Nichts dem Zufall überlassen: Nach dieser Devise handelt die verfahrenstechnische Industrie, wenn es um die Verfügbarkeit von Pumpen geht: Mehr als 80 Prozent der Unternehmen setzen auf Redundanz, um Produktionsausfälle zu vermeiden. Dabei kommen die Reservepumpen vorrangig als kalte Redundanzen (Stand-by-Betrieb) bei Ausfall der Primärpumpe zum Einsatz. Die warme Redundanz wird nur dort eingesetzt, wo der Prozess unbedingt eine kontinuierliche Förderung verlangt. Redundanzen sind nicht nur für die Produktion von Bedeutung, auch in Sekundärprozessen werden Reservepumpen vorgehalten - wenn beispielsweise ein bestimmter Druck auf einem Löschwassernetz gehalten werden muss.
Nach einer Abschätzung des Verbands der chemischen Industrie entfallen neun Prozent der Gesamtkosten beim Bau einer verfahrenstechnischen Anlage auf die Redundanz von Pumpensystemen – der Anreiz, hier Kosten zu sparen, ist groß. Doch die Prozesssicherheit darf unter dem Verzicht auf Stand-by-Pumpen nicht leiden. Wo fachkundiges Personal eher knapp ist, muss die Technik helfen. Konsequenz für die Pumpe: Sie muss noch schlauer werden als heute, muss eine sich anbahnende Störung so früh melden, dass dem Betreiber ausreichend Zeit für angemessene Reaktionen bleibt.
Klar ist: Der Aufwand einer Überwachung muss in Relation stehen zum Risiko, zum Wert der Pumpe oder zu nachweisbaren Kosteneinsparungen bei der Instandhaltung. Während bei teuren Spezialpumpen das Monitoring durchaus zum Standard zählt, war die Akzeptanz der Betreiber bei Standardpumpen bislang eher mäßig. Doch das ändert sich: Wachsendes Interesse ist sowohl bei den Anlagenplanern und Anlagenbauern festzustellen (wegen des Trends zu sanktionierten Abwicklungszeiten und geforderten weitreichenden Verfügbarkeitszusagen) wie auch beim Betreiber (wegen des Rückzugs auf die Kernkompetenzen).
Zur weiteren Verbesserung der Akzeptanz von Monitoring-Systemen ist nach Überzeugung von Grundfos ein Grundproblem zu lösen: Es gibt zwar viele Anbieter von Sensoren, die Druck, Strömung, Temperatur oder Schwingungen messen. Was vielfach fehlt, das sind Systeme, die ein Messergebnis interpretieren. Denn die Frage ist ja nicht: „Wie hoch ist die Temperatur im Lager?“ Selbst wenn ein bestimmter Alarmwert zum Abschalten der Pumpe führt, ist das noch nicht zufriedenstellend. Relevant ist die Fragestellung so: „Was bedeutet ein Anwachsen der Temperatur im Lager für den sicheren Betrieb der Pumpe?“ Und: „Wann wird die Situation für die Pumpe kritisch?“
Die Herausforderung besteht also darin, beginnende Statusänderungen im Vorfeld eines Alarmzustands zu erkennen. Ziel ist es vorauszusagen, wann ein Schaden mit hoher Wahrscheinlichkeit eintreten wird. Aus diesen Überlegungen heraus verfolgt Grundfos mit dem CR-Monitor-System diesen Ansatz: Der CR-Monitor überwacht – ausgehend vom Ist-Zustand bei der Neuinstallation – Abweichungen von der ursprünglichen Effizienz des Pumpensystems. Ein Effizienz-Algorithmus detektiert Verschleiß und Verstopfung. Das Überwachen der elektrischen Werte bietet Hinweise auf Unter-/Überspannung, Übertemperatur, Überlast und Lagerschäden. Der Kavitationsalgorithmus schließlich detektiert Kavitation, der Trockenlaufsensor einen beginnenden Trockenlauf.
Das System ist einfach zu konfigurieren; ein Controller überwacht die in der Lernphase vor Ort aufgenommenen Werte. So kann der CR-Monitor den Zustand mit dem Modell vergleichen und beurteilen, ob das System planmäßig funktioniert. Sollte die Messung vom Referenzwert abweichen oder die vorgegebenen Parameter (Zulaufdruck, Förderdruck, Förderstrom, Energieverbrauch, Medien- oder Umgebungstemperatur) die anwendungsspezifisch festgelegten Grenzwerte überschreiten, gibt der CR-Monitor frühzeitig eine Warnmeldung aus – etwa an ein Scada-System oder per SMS. Das System arbeitet mit drei einfachen Ampel-Zustandssymbolen: OK, Warnung und Alarm. Bei einer Warnmeldung beschränkt es sich nicht auf komplizierte Rohdaten, sondern liefert eine konkrete Fehlerauswertung und die relevanten Parameter vor und nach dem Auftreten eines Fehlers. Das erleichtert die spätere detaillierte Fehleranalyse. Auf diese Weise visualisiert das System rund um die Uhr einen genauen und zuverlässigen Echtzeit-Zustand. Der Betreiber kann so auf regelmäßige vorbeugende Inspektionen verzichten. Denn er sieht sich anbahnende Pumpenstörungen lange, bevor sie auftreten.
MEMS-Sensoren in direktem Kontakt
Nur wer misst, kann den Pumpenzustand identifizieren. Grundfos setzt hier auf die Eigenentwicklung Direct Sensors. Es handelt sich dabei um mikromechanische Halbleiter-Sensoren (Mikro-Elektro-Mechanisches System, kurz MEMS), die das Unternehmen in einer eigenen Wafer-Fabrik der Reinheitsklasse 10 produziert. Basis des Messsystems für die Druck-, Differenzdruck- und Durchfluss-Sensoren sind Piezoresistoren in einer Wheatstone-Messbrücke. Durch das zeitgleiche Messen der Temperatur mit einem auf dem Sensor-Chip integrierten Temperatursensor kann deren Einfluss auf die Druckmessung unmittelbar korrigiert werden. Mit Hilfe eines Mikroprozessors werden die Messsignale kalibriert und weiterverarbeitet; sie stehen dann als analoges oder auch digitales Signal für ein Stellglied zur Verfügung.
Die Innovation ist das „direkte“ Messen auf einem Silizium-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 Sensors-Chips. Das ermöglicht sehr kompaktes Design und gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Der direkte Kontakt mit dem Medium ermöglicht eine Ansprechgeschwindigkeit von < 1 s für das Erfassen des Durchflusses und < 0,5 s für die Temperaturmessung.
Auch die früher übliche Überdimensionierung jeglicher Technik und das heute noch vielfach geübte Anpassen des Förderbedarfs der Pumpen über eine Drossel- oder Bypass-Regelung sind zu hinterfragen. Das Ziel der energieeffizienten Pumpe erreicht der Betreiber mit einem Pump Audit, auch Lebenszykluskosten-Analyse genannt. Dabei geht es nicht allein darum, betagte Aggregate durch Hocheffizienz-Pumpen zu ersetzen. Bei komplexeren Anlagen spielen auch extern montierte Frequenzumrichter, moderne Überwachungstechnik und Integration in die Leitsysteme eine Rolle. 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.
Genutzt werden zählbare Messwerte wie Förderleistung und Energieverbrauch, analoge Messwerte wie Druck, Temperatur und Niveau, Ereignisse wie Pumpe ein/aus oder Ventil auf/zu. Ungeregelte starre Pumpensysteme sind in relativ kurzer Zeit und mit nicht allzu großem Aufwand zu messen – zum Beispiel ein System mit gleich bleibenden Förderstrom- und Druckverhältnissen. Geregelte Anlagen mit variablen Förderleistungen und Druckverhältnissen erfordern einen höheren technischen und zeitlichen Aufwand, da es sich hier meist um Mehrpumpensysteme handelt, die in Kaskaden gesteuert werden und häufig auch mit Drehzahlregelung ausgestattet sind. Hier ist die Ermittlung eines Lastprofils (also die zeitliche Verteilung der benötigten Förderleistung) unerlässlich, um praktische Fragestellungen beantworten zu können, wie:
Ist eine Pumpenanlage mit zwei oder mehreren gleich großen Pumpen ausreichend?
Welche Regelungsart ist zu verwenden?
Wo im System ist die beste Position für den Sensor?
Welcher Pumpentyp ist für diese Applikation am besten geeignet?
Sollten aufgrund sehr kleiner oder sehr großer Förderleistungen über einen längeren Zeitraum unterschiedlich große Pumpen zum Einsatz kommen?
Mit Hilfe einer dafür speziell entwickelten Auswertungs- und Berechnungs-Software werden anschließend die gewonnenen Werte mit denen einer potenziellen Neu-Pumpe verglichen und für identische Arbeitspunkte das jeweilige Einsparpotenzial ermittelt.
Fazit: Jedes technische System kommt irgendwann an seine Grenzen, fällt durch Verschleiß oder aufgrund äußerer Einflüsse aus. Für den Betreiber wichtig zu wissen ist, wann dieser Zeitpunkt mit hoher Wahrscheinlichkeit eintreten wird. Grundfos offeriert dazu praxisbewährte Services (Pump Audit, Maschinenzustandsanalyse) und Produkte (CR-Monitor, Sensoren).
