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Herzschlag von Membranpumpen aufnehmen

Monitoringsysteme helfen die Lebenszykluskosten zu reduzieren
Herzschlag von Membranpumpen aufnehmen

Für eine ganzheitliche Betrachtung der Lebenszykluskosten von Pumpen müssen neben den reinen Investitionskosten besonders die Wartungs- und Reparaturkosten und die Kosten durch Produktionsausfälle berücksichtigt werden. Einen entscheidenden Beitrag für hohe Zuverlässigkeit und konstante Verfügbarkeit können Monitoringsysteme liefern. Sie helfen, sich abzeichnende Störungen frühzeitig zu erkennen und zustandsorientiert zu warten.

Nils Kohlhase

Für viele Investitionsgüter, zum Beispiel Kolbenverdichter, werden Systeme zur Zustandsüberwachung mit großem Erfolg eingesetzt. Das Monitoringsystem erlaubt durch die Erfassung und Interpretation geeigneter sensibler physikalischer Größen eine exakte Aussage über den aktuellen sowie den zukünftigen Betriebszustand einer Maschine oder Anlage. Bei Membranpumpen können je nach Anforderung an das System unterschiedliche Signale ausgewertet werden. Man unterscheidet zwischen Offline- und Online-Systemen. Online-Systeme sind stationär installierte Systeme mit einer permanenten Datenerfassung und Datenauswertung. Sie sind deutlich aufwendiger als mobile Offline-Systeme mit einer temporären Datenerfassung und manuellen Datenauswertung. Für Membranpumpen (Abb. 1) steht die Entwicklung für Online-Systeme noch am Anfang, während Offline-Systeme bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt werden. Es ist jedoch abzusehen, dass die Nachfrage nach Online-Monitoringsystemen insbesondere für anspruchsvolle Anwendungen zunehmen wird. Die Prozessmembranpumpe kann online überwacht und die Daten via Internet weltweit ausgewertet werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass technische Experten zu jeder Zeit und unabhängig von örtlichen Gegebenheiten fundierte Ratschläge zur Bewertung der Messergebnisse geben. Ob Online- oder Offline-Systeme geeigneter sind, muss im Einzelfall geklärt werden. Erfahrungen liegen mit beiden Systemen vor. Monitoring-Systeme für Membranpumpen mit automatischer Störungsfrüherkennung sind jedoch noch nicht bekannt.
Wirtschaftliche Vorteile
Primäres Ziel eines jeden Monitoringsystems ist die Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit bei reduzierten Betriebskosten. Die daraus resultierenden wirtschaftlichen Vorteile sind offensichtlich: Sich anbahnende Störungen können frühzeitig erkannt und Reparaturen geplant werden. Diese werden dann zielsicher durchgeführt, was die Stillstandszeiten verkürzt und die Produktionsausfallkosten reduziert. Und natürlich erhöhen solche Systeme die Verfügbarkeit der Anlage. Wie gut dieses in der Praxis gelingt, hängt von den technischen Randbedingungen des Einzelfalls ab, von dem Aufwand für ein geeignetes Mess- und ggf. Auswertesystem und letztendlich von dem Wissen und der Erfahrung des Lieferanten.
Indikatordiagramm
Grundlage des Monitoringsystems für Membranpumpen von Lewa ist ein Indikatordiagramm (p-V-Diagramm), das den Druck in der Membranpumpe über die Kolbenbewegung beschreibt. Dazu ist ein Druckaufnehmer und Triggersignal als Referenz für die Kolbenposition erforderlich. Die vollständige Kolbenkinematik wird dann von der Messsoftware berechnet. Der Druckaufnehmer ist im Hydraulikteil der Membranpumpe angebracht und kommt dadurch nicht in Kontakt mit dem Förderfluid. Alternativ zum Indikatordiagramm kann auch ein zeitlicher Druckschrieb genutzt werden, wenn sichergestellt ist, dass die Drehzahl der Pumpe konstant ist. Andernfalls ist die Auswertung der Messungen problematisch.
Abbildung 2a zeigt exemplarisch den zeitlichen Druckschrieb einer korrekt arbeitenden Membranpumpe. Für die spätere Auswertung weiterer Signale muss zu Beginn ein Referenzausdruck der Pumpe für den einwandfreien Betrieb unter Praxisbedingungen aufgenommen werden. In dem Diagramm sind deutlich Saug- und Druckhub, die Öffnungszeitpunkte von Saug- und Druckventil, die Kompressions- und Dekompressionsphase sowie die Öffnungsdauer des Leckergänzungsventils im Hydraulikteil der Pumpe (Schnüffelventil) zu erkennen.
Verschiedene Störfälle
In den Abbildungen 2b, c und d sind demgegenüber die Druckschriebe derselben Pumpe bei Störbetrieb dargestellt. So ist bei Leckagen im Hydraulikteil das Schnüffelventil länger geöffnet, zu erkennen an einer längeren Schnüffelphase. Ist das Saugventil defekt (Abb. 2c), beginnt die Kompression später und dauert länger während die Dekompression früher stattfindet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einem nicht korrekt schließenden Saugventil Fluid zurück in die Saugleitung gefördert wird, obwohl die Pumpe den geforderten Betriebsdruck erzeugt. Bei einem schadhaften Druckventil (Abb. 2d) erfolgt die Kompression hingegen schneller und die Dekompression ist langsamer. Der Grund hierfür ist der anstehende Druck in der Druckleitung, der die Kompression unterstützt bzw. länger den Druck bei der Dekompression aufrecht erhält. Dem Detektieren schadhafter Arbeitsventile mit Hilfe von Druckschrieben oder Indikatordiagrammen sind jedoch physikalische Grenzen gesetzt. Wenn der Förderdruck zu niedrig ist, dann ist eine Abweichung in den Kompressions- und Dekompressionsflanken nicht mehr signifikant. Hier kann im Einzelfall ein Schwingbeschleunigungsaufnehmer helfen. In Abbildung 3 sind für eine Prozesspumpe das Referenz-Beschleunigungssignal und das Signal mit schadhaften Arbeitsventilen gegenübergestellt. Des Weiteren lassen sich Störungen wie schadhafte Saugventile, falsch geladene Pulsationsdämpfer in Saug- oder Druckleitung, Ansprechen des Überstromventils oder Auftreten von Kavitation über das Monitoringsystem feststellen. Die Qualität eines Monitoringsystems zeigt sich im Zusammenspiel von Hard- und Software sowie im Know-how des Pumpenbauers. Gleichwohl muss beachtet werden, dass auch das beste Monitoringsystem vor Störungen nicht schützen kann. Die beste Versicherung ist daher immer noch eine hohe Qualität und Verfügbarkeit der Pumpe selbst.
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