Auf dem Bild ist ein Instandhalter zu sehen, der eine Druckluftanlage wartet.

Bei der Wartung einer Druckluftanlage müssen Instandhalter neben den Druckluft-Kompressoren auch einige andere wichtige Parameter des pneumatischen Systems fachgerecht prüfen. - Bild: adobe.stock.com/Jens Rother

| von Felix Lauther

Noch immer gilt für viele deutsche Maschinen- und Anlagenbauer: lieber in bestehende als in neue Anlagen investieren. Ein Segen für die Instandhaltung. 

Bei Fahrzeugen im privaten und gewerblichen Bereich gibt es klare Revisionszyklen. Bei Druckluftsystemen wird meist erst dann die Lupe herausgeholt, wenn die Anlage bereits zickt. Mit den folgenden sechs Tipps und Tricks minimieren Instandhalter den Wartungsaufwand und vermeiden unnötig lange Stillstandzeiten der Anlage.

Shortcuts:

- Tipp 1: Condition-Monitoring-System installieren
- Tipp 2: Druckluftsystem auf Leckagen prüfen
- Tipp 3: Künstliche Intelligenz einsetzen
- Tipp 4: Druckluft-Kompressoren optimal konfigurieren
- Tipp 5: Druckluftzylinder richtig einsetzen
- Tipp 6: Ölfreie Druckluft durch die richtige Filterwahl

 

Tipp 1: Condition-Monitoring-System installieren

Instandhalter überprüfen in der Regel alle Armaturen während eines geplanten Stillstandes. Es ist dabei völlig unerheblich, wie hoch der Beanspruchungsgrad und somit der Verschleiß der Armatur tatsächlich ist. Durch den eingeplanten Stillstand entstehen unnötige Kosten – der Maschinenstillstand verlängert sich. Eine kontinuierliche Zustandsüberwachung während des Betriebes hingegen gibt ein regelmäßiges Update zum Grad des Verschleißes. Digitale Condition-Monitoring-Systeme überwachen die reale Beanspruchung der Armatur im laufenden Druckluft-Betrieb der Maschine oder Anlage.

Mit dem Abruf dieser Daten erkennen Instandhalter schnell und ohne Aufwand, ob eine Revision überhaupt erforderlich ist. Es lassen sich verschiedene Komponenten der Druckluftanlage zielgerichtet ansteuern. Der Fokus kann zum Beispiel auf den stärker beanspruchten Armaturen, Schläuchen, Dichtungen oder Ventilen liegen.

Viele Druckluftexperten wie Schmalz, Schunk, Festo, SMC und andere liefern zu Ihrer Hardware bereits Software mit, die Sie auf nahezu auf alle gängigen Prozessleitsysteme aufsetzen können. Die Software sammelt dabei Daten, ohne in den Prozess einzugreifen. Mittels dieser Software-Unterstützung werden die relevanten Daten aller pneumatisch angetriebenen Regelarmaturen ausgewertet – dazu zählen zum Beispiel diese mit digitalen Stellungsreglern nach Hart- oder Foundation Fieldbus-Ansteuerung. Es empfiehlt sich auch, die Absperrklappen und Kugelhähne herstellerunabhängig zu automatisieren.

Gewonnen Daten ersetzen nie das nötige Werkzeug oder anderes mechanisches Zubehör. Egal wie viele Liter der Druckluft-Kompressor auch verarbeitet: Das beste Zubehör für einen geringen Wartungsaufwand der Drucklufterzeugung ist und bleibt der menschliche Faktor mit seiner Erfahrung sowie seinem optischen Sinn.

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Tipp 2: Druckluftsystem auf Leckagen prüfen

Erschreckende Zahlen für Instandhalter: Bei Druckluftsystemen in der Europäischen Union (Studie: „Compressed Air Systems in the European Union, 2001“) wird in 80 von 100 Betrieben bis zu 100 Prozent mehr Druckluft produziert als verbraucht. Der Wirkungsgrad der Technologie sowie ihre Kosten machen Druckluft zu einem kalkulierten Risiko – denn bei der Erzeugung von mechanischer Druckluftenergie aus Strom liegt der Wirkungsgrad gerade einmal bei fünf Prozent. Angesichts der Energieeffizienz gilt es den Einsatz der Pneumatik gut zu konzipieren.

Hierbei erhalten Leckagen im Druckluftsystem eine besonders wichtige Bedeutung. Bei der Suche nach den Ursachen für die wenig energieeffizienten Druckluftanlagen stoßen erfahrene Instandhalter schnell auf Leckagen: Löcher, Knicke oder undichte Verbindungsstücke lassen unnötig Energie verpuffen.

Mithilfe der Digitalisierung des gesamten Druckluft-Prozesses können Industrieunternehmen in Echtzeit die Ortung der Leckage als auch deren Beseitigung verfolgen. Sie bekommen einen Überblick über den aktuellen Stand der Leckagen, zum Beispiel deren Anzahl, die daraus resultierenden Energiekosten oder den CO2-Ausstoß. Weitere Daten wie das bereits erzielte Einsparpotenzial sowie den Fortschritt bei der Beseitigung der Leckagen werden ebenfalls ausgespielt. Auf dem Dashboard lassen sich dann die Werte nach deren ökonomischer Wertigkeit filtern. So hat der Instandhalter die Möglichkeit, ermittelte Leckagen sinnvoll zu priorisieren und demzufolge sukzessive zu eliminieren.

Viele Komponentenhersteller wie Mader, SMC, Schmalz, Schunk und andere bieten hierzu entsprechende Software an, um das bestehende Umwelt- und Energiemanagementsystem der Druckluftanlagen-Betreiber zu optimieren. „Mit einem Klick wird ein Bericht mit allen relevanten Daten erzeugt“, erklärt Stefanie Kästle, Leiterin Qualitäts-, Umwelt-, Energiemanagement bei Mader. „Eine Optimierung eines Druckluftnetzes mit vernetzenden Industrie 4.0-Komponenten nutzt wenig, wenn die physische Basis nicht auf die Anwendung hin richtig geplant wird“, erklärt Andreas Brand vom Fachverband Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik im VDMA. Aus diesem Grund habe die VDMA-Fachabteilung Drucklufttechnik das Einheitsblatt 15391-1 „Druckluftverteilung – Wirtschaftliche und sichere Planung – Teil 1: Planung und Neubau“ publiziert.

Die Anwendungshilfe unterstützt bei der Grob- und Detailplanung der verschiedenen Komponenten der Pneumatik vorgeschalteten Druckluftverteilung wie Rohre, Armaturen, Kupplungen et cetera. Es dient als Nachschlagehandbuch mit Checklisten. Besonders hervorzuheben sind die Hinweise zur Auswahl und Einbau von Druckluft-Messtechnik inklusive Wartungsarmaturen.

Einsparungen finden vor allem im Druckluftsystem und nicht in der alleinigen Optimierung des Kompressors statt. Wer Audits seiner Anlage vernachlässigt, wirft unnötiges Geld aus dem Fenster – bei dieser Feststellung sind sich alle Experten einig. Beachten Sie daher das VDMA-Einheitsblatt 4370 zu einer Initialauditierung und DIN EN ISO 11011 zu einer detaillierten Energieanalyse.

Sicherheit in der Drucklufttechnik

Tipp 3: Künstliche Intelligenz einsetzen

„Die Kosten für die energieintensive Druckluft ließen sich um bis zu 30 Prozent senken“, sagt Professor Sauer, Bereichsleiter Ressourceneffiziente Produktion am Fraunhofer IPA und Leiter des Instituts für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart. Eines der größten Einsparungspotenziale liegt für ihn daher in der Effizienzsteigerung der Pneumatiksysteme. Der Bösewicht zur negativen Energiebilanz ist schnell identifiziert: Leckagen. Löcher und Knicke in den Schläuchen oder undichte Verbindungsstücke sind ein oft beobachtetes Übel. Leckagen sind oft so klein und daher mit bloßem Auge nur sehr schwer oder nicht zu lokalisieren. Eine Möglichkeit, den Schwachstellen auf die Spur zu kommen sind Ultraschallmessgeräte. Mit ihnen lassen sich im hohen, für den Menschen nicht hörbaren Frequenzbereich Löcher identifizieren.

Zwei Forscher wollen den Lecks künftig mit Künstlicher Intelligenz (KI) auf die Schliche kommen. Christian Dierolf und sein Kollege Christian Schneider vom Fraunhofer IPA haben im ersten Schritt eine Demonstrationsanlage aufgebaut, in der die Druckluft wahlweise durch intakte Schläuche oder durch welche mit kaum sichtbaren Löchern, Knicken und undichten Verbindungsstücken strömt. Der Demonstrator misst, ob die Luft mit mehr oder weniger Druck durch die Schläuche strömt, ermittelt den Durchfluss, die Position der Aktoren, den Zustand der Ventile und erfasst Ultraschallsignale. Synchron werden alle Daten in einer Cloud gespeichert.

„Der Demonstrator schafft also die Basis für unsere datengetriebene Produktionsforschung, etwa durch das Trainieren selbstlernender Algorithmen“, wie beide erklären. Später sollen diese Algorithmen auf Industrieanwendungen übertragbar sein. Sie wollen mit dieser Technologie nicht nur Leckagen lokalisieren, sondern auch gleich die Bezeichnung und die Bestellnummer des betroffenen Bauteils über eine App ausspielen lassen. Instandhalter müssen somit nicht mehr lange im Katalog suchen. Stattdessen kann er mit wenigen Klicks Ersatz beschaffen und so die Ausfallzeiten kurzhalten. Das beste Werkzeug für die Instandhaltung bleibt aber der humane Erfahrungsschatz. 

Tipp 4: Druckluft-Kompressoren optimal konfigurieren

Bei der Instandhaltung von Druckluft-Kompressoren sind die Wartungskosten – über den Produktlebenszyklus gerechnet – ähnlich hoch wie die Anschaffungskosten. Aus diesem Grund wechselten viele Druckluft-Anwender in der Vergangenheit ihre Service-Strategie „Teilaustausch bei Bedarf“ zur „vorbeugenden Instandhaltung“. Verschleißteile wurde somit lieber getauscht, bevor sie ausfielen.

Je nach Schichtbetrieb und dem entsprechenden Druckluftbedarf kann es beispielsweise Sinn machen, anstatt einem großen Kompressor, mehrere kleinere Druckluft-Kompressoren zu installieren. Das System nennt sich Kaskadierung. Es macht dem Instandhalter die Arbeit leichter, weil dezentrale Komponenten einfacher zu warten und die gesamte Anlage deutlich an Energieeffizienz gewinnen kann. „Als Minimum haben wir dann nur noch eine Maschine in Betrieb. Das ist weitaus effizienter, als wenn ein großer Kompressor auf unterster Stufe arbeitet“, betont Blaß.

Denken Sie daher darüber nach, drehzahlgeregelte Druckluft-Kompressoren durch öleingespritzte Schraubenkompressoren zu ersetzen. Das Prinzip der Kaskadierung sollte immer an den Bedarf und die Anwendung angepasst werden. Altas Copco biete zum Beispiel eine Kompressortechnik mit energiesparenden IE5-Permanentmagnetmotoren an. Eine übergeordnete Steuerung vom Typ ES 16 des Kompressorherstellers koordiniert den Wirkungsgrad der Kompressoren. Auch das wochenweise Umschalten zwischen den beiden VSD-Maschinen erfolgt automatisch.

Was ist der Unterschied zwischen einem Kolbenkompressor und einem Schraubenkompressor?

Der Kolbenkompressor ist ein einfacher, kostengünstiger und widerstandsfähiger Druckluft Kompressor. Für den Instandhalter ist er einfach zu warten, weil die Komplexität des Gerätes überschaubar ist. Kolbenkompressoren sind jedoch nur für einen kurzweiligen Einsatz vorgesehen. Ihre Auslastung sollte circa 50-60 Prozent betragen Auslastung betrieben werden sollte. Achten Sie auf eine ordnungsgemäße Abkühlzeit. Kolbenkompressoren überhitzen schnell und fallen dann aus. Sie bringen zudem viel Öl in die Luft, was einen negativen Umwelteinfluss hat. 

Schraubenkompressoren finden in größeren Industrieprozessen ihre Anwendung. Ein integrierter Trockner sorgt für prozesssichere Druckluft. Schraubenkompressoren sind in ihrer Grundausführung, die normalerweise für einen kleineren kW-Bereich ausgelegt ist, bis hin zu Geräten mit variabler Drehzahlregelung (VSD, Frequenzregelung) erhältlich. Die Anschaffungskosten sind zwar höher, amortisieren sich aber durch ihre positive Energieeffizienz. Kompressoren mit einer variablen Drehzahlregelung können 35 bis 50 Prozent der Energiekosten einsparen. 

Tipp 5: Druckluftzylinder richtig einsetzen

Die Dynamik und Kräfte in der Pneumatik bergen für den Anwender Unfallrisiken. Die Maschinenrichtlinie ISO 13849 aus der EU-Gesetzgebung zielt auf diese Risikovermeidung. In der Antriebstechnik in Druckluftanlagen arbeiten die Hersteller permanent daran, die Sicherheit in die Komponenten zu integrieren. Dazu zählen zum Beispiel eine Kolbenstangenklemmung, Schnellentlüftungsventile oder Sensoren, die die Zylinderposition angeben. Mit diesen Sicherheitsvorkehrungen lässt sich die Kolbenstange eines Druckluftzylinders mechanisch verriegeln oder ganze Teile einer Anlage schnell entlüften. So fährt der Antrieb in eine sichere Position zurück.

Wollen Instandhalter Maschinenstillstände bei Druckluftsystemen vermeiden, sollten sie einfach zu installierende Zylinder einsetzen – vor allem bezogen auf die Endlagendämpfung und deren Ansteuerung. Kontrollieren Sie den Antrieb remote, in dem sie Sensoren zur Positionsabfrage – in Verbindung mit Proportionalventilen – nutzen. Setzen Sie auf die Stärken der Elektrotechnik: Sinnvoll integrierte erfassen Temperatur, Anzahl der ausgeführten Zyklen, Geschwindigkeit sowie Volumenströme des Druckluftnetzwerks.

Stellen Sie den Dämpfungshub richtig ein. Dies wird erreicht, indem der Druck des Dämpfungsvolumens kontinuierlich mit dem Annähern des Kolbens sowie dem Zylinderkopf abnimmt. Die Endlage fährt mit der kleinstmöglichen kinetischen Energie an. Die Restenergie wird durch eine elastische Anschlagscheibe aufgenommen. Der Kolben läuft so sanft an den Zylinderkopf. Eine manuelle Einstellung der Dämpfung ist somit nicht mehr notwendig.

Energiesparpotenziale in der Druckluft heben

Tipp 6: Ölfreie Druckluft durch die richtige Filterwahl

Augen auf bei der richtigen Filtrierung Ihrer Druckluft, beziehungsweise Prozessluft. Eine ölfreie Luft erhöht die Energie- und Ressourceneffizienz und verringert Ihre Betriebskosten. Wichtig ist, dass der Durchflusswiederstand der Druckluftfilter so gering wie möglich ausfällt. Fragen Sie Ihren Komponentenlieferanten, ob der Kompressor Separatoren besitzt. Diese Technik erhöht die Abscheideleistung und sorgt für einen niedrigen Druckverlust. Wie sieht Ihr Dichtkonzept für die Filterung der Prozessluft aus? Achten Sie darauf, dass die Dichtflächen nicht verkratzen. Dadurch entsteht beim Filterwechsel Undichtigkeit oder ein Abscheren von Dichtungselementen. Beide 

Wird Druckluft im Außenbereich eingesetzt kann feuchte oder ölhaltige Druckluft das Produkt verkleben. Bei entsprechender Luftfeuchtigkeit besteht die Gefahr, dass die Druckluftleitungen korrodieren, staubhaltige Druckluft fördert den Abrieb und Verschleiß. Für die Druckluft gibt es laut ISO 8573-1:2010, fünf Reinheitsklassen, die Sie einhalten müssen, damit die Luft weitesgehend ölfrei bleibt.

„Wenn die Anforderung an die Druckluftqualität beispielsweise 2-4-1 lautet, bedeutet das: Klasse 2 für Partikel, Klasse 4 bei der Feuchtigkeit und Klasse 1 für Öl“, erklärt Christian Baer vom schwedischen Konzern Atlas Copco. „Wenn absolut reine Luft gefordert ist, wie etwa in der Lebensmittelindustrie oder bei der Verwendung als Atemluft, wird für Öl die Klasse 0 gefordert.“ Kältetrockner trocknen feuchte Druckluft. Unternehmen wie Atlas Copco und andere integrieren diese bereits in ihre Kompressoren und kennzeichnen dies mit dem Kürzel „FF“ (Full Feature). Adsorptionstrockner filtern mit einem nachgeschalteten Feinstaubfilter Partikel aus der Druckluft heraus, die beim Trocknen mit Adsorptionsmittel entstehen. Bei Öldämpfen setzen die Druckluftexperten auf Aktivkohleadsorber. Besonders gute Filter besitzen eine Fein- und Grobfilterung. Für den Instandhalter ist dies von Vorteil, weil die gesamte dadurch eine längere Standzeit hat und die Wartung kostengünstiger ist als zwei einzelne. Pluspunkt für die Umwelt: er muss nur einen Filter entsorgen.

Der Druckverlust sollte bei der Filterung und dem entsprechend Leitungsdurchschnitt nicht zu hoch sein. Kalkulieren Sie ein, dass jedes zusätzlich aufgewendete Bar Druck einen um sechs bis sieben Prozent höheren Energieverbrauch nach sich zieht: „Ein bis zwei Prozent der gesamten Energiekosten einer Druckluftstation gehen über den Filter verloren“, sagt Baer weiter. Achten Sie darauf, ob der Filter einen Indikator für den Differenzdruck besitzt.

Diese sechs Tipps für die Instandhaltung einer Druckluftanlage geben einen guten Überblick über die wesentlichen Kriterien. Essentiell bleibt jedoch immer die menschliche Sensorik erfahrener Druckluft-Anwender. Oft geben ein gutes Gehör, ein prüfender Blick oder der Geruchssinn den entscheidenden Hinweis auf den Verschleiß von Armaturen, Schläuchen, Kompressoren oder Filtern.

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