Sensorik für das gesamte Druckluftsystem

IPF bietet ein breitgefächertes Portfolio an Sensorlösungen für die Druckluftüberwachung und -verbrauchsmessung an, von Druck- und Temperatursensoren über Strömungssensoren und IIoT-Gateways für die Aufzeichnung, Analyse, Visualisierung und Auswertung von verschiedenen Messwerten bis hin zu Geräten für die Ortung von Leckagen in Druckluftnetzen.

Alle Lösungen haben die vorrangige Aufgabe, durchgängig den einwandfreien Betrieb eines Druckluftsystems sicherzustellen und hierbei durch Messungen sowie der Datenerfassung und -auswertung Potenziale für die Einsparung von Druckluft und der hierfür benötigten Energie zu identifizieren.

Drei wesentliche Einsatzbereiche für gezielte Messungen

Ein Druckluftsystem lässt sich in der Regel in die Bereiche Drucklufterzeugung, Druckluftverteilung und Druckluftverbrauch einteilen. Die Anlagenkomponenten in der Drucklufterzeugung und -verteilung bestehen im Wesentlichen aus einem Kompressor mit integriertem Trockner oder einem sogenannten Kältetrockner, der als separate Einheit dem Kompressor nachgeschaltet ist, der Druckluftfiltration, einem Druckspeicher zur Kompensation von eventuellen Druckspitzen beim Verbrauch sowie der Hauptverteilung der Druckluft aus der zentralen Druckluftleitung.

Smartes Gateway zur Visualisierung und Auswertung

Die erste Gelegenheit für eine Verbrauchskontrolle besteht bereits am Kompressor durch die Messung der Stromaufnahme, um hierüber den exakten Stromverbrauch des Aggregats zu erfassen. Für diese Aufgabe wird ein Stromwandler beziehungsweise mehrere Stromwandler eingesetzt, deren Messwerte sich mithilfe eines Erweiterungsmoduls an ein IIoT-Gateway zur Speicherung, Visualisierung und Auswertung der Daten übertragen lassen.

Das auf Open-Source-Software basierende IIoT-Gateway BY000002 mit ARM-Prozessor und großem internen Ringspeicher ist eine herstellerunabhängige Plattform von IPF mit hoher Kompatibilität zu allen derzeit im Markt verfügbaren Hardware- und IT-Systemen. Ein linux­basiertes Betriebssystem als auch der über jeden Standardbrowser abrufbare Webclient zur Bereitstellung und Visualisierung der Messdaten auf einem Dashboard (Grafana) sind feste Bestandteile der Lösung.

Flexible Verarbeitung zahlreicher digitaler und analoger Messwerte

Zusätzlich zu den Messwerten der Stromwandler am Kompressor kann das Gateway eine Fülle an Sensorsignalen für die Druckluftüberwachung und -verbrauchsmessung verarbeiten. So können bis zu sechs digitale und vier analoge Sensoren direkt an ein Gateway angeschlossen oder alternativ hierzu die Geräte etwa über Modbus (32 Geräte via Modbus RTU / 200 Geräte via Modbus TCP) angebunden werden. Das Gateway stellt unter anderem Schnittstellen wie 100MbE/GbE, CAN, RS485, USB2.0 Host sowie USB2.0 Device bereit und unterstützt zur Netzwerkintegration zudem zahlreiche Protokolle wie Modbus, CAN, Cloud of Things, OPC U/A, DB/SQL und MQTT.

Parametrierbare Sensoren für Durchfluss und Verbrauch

Werden zwei Kompressoren eingesetzt, können im Anschluss an die Aggregate sogenannte Einstichsensoren zur Messung der erzeugten Druckluftmenge (Volumenstrommenge) installiert werden. Die Sensoren sind zudem in der Lage, die Drucklufttemperatur zu erfassen. Einstichsensoren wie der SL870027 gehören zum Produktportfolio an parametrierbaren Strömungssensoren zur Durchfluss- und Verbrauchsmessung von Druckluft und lassen sich einfach unter Druck, also bei laufendem Kompressor, über einen Kugelhahn in die Druckluftleitung integrieren. Zu den weiteren Lösungen zählen Strömungssensoren mit integrierter Messstrecke und Kompaktgeräte mit Gleichrichter, die später im hier dargestellten Druckluftnetz noch von Relevanz sein werden. Alle Geräte verfügen über einen verbrauchsproportionalen Analogausgang (4 bis 20mA).

Ungestörten Strömungsverlauf beachten

Sensoren mit integrierter Messstrecke für Rohrgrößen von R 1/4 bis R 2 Zoll sind ebenfalls für die einfache Integration in vorhandene Rohrleitungen konzipiert. Da ihre Funktionsweise identisch zu den Einstichsensoren ist, muss bei der Montage eine ausreichend lange Rohrstrecke vor und nach dem Sensor (Ein- und Auslaufstrecke) für einen ungestörten Strömungsverlauf (laminare Strömung) eingehalten werden, um verlässliche Messergebnisse zu erhalten. Befinden sich Strömungshindernisse vor der Messstrecke (zum Beispiel Rohrbogen, Krümmung et cetera), ist je nach Hindernisart eine Mindestlänge der Einlaufstrecke einzuhalten.

Kompaktgeräte mit Gleichrichter (Reihen SL90 und SL95) benötigen keine Einlaufstrecke bei der Installation, da ihr Strömungsgleichrichter unabhängig von der Einbausituation eine stets optimale Anströmung der integrierten Sensorelemente ermöglicht. Solche Lösungen sind daher insbesondere für den Einsatz in unmittelbarer Nähe eines Druckluftverbrauchers, Maschine oder Anlage geeignet und bieten sich überdies für Luftstrommessungen innerhalb von Schlauchleitungen an.

Kontinuierliche Überwachung der Druckluftqualität

Dem ersten Einstichsensor innerhalb der Drucklufthauptleitung nach dem Kompressor folgen meist Lösungen zur Messung der Druckluftqualität. Dies geschieht zunächst durch einen Taupunktsensor, zum Beispiel dem YTTS0002, bestehend aus einem Set mit Sensor und separater Auswerteeinheit, der die Druckluftfeuchte zur Überwachung von Kältetrocknern misst.

In der anschließenden Filteranlage werden dann Rest­öl und Feststoffpartikel aus der Druckluft beseitigt, um zu verhindern, dass solche Stoffe möglicherweise Produkte in der Fertigung kontaminieren (beispielsweise in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie) und zudem in andere Anlagenkomponenten innerhalb der Produktion wie etwa Ventile gelangen können.

Die korrekte Funktionsweise der hintereinander angeordneten Filterelemente wird durch einen Drucksensor DW46310L mit Analogausgang (4 bis 20mA), ausgelegt für einen Messbereich von 0 bis 1,6 bar, in Form einer Differenzdruckmessung kontrolliert. Zur Erfassung des Drucks beziehungsweise eventueller Druckunterschiede verfügt der Sensor über zwei Steckkupplungen für Schlauchanschlüsse, um eine Messleitung vor und eine unmittelbar nach der Filteranlage zu installieren. Wird anhand der Werte beider Messpunkte kein Druckunterschied in der Druckluftleitung festgestellt, arbeitet die Filteranlage einwandfrei.

Aufgrund der kontinuierlichen Überwachung können die Filter zudem stets rechtzeitig ausgetauscht und somit ein Druckabfall in der Hauptleitung bedingt durch eine Verschmutzung der Filtration mit abnehmender Luftdurchlässigkeit der Filterelemente vermieden werden.

Drucksollwert reduzieren und Energieverbrauch senken

Nach der Filtration ist in vielen Fällen ein sogenannter Druckspeicher zu finden, der die Verbrauchsspitzen aufgrund eines temporär höheren Luftdruckbedarfs in der Produktion abfangen soll, falls die Kompressorleistung selbst nicht ausreicht, die erforderlichen Volumina zu liefern. Unmittelbar hinter dem Druckspeicher empfiehlt sich der Einsatz eines weiteren Sensors, um das Druckprofil des nachfolgenden Druckluftsystems zu ermitteln.

Hierfür besonders geeignet ist zum Beispiel der Drucktransmitter DT24310D mit Edelstahlmesszelle und einem zum Luftdruck proportionalem Analogausgang (4 bis 20mA). Mit dieser Lösung für Drücke von 0 bis 10 bar lässt sich anhand der Messwerte bei Bedarf der Nenndruck beziehungsweise Drucksollwert des Kompressors durch entsprechende Ein- und Ausschaltzyklen reduzieren und auf diese Weise der Energieverbrauch bei weniger Druckluftbedarf in der Produktion senken.

Einsparpotenziale durch gezielte Anlagen- und Prozessregelung

Vor der Druckluftverteilung in einzelne Versorgungsstränge kann mit einem weiteren Einstichsensor in der Hauptleitung ein Druckprofil zum Gesamtbedarf an Druckluft in der Produktion erstellt werden. Aus der Schwankungsbreite des aufgenommenen Profils sind hierbei die Werte für den minimalen, maximalen und durchschnittlichen Verbrauch ableitbar.

Vor allem der Wert für den Durchschnittsverbrauch ist in diesem Zusammenhang bisweilen entscheidend, da dessen Anstieg ein Indikator für Druckluftverluste sein kann. Anhand der vom Einstichsensor gelieferten Messdaten ist jederzeit ersichtlich, wie sich der Druckluftverbrauch über bestimmte Zeiträume verteilt. Dies birgt unter anderem Potenziale, die Verbräuche zum Beispiel durch eine Regelung spezifischer Anlagen oder Prozesse gezielter zu steuern und durch den optimierten Kompressorbetrieb den Maximalwert an Druckluft und in der Folge den Energiebedarf für die Drucklufterzeugung zu senken. Darüber hinaus wird hierdurch die Verfügbarkeit der vorhandenen Kompressoren gesteigert, sodass bei einem höheren Druckluftbedarf keine Neuinvestitionen in zusätzliche Aggregate notwendig sind.

Granulare Daten für exakte Kosten- und Verlustrechnungen

Die einzelnen Versorgungsstränge für die Druckluftverteilung sind mit den anfangs beschriebenen Strömungssensoren mit integrierter Messstrecke wie dem SL920020 ausgestattet. Mit ihnen wird der Durchfluss in den einzelnen Verteilungsleitungen gemessen, um sich über die Druckluftkosten und damit auch Druckluftverluste aufgrund von Undichtigkeiten in jeder Halle, Abteilung etc. Klarheit zu verschaffen. Die Messstellen in der Druckluftverteilung erhöhen die Granularität der Daten, da sich nun die Druckluftkosten auf jeden einzelnen Bereich herunterbrechen lassen.

Exakte Kostenverteilung auf einzelne Verbraucher

Für das Druckluftmonitoring der Endverbraucher in den jeweiligen Produktionsbereichen beziehungsweise -abteilungen können je nach Montage- oder Einbausituation prinzipiell alle hier bereits vorgestellten Strömungssensoren eingesetzt werden, also Einstichsensoren, Sensoren mit integrierter Messstrecke als auch Kompaktgeräte mit Gleichrichter.

Letztgenannte Lösungen eignen sich insbesondere für die Installation in unmittelbarer Anlagenähe, da hier zumeist nur ein sehr begrenzter Einbauraum für die Sensoren zur Verfügung steht. Durch die Messungen des Druckluftbedarfs direkt am Einsatzort wird eine exakte Kostenverteilung auf einzelne Fertigungslinien, Anlagen oder Maschinen ermöglicht, um gleich vor Ort geeignete Maßnahmen für einen optimierten Druckluftverbrauch ergreifen zu können.

Die wohlüberlegte Verteilung verschiedenster Sensorik in allen Bereichen eines Druckluftnetzes bietet vielfältige Möglichkeiten zu einem lückenlosen Monitoring der Druckluftqualität, des Druckluftbedarfs und der tatsächlichen Verbräuche. Das IIoT-Gateway schafft in diesem Zusammenhang sämtliche Voraussetzungen für eine zentrale Erfassung, Visualisierung und bedarfsorientierte Auswertung der Messdaten. Anhand der an verschiedensten Messstellen erfassten Werte zum durchschnittlichen Druckluftverbrauch lassen sich außerdem mögliche Undichtigkeiten im Druckluftnetz sehr gut eingrenzen und schließlich mit einem Leckagesuchgerät gezielt aufspüren.

Genaue Lokalisierung und Bewertung von Leckagen

Immerhin werden hierzulande im Durchschnitt 14 Prozent des Stromverbrauchs in der Industrie zur Erzeugung von Druckluft benötigt, wobei Leckagen die Betriebsstunden von Kompressoren erhöhen und, ganz abgesehen von steigenden Wartungskosten, zu Energieverlusten von bis zu 40 und mehr führen können.

Das Handheldgerät UY000003 mit integrierter UltraCam, 30 digitalen MEMS-Mikrofonen und Farbdisplay detektiert die Ultraschallwellen, die von der aus einer Undichtigkeit ausströmenden Druckluft erzeugt werden. Richtet man das Gerät auf eine mutmaßliche Leckagestelle, werden die Wellen mit einem Schalltrichter gebündelt, von den Mikrofonen aufgezeichnet, in hörbare Frequenzen gewandelt und an einen Kopfhörer übertragen. Zusätzlich visualisiert das Gerät in einer farbigen Darstellung auf dem integrierten Display deutlich die undichte Stelle. Anschließend kann ein Foto des Leckageortes mit allen vom Gerät gesammelten Daten (etwa die Druckluftverluste und hierdurch verursachten Kosten) angefertigt und an einen PC übertragen werden.