Digitalisierung von Pumpen nimmt immer mehr zu

Pumpen sind langlebige Wirtschaftsgüter und werden meistens über viele Jahre, teilweise auch Jahrzehnte hinweg genutzt. Bei Neuinstallationen werden häufig schon digitale Erweiterungen mit genutzt. Die Pumpe kann dann Daten senden, die auf entstehende Fehler hinweisen oder die zur optimierten Regelung genutzt werden. Was soll aber mit dem großen Bestand an Pumpen im Feld geschehen? Um sinnvoll in Richtung Digitalisierung zu gehen, müssen auch diese Pumpen ein „Update“ bekommen, um sie möglichste viele Jahre weiter nutzen zu können.

Welche Anforderungen gibt es an digitale Pumpen?

Um bestehende Pumpen an die neue digitale Zeit anzupassen, sind einige Randbedingungen wichtig: zum einen sollten möglichst alle wichtigen Parameter der Pumpe erfasst werden können. Es genügt nicht, nur über den Motor Daten zu haben, zum Beispiel den Motorstrom. Auch die fluidischen Parameter wie Leckage oder Druck sind von großer Bedeutung für die Analyse einer Pumpe.

Neben den Parametern selber ist es auch wichtig, dass die Nachrüstung einfach erfolgen kann: es sollte ohne Eingriff in die Pumpe selber möglich sein, wichtige Daten zu messen und die Lösung sollte langzeitstabil sein. Wenn regelmäßig Batterien in Sensoren oder der Elektronik zu wechseln sind, ist es schwierig, auf Dauer mehrere Pumpen sicher zu überwachen.

Ein letzter wichtiger Aspekt ist, dass sich die IT-Schnittstellen in den nächsten Jahren und Jahrzehnten ändern können. Bluetooth oder NFC sind Technologien, die heute aktuell sind. In etlichen Jahren kann das aber auch anders sein. Digitalisierung sollte also auch zukunftssicher und flexibel gestaltet werden. Niemand will in fünf oder zehn Jahren erneut in den Pumpenbestand investieren müssen.

Pumpenschutz zum Nachrüsten

Die KRIWAN Industrie-Elektronik GmbH ist seit 50 Jahren im Bereich Maschinenschutz tätig. Schwerpunkt ist der Schutz von Verdichtern und Pumpen. Ein neues, voll digitalisiertes Schutzrelais für Wasser- und Abwasserpumpen ermöglicht es nicht nur neue Pumpen zu überwachen, es kann n auch leicht nachgerüstet werden. Das Schutzrelais wird im Schaltkasten oder Schaltschrank auf die Hutschiene montiert und zeichnet sich dadurch aus, dass es extrem flexibel an verschiedenste Situationen angepasst werden kann. Das beginnt bei den Eingängen: zur Verfügung stehen drei Eingänge für Temperatursensoren, die beispielsweise die Motortemperatur, Lagertemperaturen oder Fluidtemperaturen überwachen können. Über ein aufsteckbares Bluetooth- oder USB-Gateway können das INT69YF und die Pumpe mit einem Laptop oder einem Smartphone verbunden werden. Nun kann auch im Feld einfach parametriert werden, ob ein  Sensor ein PTC, ein PT100, PT1000 oder ein Bimetallschalter ist. Dadurch kann die Elektronik an verschiedenste Pumpen und darin verbaute Sensoren adaptiert werden. Abschalttemperaturen und auch das Verhalten im Fehlerfall lassen sich einstellen. Es ist auch möglich Warngrenzen festzulegen, die schon vor dem Fehlerfall auf eine kritische Situation hinweisen. Es werden also einfach die heute schon eingesetzten Sensoren sehr flexibel und schnell an eine zeitgemäße Elektronik mit modernen Digitalschnittstellen angeschlossen.

Neben der Temperaturmessung sind auch zwei Eingänge zur Leckageerkennung nach dem Prinzip der Leitfähigkeitsmessung vorhanden. Außerdem kann ein beliebiger Sensor mit 4-20 mA Ausgang angeschlossen werden. Hier kann beispielsweise ein Vibrations- oder Drucksensor zum Einsatz kommen. Auch diese Eingänge können in ihrem Verhalten und ihren Grenzwerten unkompliziert an die jeweils vor Ort vorhandene Pumpe eingestellt werden.

Schließlich kann auch noch das elektrische Netz mit den drei Phasen L1, L2 und L3 auf Unter- oder Überspannung, Phasenausfall oder Phasenasymmetrie hin überwacht werden.

Alle diese Daten werden im Gerät digitalisiert und über eine gemeinsame Schnittstelle nach außen gegeben. An diese Schnittstelle lassen sich Gateways für Modbus RTU, Bluetooth oder USB anstecken. Sollten sich in Zukunft andere Übertragungswege durchsetzen, können diese nachgerüstet werden, weil die Schnittstelle nicht fest im Gerät verbaut ist. Das Schutzrelais selber wird über Netzspannung versorgt und ist somit zuverlässig betriebsbereit, unabhängig von der begrenzten Lebensdauer einer Batterie. Das ist auch notwendig, weil das INT69YF die Pumpe nicht nur digitalisiert, also Daten misst. Die Pumpe kann vielmehr auch wirkungsvoll geschützt werden. Meistens sind in der Pumpe ja schon Sensoren für Temperatur, Leitfähigkeit oder Druck eingebaut. Sie werden heute meistens zum Pumpenschutz verwendet. Die vorhandenen Schutzrelais können aber nicht kommunizieren und sind nicht bereit für die Digitalisierung. Kriwan ist daher den Schritt gegangen und hat beide Aufgaben verbunden: ein Schutzrelais hat nun alle wichtigen Funktionen der Digitalisierung integriert und kann problemlos nachgerüstet werden.

 

Konkrete Schritte zur Nachrüstung

Wie kann nun eine solche Nachrüstung von Bestandspumpen umgesetzt werden? Im folgenden Abschnitt werden wichtige Punkte beschrieben, wie ein Digitalisierungsprojekt konkret umgesetzt werden kann.

Projektziele definieren

Die Digitalisierung von Maschinen kann aus unterschiedlichen Beweggründen angestoßen werden. Es ist auf jeden Fall wichtig, im Vorfeld zu klären, welche Ziele erreicht werden sollen. Teilweise ist in Unternehmen aber auch in den Medien immer wieder zu hören: „Wir fangen einfach mal an und sammeln möglichst viele Daten. Was wir genau damit machen, sehen wir später“. Das kann im Einzelfall gut gehen und erfolgreich sein. In vielen Fällen wird es aber zu Datengräbern auf Servern und Festplatten führen, die keinen wirklichen wirtschaftlichen oder gesellschaftlichen Nutzen stiften. Deswegen ist es wichtig, bei einem Digitalisierungsprojekt schon am Anfang einen Plan zu erstellen und Ziele festzulegen. Allerdings wird man jetzt und heute noch nicht alles für viele Jahre im Voraus definieren können, weil sich die Technologie und die Möglichkeiten schnell ändern. Der Plan und die Ziele sollten deswegen regelmäßig überprüft werden und an neue Entwicklungen angepasst werden. Ein solcher „lebender“ Plan ist dynamischer als es bei vielen traditionellen Projekten sonst nötig und sinnvoll ist.

Mögliche Ziele der Digitalisierung von Bestandspumpen

• Unterstützung bei der Wartung von Problemfällen
  In nahezu jeder Organisation gibt es einzelne Pumpen, die immer wieder Probleme verursachen. Unklare Ausfälle, kürzere Lebensdauer oder ungewöhnlich hoher Energieverbrauch können darauf hinweisen. Schwankungen im Stromnetz, außergewöhnlich häufige Störungen durch Festkörper oder Schmutz im Wasser oder eine nicht ideale Auslegung der Anlage können zu solchen langanhaltenden Problemen führen. Um die wirkliche Ursache zu finden und abzustellen sind Daten über die Pumpe und die Anlage extrem wertvoll und oft der einzige Weg zu einer Lösung des Problems.
   
• Reduzierung des Energieverbrauches
  Neben der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Pumpen spielen der Energieverbrauch und die damit zusammenhängenden Kosten eine immer größere Rolle. Neben den entstehenden Kosten hängt der Energieverbrauche auch unmittelbar mit der Umweltbelastung und der Klimabelastung durch die Installation zusammen. Genügend Gründe also, um Programme zur Reduzierung des Energieverbrauchs zu starten. Um so ein Projekt sinnvoll umzusetzen ist es wichtig, zunächst einmal Daten über den Ist-Zustand des Pumpenbestandes zu erhalten: wie lange laufen die Pumpen? Wie ist die Stromaufnahme? Welche Drücke und Temperaturen herrschen im realen Betrieb im Alltag? Da solche Daten ist vielen Fällen noch nicht erhoben wurden, ist es wichtig, durch Digitalisierung des Pumpenbestandes eine solide Grundlage für ein Projekt zu legen.
   
• Unterstützung der Wartung und Pflege der Pumpen
  Bestandsanlagen zu betreuen und durch gute Wartung möglichst lange nutzen zu können ist die Aufgabe vieler Servicetechniker. Fachkräftemangel, der demographische Wandel mit der Problematik, qualifizierten Nachwuchs zu finden und auch Kosteneinsparungen machen sich hier immer weiter bemerkbar. Während früher detailliertes Know-How über die einzelnen Pumpen noch über lange Zeiträume in relativ großen Teams aufgebaut und auch gehalten werden konnte, müssen heute immer weniger Servicetechniker immer mehr Maschinen betreuen. Hier kann die Digitalisierung helfen, die Mitarbeiter zu unterstützen. Daten am Smartphone, visualisierte Zeitverläufe von gemessenen Größen und Alarmierung per SMS oder Email helfen sehr, Fehler schneller zu finden. Wenn dann Informationen auch nicht erst bereit stehen, wenn Fehler schon aufgetreten sind, sondern schon als Trend oder Warnung auf gerade entstehende Fehler hinweisen, dann kann der Servicetechniker in vielen Fällen sogar einen teuren Schaden verhindern.

Konkrete Durchführung eines Digitalisierungsprojekts

Um ein Digitalisierungsprojekt zum Erfolg zu führen, sind einige Punkte zu beachten:

• Ein Start mit einem kleinen Pilotprojekt kann vor dem finalen Roll-out der neuen Hard-und Software Erfahrung liefern und die Durchführung des eigentlichen Projekts stark erleichtern. Jede neue Technologie muss erlernt werden. Es ist sinnvoll, diese Lernkurve mit einer oder zwei Pumpen zu erarbeiten und nicht gleichzeitig an sehr vielen Baustellen zu arbeiten.
   

• Cyber-Security sollte unbedingt von Anfang an mit betrachtet werden. Wenn Maschinen vernetzt werden, muss das auf sichere Art und Weise geschehen. Hackerangriffe und Schadsoftware sind eine reale Bedrohung und Vorbeugung gegen solche Gefahren ist ein wichtiger Aspekt des Gesamtprojekts. Weitere konkrete Informationen zu diesem Thema finden sich zum Beispiel auch in [1] und [2]. Wichtige Schritte sind hier:
  - Verbindungen über Bluetooth, WLAN oder LAN verschlüsseln und alle nicht genutzten Verbindungen deaktivieren
  - „klassische“ Schutzmaßnahmen wie Türschlösser oder Zäune ins Sicherheitskonzept einbinden
  - nicht nur Technologie, sondern auch aktuelle Unternehmensprozesse und Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beachten
  - Bei allen genutzten PCs, Laptops, Smartphones etc. alle verfügbaren Updates installieren
  - durch eine Risikoanalyse mögliche Gefahren identifizieren und Abstellmaßnahmen durchführen
   

• Ein Digitalisierungsprojekt lebt davon, dass es immer wieder neu betrachtet wird. Technologie entwickelt sich weiter und neue Anforderungen entstehen. Es ist daher wichtig, immer wieder zu überprüfen, welche Schritte in der Digitalisierung als nächstes sinnvoll sind. Ein kontinuierliches „Dranbleiben“ ist in der Digitalisierung viel erfolgreicher als ein einmaliger „Kraftakt“, der das Thema auf Jahre hinweg erledigen soll.

Literatur

[1]: Ellwein, C.: Sicherheit neu denken – Cyber-Security für Verdichter, Pumpen und Ventilatoren; Kälte+Klimatechnik; 11/2017; S. 36 – 39

[2]: Neidhöfer, M.: Schutzschild für die Komponente – Cyber-Angriffe auf Pumpen und Verdichter abwehren; cav; 01-2018; S. 38 - 40