobilfunk drahtlos zu einem zentralen Grundfos-Server sendet. Bild: Grundfos

Damit ist Brüssel sozusagen ein natürlicher Entwicklungspartner der Hersteller geworden. Die Premiumanbieter nehmen Brüssel dies keineswegs übel, verschafft die damit verbundene komplexere Technik den Herstellern doch eine gewichtige Markteintrittsbarriere gegenüber potenziellen Wettbewerbern. Außerdem ist technologischer Fortschritt im Sinne höherer Energieeffizienz nur schwer nachzuahmen, sodass sich damit ein weiterer Baustein zur Bekämpfung der Produktpiraterie ergibt.

Energieeinsparung: Das große Ganze nicht übersehen

Hocheffizienzmotoren bieten gegenüber Standardmotoren je nach Nennleistung zwei bis sieben Prozentpunkte höhere Wirkungsgrade. Mit einer stets empfehlenswerten guten Pumpenauslegung (Arbeitspunkt nahe dem optimalen Betriebspunkt der Pumpe, hydraulisch korrekte Dimensionierung der Rohrleitungen) und einem vernünftigen Systemansatz inklusive Drehzahlanpassung kann man eine Null anhängen und dreißig bis siebzig Prozent Energie einsparen. Das sind ganz andere Dimensionen! Bei allen Vorzügen eines Frequenzumrichters kann dieser jedoch auch Probleme bereiten – dann nämlich, wenn er verschleißbedingte Leistungsabfälle quasi ausreguliert, also neutralisiert. Der Betreiber merkt das häufig gar nicht – bis der Verschleiß zum Ausfall führt.Keine Frage, dass die Energieeffizienz von Pumpen ein wichtiges Thema ist.

Die Bedeutung relativiert sich jedoch branchen- und einsatzspezifisch. Bei einer Brunnenpumpe zum Fördern von Grundwasser im Dauereinsatz erreichen die Energiekosten durchaus 90 Prozent der Lebenszykluskosten. Die Lebenszykluskosten einer Pumpe in einem industriellen Prozess mit hoher mechanischer Belastung – laut ReMain-Abschlussbericht arbeiten in der verfahrenstechnischen Industrie 37 Prozent der Prozesspumpen nur im Kurzzeitbetrieb – werden laut ReMain zu 40 bis 65 Prozent durch die Wartungs- und Instandsetzungskosten bestimmt. Diese Kosten übersteigen die Kosten für den Energieverbrauch zum Antrieb solcher Pumpen.

Armaturen 4.0: Wann kommt wireless?

Bei der Automatisierung von verfahrenstechnischen Prozessen spielt neben der Prozessleittechnik und der Sensorik, die Aktorik eine wichtige Rolle. In der Studie Sensor-Trends 2014 spricht der AMA-Verband von einer Zunahme der direkten Sensor-Aktor-Kopplung. Armaturen beeinflussen die Stoffströme zur Regelung von Prozessgrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand. Der Markt offeriert intelligente Stellventile, die durch elektronische Zusatzmodule nicht nur die Regelungsaufgabe erfüllen, sondern auch den Wartungs- oder möglichen Reparaturbedarf selbsttätig und vor Auftritt eines Schadens erkennen.

Im Ergebnis verbessern diese smarten Armaturen die Produktionssicherheit, führen zu mehr Kosteneffizienz und tragen zum Umweltschutz bei. Anbieter erwarten, dass zukünftig mehr Aktorik in Regelkreisen eingesetzt wird. Am Ende des Tages könnte eine drahtlose Steuerung stehen – die Aktorik sei schon soweit. Wire-less Sensing ist ein vielversprechendes Teilgebiet in der Sensorik. Zwar ist die drahtlose Messdatenübermittlung an sich nichts grundsätzlich Neues, jedoch wird erst in letzter Zeit ihr Potenzial für die Industrie deutlich. Dem verlockenden Nutzen stehen jedoch noch einige Herausforderungen in Bezug auf Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber, sodass sich ihr Einsatz bis jetzt nur langsam vollzieht.

Druckregelventile

Gemü hat flexibel einsetzbare Druckregelventile entwickelt. Je nach Funktion stehen drei Varianten zur Verfügung. Gute Durchflusswerte gewährleistet das strömungsgünstige und totraumarme Design der Ventilkörper. Bild: Gemü

Traditionell bleibt natürlich die Antriebstechnik: elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrohydraulisch. Aber auch hier zeigt sich ein Trend zu immer mehr Steuerungs- und Diagnosefunktionen im Antrieb – dezentrale Intelligenz auch hier. Vorteile des elektrischen Armaturenantriebs sind der einfache Anschluss auch über größere Entfernungen und das vergleichsweise geringe Gewicht. Mit pneumatischen Systemen erreicht der Betreiber schnelle Stellzeiten und eine lange Einschaltdauer, muss aber einen großen und schweren Antrieb akzeptieren. Hydraulische Systeme sind zwar wartungsintensiv, bieten dafür einen hohen Kraftaufbau bei deutlich geringerer Baugröße als ein pneumatisches System.

Ein Anbieter spricht von einem Paradigmenwechsel in der Single-Use-Technologie: Von manuellen Systemen hin zu automatisier- und regelbaren Anlagen für fehlerfreien Betrieb und laufende Dokumentation durch die Anlagenüberwachung. Bei diesem neuen Produkt sind Ventilkörper und Antrieb durch eine spezielle Verriegelungstechnologie miteinander verbunden: Nach der Anwendung wird lediglich der Ventilkörper abgetrennt, der Antrieb selbst verbleibt für die Mehrfachnutzung in der Anlage. Bei Bedarf kann der Ventilantrieb auch eine Rückmeldung an die Anlagenüberwachung übermitteln und somit die Überwachung der Regelstrecke vervollständigen. Insbesondere pharmazeutische Prozesse werden einfacher dokumentier-, reproduzier- sowie validierbar, sagt der Hersteller.

Kompressoren 4.0: Druckluft noch effizienter

Druckluft effizient hieß vor Jahren eine große Kampagne in Deutschland – die Blaupause zu ähnlichen Initiativen der Deutschen Energie-Agentur (dena). Und es geht immer noch ein Stück effizienter, wie eine Studie von Markus P. Rößler (TU Darmstadt, 2014) zeigt. Demnach erreichten die Unternehmen in den Jahren 2002 bis 2012 beim Gesamtsystem Druckluft durchschnittlich eine fünf- bis zehn-prozentige Steigerung der Energieeffizienz.

Eine Steigerung über zehn Prozent hinaus wäre technisch möglich, wird aber aus Kostengründen zumeist nicht realisiert. Insbesondere gelten der verstärkte Einsatz übergeordneter Steuerungen, die Nutzung frequenzgeregelter Antriebsmotoren, getriebeloser Antriebe und der verstärkte Einsatz von Permanentmagnetmotoren anstelle von Asynchronmotoren als relevant zur Steigerung der Energieeffizienz.

Neben der Drucklufterzeugung sind auch systembezogene Aspekte wichtig: Die Wärmerückgewinnung gewinnt an Bedeutung; manche Betreiber rüsten damit auch ältere Kompressoren nach. Auch die Optimierung von Nebenaggregaten wie zum Beispiel Trocknern rückt ins Blickfeld. Bezogen auf das Gesamtsystem bietet die Leckage-Minimierung das beste Kosten/Nutzen-Verhältnis. Daneben wird ein optimales, an die Anwendung angepasstes und möglichst niedriges Druckniveau als weitere wichtige Effizienzmaßnahme genannt. Das betriebliche Energiemanagement setzt sich bei immer mehr Unternehmen durch.

Weitere Effizienzsteigerung erwartet

Mit Blick auf die Entwicklung in den kommenden zehn Jahren werden keine radikalen Prozessumstellungen im Bereich der Drucklufterzeugung erwartet. Der Fokus liege eher auf der Optimierung des Gesamtsystems. Die künftig vorgeschriebenen IE- 3-Elektromotoren werden weitere Effizienzsteigerungen bringen. Speziell bei variablen Druckluftverbräuchen erwarten die Betreiber schnell reagierende Antriebe mit hoher Lebensdauer, die auch bei häufigem Anlauf im Start-Stopp-Betrieb zuverlässig arbeiten.

Wer auf drehzahlgeregelte Kompressoren und übergeordnete Steuerungen setzt, könne seine Stromrechnung erheblich senken, so einer der Großen der Branche. Energiebedarfssenkungen von 30 oder 40 Prozent seien keine Seltenheit. Ölfreie Druckluft gewinnt weiter an Bedeutung, das gilt nicht nur für sensible Anwendungen wie in der Medizintechnik, der Pharma- oder Lebensmittelindustrie. Vor dem Hintergrund des sich immer weiterentwickelnden ökologischen Bewusstseins werden auch bei Standardanwendungen verstärkt ölfreie Technologien nachgefragt.

Im Zeitalter von Big Data und Industrie 4.0 werden die Anlagen und Anwendungen immer intelligenter und in die komplexe industrielle Infrastruktur eingebunden, beobachtet ein führender Hersteller. Ein weiterer Branchentrend zeigt sich im zunehmenden Wunsch der Anwender nach Komplettlösungen: Die Entwicklung zum One-Stop-Shop ist ungebrochen. Das Druckluft-Contracting – der Betreiber erzeugt seine Druckluft nicht mit eigenen Kompressoren, sondern bezieht diese zu einem fest vereinbarten Preis – habe ein hohes Entwicklungspotenzial, davon ist die Branche überzeugt.

Das TOR zum Systemansatz

Der erfahrene Anlagenplaner wird es in der Regel schaffen, Funktionalität und Effizienz zu vereinen. Dem unerfahrenen Planer gelingt das eher nicht. Mit Blick auf die Ökodesign-Philosophie könne man durchaus provokant formulieren: Es ist durchaus möglich, aus einer Reihe maschinenbaulicher Perlen, die durch Effizienz glänzen, ein energetisch schlechtes System zu planen, das durch Inneffizienz auffällt – so jedenfalls die Väter von TOR an der TU Darmstadt (Dr. Ulf Lorenz, Dr. Gerhard Ludwig, Professor Dr.-Ing. Peter Pelz).

Um was geht es? Um nennenswerte Energieeinsparungen bei energieverbrauchenden Fluidsystemen erreichen zu können, sei ein Umdenken erforderlich, von einer Produktskalierung (Product Approach, Extended Product Approach) hin zu einer Systemoptimierung (System Approach). Der Planer muss dabei wie ein Schachspieler Szenarien solange durchspielen und bewerten, bis die System-Topologie gefunden ist, bei der die minimale Energie zum Erreichen einer Prozessfunktion notwendig ist.

An der TU Darmstadt arbeiten Mathematiker und Ingenieure gemeinsam an dieser Herausforderung und entwickeln am Institut für Fluidsys-temtechnik den virtuellen Anlagenplaner TOR. Dabei steht TOR sowohl für den virtuellen Planer als auch für die neue Forschungsrichtung Technical Operational Research. Ziel ist eine Entscheidungshilfe, um Systeme auszulegen, zu betreiben beziehungsweise deren energetische Qualität zu überprüfen.

Fazit

Die digitale Vernetzung strömungstechnischer Systeme ist durch die Nutzung dezentraler Intelligenz auf Komponentenebene der konsequente Weg vom Product Approach zum System Approach. Die Verfügbarkeit von relevanten Informationen zum Prozess und zu den Ist/Soll-Werten der Pumpe, des Kompressors und der Armatur sichert neben der bestmöglichen Nutzung der eingesetzten Energie auch eine planbare Wartung und Instandhaltung und damit eine höhere Verfügbarkeit. Die Fähigkeiten moderner Smartphones werden dazu bereits intensiv genutzt: In erster Linie zum Abfragen und Verändern von Ist/Soll-Werten.

Es wird sicher nicht mehr lange dauern, bis Wearables wie Google Glass zum Arbeitsmittel werden – der Instandhalter steht dann vor der technischen Komponente und erhält alle Arbeitsanweisungen über seinen mobilen Monitor vor dem Auge. Möglicherweise erhält er seine Anweisungen in einer Form, wie er das von seinem Avatar beim Adventure-Spiel her kennt. aru

Quelle: Achema-Trendbericht

Hintergrundwissen

Hohe Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung

2015 verschärft Brüssel die Anforderungen:

  • Ab dem 1. Januar 2015 müssen alle Elektromotoren von 7,5 bis
  • 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters erfüllen. Zwei Jahre später (2017) müssen alle Elektromotoren von 0,75 bis 375 kW entweder die IE3-Norm oder die IE2-Norm unter Verwendung eines Frequenzumrichters erfüllen.
  • Ab dem 1. Januar 2015 müssen bestimmte Trockenläufer-Wasserpumpen einen höheren hydraulischen Wirkungsgrad aufweisen (Mindesteffizienz-Index MEI ≥ 0,4).
  • Ab dem 1. August 2015 dürfen außerhalb von Heizungs- und Kühlanlagen installierte (externe) Nassläufer-Umwälzpumpen einen Energie-Effizienz-Index (EEI) von max. 0,23 aufweisen – und es sind auch Umwälzpumpen betroffen, die in Heizungsanlagen integriert sind. Zum Stichtag 1. Januar 2020 müssen auch in bestehende Produkte integrierte Umwälzpumpen den Grenzwert von max. 0,23 erfüllen. Damit endet die Möglichkeit, integrierte Heizungsumwälzpumpen zu ersetzen, die vor dem 1. August 2015 in Verkehr gebracht wurden.