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Druckluftnetze

Geschickter Einsatz von Messtechnik in der Instandhaltung sichert Druckluft-Verfügbarkeit

23.01.2008 | Autor / Redakteur: Peter Otto und Hans-Jürgen Postberg / Frank Fladerer

Praxisorientierte Schnittstellen sind ein Schlüssel für erfolgreiche Instandhaltung. Die Verbindung von Maschinenbau und Messtechnik vereinfacht die Instandhaltung von Druckluftnetzen. Bild: Postberg
Praxisorientierte Schnittstellen sind ein Schlüssel für erfolgreiche Instandhaltung. Die Verbindung von Maschinenbau und Messtechnik vereinfacht die Instandhaltung von Druckluftnetzen. Bild: Postberg

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Mit geringem Aufwand viel erreichen – Instandhaltung wird oft von diesem Gedanken geleitet, denn der Aufwand sollte dem Nutzen gegenüberstehen. Praxisorientierte, innovative Schnittstellen sind ein Schlüssel dazu, weil sie Maschinenbau und Messtechnik miteinander verbinden, besonders bei der Instandhaltung des Druckluftnetzes.

Die zentralen Grundbegriffe der Instandhaltung nach DIN 31051 sind: Wartung, Inspektion, Instandsetzung sowie Verbesserung. In Anlehnung an die Norm lassen sich fünf Ziele als Aufgabenstellung für die Instandhalter ableiten: Maximierung der Verfügbarkeit, Minimierung der Anzahl der Ausfälle, Minimierung der Kosten von Material und Ersatzteilen, Minimierung der Montagekosten und Instandhaltungskosten und Minimierung umweltrelevanter Wirkungen während oder infolge von Instandhaltungsmaßnahmen.

Die DIN 31051 legt Begriffe und deren Definition für die Instandhaltung fest. Darüber hinaus unterscheidet sie verschiedene Varianten der Instandhaltung: Störungsbedingte Instandhaltung, Zustandsorientierte Instandhaltung, Reaktive Instandhaltung, Präventive Instandhaltung, Aktive Instandhaltung, Vorbeugende Instandhaltung und Intelligente Instandhaltung.

Schon diese Aufteilung lässt erahnen, dass verschiedene Produktionsbereiche unterschiedliche Lösungen erfordern. Deshalb sind die Aufgaben des Instandhalters vielfältig, aber auch die Investitionen auf diesem Gebiet vielfach schwerer zu begründen.

Entscheidend ist, dem Instandhaltungspersonal ein Werkzeug an die Hand zu geben, das durch seine Einfachheit besticht und ihm eine effektive und bilanzfähige Instandhaltung und die Einhaltung der Grundbegriffe der DIN 31051 ermöglicht.

Gute Instandhaltung fußt auf mehreren Säulen

Eine besondere Rolle bei der Überwachung von Anlagen nehmen die Prozessschnittstellen ein. Sensoren erfassen bei laufendem Betrieb die verschiedensten physikalischen Messgrößen; sie stellen Stoffwerte fest, ermitteln Emissionen und vieles andere mehr. Sie sind eine Art stiller Diener, die im verborgenen Fertigungsabläufe und Prozessketten und letztlich die Produktqualität überwachen.

Die Einsatzbedingungen industrieller Sensoren sind unterschiedlich. Verschiedene Medien mit Druck, Temperatur, Korrosivität und Abrasivität wirken auf sie ein. Sie sind einer äußerst rauen Umgebung ausgesetzt: Schmutz, Feuchte, Betauung und Temperatur wechseln. Mechanische Belastungen sind auch langzeitig möglich.

Sensor ist entscheidend für sicheren Prozessablauf

Ein Sensor hat generell zwei Schnittstellen: die Prozess- und die Informationsschnittstelle (Bild 1). Die Prozessschnittstelle verbindet den Sensor mit der eigentlichen Fertigung. Das zuverlässige Umsetzen der physikalischen in eine elektrische Größe entscheidet sich an dieser Stelle. Sie ist der Schlüssel für einen sicheren Prozessablauf.

Eine Messwertkette kann allerdings nur dann zufriedenstellend und störungsfrei funktionieren, wenn die Messgeräteanordnung mit den Sensoren und der Prozessautomatisierung untereinander optimal abgestimmt sind. Hier zeigen sich in der betrieblichen Praxis oft Diskrepanzen, die für einen störungsfreien Betrieb hinderlich sind.

Diese Reibungspunkte sind entstanden, weil Maschinenbau und Messtechnik sich getrennt voneinander entwickelt haben. Fehlende Absprachen und fehlendes Wissen kann beispielsweise dazu führen, dass ein theoretisch gut funktionierender Sensor durch falsche Anordnung zu Produktionsausfällen beiträgt. Durch Weiterentwicklung der Sensoranordnung und deren Anpassung an den Stand der Technik kann das verhindert werden.

Je höher der Automatisierungsgrad einer Produktion ist, desto höher sind die Kosten einer Produktionsstörung. Ziel muss es sein, bei Kaufentscheidungen nicht nur den niedrigen Anschaffungspreis als Entscheidungskriterium zu berücksichtigen, sondern auch die oft verdeckten Kosten wie Montage, Inbetriebnahme, Garantie und Produkthaftung mit zu berücksichtigen.

Instandhaltung wird zum wichtigen Wertschöpfungsfaktor

Stillstände haben teure Folgen. Wenn die Bänder stehen, wenn die eigene Produktion nicht liefern kann, werden keine Kosten gescheut. Es werden Eilkuriere oder sogar Hubschrauber eingesetzt.

Die Instandhaltung wird zum wichtigen Wertschöpfungsfaktor. Um nicht Gefahr zu laufen, diese Erkenntnis durch Betriebsausfall bestätigt zu bekommen, ist die Geschäftsleitung gefordert, eine kostenminimierte Instandhaltung bei Erhöhung der Effizienz sicherzustellen zu lassen.

Wartung in Intervallen ist für moderne Instandhaltung nicht mehr ausreichend

Routine-Prüftätigkeiten in festgelegten Intervallen oder nur die Instandsetzung nach Ausfällen erfüllen die Anforderungen moderner Instandhaltung nicht mehr. Das überrascht nicht – bedenkt man, dass die Kosten für unterlassene oder fehlerhafte Instandhaltung etwa viermal so hoch eingeschätzt werden wie die direkten Instandhaltungskosten. Schlüssel für eine erfolgreiche Instandhaltung ist heute der Einsatz geeigneter Messtechnik zur Überwachung der Anlagen.

Die Anlagenüberwachung schließt die Verbrauchs- und Kostenkontrolle mit ein. In der Industrieproduktion ist das Denken in Messebenen und Messklassen die Grundlage hierfür. Die Struktur der Messebenen und Messklassen bestimmt die Einsatzorte der Sensoren (Bild 2).

Einsatzort der Sensoren für Messergebnis wichtig

Messklassen sind eindeutig definierte Genauigkeitsangaben kompletter Messwertketten. Angaben über die Genauigkeit des Sensors allein sagen noch nichts über den Messfehler der gesamten Messkette aus.

Während die Leistungen der Sensoren, Auswerteelektroniken und Korrekturrechner genau beschrieben und geprüft werden, gibt es für ihren Einbau so gut wie keine verbindlichen Vorschriften. Ein Sensor oder ein Korrekturrechner, der unter Prüfbedingungen mit einer Genauigkeit von 0,3% misst, sagt nichts über die Genauigkeit in der Praxis aus.

Druckluft-Instandhaltung besonders gefragt

Besonders kritisch ist die Überwachung und Instandhaltung des Druckluftsystems. Zum einen ist Druckluft der teuerste Energieträger der Welt und ist in nahezu allen Bereichen der Industrie unverzichtbar.

Zum anderen gehen Anlagenverfügbarkeit und Energieeffizienz hier offensichtlich Hand in Hand: Prozessbedingt stehen bei der Erzeugung von Druckluft lediglich 4% der elektrischen Leistung als tatsächliche Arbeitsleistung zur Verfügung. Eine hohe Verfügbarkeit bedingt den bestmöglichen Einsatz von Energie.

Fragen bei der Optimierung und Instandhaltung des Druckluftsystems

Die Optimierung der Verfügbarkeit des Druckluftsystems beginnt bei der Kenntnis des tatsächlichen Verbrauchs. Es stellt sich die Frage: Wo und wie und mit welcher Genauigkeit messe ich mit Druckluftzählern meinen Druckluftverbrauch am besten? Denn nur was messbar ist, wird dauerhaft kontrollierbar.

Im Unternehmen entscheidet der Einsatzort des Druckluftzählers über dessen Nutzen und die notwendige Genauigkeit. Beispielsweise gibt die Messung in der Verteilungsleitung Aufschluss über die Kostenstelle der einzelnen Betriebsteile. Hier ist eine hohe Genauigkeit erwünscht.

Es empfiehlt sich, mit Messklasse 0,5 zu arbeiten. Der Druckluftzähler in der Anschlussleitung zur Maschinengruppe (AL Ebene 4) soll Auskunft über die Verbrauchscharakteristiken der Maschine geben. Empfehlung: Messklasse 1.

Messklassen berücksichtigen Messfehler von Messwert

In der Druckluft-Messtechnik unterscheidet man zwischen einem Messfehler, der auf den Messbereichsendwert bezogen ist, und einem Fehler, der auf den Messwert direkt bezogen ist. Ein auf den Messwert bezogener Messfehler bezeichnet bei gleichem Wert eine wesentlich höhere Genauigkeit, vor allem wenn eine höhere Messbereichsspanne vorliegt (Beispiel: Messbereich 1 bis 100 m³/h, ±1% Fehlerangabe vom Endwert entspricht 200% Fehler im Anfangsbereich). Die Messklassen berücksichtigen immer den Messfehler vom Messwert (Tabelle - Download siehe unten).

Die Messebene entscheidet generell über den zu erwartenden wirtschaftlichen Nutzen. Ebene 1 bildet die Unterverteilung der Kompressoren. Gemessen wird hier die Wirkleistungsaufnahme. Ein kWh-Zähler in der Ebene 1 ermöglicht die Erfassung von 65 bis 80% der Gesamtkosten der Druckluft (Energiekosten).

In Kombination mit der Verbrauchsmessung der Hauptverteilerleitung Messebene 2 kann der Wirkungsgrad der Drucklufterzeugung ermittelt werden. Der kWh-Zähler gibt keine Auskunft über vermeidbare Kompressorleistung.

Sensoren müssen unempfindlich gegen Feuchtigkeit sein

Ebene 2a stellt der Teil der Hauptleitung (HL) dar, der sich zwischen der Kompressorengruppe und vor dem Kältetrockner befindet. Typische Nennweiten: DN 100 bis DN 250.

Die HL Ebene 2a ist messtechnisch durch den hohen Feuchteanteil und Verschmutzung der Luft problematisch. Die Messwertaufnahme muss äußerst robust und unempfindlich gegen diese Luftverhältnisse sein.

Die richtige Messanordnung ist messtechnisch von entscheidender Bedeutung. Der Einsatz einer Messdüse ist ratsam. Um die Effizienz der Kompressorgruppe ermitteln zu können, ist der Endmessbereich wichtig.

Gesamt-Durchflussmessung ermittelt genaue Druckluft-Kosten

Ebene 2b wird von der Hauptleitung hinter der Kompressorengruppe und hinter dem Kältetrockner gebildet. Typische Nennweiten: DN 100 bis DN 250.

Die HL Ebene 2b hinter dem Kältetrockner ist der bevorzugte Einbauort für die Gesamt-Durchflussmessung. Mit dieser Druckluftzählermessung können die Kosten-Kennzahlen ermittelt und Aussagen über das Einsparpotenzial gemacht werden.

Eine Unterbrechung der Hauptverteilerleitung an dieser Stelle des Netzes bedeutet einen Produktionsstillstand. Messgeräteabsperrung und Druckluftzähler sollten deshalb ein Komplettpaket bilden, um die Montage unter Betriebsbedingungen zu ermöglichen.

Druckluftzähler an der Verteilungsleitung erlauben Kostenstellen-Zuordnung

Die Ebene 3a ist die Verteilungsleitung (VL) zu den Werkshallen. Mit einem Druckluftzähler an dieser Stelle wird eine Zuordnung der Kostenstellen zu den einzelnen Betriebsteilen und Hallen ermöglicht. Typische Nennweiten: DN 65 bis DN 125.

Eine Lösungsmöglichkeit für den integralen Einsatz von Messtechnik (bevorzugt Ebene 3) an dieser wie auch an anderen Stellen in der Überwachungskette ist der Einsatz von Wechselarmaturen mit integriertem Sensor (Bild 3).

Hierbei bilden Messgeräteabsperrung und Sensor eine Einheit. In der Wechselarmatur beziehungsweise Messarmatur können Sensoren für unterschiedliche physikalische Messgrößen, zum Beispiel Durchfluss, Feuchte oder Sauerstoff, eingesetzt werden.

Integraler Einsatz von Messtechnik erleichtert Instandhaltung

Diese Lösung erleichtert die Instandhaltung, garantiert höhere Verfügbarkeit der Produktionsmittel, verbessert die Qualität der Messtechnik, senkt die Material- und Montagekosten und minimiert die Umweltbelastung. Mögliche Einsatzbereiche sind: Drucklufttechnik, chemische und petrochemische Industrie, Wasserwirtschaft, Energietechnik, Prüfstände, Analysemesstechnik, Papierindustrie.

Ideal ist die direkte Messung im Hauptstrom der Rohrleitung, um so genaue Messergebnisse und eine höhere Messgenauigkeit als mit einer indirekten Messung im Bypass zu erhalten (Bild 4). Auf diese Weise verbessert sich die Qualität der Messung, weil Sensor und Messgeräteanordnung optimal aufeinander abgestimmt sind und reproduzierbare Einbauverhältnisse garantieren.

Der Ausbau der Sensoren ist bei laufender Anlage möglich, was Prozesse wie Reinigung des Sensors, Sensortausch, Nullpunktkontrolle oder Quervergleich von Messungen vereinfacht. Beim Sensoraustausch unter Betriebsbedingungen ist die Gefahr ausgeschlossen, dass der Sensor wie ein Geschoss aus dem Gehäuse gesprengt wird. Zur Vermeidung unnötiger Stillstandszeiten des Rohrleitungssystems kann beim Sensorausbau sofort ein Ersatzsensor oder ein Verschlussstopfen eingeschraubt werden.

Sensor an der Druckluft-Anströmseite gegen Verschmutzung geschützt

Ist die Flussrichtung bidirektional möglich, kann die Durchflussrichtung durch das geschlossene Fenster an der Anströmseite eindeutig definiert werden. An der Anströmseite ist der Sensor gegen Verschmutzungen geschützt, was hohe Standzeiten und Verfügbarkeit der Anlage garantiert.

Wenn die Messarmatur auch als Absperrarmatur eingesetzt wird, können Sensoren für physikalische Messgrößen ohne zusätzlichen Aufwand mit eingeschraubt werden. Ein weiterer Vorteil ist der Wegfall von Material- und Montagekosten vor und hinter den Messwertgebern für Absperrung, für Tauchhülsen, für Gewindestutzen oder Bypässe. Möglich sind auch stichprobenartige Messungen mit einem mobilen Messgerät (Bild 5).

Druckluft-Anlage kann beim Einbau in Betrieb bleiben

Für den Einsatz einer Wechselarmatur mit integriertem Sensor in der Ebene 3a spricht unter anderem, dass der betreffende Kreislauf beziehungsweise Hauptstrom nicht unterbrochen werden muss, um den Sensor ein- oder auszubauen.

Das wiederum garantiert eine hundertprozentige Verfügbarkeit der Betriebsdruckluft. Außerdem vereinfacht sie den Austausch des Sensors zur Reinigung, bei Ausfall oder zur Rekalibrierung.

Die Ringleitung (RL) in den Werkshallen stellt die Ebene 3b dar. Typische Nennweiten: DN 65 bis DN 125. Die Flussrichtung in der Ringleitung ist nicht bekannt und richtet sich nach dem Anlagenbetrieb. Durch das Setzen eines zusätzlichen Richtungssensors wird hier eine bidirektionale Messung möglich.

Integrierte kalorimetrische Durchflusszähler an der Anschlussleitung

Ebene 4 ist die Anschlussleitung (AL) von der Verteilungsleitung (VL) in Richtung Maschinen. Typische Nennweiten: DN 25 bis DN 50. Die AL Ebene 4 ist der klassische Einsatzort für die Messarmatur und integrierte kalorimetrische Durchflusszähler.

Auf dieser Ebene ist eine langfristige Betriebsunterbrechung oft sogar gewünscht. Die Absperrung ist nicht nur aus Sicherheitsgründen für den gefahrlosen Austausch des Sensors zwingend, sondern ermöglicht auch, dass nach dem Schließen der Teilabschnitt drucklos wird. Dies ist die einfachste Form zur Reduzierung der Leckage.

90% der Druckluft-Leckagen am Verbraucher

Auf der Ebene 5 findet die Direktmessung am Verbraucher (EV) statt – stationär oder mobil. Typische Nennweiten: DN 15 bis DN 20.

Auf dieser Ebene ist die Leckage besonders hoch. Sie beträgt rund 90% der Gesamtleckage im Druckluftnetz. Die Ebene 5 ist der klassische Einsatzort für den Kompaktdruckluftzähler mit integrierter Anzeige.

Der untere Messbereich ist für die Leckageerkennung von großer Bedeutung. Eine Messeinheit, die das kalorimetrische Messsystem und die Messdüse in einer Baueinheit vereint, ermöglicht eine Messspanne von 1:10000 (Bild 6).

Dipl.-Ing. Peter Otto und Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Postberg sind Geschäftsführer der Postberg + Co. Druckluftcontrolling GmbH in 34131 Kassel.

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