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Die Druckluftzähler decken einen Messbereich von 0,06 Nm 3 /h bis 700 Nm 3 /h ab

Erfassung und Protokollierung des Druckluftverbrauchs

01  Übersicht über die bei Leckagen anfallenden Energiekosten

02  Verschiedenen Komponenten zur einfachen Energiedaten-Erfassung

03  IO-Link-Master zur intelligenten Kommunikation der Sensoren mit einer Steuerung von Phoenix Contact

04  Topologische Darstellung einer Applikation, um die Verbrauchsdaten der Druckluft mit dem Datenlogger Flex in eine SQL-Datenbank zu ­speichern

Neben Druckflüssigkeiten in der Hydraulik oder dem elektrischen Strom in der Elektrotechnik wird in industriellen Anlagen auch Druckluft als Energieträger genutzt. Dabei handelt es sich um eine der am häufigsten verwendeten und gleichzeitig teuersten Produktionsressourcen. Mit den Volumenstromzählern kann der Anwender daher den Druckluftverbrauch erfassen und protokollieren sowie den Einsatz des kostspieligen Betriebsmittels auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse optimieren.

Die Sensoren der Produktfamilie PSK AFS von Phoenix Contact bieten sich zur Erkennung selbst kleiner ­Leckagen an. Denn die Ursache für einen Druckluftverlust sind zumeist Leckagen und Leitungsverluste. Bei neuen Rohrleitungsnetzen büßt der Kompressor erfahrungsgemäß etwa 5 % der gesamten Liefermenge ein. Dieser Wert steigt bei älteren Netzen auf bis zu 30 % an. Ein solcher Druckluftverlust resultiert unter anderen aus undichten Schweißnähten, verschlissenen Ventilen oder defekten Schläuchen. Er definiert sich als Verbrauch von Druckluft, ohne dass Arbeit geleistet wurde. Leckagen sind also nicht regel­bare Dauer­verbraucher, die kompensiert werden müssen. Weisen sie beispielsweise einen Durchmesser von einem Millimeter auf, fallen bei einem Netzdruck von acht bar Mehrkosten von rund 650 € pro Jahr an (Bild 1). Bei ­einer Leckage von 4 mm Durchmesser erhöht sich der Betrag auf etwa 10.000 €. Vor diesem Hintergrund unterstützen die Volumenstromzähler bei der gezielten Behebung selbst kleinster Verluste. Dazu reichen oft geringfügige Maßnahmen aus, um die Druckluftkosten zu senken.

Feststellung selbst kleinster Leckagen
Die Feststellung von Leckagen in einem Druckluftnetz deckt meist erhebliche Einsparpotentiale auf. Zur Ermittlung der Veränderung des Verbrauchs muss jedoch der gesamte Energie­fluss des Unternehmens erfasst und protokolliert werden. Ab dem Jahr 2013 gelten verbindliche Richt­linien für ein zertifiziertes Energiemanagement gemäß DIN EN ISO 50001 . Deshalb nehmen die Geräte der Produkt­familie PSK AFS die verbrauchte Druckluft kontinuierlich auf und protokollieren sie mithilfe einer Steuerung oder ­eines Datenloggers. Ein ganzheitliches Energiemanagement erfasst darüber hinaus alle im Unternehmen anfallenden Energieformen, also auch die elektrische Energie. Zu diesem Zweck beinhaltet das Produktportfolio von Phoenix Contact netzwerkfähige Energiemessgeräte der Baureihe Empro , die der Aufnahme und Überwachung der elektrischen Kenngrößen der Maschine oder Anlage dienen (Bild 2).
Die kompakten Volumenstromsensoren verwenden das kalorimetrische Messverfahren und erfassen so selbst kleinste Verbrauchsmengen ab 0,06 Nm 3 /h. Aufgrund des großen Messbereichs bis 700 Nm 3 /h eignen sich die Betriebsmittel der Produktfamilie PSK AFS außerdem zur betriebsmäßigen Verbrauchsmessung. Neben der IO-Link-Schnittstelle für die intelligente Kommunikation mit der Steuerung geben die Druckluftzähler Analogwerte und digitale Impulse aus. Über zwei digitale Ausgänge können ferner Schaltschwellen aufgenommen werden. Die vielfältigen Möglichkeiten der Messwertausgabe von Strömung und Temperatur erlauben eine universelle Ankopplung an Prozess- oder Steuereinrichtungen. Die Geräte erfassen im zu überwachenden Arbeitsprozess den aktuellen Volumenstrom, das insgesamt verbrauchte Volumen sowie die Temperatur der Druckluft. Eine Messwert- und Statusanzeige ergänzt die zahlreichen Konfigurations- und Messmöglichkeiten über IO-Link. Auf diese Weise erhält der Anwender einen schnellen Überblick direkt am Sensor.
Aufgrund der Schutzart IP65 sind die Druckluftzähler resistent gegen Staub und Strahlwasser, weshalb sie flexibel in vielfältigen Anwendungen verwendet werden können.

Messung gemäß allen relevanten Normen
Die Strömungssensoren arbeiten mit dem kalorimetrischen Messverfahren auf Basis einer konstanten Übertemperatur. Im Gegensatz zu Ansätzen, wie einem Verdrängungszähler oder Wirbel-Durchflusszähler, erweisen sich Druckabfall und Luftwiderstand beim kalorimetrischen Messverfahren als zu vernachlässigende Größe, da sich keine bewegten Teile in der Strömung befinden. Die Sensoren werden direkt in die von G1/4“ bis R2“ reichende Druckluftleitung eingebaut. Eine definierte Ein- und Auslaufstrecke sorgt für hohe Messgenauigkeit sowie reproduzierbare Messergebnisse. Zur Messung des Volumenstroms können zwei verschiedene Normen herangezogen werden: die ISO 2533 und die DIN 1343 . Der wesentliche Unterschied zwischen den Standards liegt in der Temperatur, auf die sich der Messwert des Volumens bezieht. Die Volumenstromsensoren ermöglichen daher die Parametrierung einer Referenztemperatur, sodass nach beiden Normen gemessen werden kann.

Kommunikation mit der Steuerung via IO-Link
Ein fünfpoliger M12-Steckverbinder versorgt die Druckluftzähler mit elektrischer Energie und gibt die Messwerte aus. Die Belegung des Steckers, die von der Parametrierung des Sensors abhängt, unterscheidet sich bei einem Signal-, Impuls-, Analog- oder IO-Link-Ausgang. Ist die Messwertausgabe als Impulsausgang festgelegt, werden am Ausgang des Sensors einstellbare Spannungsimpulse ausgegeben, mit ­denen sich das verbrauchte Druckluftvolumen kontinuierlich ermitteln lässt. Zur betriebsmäßigen Erfassung des Druckluftverbrauchs müssen kleine Volumenströme unter Umständen ausgeblendet werden. In diesem Fall wählt der Anwender eine Schleimengen-Unterdrückung aus. Der para­metrierbare Analogausgang des Volumenstromzählers liefert abhängig vom Messbereich einen zum Volumenstrom analogen Ausgangsstrom von 4 mA bis 20 mA. Neben der Einstellung des Sensors als Impuls- oder Analogausgang können zwei Schaltschwellen definiert werden. Dann schaltet der Ausgang beim Über- oder Unterschreiten des jeweiligen Werts. So wird ein maximaler Druckluftverbrauch bei bestimmten Betriebszuständen erkannt, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Zur intelligenten Sensorkommunikation sind die Druckluftzähler der Produktfamilie PSK AFS mit einer IO-Link-Schnittstelle ausgestattet. Über das Interface erhält der IO-Link-Master die Zustände der Schaltausgänge sowie die aktuelle Medium-Temperatur und den derzeitigen Volumenstrom mit acht Byte Prozessdaten. Außerdem wird der kumulierte Druckluftverbrauch mit insgesamt vier Byte ausgegeben. Zur Integration des IO-Link-Protokolls in das Steuerungssystem stehen verschiedene IO-Link-Master zur Verfügung. Mit einer Inline-Kleinsteuerung und dem IO-Link-Mastermodul IB IL 24 IOL 4 DI 12 lässt sich beispielsweise eine einfach handhabbare Lösung zur Aufnahme und Archivierung des Druckluftverbrauchs umsetzen (Bild 3). Dabei bleibt es dem Anwender überlassen, ob die Energiedaten lokal auf einer SD-Karte gespeichert, in ­eine SQL-Datenbank geschrieben oder über den Web-Server ­visualisiert werden sollen.

Speicherung der Werte in einer SQL-Datenbank
Zur einfachen und schnellen Energiedatenerfassung bietet sich das Datenlogger-Kit PSK DL Flex an. Dazu wird der Impulsausgang des Volumenstromzählers an einen digitalen Ausgang des Datenloggers angeschlossen (Bild 4). Nachdem der Datenlogger entsprechend parametriert worden ist, leitet er den Druckluftverbrauch mit Zeitstempel an eine SQL-Datenbank weiter. In vielen Anwendungen erweist es sich als sinnvoll, die Verbrauchsdaten sowohl von Druckluft als auch elektrischer Energie zu erfassen und zu protokollieren. In diesem Fall lässt sich mit den Volumenstromzählern der Produktfamilie PSK AFS und den Empro -Energiemessgeräte eine kostengünstige Lösung realisieren. Der Impulsausgang des Sensors wird an einen digitalen Eingang des Energiemessgeräts angebunden, um die Verbrauchsdaten über Modbus RTU oder Ethernet an das überlagerte Energiemanagementsystem zu übertragen. (hz)

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Autor: Arno Martin Fast ist Mitarbeiter im Produktmarketing Steuerungstechnik bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.