Bei der Druckluftversorgung von industriellen Produktionsanlagen kommt es auf eine für alle Maschinenabläufe ausreichende Luftmenge bei konstantem Systemdruck sowie auf eine zuverlässige Vermeidung einer Taupunkt-Unterschreitung an. Eine eingesetzte Messtechnik ermöglicht die Ermittlung der Leckage und gibt Hinweise zur Anlagenoptimierung und dauerhaften Energiekostensenkung. Durch eine intelligente zeitoptimierte Zuschaltung der einzelnen Verbrauchermaschinen lässt sich perspektivisch die verbrauchte Gesamtluftmenge in ökonomisch sinnvollen Grenzen (gemessen an den gestaffelten Energiepreisen für Maximalabnahme) einhalten. Die gezielte Wärmerückgewinnung der Kompressor-Anlagen zur Raumlüftungstechnik erfüllt einen weiteren Punkt der Energie-Einsparung nach DIN EN ISO 50001. Jederzeit müssen die Anlagenprozessdaten sowie die individuellen Verbrauchswerte zur Sicherstellung der Druckluftqualität und Fertigungsverfügbarkeit automatisch überwacht und die Verläufe dokumentiert werden – übersichtlich einsehbar vor Ort und dezentral abrufbar im Firmenkommunikationsnetzwerk.

Als zentrales Energiemanagement-System eingesetzt, zeigt die mit einem farbigen Touchdisplay ausgerüstete Multifunktionseinheit GHM-ONE dem Anlagenbetreiber übersichtlich den Zustand der Prozessdaten und Trendkurvenverläufe (Kurz- und Langzeit) zur Effizienzbeurteilung. 

Praxiserprobter Lösungsweg

Dabei werden die Sensoren direkt angeschlossen – beispielsweise ein Taupunkt-Messumformer (Messbereich –20 bis +30° Ctd, optional –40 bis +30° Ctd), ein Druckmessumformer (0..16 bar) für den Systemdruck und ein Volumenstrommesser, der aus Strömungsgeschwindigkeit und Gasdichte zuverlässig das verbrauchte Volumen berechnet.

Der Startbildschirm des Multifunktionsgeräts GHM-ONE liefert eine Übersicht über die angeschlossene Anlage.

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Mit zugehörigen Temperatursensoren und über Motoren (etwa für Ventilatoren oder Klappen) werden die Zu- und Abluft inklusive Umluft der zentralen Kompressorstation und zum Beispiel des Nebenraums geregelt. 

Eine einfach ebenso auf die individuellen Verbraucher erweiterbare Anzahl von Energiezählern (kW/h) vervollständigt neben dem Anschluss von Logik-signalen für die Start- und Verriegelungssignale die komplette Prozessdatenerfassung im GHM-ONE.

Dazu erfolgt eine individuelle Anpassung durch die modulare Gerätesystemtechnik und die direkt anschließbare industrielle Netzwerk-Topologie (zum Beispiel Feldbus und Ethernet). Das Multifunktionsgerät basiert auf einem leistungsstarken Prozessor, der zusammen mit einer Relaiskarte und der Netzteilkarte das Grundgerät bildet. Das Grundgerät wird mit einer Kommunikationskarte und bis zu zwei I/O-Karten an die Applikation angepasst. Die Anzahl von physikalischen Ein- und Ausgängen kann über die Kommunikationskarte erweitert werden. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine spezifische Anpassung der Hardware an die Automatisierungsaufgabe.
 

Schnelle Anpassung

Reale Verbrauchskurven der Druckluft mehrerer Maschinen bei einem Fertigungsbetrieb. Die rote Kurve in der Grafik zeigt den Gesamtvolumenstrom – allein während des 5-minütigen Aufzeichnungsintervalls schwankt dieser zwischen 55 und 20 m³/min.

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Die schnelle Anpassung der Software-Komponenten an die individuellen Kundenanforderungen erfolgt über das intuitiv bedienbare Tool GHM-CAT. Es besteht im Wesentlichen aus dem Funktionsplan-, HMI- und Menü-Editor, der Simulation sowie ­einer Inbetriebnahme-Unterstützung aus Debug-Funktion und Online-Diagrammen.

Das Kernstück der Applikationserstellung ist der Funktionsplan-Editor mit der Funktionsbaustein-Bibliothek. Der Anwender stellt mit Hilfe der Funktionsbausteine seine Applikation zusammen; dazu sind keine Programmierkenntnisse erforderlich sind. In der Bibliothek befinden sich mehr als 100 getestete Funktionen, die vom Anwender einfach auf der Arbeitsoberfläche platziert und mit Hilfe der Computer-Maus verdrahtet werden können. Das Deklarieren von Variablen oder das komplexe Zuweisen von Funktionen entfällt. Auf diese Weise kann der Anwender seine Anlage oder sein Verfahren aus fertigen Bausteinen effektiv nachbilden. 

Die Bedien- und Beobachtungsseiten der Applikation werden mit einem integrierten Designer erstellt. Damit lassen sich spezifische Informationen für den Mitarbeiter vor Ort oder auch detailliertere Seiten für den Servicetechniker erstellen. Diese Seiten sind in ihrer Gestaltung frei – es ist sogar möglich, Prozessbilder oder andere Grafiken einzubinden. Darüber hinaus kann der Anwender textbasierte Bedienseiten erstellen, um eine zügige Eingabe von mehreren Prozessdaten zu ermöglichen.
 

Simulation der Applikation

Nachdem die Applikation erstellt wurde, wird diese im GHM-CAT getestet. Die Software bietet mit der Simulation eine exakte Nachbildung des Gerätes inklusive aller Funktionen. Selbst die Ein- und Ausgänge der Hardware können simuliert werden. Der Anwender kann so – ohne jedes Risiko für die Anlage – die Applikation im ersten Schritt testen. Im Rahmen der Inbetriebnahme wird der Anwender weiter von der GHM-CAT-Software durch verschiedene Forcing- und Debugging-Funktionen sowie durch eine ausgefeilte Online-Darstellung von analogen und digitalen Werten unterstützt. Mit dieser Vielfalt an Informationen und Eingriffsmöglichkeiten steht einer effizienten Inbetriebnahme nichts im Weg.

Die Bibliothek des GHM-ONE bietet die Möglichkeit, einen Datenlogger und einen Datenschreiber im Gerät zu realisieren. 
 

Datenaufzeichnung und Trenddarstellung

Die Konfiguration des Datenloggers erfolgt über Funktionsblöcke direkt in der GHM-CAT-Applikation. Dabei ist es möglich, digitale und analoge Signale in verschiedenen Zeit­rastern zu loggen. 

Blockschaltbild der typischen Anlagenkomponenten mit Sensoren und dem Multifunktionsgerät GHM-ONE.

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Die analogen Daten lassen sich als Min-, Max- oder Mittelwerte über ­bestimmte Zeitraster aufzeichnen. Dabei werden die Daten im Gerät auf einem eMMC-Chip gespeichert und können über den Ethernet-Port via FTP und über den frontseitigen USB-Port ausgelesen werden. Im Gerät stehen 2 GByte zur Datenspeicherung bereit. Dem Anwender stehen die ausgelesenen Daten in einem Standard ASCII-Format (csv) zur weiteren Be-arbeitung und Analyse zur Verfügung. Die Trenddarstellung am Gerät erfolgt auf vordefinierten Bedienseiten. Es können bis zu vier Ganglinien in einem Trend dargestellt werden. 

Durch die Kaskadierung der Funktion lassen sich verschiedene Zeitraster darstellen. Da der Trendblock mehrfach in der Visualisierung aufgerufen werden kann, ist es möglich, den GHM-ONE als Mehrkanalschreiber einzusetzen. Die Trenddarstellung ist unabhängig von der Logger-Funktion. Somit können unterschiedliche Prozesssignale angezeigt und aufgezeichnet werden. Darüber hinaus stellt die Bibliothek Alarmmanagement-Funktionen zur Verfügung. Ein Funktionsblock lässt sich zur Anzeige von Alarmlisten im Klartext am Gerät nutzen. Das Alarmmanagement beinhaltet auch eine Quittierfunktion.
 

Konkrete Ergebnisse

Mit dieser Ausrüstung ermittelt der Anwender sowohl die individuellen Verbrauchsabläufe seiner einzelnen Fertigungsmaschinen als auch den Leckage-Anteil in der gesamten Anlage. Auf Basis der daraus gewonnenen Prozessdatenanalyse werden die notwendige Anzahl der zu aktivierenden Schraubenkompressoren, die Verringerung/Verkleinerung der eingesetzten Pufferspeicher an den Maschinen und die Maßnahmen zur Leckage-Beseitigung optimiert. Ziel ist es, dass durch einen intelligent ablaufenden, individuellen Maschinenstart die gesamte vom System bereitzustellende Druckluftmenge jederzeit zuverlässig ausreicht und ein Ablauf erfolgt, der den aktuellen Energiepreis-Staffelungen für Maximalentnahmen optimal angepasst ist.

Die Idee dahinter wird in der Praxis so umgesetzt, dass durch intelligentes verzögertes Einschalten eines einzelnen Großverbrauchers die Verbrauchsspitzen reduziert werden. Nach mathematischer Berechnung gibt der GHM-ONE die Maschinenfreigabe vor. Dadurch, dass jede Maschine einen kleinen Pufferspeicher hat, ist es auch elegant lösbar, dass mittels eines einfachen Stellventils der direkte Zustrom der Druckluftversorgung reduziert wird, um die schlagartigen Durchflussspitzen im System zu dämpfen. Durch einen kleinen Pufferspeicher in den Maschinen kann mittels eines einfachen Stellventils der direkte Zustrom der Druckluftversorgung reduziert werden, um die abrupt auftretenden Durchflussspitzen im System zu dämpfen.
 

50.000 Euro im Jahr gespart

In einem konkreten Fall war eine maximale Kompressorleistung von 65 m³/min installiert. Dank der durchgeführten Harmonisierung wurde diese Maximalleistung jedoch nicht mehr benötigt. Dazu konnte der Systemdruck um 0,2 bar auf 7,8 bar reduziert werden – wobei 1 bar einer Kostenreduktion von circa 6 % entspricht. Bei einem Bedarf von 35 m³/min für den Regelbetrieb konnte auch die alte, rechnerisch bestimmte Größe der Druckluftspeicher von 90 m³ um 15 bis 20 m³ durch das verzögerte Zuschalten der Verbraucher verkleinert werden. Die Ermittlung der Leckage ergab einen Verlust von 0,4 bis 0,5 m³/min pro Maschine, der nach Beseitigung der Ursachen bei Energiekosten von 2 ct/m³ einen zusätzlichen täglichen Gewinn von mehreren Euro pro Schicht erzielt und sich bei dreizehn Maschinen im 3-Schicht-Betrieb auf fast 50.000 Euro im Jahr kumuliert. Für die Wärmerückgewinnung steht je nach Kompressor eine Wärmeleistung bis etwa 50 kW pro Stunde zur Verfügung.

Das Facility Management der gesamten Druckluftanlage erfolgt über das Multifunktionsgerät GHM-ONE. Ausschlaggebend für den Einsatz erwies sich die grafische Darstellung des aktuellen Energiemanagements per Trendgrafiken auf dem Vor-Ort-Display und die einfache Kommunikation mit per Firmennetzwerk angeschlossenen mobilen und stationären Computern (mit MES- und ERM-Kopplung) sowie der preisgünstige Investitionsbedarf.

Damit stellt der GHM-ONE eine profitable Lösung für den Anlagenausrüster, die sich auf die jeweiligen An-forderungen von Produktionsbetrieben maßschneidern lässt und die Aufgaben der Beratung, Planung, Installation, Energieeffizienz, Wartung, des Services und Kundendienstes unterstützt. Für den Produktionsbetrieb bedeutet der Einsatz der Technologie eine kosteneffiziente und zuverlässige Realisierung, die jederzeit Transparenz im Prozessablauf aller Maschinen und des Druckluftversorgungssystems aufzeigt.

Autor: Torsten Obermann ist zuständig für Application & Services Industrial Electronics bei der GHM Group.