Beim Reinigen mit Leitungswasser bleiben oft unschöne Flecken auf den Oberflächen zurück. Dies kann in industriellen Prozessen gravierenden Einfluss auf die Produktqualität haben – zum Beispiel dann, wenn aufbereitetes Wasser im Nachspülprozess der Teilereinigung eingesetzt wird, um bearbeitete Metalle von Ölen und Kühlschmiermitteln zu befreien, um sie für den Folgeprozess vorzubereiten, etwa für Beschichtung oder Galvanisierung. Auch die optische Industrie oder die Medizintechnik benötigen für Spülprozesse Wasser, das nach dem Trocknen keine Rückstände hinterlässt. Die Lösung ist Reinwasser, das frei ist von gelösten Mineralstoffen, Salzen und Bakterien. Je nach Aufbereitungsgrad spricht man von Rein- oder Reinstwasser.

Anlagen zur Reinstwassergewinnung

EnviroFalk ist Hersteller von Reinstwasseraufbereitungsanlagen. Das Unternehmen entwickelt Konzepte aus verschiedensten Wasseraufbereitungstechniken: Umkehrosmose-Systeme, Ultrafiltration, Nanofiltration oder Ionenaustauscher-Systeme. Oft findet sich eine Kombination aus verschiedenen Techniken in einer Anlage. An einer solchen Prozesswasser-Aufbereitungsanlage wird normales Leitungswasser eingeführt, das in einem ersten Schritt enthärtet wird. Aus diesem ‚Weichwasser‘ werden mittels Umkehrosmose alle Feststoffe herausgefiltert. Im nächsten Reinigungsschritt durchläuft das Wasser eine Ionenaustauscherpatrone, die mit einem speziellen Granulat beziehungsweise Mischbettharz gefüllt ist, das dem Wasser sämtliche Mineralien entzieht. Dieses vollentsalzte Wasser wird mit Leitfähigkeitssensoren geprüft. Anhand dieses Prozesswerts lässt sich auch ein Anstieg der Leitfähigkeit erkennen, sobald die Patrone erschöpft ist und ausgetauscht werden muss. Das Reinwasser wird zur Zwischenlagerung in einen Tank gepumpt und teilweise auch erhitzt, damit der Anwender es jederzeit für verschiedene Anwendungen nutzen kann. Für einen hohen Reinheitsgrad wird dieses entsalzte Wasser zusätzlich mit UV-Licht bestrahlt, damit es keimfrei bleibt.

Sensoren und Anforderungen

Um die Qualität des Reinstwassers dauerhaft zu sichern, überwachen Sensoren von ifm den Aufbereitungsprozess, da selbst kleinste Verunreinigungen oder Remineralisierungen die Wasserqualität mindern könnten. EnviroFalk nutzt frontbündige Sensoren in den Leitungen und Tanks. Dadurch ergeben sich keinerlei Toträume, in denen das Wasser nicht ausreichend zirkuliert und sich dadurch wieder ungewollt anreichern könnte.

Demineralisiertes Wasser versucht permanent, den unnatürlichen entsalzten Zustand auszugleichen, in dem es Mineralien aus den umgebenden Materialien löst. Bei herkömmlichen Edelstahl-Wandungen würde dies dem Wasser gelingen und mit der Zeit zu Lochfraß führen. Daher sind entweder Kunststoffrohre oder Edelstahl von besonders hoher Güte das Mittel der Wahl. Gleiches gilt für die Sensoren, die mit den Medien in Kontakt kommen. ifm bietet hierfür Sensoren speziell für Reinstwasser-Applikationen an, die an den Stellen, an denen die Sensorfläche mit dem Medium in Kontakt kommen, besonders hochwertigen Edelstahl oder andere Materialien besitzen, denen das Reinstwasser keine Moleküle entziehen kann.

Leitfähigkeit als zentraler Messwert

EnviroFalk nutzt den IO-Link-Leitfähigkeitssensor ‚LDL101‘. Beim Leitfähigkeitswert handelt es sich um den Kehrwert des elektrischen Widerstandwerts von Wasser. Je reiner das Wasser, desto höher ist dessen Widerstand und umso kleiner ist der Leitfähigkeitswert. Die Leitfähigkeit gibt die Ionenkonzentration des Wassers an. Je kleiner die Anzahl freier Ionen, desto geringer die Leitfähigkeit. Mit dem Leitfähigkeitssensor und seiner Messspanne von 0,04 bis 1000 µS/cm lassen sich alle Wasserstufen der EviroFalk-Anlagen – vom normalen ‚Stadtwasser‘ am Eingang bis zum Reinstwasser am Ausgang – messtechnisch abdecken. Der Sensor wird mit Standard M12-Verbindungstechnik angeschlossen und benötigt weder ein Datenkabel noch eine externe Auswerteeinheit im Schrank. Die digitale Übertragung der Messwerte per IO-Link ermöglichen eine dauerhaft präzise Analyse der Wasserqualität. Steigt der Wert der Leitfähigkeit im Herstellungsprozess von Reinstwasser, so deutet dies beispielsweise auf wartungsbedürftige Komponenten hin.

Präzise Druckmessung

An vielen Stellen der Anlage gilt es, den Druck in den Leitungen zu überwachen. Dazu wird der Drucksensor ‚PL15‘ an einer komplexen Aufbereitungsanlage für mehrere Aufgaben eingesetzt, zum Beispiel zur Steuerung der Pumpen. Der Sensor bietet eine Auflösung über den gesamten Druckbereich von 0 bis 10 bar. Über IO-Link lassen sich die Messwerte direkt digital und ohne Wandlungs- verluste auslesen. Ein weiterer Einsatzbereich des Drucksensors ist der Tank. Hier übernimmt er die Füllstandüberwachung. Seine Frontbündigkeit verhindert, dass sich Toträume ergeben, in denen das Wasser nicht ausreichend zirkuliert und sich dann ungewollt wieder anreichern kann. Zudem gibt der Sensor die Mediumtemperatur als weiteren Prozesswert aus.

Durchflussmessung bei Reinstwasser

Der Leitfähigkeitssensor LDL101 von ifm überwacht mittels Leitwertmessung die Reinheit des Wassers und signalisiert rechtzeitig einen erforderlichen Tausch der Ionentauscherpatronen.

© ifm

Eine für Anwender relevante Messgröße ist die Menge des am Ende der Aufbereitung zur Verfügung stehenden Reinwassers. Denn bei der Umkehrosmose bildet sich aus dem zugeführten Stadtwasser zum einen das auch Permeat genannte Reinwasser und zum anderen das mit Partikeln besetzte Konzentrat. Aus dem Vergleich beider Mengen kann der Anlagenbetreiber erkennen, ob Filter wartungsbedürftig sind oder ob das zugeführte Stadtwasser von vornherein zu stark mit Fremdstoffen belastet ist. Zur Ermittlung eines exakten Ergebnisses ist eine Durchflussmessung an verschiedenen Stellen der Anlage erforderlich.

Zu diesem Zweck bietet ifm den für Reinstwasser-Applikationen entwickelten Ultraschall-Durchflusssensor vom Typ ‚SU‘ an, der Durchflussmengen von bis zu 1.000 l/min erfasst. Dank der Ultraschalltechnologie gilt das auch für Reinstwasser mit geringer Leitfähigkeit, wie es in den Anlagen von EnviroFalk hergestellt wird. In Kombination mit den Leitfähigkeitssensoren lässt sich dort eine zuverlässige Qualitäts- und Mengenkontrolle im Filtrationsprozess etablieren. Das Messrohr des Durchflusssensors ist aus höherwertigem Edelstahl gefertigt und frei von Messelementen, Dichtungen und beweglichen Teilen. Damit sind Fehler, verursacht durch Ablagerungen, Beschädigungen, Undichtigkeiten oder Blockaden, die bei mechanischen Systemen wie beispielsweise Flügelrädern oder Turbinen auftreten können, von vornherein ebenso ausgeschlossen wie der bei anderen Messverfahren bauartbedingte Druckabfall. Auch bedarf es dank des reinen Edelstahlrohrs keinerlei Materialverträglichkeitsprüfungen der Elektroden oder Dichtungen, und eine einfache Reinigung ist jederzeit lücken- und rückstandslos möglich. Die LED, die die Signalstärke symbolisieren kann, dient als zusätzlicher optischer Indikator für einen stabilen Prozess. Sinkt die Signalstärke, kann dies ein Hinweis auf Partikel, Luftblasen oder Ablagerungen an der Innenwand des Rohres sein.

Berührungslose Radarmessung am Tank

Zur berührungslosen Füllstandüberwachung in Tanks eignet sich der IO-Link-fähige Radar-Füllstandsensor ‚LW2120‘. Er kann Füllstände bis zu 10 m Höhe ohne Blindbereiche mit einer millimetergenauen Auflösung erfassen. Die verwendete 80-GHz-Frequenz sorgt für stabile und präzise Messergebnisse. Mit der als Zubehör erhältlichen Antennenverlängerung darf der Sensor auch außerhalb von geschlossenen Metalltanks verwendet werden, also zum Beispiel an offenen Wannen oder Kunststoffbehältern.

In gewissen Applikationen setzt EnviroFalk auch den Radarsensor anstelle der hydrostatischen Füllstandmessung ein. Zum Beispiel ist dies im Ultrarein-Bereich auch vom Endkunden gewünscht, da hier jede Verschraubung und jede Messstelle eine Gefahrenquelle für Verkeimungen darstellt. Bei der Füllstandmessung per Radarsensor ist der Sensor außerhalb des Tankdeckels montiert und kommt nicht mit dem Medium in Berührung. Via IO-Link lässt er sich aus der Ferne parametrieren und auslesen. Ein intelligenter Algorithmus im Gerät vereinfacht die Parametrierung via IO-Link, so dass lediglich die Referenzhöhe einmalig eingestellt werden muss.

Mehrwert mit IO-Link

IO-Link ermöglicht EnviroFalk über HMI und Steuerung Transparenz bis in jeden Sensor. Bei ungewöhnlichem Verhalten kann anhand der Diagnosedaten jedes Sensors das Problem schnell lokalisiert und behoben werden. Auch die Einbindung der Sensordaten in die Steuerung ist einfach: Über die zyklische Datenabfrage werden die Messwerte direkt als Zahlenwert geliefert. Abfragen und digitalisieren lassen sich auch Daten wie Seriennummern oder Kalibrierdaten. Des Weiteren lassen sich mit IO-Link mehrere Messwerte eines Sensors übertragen. Beispiele hierfür sind der Leitfähigkeitssensor sowie die Drucksensoren an den Tanks und der Pumpe: Dort wird zum einen der Druck gemessen, um den Füllstand im Tank zu ermitteln, und gleichzeitig wird der vom Sensor mitgelieferte Temperaturwert ausgelesen, um zu erfahren, welche Medientemperatur im Tank vorherrscht. Damit werden zusätzliche Temperatursensoren und damit einhergehende Verschraubungen im Tank überflüssig. Auch der Durchflusssensor liefert mehrere Messwerte über eine Datenleitung: Neben dem Durchfluss und dem Sensorstatus stehen per IO-Link auch der Gesamtdurchfluss und die Temperatur zur Verfügung.

Der Autor: Andreas Biniasch ist Redakteur bei ifm electronic in Essen.

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Durch die Datastorage-Funktion ermöglicht IO-Link zudem, dass EnviroFalk wie auch der Endkunde direkt merken, wenn ein falscher Sensor verwendet wurde oder Fehler in der Verdrahtung bestehen. Durch diese Funktion und aufgrund der Verkabelung von vorkonfektionierten M12-Anschlussleitungen sowohl am Master als auch am Gerät ist nicht zwangsläufig eine Elektrofachkraft nötig, um etwa einen Sensor auszutauschen.