Bereits in der Entwicklung eines Projektes sollten die Total Cost of Ownership (TCO) bei der Auswahl der Technologie berücksichtigt werden. Investitionen sollten innerhalb kürzester Zeit ihren Return on Invest (ROI) erreichen.

In der Planungsphase werden Worst-Case-Szenarien simuliert, um aus den ermittelten Daten mögliche Schwachpunkte zu erkennen und zu beseitigen. In dieser Phase stehen nicht nur die geforderten Qualitätsziele des Endproduktes im Vordergrund. Auch die umweltschonende Ressourcennutzung soll bestmöglich umgesetzt werden. Hier werden auch die obligatorischen Wartungsintervalle für Komponenten und Systeme definiert, welche die Gefahren für Menschen, Prozesse und Umwelt größtmöglich verringern sollen.

Für die Steuerung der Medienflüsse werden Ventile mit unterschiedlichen Wirkungsweisen und Größen verwendet. Auch pneumatisch angetriebene Kugelhähne und Klappen kommen zum Einsatz und sind naturgemäß den physikalischen und chemischen Prozessgegebenheiten, sowie den Umweltbedingungen ausgesetzt.

Im Fall der pneumatischen Antriebe werden diese bevorzugt mit einem Sicherheitspuffer von 20-50% größer ausgelegt, d.h. das maximale Drehmoment des Antriebs ist um diesen Betrag größer als der Drehmomentbedarf des Prozessventils. Dies bedeutet aber, dass aufgrund des größeren Antriebsvolumens, ein höherer Bedarf an Druckluft- und Energie (Strom) notwendig ist.

Die Investitions- und Betriebskosten steigen, je häufiger größer dimensionierte Antriebe eingebaut sind. Am Ende ihrer Lebenszeit werden sie durch neue ersetzt. Auch hier muss man mit höheren Beschaffungskosten für gleichwertigen Ersatz rechnen. Es stellt sich die Frage: wie können die Investitions- und Betriebskosten und damit auch die CO2-Emissionen durch Digitalisierung sinken?

Notwendigkeit der Wartung

Nicht nur ökonomisch, auch aus ökologischer Sicht nimmt die Wartung der Prozesskomponenten eine sehr wichtige Rolle ein. Anstatt sie komplett zu entsorgen, werden Verschleißteile ausgetauscht und damit die Lebensdauer der Geräte verlängert. Unerwartete Ausfallzeiten lassen sich so vermeiden.

Traditionell erfolgt die Wartung nach festgelegten Intervallen oder im Rahmen von Sichtprüfungen. Dieses Vorgehen jedoch führt zu unnötigen Stillständen. Hierbei können intelligente Systeme zur Umsetzung von „Predictive Maintenance“ eine wichtige Hilfe sein.

Durch die bedarfsorientierte Wartung können Unternehmen den Aufwand optimieren. Anstatt planmäßige Wartungsarbeiten durchzuführen, können Prozessverantwortliche gezielt dann eingreifen, wenn tatsächlich Handlungsbedarf besteht. Dies reduziert Stillstandszeiten und erhöht die Produktionskapazitäten.

Welche Ursachen können zu Fehlfunktionen von Antrieben und Ventilen führen?

Während der Betriebsdauer einer Anlage können sich verschiedene Parameter im Produktionsprozess ändern. Medienparameter (Viskosität, Partikelgröße, Änderung der Temperatur etc.), aber auch äußere Einflüsse wie Schwankungen der Umgebungstemperatur oder Steuerluftdruck- und -qualität sind einige Aspekte unter vielen. Antriebe und Ventile reagieren entsprechend auf die Änderungen und die Leistungskurve weicht von den anfänglich ausgelegten Parametern ab.

Zum Beispiel können Beschädigungen der Gleitdichtungen, Zahnradabnutzung oder innere Verschmutzung die Performancekurve eines Antriebes minimieren oder sogar zum Ausfall führen. Auf der Ventilseite können Temperaturschwankungen, Beschaffenheit des Mediums und ungewöhnliche Abnutzung der Ventilsitzdichtung dessen Performance beeinträchtigen.

Bild 1: Schema der Datenaufzeichnung und des Datentransfers im Netzwerk. (Quelle: OMAL)

Lösungsansatz „Predictive Maintenance“

Es ist selbstverständlich, dass die Sensorik in der heutigen Prozesstechnik fest verankert ist. Übergeordnete Systeme vergleichen kontinuierlich die erfassten IST-Werte mit den vorgegebenen SOLL-Werten, um Abweichungen frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Damit stellt man die Forderungen an Prozesssicherheit und den Qualitätsanspruch an das Endprodukt sicher. Für die Zustandsermittlung des Antriebes können diese Werte jedoch kaum oder sehr begrenzt angewendet werden.

Der Ansatz von „Predictive Maintenance“ ist, die Rückmeldungen der traditionellen Prozesssensorik zu nutzen, um ein Profil über den Zustand der jeweiligen Komponenten zu erstellen. Der bessere Ansatz wäre, die spezifischen Ventilbewegungen zu messen und zu dokumentieren. Das eröffnet den Prozessverantwortlichen die Möglichkeit, potenzielle Probleme durch Analyse der Änderungen der Parameter frühzeitig zu erkennen, den Zustand des Antriebes zu beurteilen und Gegenmaßnahmen gezielt einzuleiten. Die Gegenmaßnahmen können individuell geplante Serviceeinsätze oder auch ein gezielter Austausch der Flow Control-Komponenten bedeuten.

Integration der Betriebsdatenerfassung in pneumatische Antriebe

Die Betriebsdatenerfassung eines Antriebes ist eine entscheidende Unterstützung für die Realisierung eines Predictive Maintenance-Konzepts.

Die Firmengruppe OMAL S.p.A. hat sich mit den Anforderungen an Predictive Maintenance im Bereich der pneumatischen Antriebe auseinandergesetzt und eine Lösung durch Digitalisierung der Bewegungs- und Aktivitätendaten entwickelt. Das Ergebnis ist RACKON-X, der weltweit erste pneumatische Drehantrieb (Rack & Pinion- Prinzip) mit integrierter Data-Tracking-Einheit und drahtloser Datenübertragung.

RACKON-X – wie funktioniert das Prinzip und welche Werte werden erfasst?

Eine integrierte Sensorik erfasst die Daten und speichert sie auf einer internen Speicherkarte. Je nach individuell definierbarer Taktung (z.B. alle 5 oder 10 Minuten), werden die Daten parallel über ein Wireless-Signal an einen installierten Empfänger geschickt und in eine Cloud hochgeladen. Die Werte können über das Plattform X-Easy eingesehen werden. Falls gewünscht, hat der Anwender die Möglichkeit, die Übersendung einer Warnung einzurichten, sollten festgelegte Toleranzgrenzen über- bzw. unterschritten werden.

Eine externe Energiezuführung über Kabel ist hierfür nicht notwendig. Das integrierte System arbeitet im Batteriebetrieb und ist im wahrsten Sinne des Wortes „Wireless“. In Abhängigkeit der Übertragungsraten sind Standzeiten von bis zu fünf Jahren möglich. Den Ladestatus der Batterie kann der Anwender auf der Plattform einsehen.

Die integrierten Sensoren überwachen verschiedene Parameter, wie Öffnungswinkel, innere Temperatur des Antriebs, Anzahl von Schaltungen, Öffnungs- und Schließposition, Öffnungs- und Schließzeiten und Dauer der gehaltenen Position (Dauer „offen“, Dauer „geschlossen“).

Auswertung der Daten zur Fehlererkennung

Um die Performance der Antrieb-Ventil-Kombination richtig beurteilen zu können, sollten die obengenannten Parameter stetig erfasst und dem Anwender zur Verfügung gestellt werden. Die Betrachtung und Auswertung der Informationen über einen gewissen Zeitraum, ermöglicht eine bessere Zustandsbeurteilung der Antrieb-Ventil-Kombination. Die visuelle Darstellung der Leistungskurven helfen den Verantwortlichen, Änderungen zu erkennen und die möglichen Serviceeinsätze besser zu planen und durchzuführen und damit die Produktivität zu steigern (Bild 2).

Bild 2: Ein Beispiel für die visuelle Darstellung der Schalthäufigkeit/h in Form eines Balkendiagramms. (Quelle: OMAL)

Bild 3 zeigt beispielhaft, welche Gründe für das Auslösen eines Alarmsignals verantwortlich sein können. Eine Änderung der Umgebungstemperatur erfolgt meistens innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Der pneumatische Antrieb passt sich langsam den Änderungen an. Für den Fall, dass die Sensoren im Antrieb einen sprunghaften Anstieg oder Abfall der internen Temperatur registrieren und diese die definierten Grenzen überschreiten, wird ein Alarm ausgelöst.

Bild 3: Fehlerdiagramm, Beispiele für gemessene Werte, die festgelegte Toleranzbereiche verlassen. (Quelle: OMAL)

Vergleichbares gilt für die Öffnungs- und Schließzeiten. Ein Anwachsen der Öffnungszeiten kann bei einfach wirkenden Antrieben (normally closed)

z.B. ein Indikator sein für Leckagen im Steuerluftsystem, eine Verringerung dieser Zeiten können auf eine Ermüdung des Federpaketes oder auf einen Federbruch hinweisen. Dies bedeutet, dass neben der reinen Alarmierung bereits Schlussfolgerungen gezogen werden können, was der Anlass für die Warnung sein könnte. Dies ermöglicht gezielte Aktivitäten zur Fehlerbehebung bei der erforderlichen Wartung und damit kürzere Produktionsstillstände. Änderungen des Betriebsdrucks oder der Viskosität des Prozessmediums zeigen sich entsprechend.

Weitere Abweichungen der Öffnungs- und Schließzeiten können auf Alterung der Armaturen (z.B. Dichtungsverschleiß) deuten. Änderungen der Endpositionen können auf Ablagerungen am Dichtungssitz oder beim Medium auf Abweichung von Nenn-Parametern hinweisen.

Datensicherheit

Wireless-Datenübertragung und Speicherkarte! Sind die gespeicherten Prozessdaten auch sicher vor Fremdzugriff? Wie sicher sind die Daten in der Cloud? Wie wird verhindert, dass die Speicherkarte von unbefugten Personen entfernt wird?

Diese Fragen sind gerechtfertigt. Im Fall von RACKON-X erhält der Betreiber der Anlage einen persönlichen Zugang. Dieser kann von ihm an weitere autorisierte Personen transferiert werden, um diesen dann den Zugang zu den Daten und deren Auswertung zu ermöglichen. Auch die Speicherkarte ist geschützt. Das ebenfalls integrierte Anti-Tamper-System registriert jede Öffnung der Schutzkappe am pneumatischen Antrieb und kann in Bedarfsfall auch einen Alarm auslösen.

Weitere Anwendungen im Bereich von Fahrzeugen

Der Einsatz dieser Antriebe ist nicht nur in festinstallierten Anlagen sinnvoll. Auch mobile Anwendungen können davon profitieren. Am Prinzip eines Tankwagens kann man die mobile Anwendung sehr gut erklären. Der Tankwagen startet seine Tour und liefert das Produkt an verschiedene Ladestellen aus. Die obengenannten Daten werden erfasst und auf der Speicherkarte gesichert.

Sobald der Tankwagen zu seinem Stützpunkt zurückkehrt, baut der Antrieb eine Verbindung zum Empfänger auf und überträgt seine Daten. Diese werden zugleich in Cloud hochgeladen und die prozessverantwortliche Person kann die Daten auf der Oberfläche der X-Easy- Plattform einsehen. Das bedeutet, dass die protokollierten Betriebsdaten der Antrieb-Ventil-Kombination zur Beurteilung ihrer Performance und die Möglichkeit zur frühzeitigen Problemerkennung unmittelbar für Analysen zur Verfügung stehen.

Fazit

Die integrierte Datenerfassung der Anwendungsparameter pneumatischer Antriebe hilft bei der Realisierung von Wartungen auf Basis von Predictive Maintenance Konzepten. Sie bietet eine vielversprechende Lösung zur Optimierung von Wartungsprozessen, zur Steigerung der Effizienz, sowie zur Reduzierung von Kosten und Umweltbelastung durch Neuanschaffung.

Unternehmen, die diese Technologien implementieren, positionieren sich erfolgreich in einer zunehmend digitalisierten und wettbewerbsintensiven Industrieumgebung auch im Hinblick auf mögliche Reduzierungen von CO2-Emissionen.

Autor: Fabio Bugatti

Sales Director

OMAL S.p.A. SB

Autor: Mohammad Ali Khodadadi

Sales Manager Germany

OMAL S.p.A. SB