Die Bedeutung der Automatisierung der Druckluft in der Industrie

TL;DR:

• Die Automatisierung der Druckluftversorgung optimiert den Betrieb von Kompressoren entsprechend der aktuellen Nachfrage und senkt den Energieverbrauch.
• Eine korrekte Implementierung umfasst die Datenerfassung, die Steuerungslogik sowie deren Integration mit Produktions- und Leitsystemen, was eine schnelle Amortisation der Investition ermöglicht.

Die Automatisierung der Druckluftversorgung wird definiert als Steuerung des Betriebs von Kompressoren und Verteilernetzen auf Basis der aktuellen Nachfrage, statt auf Basis manueller Einstellung oder Dauerbetrieb. Dieser Ansatz wird in der industriellen Praxis als Compressed Air System Management bezeichnet. Das Projekt DENSO, das in Zusammenarbeit mit Rockwell Automation realisiert wurde, zeigte, dass eine korrekt implementierte Automatisierung industrieller Prozesse den Energieverbrauch für Druckluft um 26 % senkt und jährlich 350.000 USD einspart. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Vorteile der Druckluftautomatisierung nicht theoretisch, sondern messbar und schnell erreichbar sind.

Wie die Automatisierung der Druckluftversorgung in industriellen Systemen funktioniert

Die Automatisierung von Druckluftsystemen basiert auf drei technischen Ebenen: Datenerfassung, Steuerungslogik und Integration mit der Produktionsumgebung. Jede Ebene erfüllt eine spezifische Funktion, und ohne deren Verknüpfung lassen sich keine echten Einsparungen erzielen.

Datenerfassung mittels Sensoren

Grundlage ist die Messung von Durchfluss, Druck und Luftqualität in Echtzeit. Sensoren werden am Kompressorausgang, an zentralen Knotenpunkten des Verteilungsrohrsystems sowie an den Eingängen einzelner Verbraucher installiert. Die genaue Messung des Verbrauchs an verschiedenen Stellen des Verteilernetzes deckt Leckagen und übermäßigen Verbrauch auf, die sonst unentdeckt blieben. Ohne diese Daten lässt sich das System nicht effizient steuern.

Steuerungslogik und Regelung der Kompressoren

Die gemessenen Daten werden an eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) übermittelt, die auf dieser Grundlage Kompressoren startet oder abschaltet, zwischen Leistungsmodi umschaltet und das Zyklusverhalten mehrerer Maschinen synchronisiert. Das System reagiert auf die tatsächliche Nachfrage, nicht auf einen fest eingestellten Zeitplan. Das automatische Umschalten der Betriebsmodi und die Steuerung nach Bedarfsspitzen gehören zu den zentralen Funktionen, die eine echte Automatisierung von einer bloßen Überwachung unterscheiden. Wenn beispielsweise die Produktionslinie stoppt, reduziert das System sofort die Kompressorleistung und vermeidet so einen unnötigen Leerlaufbetrieb.

Integration mit Gebäude- und Produktionssteuerung

Moderne Systeme werden an Gebäudeleitsysteme (BMS) und Produktionsleitsysteme (MES oder SCADA) angebunden. Diese Integration ermöglicht es, dass der Kompressor seine Leistung automatisch an Änderungen des Produktionsplans oder beim Wechsel auf ein anderes Produktionsprogramm anpasst. Die Integration mit der Produktionsautomatisierung sorgt somit für eine Synchronisierung des gesamten Betriebs und nicht nur für die Optimierung eines isolierten Subsystems.

Monitoring versus tatsächliche Steuerung

Monitoring sammelt Daten und zeigt sie dem Bediener an. Echte Automatisierung verarbeitet diese Daten und handelt auf ihrer Grundlage ohne menschliches Eingreifen. Monitoring allein reicht nicht aus, um nennenswerte Einsparungen zu erzielen. Erst eine Steuerungslogik, die Messungen mit automatischem Schalten und Regelung verknüpft, liefert Ergebnisse, die mit dem DENSO-Projekt vergleichbar sind.

Profi-Tipp: Beginnen Sie bei der Planung der Automatisierung mit der Erfassung des Verbrauchs auf der Ebene einzelner Verteilungszweige, nicht nur am Ausgang des Kompressors. Erst ein detaillierter Überblick darüber, wohin die Luft tatsächlich gelangt, ermöglicht es, die Steuerungslogik so einzustellen, dass die Eingriffe gezielt und effektiv sind.

Was sind die Hauptvorteile der Automatisierung von Druckluft?

Die Vorteile der Druckluftautomatisierung zeigen sich in vier Bereichen: Energieeinsparung, Betriebszuverlässigkeit, ökologische Auswirkungen und Wartungskosten.

• Energieeinsparung. Systel gibt an, dass das Monitoring von Druckluft Einsparungen von rund 22 % bringt, mit einer Amortisationszeit der Investition von 3 bis 4 Monaten. Diese Zahlen entsprechen Betrieben, in denen die Automatisierung bei zuvor vollständig manuell gesteuerten Systemen eingeführt wird.
• Reduzierung der CO2-Emissionen. Das DENSO-Projekt verzeichnete eine Reduzierung der Emissionen um 3.110 Tonnen CO2 pro Jahr. Für Industriebetriebe, die ESG-Ziele erfüllen oder Emissionsvorschriften unterliegen, ist dies ein direkter und messbarer Nutzen.
• Verlängerung der Lebensdauer der Anlage. Ein Kompressor, der nicht unnötig im Leerlauf läuft, verschleißt weniger. Die Automatisierung verkürzt die Gesamtzahl der Betriebsstunden bei gleichbleibender Leistung.
• Prädiktive Wartung. Fortschrittliche Sensoren und Cloud-Plattformen ermöglichen die Visualisierung des Verbrauchs, die Erkennung von Anomalien und die Vorhersage von Störungen, bevor sie einen Produktionsausfall verursachen. Damit ändert sich der Wartungsansatz von reaktiv zu proaktiv.
• Erkennung von Leckagen. Unentdeckte Leckagen in den Leitungen erhöhen die Energiekosten um Zehntausende bis Hunderttausende Kronen pro Jahr. Automatisiertes Monitoring identifiziert sie sofort, nicht erst bei einer geplanten Revision.

Kernfazit: Die Automatisierung industrieller Prozesse im Bereich Druckluft bringt nicht nur Energieeinsparungen, sondern verändert die gesamte Herangehensweise der Betreiber an Steuerung und Wartung des Systems.

Manuelle Steuerung versus automatisiertes Druckluftsystem

Der traditionelle manuelle Betrieb von Kompressoren bedeutet, dass die Maschine nach einem festen Zeitplan oder sogar durchgehend läuft, unabhängig von der aktuellen Produktionsnachfrage. Das Ergebnis ist ein hoher Energieverbrauch, unnötiger Verschleiß und die Unfähigkeit, auf Betriebsänderungen zu reagieren. Ein automatisiertes System hingegen synchronisiert die Leistung des Kompressors mit dem tatsächlichen Verbrauch in Echtzeit.

Der Unterschied bei den Betriebskosten zeigt sich frühestens in den ersten sechs Monaten nach der Einführung der Automatisierung. Die ersten größten Einsparungen werden gerade in diesem Zeitraum erzielt, wenn das System ineffiziente Bereiche identifiziert und die Bediener erste gezielte Maßnahmen durchführen. Der manuelle Betrieb erkennt diese Möglichkeiten einfach nicht.

Profi-Tipp: Führen Sie vor dem Übergang zur Automatisierung ein Verbrauchsaudit über mindestens zwei Wochen durch. Erfassen Sie die Bedarfsspitzen und -senkungen in den verschiedenen Schichten. Diese Daten bilden die Grundlage für die korrekte Einstellung der Steuerungslogik und die Auswahl eines geeigneten Kompressors mit Frequenzumrichter.

Praktische Beispiele für Einsparungen durch die Automatisierung der Druckluft

Konkrete Zahlen aus der industriellen Praxis sind das stärkste Argument für eine Investition in Automatisierung. Nachfolgend werden Beispiele aufgeführt, die reale Ergebnisse dokumentieren.

Projekt von DENSO und Rockwell Automation

DENSO, ein japanischer Hersteller von Automobilkomponenten, implementierte in seinem Werk ein SPS-Steuerungssystem zur Verwaltung der Kompressoren. Das Ergebnis war eine Senkung des Energieverbrauchs um 26 % und eine jährliche Einsparung von 350.000 USD. Das System nutzte eine synchrone Taktung der Kompressoren entsprechend der aktuellen Nachfrage anstelle eines kontinuierlichen Betriebs. Die Reduzierung der Emissionen um 3.110 Tonnen CO2 pro Jahr war ein Nebenergebnis, das jedoch strategisch wichtig für die Erfüllung der unternehmenseigenen Umweltverpflichtungen war.

„Automatisierung muss über die Datenerfassung hinausgehen. Sie erfordert die Gestaltung einer Steuerungslogik mit automatischer Umschaltung der Kompressormodi und Steuerung nach Nachfragespitzen, einschließlich Wartungsfunktionen, die auf Verlusttrends basieren.“ Rockwell Automation, Fallstudie DENSO

Einsatz von IIoT-Sensoren laut Systel

Systel dokumentiert ein Projekt, bei dem die jährlichen Kosteneinsparungen etwa 13,2 Lakhs INR erreichten, bei Überwachungskosten von 2,8 bis 4,5 Lakhs INR. Eine Amortisationszeit von 3 bis 4 Monaten ist ein Ergebnis, das im industriellen Umfeld außerordentlich kurz ist. Die IIoT-Sensoren sorgten hier für die kontinuierliche Messung von Durchfluss und Druck, die Cloud-Plattform visualisierte die Daten und erzeugte Warnmeldungen bei Anomalien.

Empfohlene Schritte für die Implementierung

• Audit des bestehenden Systems. Messen Sie den Verbrauch am Kompressorausgang und an wichtigen Netzknotenpunkten über einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen.
• Identifizierung von Verlusten. Der Vergleich des Durchflusses am Ein- und Ausgang der einzelnen Zweige deckt Undichtigkeiten und übermäßigen Verbrauch auf.
• Auswahl des Steuerungssystems. Wählen Sie eine SPS oder einen Industriecontroller mit der Möglichkeit der Integration in das bestehende BMS oder MES.
• Installation von Sensoren und Messgeräten. Decken Sie nicht nur den Kompressorausgang ab, sondern auch das Verteilernetz bis zu den Endverbrauchern.
• Einstellung der Steuerungslogik. Definieren Sie Regeln für das Starten, Abschalten und Umschalten der Kompressormodi entsprechend den gemessenen Nachfragespitzen.
• Kontinuierliches Monitoring und Optimierung. Überwachen und passen Sie nach der Inbetriebnahme die Parameter anhand der Betriebsdaten an. Der Leitfaden zur Optimierung des Druckluftverbrauchs von Kompresory-vzduchotechnika bietet praktische Methoden für diesen Schritt.

Wichtige Erkenntnisse

Die Automatisierung der Druckluft bringt nachweisbare Energieeinsparungen im Bereich von 20 bis 26 % mit sich, wobei sich die Investition bereits innerhalb von vier Monaten nach der Implementierung amortisiert.

Warum Monitoring ohne Steuerungslogik nicht ausreicht

Ich arbeite mit Industriebetrieben unterschiedlicher Größe und stoße immer wieder auf dasselbe Muster. Der Betreiber installiert Sensoren, zeigt Daten auf einem Dashboard an und erklärt, er habe nun Automatisierung. In Wirklichkeit besitzt er nur ein teures Thermometer. Daten ohne Steuerungslogik sind passiv. Ein System, das erkennt, dass der Druck gefallen ist, aber ohne Eingriff des Bedieners nicht darauf reagieren kann, ist nicht automatisiert. Es ist lediglich ein informierter manueller Betrieb.

Der größte Fehler, den ich sehe, ist die ausschließliche Fokussierung auf die Leistung des Kompressors. Betreiber messen, was der Kompressor erzeugt, aber nicht, was mit der Luft danach geschieht. Eine Undichtigkeit in der Rohrleitung mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern kann jährlich Hunderttausende Kronen kosten, zeigt sich aber am Ausgang des Kompressors nicht dramatisch. Erst die Sichtbarkeit des Verbrauchs in den einzelnen Verteilerzweigen ermöglicht es, Maßnahmen dort gezielt einzusetzen, wo sie tatsächlich Ergebnisse bringen.

Ich empfehle, die Automatisierung als ein Projekt in zwei Phasen zu betrachten. In der ersten Phase installieren Sie die Messtechnik und sammeln sechs bis acht Wochen lang Daten. In der zweiten Phase entwerfen Sie auf Grundlage dieser Daten die Steuerungslogik. Dieses Vorgehen verhindert, dass das Steuerungssystem auf Basis von Schätzungen eingestellt wird und die Ergebnisse dann enttäuschend ausfallen. Die Diagnose des Kompressors und des gesamten Systems vor der Implementierung ist eine Investition, die sich vielfach auszahlt. Mehr zu diesem Ansatz beschreibt der Leitfaden zur Diagnostik des Kompressors von Kompresory-vzduchotechnika.

— Zdeněk

Kompresory-vzduchotechnika: Lösungen für die Automatisierung von Druckluft

Kompresory-vzduchotechnika bietet Produkte und technisches Know-how für den gesamten Prozess der Druckluftautomatisierung, von der Auswahl des Kompressors bis zur Integration in Steuerungssysteme.

Schraubenkompressoren SCR sind für Industriebetriebe konzipiert, die eine zuverlässige und energieeffiziente Druckluftquelle mit Anschlussmöglichkeit an Frequenzumrichter und externe Steuerungssysteme benötigen. Kompresory-vzduchotechnika liefert darüber hinaus Komponenten für Druckluftverteilungen, Luftaufbereitungseinheiten und Zubehör für das Monitoring. Das technische Team berät bei der Planung der Automatisierung, der Auswahl der Sensoren und der Integration mit SPS oder BMS. Für einen detaillierten Überblick über die mit konkreten Kompressormodellen erzielbaren Energieeinsparungen empfehlen wir den Leitfaden zu Energieeinsparungen mit dem Kompressor auf der Website von Kompresory-vzduchotechnika.

FAQ

Was ist Druckluftautomatisierung?

Druckluftautomatisierung ist die Steuerung des Betriebs von Kompressoren und Verteilernetzen auf Grundlage der aktuellen Nachfrage mithilfe von Sensoren, SPS und Steuerungslogik. Ziel ist es, den unnötigen Betrieb der Kompressoren zu vermeiden und den Energieverbrauch zu senken.

Welche Energieeinsparungen können erwartet werden?

Das DENSO-Projekt erzielte eine Einsparung von 26 % des Energieverbrauchs, Systel gibt einen Durchschnitt von etwa 22 % an. Das konkrete Ergebnis hängt vom aktuellen Zustand des Systems, dem Ausmaß der Undichtigkeiten und der Art der Steuerung vor der Implementierung der Automatisierung ab.

Wie schnell amortisiert sich die Investition in die Automatisierung?

Systel dokumentiert eine Amortisationszeit von 3 bis 4 Monaten bei Betrieben, in denen das System zuvor manuell gesteuert wurde. Die größten Einsparungen zeigen sich typischerweise in den ersten sechs Monaten nach der Inbetriebnahme.

Was ist der Unterschied zwischen Monitoring und Automatisierung?

Monitoring sammelt und zeigt Daten an, erfordert jedoch keinen automatischen Eingriff. Die Automatisierung verarbeitet diese Daten und steuert auf ihrer Grundlage den Betrieb der Kompressoren, ohne dass ein manueller Eingriff des Bedieners erforderlich ist.

Welche Kompressoren eignen sich für automatisierte Betriebe?

Schraubenkompressoren mit Frequenzumrichter sind für die Automatisierung am besten geeignet, da sie eine stufenlose Leistungsregelung entsprechend der aktuellen Nachfrage ermöglichen. Kolbenkompressoren mit fester Drehzahl sind für eine vollständige Automatisierung weniger geeignet.

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