Druckluft und Schutzgas an der Maschine überwachen: Verbrauch, Leckage und Wartungseinheit im Maschinen- und Anlagenbau

Druckluft bewegt in fast jeder Maschine Zylinder, Greifer und Ventile, an Schweißrobotern fließt zusätzlich Schutzgas. Wie viel davon eine Maschine tatsächlich braucht, weiß ihr Hersteller oft nicht genau. Zur Frage wird es, sobald ein Endkunde Energiedaten je Maschine verlangt oder ein Maschinenbauer den Luftverbrauch als Kennwert seiner Anlage angeben will. Dieser Beitrag richtet sich an Konstrukteure und Elektroplaner im Maschinen- und Anlagenbau sowie an Energie- und Instandhaltungsingenieure, die Messstellen für eine Maschine festlegen. Er klärt zwei Dinge: an welcher Stelle der Maschine gemessen wird und wie der Wert in die Steuerung oder ein Energiesystem gelangt. Grundlage sind dokumentierte Anwendungen aus dem Maschinen- und Anlagenbau. Die Lebensmittelfassung des Themas und das Vakuum an Saugern von Verpackungsmaschinen haben eigene Beiträge.

Wichtige Punkte im Überblick

An der Wartungseinheit, wo die Druckluft in die Maschine eintritt, erfasst die Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F den Verbrauch der ganzen Maschine mit Durchflussrate, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Steht die Anlage still, schließt ein eingebautes Absperrventil die Zufuhr, und über Leckagen geht in dieser Zeit keine Luft verloren.
Mit Energiezähler und Stromwandlern erfasst die Einheit neben der Druckluft auch die elektrische Energie, sodass sich der Verbrauch je Maschine oder je Anlagenteil getrennt zeigen lässt.
Für den Zylinder beschreibt die Anleitung des Kombinierten Druck- und Durchflusssensors der Modellreihe FD-EP ein Leckage-Monitoring, das den Durchfluss bei stehendem Zylinder beobachtet und so Leckage durch Dichtungsverschleiß zeigt.
Beim Schutzgas zählen Gaskosten und Service: Ein Hersteller von Schweißanlagen hat den Argondurchfluss an Schweißrobotern mit positivem Ergebnis getestet, und für einen Leckalarm soll der Sensor auch den Druck anzeigen.

An der Wartungseinheit messen: Durchfluss, Druck, Feuchte und Absperrventil in einem Gerät

An der Wartungseinheit tritt die Druckluft in die Maschine ein. Eine Messung an diesem Punkt erfasst den Verbrauch der ganzen Maschine, ohne dass jeder Verbraucher einen eigenen Sensor bekommt. Für diese Stelle ist die Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F ausgelegt. Sie erfasst Durchflussrate, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit und speichert die Werte, sodass sie sich zur Überwachung der Anlage nutzen lassen. Steht die Anlage still, schließt ein eingebautes Absperrventil die Zufuhr, und über Leckagen geht in dieser Zeit keine Luft verloren.

Zwei Bauformen sind dokumentiert. Das Kombinationsmodell vereint die Sensoren, das Absperrventil und einen Filterregler, das Kompaktmodell bringt Sensoren und Absperrventil mit. In den dokumentierten Anwendungen soll die Einheit meist eine vorhandene Aufbereitung ergänzen. In der Schleiftechnik geht es um die Wartungseinheiten von drei Prototyp-Schleifanlagen. Gefragt sind dort zwei Funktionen: dass das Ventil schließt und dass die Feuchte gemessen wird.

Zur Planung gehört die Luftqualität vor der Messstelle. Erfassen lassen sich saubere Gase ohne Staub, Ölnebel oder Wassertropfen, und die Genauigkeit hängt von der Reinheitsklasse der Druckluft ab. Als Bezug für diese Klasse nennt die Anleitung ISO 8573-1, eine Zertifizierung ist damit nicht verbunden. Feuchte- und Taupunktmessung sind dort mit ihren Einflussgrößen beschrieben.

Verbrauch je Maschine und je Anlagenteil: Druckluft und Strom zusammen erfassen

Die Forderung nach Verbrauchsdaten kann vom Endkunden kommen. Ein Betreiber schreibt dem Maschinenbauer einer neuen Linie vor, je Anlagenteil eine Energie-Management-Einheit samt Stromwandlern einzuplanen, damit der Verbrauch jedes Abschnitts getrennt sichtbar wird. Vorgesehen sind mindestens fünf Messstellen an den Abschnitten und zwei weitere. Mit einem Energiezähler und den Stromwandlern erfasst die Modellreihe neben der Druckluft auch die elektrische Energie.

Bei einem Hersteller von Kühl- und Verdampferanlagen soll jede einzelne Maschine eine eigene Einheit tragen. Ein Hersteller von Schaltern, dessen Maschinen von externen Maschinenbauern stammen, will an einer zugekauften Maschine aus einem anderen Markt Leckage und Energieverbrauch überwachen. Dafür kommen die Energie-Management-Einheit mit Stromerfassung und ein Kombinierter Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP in Frage.

Für die Steuerung zählt, wie der Wert die Einheit verlässt. Für die Einheit gibt es ein Ethernet-Modul. Eine neue Abteilung für internen Maschinenbau will Energie-Management-Einheiten an vorhandene Wartungseinheiten zweier Baugrößen setzen und die Werte über PROFINET in die Anlagensteuerung übernehmen, um die Anlage intelligenter zu machen. Laut Anleitung unterstützt das Ethernet-Modul EtherNet/IP, PROFINET, Modbus/TCP und SLMP.

Kompressor und Ringleitung: wo die Bilanz der Halle beginnt

Nicht jede Druckluftfrage beginnt an einer Maschine. In einem Betrieb mit drei Kompressoren und einer Ringleitung mit 8 bar wurde Leckage bisher nicht systematisch erfasst. Für Messungen an der Ringleitung kommt der Anklemmbare Durchflusssensor für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G in Frage. An der Ringleitung entsteht die Summe für die Halle. Welcher Abzweig und welche Maschine davon wie viel abnimmt, bleibt offen, bis auch dort eine Messstelle sitzt.

Geklemmt wird von außen, ein Eingriff in die Leitung ist nicht nötig. Vorgesehen ist er für Stahl- und Edelstahlrohr, Kupferrohr gehört nicht dazu. Gas, das Wassertröpfchen, Öldämpfe oder Staub enthält, kann laut Anleitung die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen, und als geeichtes Messgerät darf der Sensor nicht verwendet werden.

In der Instandhaltung eines Endkunden sollen Prozesssensoren künftig zur Wartung und Kontrolle dienen, für Flüssigkeit mit einem Anklemmbaren Durchflusssensor der Modellreihe FD-H und für Druckluft mit der Modellreihe FD-G.

Greifer und Zylinder: Leckage und Kraft mit Druck und Durchfluss an einem Punkt

Am einzelnen Verbraucher braucht die Maschine Druck und Durchfluss an derselben Stelle. Der Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP misst beides an einem Punkt. Sein Druckbereich liegt laut Datenblatt zwischen -100 kPa und 0,75 MPa. Für typische pneumatische Aufgaben sind Applikationsfunktionen hinterlegt: Abblasen, Ansaugen, Zylinder und Aufsitzkontrolle.

Für den Zylinder beschreibt die Anleitung einen Einbau auf der Stangenseite zwischen dem Geschwindigkeitsregelventil und dem Zylinder. Im Modus Leckage-Monitoring wird der Durchfluss beobachtet, während der Zylinder steht. Fließt dann Luft, zeigt sich darin die Leckage durch Dichtungsverschleiß. Kraft-Monitoring und die Zylindergeschwindigkeit sind weitere Modi derselben Anwendung.

Am Robotergreifer geht es um Luft, die verloren geht. Die schon genannte Abteilung für internen Maschinenbau will am Greifarm eines Roboters den Druckluftverlust überwachen, um zu prüfen, ob die Teile korrekt angesaugt wurden. Dafür kommen zwei Baugrößen des Druck- und Durchflusssensors in Frage. Gemessen wird dabei die Luft am Greifer, nicht das Teil selbst.

Eine weitere Anwendung liegt in der Montage. In einer Maschine werden zwei Kunststoffteile direkt im Werkzeug zu einem Verschluss gefügt, ein Druckregler hält dabei den Druck. Ob der Druck stimmt, wird bisher nicht überwacht. Fällt er zu niedrig aus, ist der Verschluss nicht dicht; ist er zu hoch, wird die Dichtung beschädigt. Dafür kommt der Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP an zwei Stellen der Linie in Frage.

Argon und Stickstoff: Gasverbrauch und Leckalarm je Roboter und Maschine

Beim Schutzgas sind die Gründe für eine Messung schnell genannt. Ein Hersteller von Schweißanlagen will den Argondurchfluss an seinen Schweißrobotern kennen. Argon ist teuer, und er möchte seinen Kunden sagen können, wie viel Gas ein Roboter braucht. Der zweite Grund ist der Service: Ob genug Gas fließt oder irgendwo Leckage auftritt, beeinflusst das Schweißergebnis, und eine Durchflussanzeige zeigt dem Servicetechniker, wo er suchen muss. Getestet wurde an drei Robotern, jeder mit eigener Messstelle, mit positivem Ergebnis. Für diese Aufgabe kommt der Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP in Frage, weil neben dem Durchfluss auch der Druck angezeigt werden soll, um einen Leckalarm zu erhalten.

Am Sensor lassen sich als Gasart Luft, Stickstoff oder Argon einstellen, andere Gase über eine manuelle Eingabe. An einer neuen Maschine eines Maschinenbauers kommt für die Messung von Stickstoff ebenfalls ein Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP in Frage.

Kleine Gasleitungen deckt der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC ab. Laut Anleitung ist er für Luft, Stickstoff, Argon und weitere Gase bei Gastemperaturen von -10 bis +60 °C ausgelegt; ob ein bestimmtes Gas passt, ist vorab im Datenblatt zu klären. Ein Hersteller von Beleuchtungsglas, der mit mehreren Gasen arbeitet, will einen solchen Sensor am Blasrohr einer automatischen Glasblasmaschine, die ein Maschinenbauer gerade konstruiert.

Probelauf vor der Auslieferung und Messung beim Kunden: Luftverbrauch als Kennwert der Maschine

Für den Maschinenbauer ist der Luftverbrauch auch ein Kennwert seines Produkts. Ein OEM will die Luft seiner Maschinen in der Probezeit vor der Auslieferung messen, mit einer Energie-Management-Einheit an einer 1-Zoll-Leitung. Eine OEM-Abteilung, die eine Prüfmaschine für Rotoren für den eigenen Gebrauch baut, hat die Vorgabe erhalten, Energie- und Luftverbrauch dieser Maschine zu überwachen.

Ein Wert aus dem Probelauf gewinnt an Bedeutung, wenn er sich später beim Kunden wiederholen lässt. Misst dieselbe Einheit im laufenden Betrieb weiter, zeigt der Vergleich, ob die Maschine mehr Luft braucht als vor der Auslieferung. In einem Werk, in dem Druckluftpumpen Reifen aufpumpen, soll genau so ein Blick auf Durchfluss und Druck entstehen, mit einer Energie-Management-Einheit an der Versorgung.

Häufige Fragen

F Warum hat die Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F ein Absperrventil?

Das eingebaute Absperrventil schließt die Druckluftzufuhr, wenn die Anlage stillsteht. In dieser Zeit geht über Leckagen in der Maschine keine Luft verloren. In einer dokumentierten Anwendung nennt ein Anwender das Schließen des Ventils und die Feuchtemessung als Nutzen.

F Lassen sich Druckluft und Strom einer Maschine gemeinsam erfassen?

Ja. Die Energie-Management-Einheit misst Durchflussrate, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit und erfasst mit Energiezähler und Stromwandlern auch die elektrische Energie. So lässt sich der Verbrauch je Maschine oder je Anlagenteil mit einer Modellreihe überwachen, eine Abrechnung ist damit nicht vorgesehen.

F Auf welchen Rohren sitzt der Anklemmbare Durchflusssensor für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G?

Er wird außen auf Stahl- oder Edelstahlrohr geklemmt, ohne die Leitung zu öffnen. Kupferrohr ist nicht vorgesehen; Wassertröpfchen, Öldämpfe oder Staub im Gas beeinträchtigen laut Anleitung unter Umständen die Messung. Als geeichtes Messgerät darf der Sensor nicht eingesetzt werden.

F Lässt sich Argon an einem Schweißroboter überwachen?

Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP kennt Luft, Stickstoff und Argon als einstellbare Gasarten. Ein Hersteller von Schweißanlagen hat den Argondurchfluss an drei Robotern mit positivem Ergebnis getestet; die zusätzliche Druckanzeige dient dort einem Leckalarm.

F Hängt die Genauigkeit der Druckluftmessung von der Luftqualität ab?

Bei der Energie-Management-Einheit ja: Ihre Genauigkeit hängt von der Reinheitsklasse der Druckluft ab, für die die Anleitung ISO 8573-1 als Bezug nennt. Erfasst werden saubere Gase ohne Staub, Ölnebel oder Wassertropfen. Die Aufbereitung vor der Messstelle gehört deshalb in die Planung.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Füllstand, Durchfluss und Druck: Prozessmedien in Tank, Leitung und Versorgung überwachen

Hauptartikel zum Thema: Füllstand, Durchfluss und Druck im Maschinen- und Anlagenbau: Prozesssensorik als Komponente der eigenen Maschine

Weiterer Artikel im Thema: Durchfluss in Kühl-, Hydraulik- und Wasserkreisen: anklemmbare Sensoren in der eigenen Maschine und Anlage

Weiterer Artikel im Thema: Tanks, Chemikalien und Dosierstationen in Maschinen überwachen: Füllstand und Zufuhr für Maschinen- und Anlagenbauer

Weiterer Artikel im Thema: Prozesssensoren im Lastenheft und in der Maschinenbaureihe: Auswahl, Anbindung und Messstellen je Maschine für Maschinen- und Anlagenbauer