Smartes Filtersystem mit Sensoren, Dashboard und Smarter Filterbox

Filtration 4.0: „Smartes“ Filtersystem mit Sensoren, Dashboard und Smarter Filterbox. Über ein Dashboard kann die smarte Filtration vollständig verwaltet werden. Bild: Martin Wolf Wagner / Wolftechnik

  • Differenzdruckmessung ist eine etablierte Methode zum Überwachen von Filtrationsprozessen.
  • Die beschriebene Digitalisierungslösung vereinfacht und beschleunigt die Verwaltung der hierbei gesammelten Daten.
  • Mit der einfach nachzurüstenden Filterbox lassen sich Filtersysteme für Industrie-4.0-Anwendungen „smartifizieren“.

Die Messung des Differenzdrucks ist das üblichste Verfahren, um ein sich ankündigendes Verstopfen oder den zu hohen Beladungszustand eines Filters zu erkennen und zu vermeiden. Der Differenzdruck, den man auch als Widerstand im Filter bezeichnen kann, ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck und wird in bar angegeben. Üblich sind im optimalen Betriebszustand niedrige Drücke (Eingang ca. 0,4 bis 0,8 bar; Ausgang ca. 0,1 bis 0,2 bar). Diese können aber je nach Prozess auch höher liegen.

Bei konstantem Durchfluss und passender Anströmgeschwindigkeit des Mediums durch das Filtersystem sollte die Druckdifferenz bei optimaler Funktion des Filters stets unter einem definierten Grenzwert liegen. Hohe Druckdifferenzen, also ein großer Widerstand im Filter bei sich änderndem Druckverlauf von linear nach exponentiell, sind Anzeichen für ein Verblocken. Auch der Reinigungs- oder Filterwechselprozess wird bei einem festgelegten Grenzwert durchgeführt und wird in der Regel empfohlen, wenn der Differenzdruck über 1,5 bar ansteigt.

Visuelle Kontrolle, analoges Signal

Zur Messung des Eingangs- und des Ausgangsdrucks werden Manometer verwendet. Üblicherweise werden zwei Manometer benutzt, die an der Rohrleitung jeweils im Zu- und im Ablauf der Filtration angebracht sind. Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, den Verbrauch des Filters zu visualisieren, bietet das Differenzdruckmanometer WTDDM der Firma
Wolftechnik, das direkt am Druckbehälter verbaut ist. Der Einbau von Manometern an der Rohrleitung entfällt. Der Differenzdruck wird komfortabel und einfach ablesbar über das zentral am Behälter angebrachte Manometer angezeigt. Die Konstruktion ermöglicht zudem die Kombination der mechanischen Anzeige am Druckgerät mit einer elektronischen Signalverarbeitung. Die elektrische Signalübertragung wird durch einen integrierten Switch ausgelöst. Je nach Einstellung zum Beispiel bei einer zu hohen Druckdifferenz.

Einzelne Manometer mit Druckmittler, Drucksensoren mit frontseitiger Membrane zur Druckaufnahme und analogen Ausgangskontakten können das Signal zur Verarbeitung an die bauseitige SPS leiten, um die optische Anzeige von der elektrischen Kontakteinrichtung zu trennen. Die analoge Signalverarbeitung ermöglicht eine Automatisierung des Prozesses. Meldungen und Abschaltfunktionen können ausgelöst werden. Auch eine Fernwartung ist möglich. In der Regel gibt es aber keine Anbindung und Weiterleitung der gemessenen Daten an externe Netzwerke oder andere Steuersysteme und Regelkreise. Auch keine Speicherung einer Datenhistorie.

Digitale Verarbeitung

Das Smart-Filter-Konzept von Wolftechnik schließt eine Lücke für Filtrationsanlagen innerhalb der Smart Factory und erweitert die echtzeitnahe Datenerfassung durch eine zielgerichtete digitale Verarbeitung und damit die Möglichkeiten der reinen Überwachung von Filtersystemen. Durch ein optisch an moderne Bedürfnisse angepasstes Monitoring auf dem Smartphone, dem Tablet oder in der Leitwarte können Abweichungen oder sich anbahnende kritische Filterzustände schnell erkannt werden.

Smarte Filterbox
Smarte Filterbox mit Anschlüssen für Strom, Sensorik und LAN-Kabel. Bilder: Martin Wolf Wagner

Für die Umsetzung einer Filtration 4.0 wurde in Zusammenarbeit mit dem Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart das Smart-Filter-Konzept bestehend aus einem Filtercontroller, zusätzlicher Sensorik an der Anlage und einer dahinterliegenden IT-Infrastruktur entwickelt. Der Filtercontroller überwacht im Filtersystem Betriebsparameter wie Druck, Temperatur, Durchsatz, Trübung oder Leitfähigkeit, sendet Daten und empfängt Befehle.

Kerzenfiltergehäuse WTGDS
Kerzenfiltergehäuse wie das WTGDS lassen sich damit ohne großen Aufwand „smartifizieren, auch in Bestandsanlagen.

Der Filterhersteller hat das Herzstück seiner neuen Technik, den Filtercontroller, nun zusammen mit weiteren wesentlichen Komponenten in eine kleine Universal-Box integriert. Anwenderfreundlich lässt sich damit jedes Filtersystem des Anbieters für nahezu jeden Prozess in der chemischen Industrie „smartifizieren“. Ohne großen Aufwand können auch Bestandsanlagen mit der „smarten“ Technik ausgerüstet werden.

Zur Differenzdrucküberwachung beispielsweise liefern im smarten Filtersystem Relativdrucksensoren vor und nach dem Filter ihren momentan gemessenen Druck über ein stromcodiertes Signal an die smarte Filterbox, in der die Eingangssignale in einen digitalen Datenstrom umgewandelt und zur Weiterverarbeitung an den Filtercontroller übergeben werden. Die Mikrocontrollereinheit wertet die Messdaten aus und sendet sie verschlüsselt weiter.

Unkompliziert und sicher

Anwenderfreundlich werden in die Smarte Filterbox nur die Sensoren sowie ein Strom- und ein LAN-Kabel zur Weiterleitung des Signals ins Intranet oder Internet eingesteckt, ohne die Box öffnen zu müssen. Die kleine Universal-Box übernimmt alle Funktionen, die notwendig sind, um das Signal der Sensoren auszuwerten, umzuwandeln und zu verschlüsseln. Auch die Funktion des Gateways als zentraler Eintrittspunkt in das Intranet des Anwenders oder das Internet ist in die Box mit integriert. Über das an die Smarte Filterbox angeschlossene LAN-Kabel werden die Daten – in einer aggregierten Form verschlüsselt – direkt an eine voreingestellte Adresse gesendet, dort visualisiert, verarbeitet, zwischengespeichert und bei Bedarf in einer Datenbank abgelegt.

Ebenso unkompliziert erfolgt die Ausrüstung der Druckbehälter mit der für die Messung benötigten Sensorik. Gebraucht wird nur die Anschlussmöglichkeit für die Sensoren. Entweder direkt am Behälter oder in der Zulauf- oder Ablaufleitung. Maximal sind fünf Eingänge vorgesehen. Der Sensor sollte sein Signal in 4 bis 20 mA abgeben und einen M12-Stecker aufweisen. Ist das der Fall, kann jedes Filtergehäuse auf ein smartes Filtersystem umgestellt werden.

Filtrationsprozess
Differenzdruckmessung zur sicheren Überwachung des Filtrationsprozesses: Unter den möglichen Verfahren zur Überwachung des Filtrationsprozesses ist die Messung des Differenzdruckes die üblichste. Dabei wird die Differenz des Eingangs- und Ausgangsdruckes am Filtergehäuse gemessen. Der resultierende Druck ist der Differenzdruck. Grafik: Wolftechnik / Walter Roux; Foto: Martin Wolf Wagner

Bei der Entwicklung des Serienprodukts wurde neben einer hohen Datensicherheit darauf geachtet, dass ausschließlich Komponenten verwendet werden, die auch in handelsübliche Schaltschränke eingebaut werden können. Alle sind CE-konform geprüft. Die Ausgabe der in der Box aufbereiteten Daten läuft auf der open-source Plattform ThingsBoard. Die Smarte Filterbox wird vorkonfiguriert und in ThingsBoard aufrufbar ausgeliefert. Einstellungen lassen sich individuell vornehmen.

Bessere Organisation und Steuerung

Neben der Anzeige und Alarmfunktion entstehen durch „smartifizierte“ Filtrationsanlagen neue Ansätze in der Organisation und Steuerung der Produktion. Denn aus den gewonnenen Messwerten können unterschiedliche Mehrwertdienste generiert werden. Wie ein Predictive Maintenance, also eine Instandhaltung, die von den in Echtzeit verfügbaren Daten lernt und Ereignisse vorhersagbar und damit planbar macht. Auch die Bewertung, Steuerung und Dokumentation (Assessment Management) wird optimiert. Einen Mehrwert kann dabei der Austausch der Betriebsdaten mit einem spezialisierten Servicepartner bieten. Neben der Überwachung der Betriebsparameter kann bei Störungen am Filtersystem eine zeitnahe Diagnose durch den Experten erfolgen und Fehlerursachen können anhand der vorhandenen Daten detektiert werden. Zudem können mithilfe der Daten Workflows aufgebaut werden, wie beispielsweise ein Digital Procurement (digitale Beschaffung). Dabei ließe sich durch die Vernetzung mit einem Servicepartner die eigene Lagerhaltung optimieren, wenn Komponenten für den Filterwechsel just in time versendet werden. Ein Benachrichtigungsservice kann die automatische Ersatzteilbeschaffung aufwerten. In naher Zukunft wird es möglich sein, die verfügbaren Echtzeitdaten in eine künstliche Intelligenz einfließen zu lassen.

Engineering Summit 2021

Logo Engineering Summit

Wie die Dekarbonisierung und der Trend zur Nachhaltigkeit den europäischen Anlagenbau verändern wird, ist Thema des kommenden Engineering Summit, der vom 1. bis 2. Dezember 2021 in Darmstadt stattfinden wird. Unter dem Motto „Welcome to the new realities in plant engineering“ werden Führungskräfte aus dem europäischen Anlagenbau die aktuellen Entwicklungen der Branche diskutieren.

Im Zentrum steht die Frage, welche Chancen die globale Energietransformation für die Branche bietet. Denn klar ist: Ohne den verfahrenstechnischen Anlagenbau können Wasserstoff-Wirtschaft, Umstellung der Metallurgie-, Chemie- oder Zementindustrie auf grünen Strom und eine klimaneutrale Mobilität nicht gelingen. Gleichzeitig schaffen neue Verfahren und Prozesse enorme Chancen für technologie-getriebene Anlagenbau-Unternehmen, gleichzeitig allerdings auch enorme Herausforderungen im Hinblick auf eigene Investitionen zur Technologieentwicklung und Abwicklungskompetenz. Mehr Informationen unter www.engineering-summit.de

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