Technician inspector alignment pump  and electric motor, Repairing work in factory concept

Technician inspector alignment pump and electric motor, Repairing work in factory concept

| von Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
  • Die Überwachung von Pumpen und Kompressoren bietet Potenziale im Hinblick auf Kosten und Qualität.
  • Kontinuierliche Überwachung und Live-Maschinendaten sind ein Trend.
  • Schlüssel dazu sind die Digitalisierung der Maschinen und die Auswertung der Daten in Cloudlösungen.
Wolke

Bild: Evija / peshkov – stock.adobe.com

Zu teuer, zu wenig aussagekräftig, zu anfällig – wenn es um die Überwachung von Pumpen kleiner und mittlerer Leistung in den Betrieben der Chemie geht, dann stellten die Betriebsingenieure in der Vergangenheit den am Markt verfügbaren Überwachungslösungen häufig ein schlechtes Zeugnis aus. Zusätzliche Sensoren können zwar ungewollte Zustände wie Leckagen, Trockenlauf oder heißgelaufene Lager signalisieren, für einen rechtzeitigen Eingriff, um einen Stillstand zu verhindern, ist es dann aber meist schon zu spät. Also lieber doch das klassische Redundanzkonzept?

In der Vergangenheit war dies vor allem in den Betrieben der Chemie meist die Antwort. Ungelöst blieb häufig die Frage, wie die teure Redundanz verzichtbar werden kann, ohne dass die Anlagenverfügbarkeit leidet – und das zu einem vertretbaren Preis. Zudem – so die Forderung der Anwender – sollte eine Überwachungslösung nicht nur Daten wie Schwingungsverhalten oder eine steigende Temperatur liefern, sondern Ursachen und Lösungen im Klartext zeigen. „Die Anwender wollen keine Daten auswerten, sondern klare Handlungsempfehlungen“, bringt Adalbert Weigler, Business Development Manager Industrie, beim Pumpenanbieter Grundfos die Anforderung auf den Punkt. Denn immer öfter fehlt in den Betrieben das Erfahrungswissen, um Daten interpretieren und in konkrete Maßnahmen umsetzen zu können.

Das Potenzial für den Einsatz von Überwachungssystemen, die neben der reinen Fehlersignalisierung laufend die Asset Performance überwachen, ist riesig. Das Beratungsunternehmen Deloitte attestierte dem Ansatz 2017 in einer Studie, dass vorausschauende Wartung die für Wartungsarbeiten benötigte Zeit um 20 bis 50 % senken und die Verfügbarkeit der Anlagen um 10 bis
20 % steigern helfen kann. Insgesamt rechnen die Berater damit, dass Predictive Maintenance dazu beitragen kann, Wartungskosten um 10 bis 55 % zu senken.

Die Chancen dafür stehen derzeit so gut wie nie zuvor: Einerseits haben Pumpenhersteller inzwischen viel über die Ursache-Wirkungsmechanismen bei Störungen und Schäden an Kundenapplikationen gelernt und bringen dieses Erfahrungswissen mittlerweile in eigenen Expertensystemen zur Anwendung. Andererseits sind mit der Standardisierung einer Industrie-4.0-Verwaltungsschale für Pumpen in 2019 sowie dem Öffnen eines zweiten Informationskanals neben der klassischen Automatisierungsstruktur von Prozessanlagen (Namur Open Architecture) wesentliche Voraussetzungen geschaffen worden, um die Daten aus der Pumpe in externen Cloudlösungen auswerten zu können. „Das Ziel heißt: Vom Alarm hin zu echter vorausschauender Wartung“, verdeutlicht Miriam Rischer, Projektleiterin für die Überwachungslösung KSB Guard beim Frankentaler Pumpenhersteller KSB.

Langzeit-EKG der Maschinen

In der Praxis basiert die Instandhaltung von Pumpen bislang häufig auf regelmäßigen, aber doch sporadischen Begehungen. „Heute werden oft nur einmal pro Quartal Schwingungen aufgezeichnet – das ist aufwendig und zeichnet nur ein lückenhaftes Bild“, berichtet Rischer. Der Trend geht deshalb hin zu einer kontinuierlichen Datenaufzeichnung und -auswertung, quasi einem permanenten Langzeit-EKG. Ein Paradigmenwechsel gegenüber der bisherigen Vorgehensweise, bei der Daten aus dem Feld zwar in den „Historians“ der Prozessleit- und Wartungssysteme gespeichert, aber anschließend lediglich zur nachträglichen Fehleranalyse genutzt werden. Ein Aspekt, den auch Dr. Christian Hansen, CTO beim Exzenterschneckenpumpen-Spezialisten Seepex betont: „Heute werden häufig noch rein statische Daten in Form von Datenblättern oder Anleitungen zur Verfügung gestellt.

Der deutlich größere Mehrwert liegt jedoch dort, wo dynamische Sensordaten aus dem Feld genutzt werden.“ Denn Pumpenüberwachung kann noch mehr, als Störungen vorhersagen und vermeiden helfen. Richtig ein- und aufgesetzt, haben digitale Lösungen das Zeug dazu, die Leistung von Pumpen im laufenden Betrieb zu optimieren und deutliche Energieeinsparungen zu erreichen. So lässt sich beispielsweise anhand von Start-Stop-Vorgängen erkennen, ob eine Pumpe weit von ihrem spezifizierten Arbeitspunkt entfernt betrieben wird.

Bei Seepex heißt die Lösung dafür „Connected Services“: Live-Daten aus den Exzenterschneckenpumpen im Feld werden dabei in die Cloudlösung des Pumpenherstellers integriert und dort der Pumpenbetrieb in Echtzeit analysiert. „Damit lassen sich Prozesskosten drastisch senken“, ist Hansen überzeugt. Der Anbieter spiegelt die Daten an den eigenen Kennlinien sowie Daten aus Referenzanwendungen, um beispielsweise Vorhersagen zum Verschleiß zu machen.

Bei KSB heißt die Lösung „KSB Guard“: eine Kombination aus Pumpensensor und Cloudanwendung, mit der Leistungs- und Zustandsdaten von Pumpen überwacht werden. Als Bestandteil des Smart Service-Angebots liefert die digitale Überwachungslösung detaillierte Informationen über die Effizienz und den Zustand einer Pumpe und dient dazu, die Wartungstaktik zu optimieren: Die Vorhersage von Stillständen, die rechtzeitige Bestellung von Ersatzteilen und Wartungsleistungen soll dabei helfen, Ausfallzeiten zu reduzieren.

Ein Anwendungsbeispiel des Tools KSB Guard im Industriepark Kalle-Albert finden Sie in diesem Artikel:

Predictive Maintenance für die Druckluftversorgung im Industriepark

Grundfos nutzt für die Online-Überwachung ebenfalls eine eigene Cloudlösung (iSolutions). Die Lösung verfolgt in Echtzeit den Betriebszustand einer überwachten Pumpe sowie die umgebende Anlagentechnik und erkennt mögliche Probleme wie Lagerschäden, Unwucht oder Druckschläge sowie Trockenlauf und Kavitation. Auch der dänische Pumpenhersteller bietet für seine Überwachungslösung einen batteriebetriebenen Sensor an. Einen Schritt weiter geht der Anbieter mit seinem „Machine Health“ genannten Ansatz, der die Datenbanken des Maschinenanalyse-Spezialisten Augury nutzt. Änderungen im Maschinenzustand werden so in verständliche Meldungen und konkrete Handlungsvorschläge umgesetzt. Dass sich das rechnet, ist eine der Erfahrungen des Herstellers in den vergangenen zwei Jahren: „Wir beobachten Amortisationszeiten zwischen drei und sechs Monaten“, erklärt Adalbert Weigler.

Die wenigen Beispiele deuten allerdings auf ein weiteres Problemfeld hin: die wachsende Vielfalt an herstellerspezifischen Cloudlösungen. Weil Anlagenbetreiber vielfältiges Equipment von unterschiedlichen Herstellern einsetzen, sind diese mit der wachsenden Zahl paralleler Systeme überfordert. „Die Cloud-Interoperabilität wird aus meiner Sicht die größte Herausforderung für die Digitalisierung“, ist Seepex-CTO Hansen überzeugt. Dazu kommt die Frage des Geschäftsmodells: „Wir brauchen ein Modell, das es den Herstellern erlaubt, mit den Dienstleistungen Umsatz zu erwirtschaften, die nur sie erbringen können – weil nur sie das nötige Produktwissen haben.“ Eine Lösung könnte darin bestehen, dass Daten aus der Anlage zunächst im System eines Herstellers analysiert werden, die Auswertung dann aber in einem zentral vom Anwender für unterschiedliche Assets genutzten System zur Verfügung gestellt wird.

Industrie-4.0-Verwaltungsschale als Basis für digitale Pumpenzwillinge

Im Grunde geht es darum, durch den Einsatz digitaler bzw. Industrie-4.0-Technologien nicht nur den Personalaufwand und generell die Instandhaltungskosten zu senken, sondern auch die Qualität der Wartung zu verbessern. Um dies zu erreichen, führt an der weitgehenden Digitalisierung einer Anlage kein Weg vorbei. Praktisch geschieht dies, indem parallel zur realen Anlage ein digitales Abbild (digitaler Zwilling) erstellt wird, das in ständigem Austausch mit der realen Anlage steht.

Soll die Pumpe eine solche Industrie-4.0-Komponente werden, ist deshalb eine weitere Standardisierung notwendig. Unter der Federführung der VDMA-Fachverbände Pumpen + Systeme sowie Kompressoren wurde dazu im vergangenen Jahr eine Verwaltungsschale spezifiziert. Unter dem Begriff „Verwaltungsschale“ versteht man im Zusammenhang mit Industrie 4.0 die digitale Repräsentation einer realen Anlagenkomponente wie z. B. einer Pumpe. Sie setzt sich u. a. aus Teilmodellen zusammen, die unterschiedliche Aspekte oder Funktionen des Assets in Form standardisierter Merkmale beschreiben. Sie bilden die Basis für eine gemeinsame Sprache von Pumpen.

Die auf der Hannover Messe 2019 prototypisch vorgestellte Verschaltungsschale deckt Pumpen und Vakuumpumpen für Anwendungen in der Prozessindustrie, Gebäudetechnik, der Halbleiter- und Fertigungsindustrie, der Lebensmittelindustrie und Wasserwirtschaft ab. Der Fokus liegt dabei auf drei wesentlichen Industrie-4.0-Anwendungsszenarien für die digitale Integration von Pumpen und Vakuumpumpen in die Industrie-4.0-Informationswelt: die Unterstützung eines durchgängigen und dynamischen Engineerings über den Lebenszyklus, eines optimierten Betriebs durch Transparenz und Wandlungsfähigkeit ausgelieferter Produkte sowie die Bereitstellung von Value Based Services. Letzterer basiert auf der Erfassung und Analyse von Betriebsdaten (z. B. Leistungsdaten, Verschleiß, Abweichungen im Betrieb). Die Unterstützung einer optimierten Instandhaltung von Pumpen und Vakuumpumpen erfolgt durch die Spezifikation von drei Teil­modellen („Breakdown, Preventive und Condition Based Maintenance“), die je nach Instandhaltungsstrategie unterschiedliche Merkmale bereitstellen. So können Anwender auf standardisierte Informationen über den Status der Komponente, anstehende Wartungen, Zustandsinformationen, Zuverlässigkeit und Funktionsreserve zugreifen.

Im Bereich der Kompressoren und Prozessverdichter stellt sich die Situation anders dar: Hier geht es in der Regel um große Maschinen und Systeme. Die meist systemkritischen und in der Regel nicht redundant ausgeführten Prozessgasverdichter sind längst mit ausgeklügelten Überwachungssystemen ausgerüstet. Hier akzeptieren die Anwender aufgrund der Bedeutung der Maschinen auch proprietäre Insellösungen. Eine Industrie-4.0-Verwaltungsschale analog zu Pumpen und Vakuumpumpen ist hier nicht geplant.

Kompressorhersteller setzen auf OPC UA

Auch für Druckluftkompressoren und -systeme wird es diese in absehbarer Zeit nicht geben. Hier soll der standardisierte Datenaustausch über die plattformunabhängige OPC Unified Architecture realisiert werden. OPC UA sieht in der neuesten Spezifikation vor, dass Maschinendaten zusätzlich zum Datenaustausch auch maschinenlesbar semantisch beschrieben werden können. Die Fachgruppe Kompressoren, Druckluft und Vakuumtechnik plant dazu im September 2020 ein Projekt für eine OPC-UA-Spezifikation zu starten, das zur einheitlichen Beschreibung den ecl@ss-Standard nutzen soll.

Um die vorausschauende Wartung schon heute zu unterstützen, haben die größeren Anbieter von Druckluftkompressoren eigene Lösungen entwickelt. Zu den aktuellen Ansätzen gehört beispielsweise das Dienstleistungspaket Sigma Smart Air von Kaeser, das zudem eine schrittweise Digitalisierung von Druckluftanlagen ermöglichen soll. Die Kompressorsteuerung übermittelt dabei in Echtzeit verschlüsselte Maschinendaten an das Plant Control Center des Kompressorherstellers. Dort werden Druckluftdaten und das Energiemanagement überwacht und analysiert. Das System zielt darauf, die Effizienz der Anlagen zu sichern und eine vorausschauende Wartung zu ermöglichen.

Beim Wettbewerber Aerzen heißt der datenbasierte Service „Aerprogress“: Auch hier geht es darum, teure Druckluft über die gesamte Anlagenlaufzeit möglichst effizient zu erzeugen, Aggregate im Verbund zu steuern und datengestützte Wartungs- und Instandhaltungskonzepte zu realisieren. Letztere ermöglichen es, Anlagenstillstände zu reduzieren. Verschiedene Module – von der Zustandsüberwachung über das Energiemanagement bis hin zum Management ganzer Maschinenparks – ermöglichen auch hier eine schrittweise Digitalisierung der Druckluftanlagen.

Fazit: Der Trend bei der Überwachung von Pumpen und Kompressoren geht weg von einer punktuellen, wiederkehrenden Datenaufnahme an Pumpen und hin zu einer kontinuierlichen Datenaufzeichnung und -auswertung. Cloudlösungen beim Hersteller ermöglichen nicht nur die Analyse auf Basis moderner KI- und Machine-Learning-Konzepte, sondern auch den Vergleich mit Maschinen in anderen Anwendungen. Die Standardisierung des Datenaustauschs und der Eigenschaften des digitalen Zwillings von Pumpen eröffnen dabei den Weg hin zu einem vollständig digitalen Abbild der Anlage (digitaler Zwilling).

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Mit dem Enhanced Connectivity Ecosystem lässt sich eine einfache, standardisierte Datenanbindung über die moderne und sichere Schnittstelle OPC UA ohne großen Engineering-Aufwand realisieren.

Mit dem Enhanced Connectivity Ecosystem lässt sich eine einfache, standardisierte Datenanbindung über die moderne und sichere Schnittstelle OPC UA ohne großen Engineering-Aufwand realisieren. Bild: Phoenix Contact

Auf der NAMUR-Hautsitzung im November 2019 hat Phoenix Contact die praktische Umsetzung des NOA-Konzepts der NAMUR (siehe NE 175) vorgestellt: eine Architektur, die anhand eines Seitenkanals an der Automatisierungspyramide unabhängig vom vorhandenen Leitsystem kommunizieren kann und sich damit bestens für Monitoring-Aufgaben wie die Pumpenüberwachung eignet. Mit dem Enhanced Connectivity Ecosystem lässt sich eine einfache, standardisierte Datenanbindung über die moderne und sichere Schnittstelle OPC UA ohne großen Engineering-Aufwand realisieren. Die Feldcontroller des Ecosystems ermöglichen eine unkomplizierte und vielfältige Ankopplung an Cloudlösungen – sei es an die Proficloud von Phoenix Contact oder an eine beliebige Cloud über z.B. MQTT. Ein offenes Linux-System bietet zudem die Möglichkeit, das besonders komfortable Programm NodeRed einzusetzen.

Der PLCnext Store von Phoenix Contact stellt eine Vielzahl von Cloud-Connectoren zum Download für die Steuerungen des Ecosystems bereit. Auf www.plcnextstore.com gibt es verschiedene MQTT Broker und Modul sowie Connectoren für die Alibaba-Cloud als auch für Amazon Web Services. Das offene Linux-System vereinfacht den Umgang dieser modernen Kommunikationsmethoden im Vergleich zur herkömmlichen IEC61131-Umgebung erheblich. Da die Controller darüber hinaus für typische Automatisierungsaufgaben prädestiniert sind, lässt sich die Sensorik einfach über entsprechende I/O-Module anschließen. Vibrationssensoren können eine sinnvolle Ergänzung für eine Pumpenüberwachung sein ebenso wie eine Leistungsmessung des Pumpenmotors, die über die jeweiligen Module problemlos mit Hilfe von Messwandlern durchgeführt werden kann.

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