Industrie 4.0 für Pumpen

Ohne hochintegrierte und rechnergestützte Produktion ist ein chemischer Produktionsstandort heute nicht mehr denkbar. Die großvolumige Basischemie ist dabei ebenso auf diese Elemente angewiesen wie die auf geringere Produktionsmengen und kundennähere Entwicklung ausgerichtete Fein- und Spezialchemie, so die Dechema in einem aktuellen Positionspapier zum Thema Digitalisierung in der Chemieindustrie.

Explizit geht das Positionspapier auf die Bedeutung von Pumpen als kommunizierende Einzelobjekte mit eigenständiger Sensorik ein: So stehe der aktuelle Betriebszustand der Pumpe und der prognostizierte Zeitpunkt und Umfang der nächsten Wartung abrufbar bereit. Bei drohendem Ausfall warne das intelligente Equipment den Betreiber vorab, sodass ein durchgehender, störungsfreier Betrieb gewährleistet werden könne.

Die Verfügbarkeit einer Pumpe ist in der Tat eine zentrale Forderung aller Betreiber. Doch bieten moderne Systeme wie die iSolutions von Grundfos mehr als das – nämlich die Möglichkeit, bestimmte Verfahrensabläufe über Pumpen zu kontrollieren. Dazu muss zum einen verlässliches Datenmaterial (Durchfluss, Druck, Differenzdruck, Temperatur) und zum anderen eine möglichst intelligente Verknüpfung und Interpretation dieser Daten gewährleistet sein. Konkret bedeutet das: Sensoren liefern Daten, Mikrochips mit hinterlegter Software interpretieren sie, Stellglieder setzen deren Befehle um – auf diese Weise bieten iSolutions dem Anwender die gewünschte Funktionalität. Um auch hier technische Benchmarks anbieten zu können, unterhält Grundfos finanziell und personell gut ausgestattete eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilungen, die sich mit Motoren, Frequenzumformern, Sensoren, Mikrochips und deren Programmierung beschäftigen.

Bei der Direct Sensors genannten Entwicklung handelt es sich um einen mikromechanischen Halbleitersensor (MEMS, Mikro-Elektro-Mechanisches System), der in einer eigenen Waferfabrik der Reinheitsklasse 10 produziert wird.

Die 2-in-1-Sensoren erfassen den Durchfluss, den Druck oder den Differenzdruck und generieren zugleich ein Temperatursignal. Interessant ist: Durch die zeitgleiche Messung der Temperatur kann deren Einfluss auf die Druckmessung unmittelbar korrigiert werden. Mithilfe eines Mikroprozessors werden die Messsignale kalibriert und weiterverarbeitet; sie stehen dann als analoges oder auch digitales Signal für eine Regelung oder eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) bereit.

Für den industriellen Einsatz steht die Baureihe IDS (Industrial Direct Sensors) bereit. Diese Sensoren (Durchflusssensoren VFI, Drucksensoren RPI / RPI+T und Differenzdrucksensoren DPI / DPI+T) zeichnen sich insbesondere durch diese Eigenschaften aus:

robuster Aufbau in Edelstahl für den industriellen Einsatz

erweiterte Spezifikation hinsichtlich Temperatureinsatzbereich, Druckbeständigkeit und Schutzart

Industriesignale 4-20 mA bzw. 0-10 V und Standardspannungsversorgung 13-30 V(DC)

erweiterte Messbereiche für Durchfluss, Druck und Differenzdruck

Die besondere Innovation ist das direkte Messen auf einem Silicium-Chip. Im Gegensatz zu konventionellen Sensoren, die entweder aufwendig gekapselt oder ungeschützt dem Medium ausgesetzt sind, sorgt eine porenfreie Oberflächenbeschichtung aus amorphem Metallglas für einen dauerhaften Schutz des Sensor-Chips (Silicoat-Technologie).

Diese neuartige Technologie ermöglicht durch den Verzicht auf die Kapselung ein sehr kompaktes Design, was zugleich ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis ermöglicht. Der quasi unmittelbare Kontakt zum Medium gewährleistet zudem eine schnelle Ansprechzeit, eine akkurate Messung mit großer Bandbreite sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Mit dieser Messzelle ist es möglich, eine direkte Messung auch bei aggressiven Medien zu realisieren. Denn die Beschichtung ist besonders korrosionsbeständig, schützt zwischen pH-Werten von 2 bis 11 und bei Temperaturen bis 120 °C.

Es gibt unterschiedliche Wege, um die Daten vom Feldgerät (hier die Pumpe) zur zentralen Leitstation zu lenken. Die klassische Praxis, jedes Feldgerät einzeln mit einem zentralen Prozesscontroller zu verkabeln, funktioniert zwar, ist aber nicht sehr effizient. Dagegen macht die Verwendung einer Busstruktur eine Punkt-zu-Punkt-Verkabelung unnötig.

Um seine Pumpen in ein Feldbussystem integrieren zu können, nutzt dieser Anbieter seit Jahren bereits pumpenspezifische Feldbuskarten. Diese sind in zwei Ausführungen verfügbar: Als CIM (Communication Interface Module) – diese Steckkarten werden direkt im Antrieb der Pumpe eingesteckt – und als CIU (Communication Interface Unit) in einer externen Box mit integriertem 24-240 V (AC/DC)-Netzteil. Speziell für seine Smart-Digital-Dosierpumpen hat das Unternehmen eine zwischen Pumpe und Fußplatte klickbare E-Box entwickelt.

Existierende Feldbusse der ersten Generation werden mittlerweile häufig durch ein echtzeitfähiges Industrial Ethernet ersetzt oder ergänzt. Neben den klassischen Feldbusprotokollen (für die Gebäudeautomation oder für industrielle Prozesse) ist deshalb das CIM/CIU 500 verfügbar, das Industrial-Ethernet-Busprotokolle unterstützt. Um die Variantenvielfalt zu reduzieren, unterstützt eine einzige CIM-500-Feldbuskarte durch Drehen eines Schalters unterschiedliche Ethernet-Busprotokolle wie Profinet IO, Modbus TCP und BacNet IP.

Auch die Anbindung an das Scada-System eines führenden Anbieters ist möglich: Scada steht für Supervisory Control and Data Acquisition, also Systeme zur Überwachung, Visualisierung und Steuerung der gesamten Automatisierung einer Anlage. Mit einem Scada-System verbessern Betreiber die Transparenz und Produktivität im Unternehmen.

Mit iSolutions als kreative Zusammenführung aller Komponenten eines Pumpensystems – von der Hydraulik über Antriebstechnik, Steuerungs- und Sicherungsmodulen sowie Mess- und Datenübertragungseinheiten zu einer Gesamtlösung – und zusammen mit in Mikroprozessoren des Antriebs hinterlegten spezifischen Algorithmen definiert Grundfos eine neue Entwicklungsstufe der Pumpentechnik.

iSolutions umfassen auch Dienstleistungen. Beim Pump Audit geht es als grundsätzliche Philosophie nicht allein darum, betagte Aggregate durch Hocheffizienzpumpen zu ersetzen. Interessant ist ein Pump Audit auch hinsichtlich der Anlagenoptimierung: Eine veränderte Verschaltung und Steuerung von Pumpen kann – bei gleicher Leistungserfüllung – den Energiebedarf deutlich senken, in manchen Fällen reduziert sich sogar die Zahl der benötigten Pumpen.

Novo Nordisk ist ein international tätiges und forschendes Unternehmen der Gesundheitsbranche mit Hauptsitz in Dänemark; das Unternehmen beschäftigt rund 39 000 Mitarbeiter in 75 Ländern.

Das Kühlsystem in einem dänischen Produktionswerk von Novo Nordisk war ursprünglich mit neun Pumpen ausgestattet, die bei voller Leistung rund um die Uhr arbeiteten. Die Wasserversorgung konnte nur auf eine einzige Art geregelt werden: durch manuelles Ein-/Ausschalten. Ergebnis war ein unverhältnismäßig großer Energieaufwand. Das Unternehmen ließ daher eine Energieuntersuchung durchführen. Die Berater empfahlen die Installation eines energieeffizienten Doppelpumpensystems an der Kühlwasseranlage. Außerdem mussten sie jedoch auch die Ausfallsicherheit berücksichtigen – die Energieeinsparungen eines ganzen Jahres sind nichts im Vergleich zu einem Stillstand von auch nur einem einzigen Tag! Heute sorgen sechs große Normpumpen der Baureihe NK im Erdgeschoß des Unternehmens für die Kühlwasserversorgung der Produktion. Die sechs Pumpen können gemeinsam 3 200 m³/h Kühlwasser bereitstellen. Sie werden mit der Steuereinheit Control 2000 überwacht. Bezüglich der Ausfallsicherheit konnten die Berater zusichern: Das heutige System ist wesentlich zuverlässiger. Falls irgendetwas mit einer Pumpe sein sollte, sorgt die Steuereinheit dafür, dass eine andere gestartet wird. Zuvor lag der Energieverbrauch bei 2 365 000 kWh/Jahr. Nach der Umstellung gingen die Energieberater von Einsparungen in Höhe von 40 % bzw. 920 000 kWh/Jahr aus. Das gesamte Projekt weist eine Amortisationszeit von circa drei Jahren auf.

Nicht zuletzt umfassen iSolutions auch kreative Kommunikationslösungen: Mit der App Grundfos Go für das Smartphone oder Tablet kann sich der Betreiber direkt mit der Pumpe via Bluetooth oder IR verbinden, um relevante Werte und Funktionen abzurufen bzw. einzustellen. Dieses Feature vereinfacht auch Dokumentationsaufgaben: Mit einem integrierten pdf-Generator erstellt Grundfos Go automatisch Protokolle mit allen relevanten Einstelldaten. Ist das Inbetriebnahmeprotokoll erstellt, transferiert die App das Protokoll automatisch in die Grundfos-Cloud – somit haben alle Beteiligten jederzeit Zugriff auf diese Daten (es können selbstverständlich unterschiedliche Zugriffsrechte vergeben werden). Nicht zuletzt ist damit ein Sicherheits-Backup verfügbar.

Unter dem Dach der ‚Industrie 4.0‘ wachsen Elektrotechnik, IT sowie der Maschinen- und Anlagenbau zusammen. Grundfos ist mit seinem iSolutions-Konzept Teil der Lösung. Auf Basis der Sammlung und Verarbeitung großer Datenmengen (Big Data) entstehen schon heute neuartige Geschäftsmodelle – mit Blick auf Pumpen sind das weitergehende Dienstleistungsangebote hinsichtlich Wartung und Instandhaltung bis hin zu Contracting-Modellen.

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Vertriebsdirektor Industrie,Grundfos