Industrie 4.0: Effiziente Anlagen durch digitale Pumpenzwillinge

KSB

Wie lassen sich Pumpensysteme optimieren und Energieeinsparpotenziale ohne großen Aufwand erkennen? Anwendungen aus dem Bereich Industrie 4.0 schaffen neue Möglichkeiten. Ein Beispiel ist eine App für das Smartphone, mit deren Hilfe innerhalb weniger Sekunden die Geräuschfrequenz von Asynchronmotoren gemessen werden kann.

Industrie 4.0 wird die Kundenerwartungen nachhaltig verändern – auch an Pumpensysteme. Waren bislang technische Produkt- oder Prozessinnovationen überzeugende Nutzerargumente, so geht es zukünftig verstärkt darum, die Kunden in ihren Geschäftsprozessen und Aufgaben zu unterstützen. In den Vordergrund von Innovationsentwicklungen rückt die vertikale und horizontale Integration von Produkten und digitalen, vernetzten Dienstleistungen.

Innovationen können hierbei entweder evolutionär und damit nahe an bereits existierenden klassischen Wertschöpfungsmodellen im jeweiligen Markt erfolgen, oder sie können disruptiv sein und damit zu gänzlich neuen, marktverändernden Wertschöpfungsketten führen. Nicht zuletzt, weil sich Verkaufskanäle in bestimmten Branchen über Jahre starr etabliert haben und im Hinblick auf die Kundenanforderungen nicht mehr zeitgemäß sind. 

 

Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild einer realen Komponente.

Der digitale Zwilling als Kern der datengetriebenen Innovation

Alle innovativen digitalen Services basieren auf der Idee des „digitalen Zwillings“: Jede Maschine erhält ein digitales Pendant, das sie in jeder Phase begleitet. Demgemäß umfasst der digitale Zwilling das virtuelle Abbild einer realen Komponente in Daten, Diensten (im Unterschied zu Dienstleistungen) und Funktionen, die sich zur Laufzeit, das heißt im Leistungserstellungsprozess, verändern und angepasst werden können. Der digitale Zwilling ist der Kern für die rechtzeitige Informations- und Funktionsbereitstellung am Ort des Nutzers und die Überwindung der disruptiven Selbstzerstörung eines Anwenders. Darüber hinaus kann der digitale Zwilling auch auf andere Datenquellen zugreifen oder sich mit anderen digitalen Zwillingen vernetzen, z. B. als Akteur eines cyber-physischen Systems.

Nutzen für Pumpenanwender 

Für Pumpenanwender steht nach wie vor die Erhöhung der Produktivität, und damit die Senkung der Betriebskosten, sowie der Flexibilität im Vordergrund. Hierzu zählen insbesondere die Reduzierung der Wartungs- und Instand-haltungsaufwände, die Erhöhung der Verfügbarkeit und die Steigerung der Energieeffizienz während des Betriebs. Mögliche Kosteneinsparungen ließen sich jedoch bisher aufgrund fehlender Instrumentierung der Maschinen schwer erfassen oder bewerten. 

 

Energiespar-Konzept

Wie sieht ein prozessorientiertes Konzept zur energetischen Optimierung von Anlagen aus? Basierend auf dem digitalen Zwilling werden im Folgenden einige zugehörige datengetriebene Services entlang der Schrittkette vorgestellt. Das Konzept kombiniert smarte Produkte und Services mit Expertenwissen und führt in vier Schritten zu einer energieeffizienten Anlage. Für Anwender mit Energiemanagement-System lässt sich das Konzept leicht in den PDCA-Zyklus gemäß DIN EN ISO 50001 einbetten und entspricht damit dem zugehörigen Kundenprozess.

 

Ziel des ersten Schrittes ist es, die Energieeinsparpotenziale messtechnisch zu erfassen. Dazu wird das Lastverhalten ermittelt und die Anlagensituation untersucht.

Diese Zielformulierung erscheint zunächst trivial, das Ziel selbst ist jedoch ohne geeignete einfache Werkzeuge und Expertenwissen nur schwer zu erreichen. Das liegt daran, dass zu Beginn Maschinen und Systeme mit Optimierungspotenzial mit geringem Aufwand identifiziert und erfasst werden müssen. 

Um dies zu erreichen, wurden bisher Popula-tionslisten im Hinblick auf das Alter der Komponenten studiert und klassifiziert. Doch die Zusammenstellung und Auswertung dieser -Listen ist aufwändig, auch wenn man eventuell Unterstützung durch Instandhaltungssysteme hat. Außerdem birgt diese Vorgehensweise die Gefahr, möglicherweise alte, jedoch sehr effiziente Maschinen blind zu ersetzen. Im Ergebnis führt dies zu Investitionen ohne wesentlichen Kapitalrückfluss. Darüber hinaus fehlt in der täglichen Arbeit der Instandhaltung oftmals die erforderliche Zeit zur Analyse der Listen. Diese Lücke kann durch Einsatz eines mobilen End-gerätes und einer App in Form eines Indus-trie-4.0-Service und des digitalen Zwillings einfach geschlossen werden.

Die App erlaubt es dem Instandhaltungspersonal, im Rahmen des routinemäßigen Instandhaltungsrundgangs innerhalb von 20 Sekunden Optimierungspotenziale von Maschinen zu identifizieren, die durch ungeregelte Asynchronmotoren angetrieben werden. Hierbei ist keine Installation von Sensorik notwendig.

Nach Eingabe der Typenschilddaten von Pumpe und Motor erfasst das Mikrophon des mobilen Endgerätes die Schallemission des Motorlüfterrades. Die Anwendung filtert aus dem Geräuschspektrum die genaue Drehzahl des Aggregats heraus und ermittelt das Drehmoment mithilfe der Eingabedaten und einer vom Hersteller entwickelten Hydraulik-Datenbank. 

Das Messergebnis enthält die Drehzahl und die Leistungsaufnahmen des angeschlossenen Motors im Betriebspunkt und liefert die Information, ob die Pumpe Einsparpotenzial hat. Die App ist herstellerunabhängig und kann auch auf Motoren mit anderen Lastmaschinen angewendet werden. Der Nutzer kann nach der Messung direkt Kontakt mit dem Hersteller aufnehmen, um eine mögliche Optimierung abzustimmen. Anhand dieses Ansatzes können typische Eigenschaften digitaler Services identifiziert werden:

 

  • Es wird eine bestehende Infrastruktur (mobile Endgeräte inkl. verbauter Sensorik) eingesetzt und nicht neu entwickelt (kein Produktansatz).
  • Es wird ein neuer Industrie-4.0-Service (Potenzialanalyse) darauf aufbauend entwickelt, der den Anwender bei seiner täglichen Arbeit schnell und einfach unterstützt.

 

Ein Vorteil dieser Herangehensweise ist es, dass Investitionen zur Messdatenerfassung nur an Maschinen mit Potenzial durchgeführt werden. Das bedeutet eine Minimierung des Investitionsrisikos, da mittelfristig mit einem Kaptialrückfluss durch die eingesparten Energiekosten gerechnet werden kann. 

Nach der sensorischen Erfassung des Potenzials der Anlage empfiehlt sich eine Begehung mit einem Experten. So können weitere Potenziale erschlossen werden, z. B. energetische ungünstige Rohrleitungsdimensionierung und -verlegung sowie Armaturen mit hohen Verlustbeiwerten. Der Experte schlägt dann basierend auf dem Maschinentyp und der Anwendung eine geeignete messtechnische Erfassung vor. Nachdem die identifizierten Maschinen messtechnisch ausgerüstet sind, wird das Betriebsverhalten über einen längerfristigen Beobachtungszeitraum erfasst und das Lastprofil der Pumpe ermittelt. Ein digitaler Service unterstützt die Auswertung der Daten und erlaubt entweder automatisch oder mit Expertenunterstützung eine detaillierte Ist-Analyse. 

 

Die Auslegung ist von zentraler Bedeutung für eine energieeffiziente Anlage. Hier werden die einzelnen Bestandteile des hydraulischen Systems an die Anforderungen der Kundenanwendung angepasst und aufeinander abgestimmt. Ausgehend von den im Analyseschritt erfassten Daten (z. B. Lastprofil) wird die optimale Anlagenstruktur bestimmt. 

Die ermittelte Anlagenstruktur und die Kundenapplikation beeinflussen die Auswahl der Komponenten. Sowohl die richtige Anzahl der Pumpen, strömungsgünstige Armaturen und die Rohrleitungsdimensionierung als auch die darauf abgestimmte Antriebsauswahl sind wesentliche Einflussfaktoren für die Effizienz des Systems. Für den Pumpenbetrieb angepasste Antriebe mit integrierter Mehrpumpenregelung reduzieren beispielsweise bei der anschließenden Installation und Inbetriebnahme die Investitionskosten. Die Auslegung des Systems wird durch Auslegungswerkzeuge unterstützt. Im Ergebnis erhält der Kunde Umsetzungsszenarien und Handlungsempfehlungen für ein optimales hydraulisches System. Die Auslegung erfolgt stets anhand von vier Kriterien: 

  • Die Anforderungen der Anwendungwerden erfüllt,
  • maximale Energieeffizienz ist gegeben,
  • das Verhältnis von Einsparungen und Investitionskosten ist ideal,
  • die gesetzlichen Energieeffizienzrichtlinien (ErP) werden erfüllt, 

jeweils basierend auf dem mit Daten angereicherten digitalen Zwilling. 

In Schritt 3 werden die Ergebnisse der Auslegung umgesetzt, fachgerecht montiert und konfiguriert. Dabei unterstützen mobile Applikationen die schrittweise Inbetriebnahme der installierten Geräte sowie die Verwaltung von Parametersätzen. Der ab Werk im Gerät konfigurierte digitale Zwilling dient hierbei wieder als Datenquelle. Die Kommunikation mit den Geräten erfolgt über eine Bluetooth-Schnittstelle und erlaubt eine einfache Bedienung und Konfiguration.

Nach dem Abschluss der Inbetriebnahme sorgt das optimierte System mit den smarten Komponenten für eine in Bezug auf Energie und Verfügbarkeit effiziente Fahrweise. Die Anlage ist damit in der Lage, sich automatisch an sich verändernde Betriebsbedingungen anzupassen, und kompensiert Rohrreibungsverluste automatisch. Darüber hinaus ermöglichen smarte Funktionen wie die integrierte Kennfeldüberwachung den Pumpenschutz. Über Feldbusmodule und Bluetooth sowie einen integrierten Energiesparzähler kann der Betrieb ständig überwacht werden. 

Ein auf diese Weise optimiertes System sorgt mit seinen smarten Komponenten für eine in Bezug auf Energie und Verfügbarkeit effiziente Fahrweise der Pumpen. 

Autor:
Dr.-Ing. Thomas Paulus    
Leiter Programm Office Digitalisierung
KSB Aktiengesellschaft, Frankenthal

Aus: Pumpen und Kompressoren für den Weltmarkt mit Druckluft- und Vakuumtechnik 2017, VDMA, 92 Seiten, 2017.