Vom Produkt-Lieferant zu erweiterten Geschäftsmodellen – Teil 2

Im Teil 1. haben wir die Begründung gelesen, warum bereits heute ein Ventilatoren-Hersteller als System-Lieferant agieren sollte. Will der klassische mittelständische Maschinenbauer von der Entwicklung nicht überrollt werden, muss er sich jedoch den Herausforderungen, die die Digitalisierung mit sich bringt, stellen. Dies setzt aber eine Digitalisierungs-Strategie voraus, die vom Kopf des Unternehmens durchgängig bis in alle Abteilungen gelebt wird. Hat die Geschäftsführung sich von der Notwendigkeit eines Wandels durch Digitalisierung überzeugt, sollte diese ein Team aus der Führungsebene aller Geschäftsbereiche,  also von der Technik, Produktmanagement, Marketing, Vertrieb, Service, Recht, Finanzen und IT bilden. Bei der Komplexität der notwendigen Aufgaben braucht man Mitarbeiter, die für den Wandel gerüstet sind und den Wandel mit vollziehen, vielleicht sogar vorantreiben, miteinander interagieren und man braucht Unternehmer die diesen Wandel führen.

Bild 15: Quelle: Von Webteam UNITY – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68073586

Eine solche Digitalisierungs-Strategie kann für den klassischen Maschinenbauer der Weg über den Serviceanbieter hin zur Plattformökonomie sein. So heterogen wie die derzeitige IoT-Plattformlandschaft stellt sich auch die Bandbreite möglicher unternehmerischer Zielstellungen innerhalb der Plattformökonomie dar. Sollen Plattformen vertikal, also zur innerbetrieblichen Optimierung der Geschäfts- und Produktionsprozesse, oder horizontal, d.h. zur unternehmensübergreifenden Integration mit Lieferanten und/oder Kunden und Ausrichtung auf erweiterte und/oder neue Geschäftsmodelle eingesetzt werden? Oder beides?

Die Plattformökonomie bietet Anbietern wie Nutzern umfassende Möglichkeiten und Chancen, haben perspektivisch enorme Auswirkungen auf die Erlös- und/oder Kostenposition und können damit einen entscheidenden Beitrag zur strategischen Positionierung eines Unternehmens im Wettbewerb und zu dessen unternehmerischem Erfolg leisten. 

Im Vorgriff zu dem letzten Teil der Berichtsreihe “ Vom Produkt-Lieferant  zu erweiterten Geschäftsmodellen.“ Ein kurzer Überblick. Was sind überhaupt erweiterte Geschäftsmodelle im Kontext der Digitalisierung?

Bild 16: Quelle: Hintergrundbild Norman Glaser über Linkedin 

Zu den  5 häufigsten  Digitalen Geschäftsmodellen zählen:

1. Digitale Plattformen:

Plattform-Angebote sind aktuell die verbreitetste Variante digitaler Geschäftsmodelle. Die Zahl der B2B-Plattformen deutscher Industrieunternehmen steigt immer weiter an.

2. Applikationen:

Tatsächlich können Applikationen auch ein eigenes Geschäftsmodell darstellen, in dem  sie Daten erfassen, analysieren und für den Kunden visualisieren. Ergänzend zum Sammeln und Aufbereiten von Daten gehört die Beratung fest zu diesem Geschäftsmodell – diese Dienstleistungen werden somit zur eigentlichen Grundlage der Umsätze.

3. Produkt als Service:

Dieser Ansatz lässt sich dahingehend ausbauen, dass die Nutzung des Produktes als Service angeboten wird – und nicht das Produkt selbst. Der Kunden bezahlt dann, ähnlich wie bei den Applikationen, für die Nutzung des Produkts. Also ein Pay-per-Use-Angebot.

4. Digitale Elemente:

In eine andere Richtung führt hingegen das Angebot digitaler Elemente, um eigene Produkte effizienter und somit für den Kunden attraktiver zu machen. Die Bandbreite ist dabei sehr groß, sie reicht vom weiten Feld der Sensorik bis hin zu  Augmented Reality. Diese zus. Leistungen erhöhen zwar den Preis, bieten aber gleichzeitig für den Kunden einen deutlichen Mehrwert.

5. Konnektivität:

Die Vernetzung von Produkten und die Analyse von deren Daten bietet vor allem im Bereich der Überwachung und Wartung neue Möglichkeiten. Dies reicht vom Remote Service bis zum Predictive Maintenance-Angebot.

Stellt man sich nun als Ventilator-Hersteller die Frage nach der Zielsetzung eines erweiterten „Digitalen Geschäftsmodell“ so springt einem das 5. Geschäftsmodell, die „Konnektivität“ und die daraus sich ergebenden Möglichkeiten direkt ins Auge. 

Fest steht für mich aber das zukünftige Complete Fan System wird erst als smartes Produkt komplett. Denn hier wird die Grundlage für zwei Lösungsansätze gelegt. Langfristig dem Remote Service bis hin zum  Predictive Maintenance-Angebot. Kurzfristig, und schnell umsetzbar und damit als Einstieg in die Materie ideal. Für den Betreiber der Ventilator-Systeme können digitale Elemente eine kostengünstige, intelligente und effiziente Instandhaltung, mit einer App und Auswertsoftware die selbsterklärend ist, bereits wesentliche Vorteile bieten.  

Bild 17: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Reitz, Alexander Bürkle

Wenn wir das Ventilator-System aber durch entsprechende Sensoren smart gestalten, nützt dies nur etwas, wenn wir aus den Rückmeldungen auch Analysen und Simulationen durchführen können. Dazu brauchen wir die Daten auf einer Plattform.

Die langfristige Lösung führt über einen Digitalen Zwilling, also dem virtuellen Abbild des realen Produktes der entlang der gesamten Wertschöpfungskette umgesetzt wird, und genau wie das reale Produkt mit den Informationen verbundener Sensoren versorgt wird. Er ist also, wenn Sie so wollen über den gesamten Lebenszyklus des Produktes sein digitales Ebenbild. Zum Thema „Digitaler Zwilling“ jedoch in einem späteren Beitrag Teil 3 mehr. 

Zurück zur IoT-Konnektivitätslösung. Wie las ich doch jetzt in einem Bericht in der Industry of Things – „Kognitive Systeme sind die Nervenzellen des industriellen Internet of Things (IIoT). Messwerte werden erfasst, ausgewertet und bedarfsgerecht weitergeleitet.“

Sehen wir uns doch einmal um, was es an fertigen IoT-Konnektivitätslösung für ein Complet Fan System (CFS) gibt.

Antriebslieferanten bieten bereits sogenannte Smarte Sensoren für deren Motore an, die wichtige Betriebs- und Zustandsparameter zu Vibration, Temperatur, Überlastung, Energieverbrauch etc. erfassen, analysieren und per WLAN bzw. einem Gateway an die Cloud übermitteln. Diese Betriebsdaten werden dann in der Cloud gespeichert. Mit einer entsprechenden App,  und zukünftig auch mittels cloudbasierte Analysemöglichkeiten, stellen die Antriebsfirmen  dem Benutzer technische Motordaten und wertvolle Analyseergebnisse zum Betrieb und Zustand des Motors zur Verfügung. Das Tool schlägt z.B. empfohlene Maßnahmen zur vorbeugenden Wartung vor.

Bild 18: Quelle: ABB, Siemens, WEG

Derartige Lösungen gibt es z.B. bereits von ABB, Siemens aber auch WEG um nur ein paar der großen Anbieter zu nennen. ABB Ability Smart Sensor System  auf seinem IoT Betriebssystem basierend auf der Microsoft Azure Cloud-Plattform. Siemens mit dem Smart Motor Concept auf MindSphere , einem offenen IoT-Betriebssystem von Siemens. WEG Motor Scan  auf ihrer WEG IoT Plattform. 

Bild 19: Quelle: ABB

Auch für die Lagerung gibt es bereits Smart Sensor-Lösungen.

Z.B. der ABB Ability  Smart Sensor für montierte Lager ist eine Überwachungslösung, die eine allgemeine Zustandsanzeige des Lagers bietet, um Sie zu informieren, wenn eine Wartung erforderlich ist, bevor es zu spät ist. Die neueste Smart Sensor-Lösung, die für den Einsatz in Dodge-Lagern von ABB entwickelt wurde, ist ein fortschrittlicher Sensor, der mit dem Lager verbunden ist und kabellos kommuniziert – über Smartphones oder andere Geräte. Der Sensor liefert Vibrations- und Temperaturinformationen, die eine schnelle Zustandsanzeige des Lagers ermöglichen, wodurch ein unerwarteter Ausfall verhindert und die Lebensdauer der Ausrüstung verlängert werden kann.

Über die Maschinenüberwachung Aion inkl. Echtzeit FFT-Analyse (Fast Fourier Transform) und KI-Algorithmen in der Firmware dank Edge-Computing Architektur von AiSight habe ich im Okt. 2020 bereits berichtet.

All diese schönen Dinge sind Cloud-basierte Anwendungen, die für den Ventilatoren-Hersteller keine offenen Systeme darstellen, da diese Software und Datenauswertung auf den Komponenten-Hersteller spezifischen Plattformen betrieben werden. Will man jedoch sowohl die kurzfristige Lösung für einen Soforteinstieg und sich aber auch für die langfristige Lösung und Integration in andere IoT-Datenbanken, wie z.B. die Leonardo-IoT-Plattform von SAP offen halten, benötige ich zumindest ein System, das über eine REST-API die Möglichkeit geschaffen hat mit anderen Systemen zu kommunizieren. 

Hier bietet sich die Lösung von SH-Tools an.

Die SH-Tools GmbH https://www.sh-tools.com/ aus dem Technologiezentrum Marienwerder / Hannover haben jetzt 4 Jahre Forschung und Entwicklung betrieben und somit viel Zeit und Geld investiert, um das SH-Tools System jetzt in den Markt zu bringen. Dazu zählen die Hardware, die ToolBox, wie auch eine Web-Applikation die als Software as a Service (SaaS) oder On-Premises Variante angeboten wird. Das gesamte System ist Herstellerunabhängig und über eine dokumentierte REST-API offen für die Anbindung an weitere Systeme wie SAP, Salesforce etc.

Bild 20: Quelle: SH-Tools GmbH

Mit dem SHT System kann man in der Industrie dezentral in einem All-In-One Datensammler physikalische Messdaten  für die präventive Instandhaltung analysieren und digitalisieren.

Bild 21: Quelle: SH-Tools GmbH – Hardware ToolBox

Die ToolBox umfasst 8 x 4 – 20 mA analoge Eingänge, 2 x digitale Eingänge, wie auch 3 digitale Ausgänge, die als Ampel funktioniert. Eine Möglichkeit für die Internetverbindung ist der Anschluss eines Ethernet Kabel. Alle Anschlüsse sind Standard M12 Anschlüsse.

Darüber hinaus können optionale Antennen angeschlossen werden wie LTE, WLAN /BT und GNSS/GPS. Für die einfache Identifizierung Vor-Ort kann mittels NFC die ToolBox, respektive das Aggregat erkannt werden. Die Stromversorgung wird über 24V gesichert. Alles zusammen ist in einem robusten Aludruckgussgehäuse und ist IP66 / IP67 zertifiziert. 

Cloud-Applikation – MoniTool.

Die Web-Applikation MoniTool wurde genauso wie die Hardware mit der Idee entwickelt, dass alles sehr einfach sein muss. Die Software funktioniert in jedem modernen, aktuellen Internetbrowser.

Bild 22: Quelle: SH-Tools GmbH – Web-Applikation MoniTool

Der Benutzer kommt innerhalb weniger Schritte genau dorthin, wo er sein möchte. Die Übersichtsseite bietet alles auf einem Blick. Bei der Einrichtung weiterer Maschinen und Aggregate wird der Benutzer durch ein einfaches Menü geführt. Die Oberfläche wirkt sehr aufgeräumt und man kommt auf jedem Endgerät wie Notebook, Tablet oder sogar Smartphone schnell zum Ergebnis. 

Die wichtigsten Funktionen sind das Trend-Chart, die digitale Dokumentation wie Ersatzteile, Reparaturberichte, Typenschild und Inbetriebnahmeprotokoll. 

Das jetzige System wurde ausgiebig über 1 Jahr im Feld getestet. Darunter sind Hersteller wie auch Anlagenbetreiber aber auch Anlagenbauer. Vom Instandhalter über den Kaufmann bis hin zum digitalen Visionär sind alle überzeugt, dass die SH-Tools den Zahn der Zeit treffen. 

Die Einbindung.

Die dezentrale Installation ermöglicht es, mit wenig Aufwand das System in den Betrieb zu nehmen. Nachdem alle Dokumente hinterlegt sind, die Sensoren angeschlossen sind und die ToolBox im System hinterlegt ist, hat man die Maschine oder das Aggregat digitalisiert. Ab diesem Zeitpunkt lebt man die Industrie 4.0 und gerade die kleineren Maschinen und Aggregate werden gern übergangen. Doch auch diese ungeplanten Stillstandszeiten können nicht kalkulierbare Kosten verursachen. Durch die Einstellung der Grenzwerte kann man sich alarmieren lassen, sollten diese Überschritten werden. Dieser Vorteil ist für den Anlagenbetreiber und Instandhalter sofort greifbar. Dies kann man im Retrofit Industrie 4.0 Bereich umsetzen aber auch bei Neumaschinen. Gerade wenn es um einen Gewährleistungsfall geht, ist der Blick in die Vergangenheit bei der Maschine hilfreich, um Klärung zu bieten. Handelt es sich um ein unsachgemäßes Betreiben der Maschine und Aggregate oder um einen Konstruktionsfehler. Hierbei zählt nicht den Schuldigen zu finden, sondern um die Nachhaltigkeit und ein weitgehend runden und störungsfreien Produktionsprozess zu erreichen.

Bild 23: Quelle: SH-Tools GmbH – MoniTool – Trend-Chart

Das Arbeiten in der Cloud.

Langfristig werden Dienstleister und Hersteller eine noch bessere Zusammenarbeit mit Ihren Kunden merken. Wenn alle Parteien sich über das gleiche Thema unterhalten und alle zusammen daraus ihren Mehrwert ziehen. Die präventive, zustandsorientierte Instandhaltung verursacht allgemein weniger Kosten, in dem die Laufzeit der Aggregate insgesamt erhöht wird und sich die Wartungskosten reduzieren.  

Durch die gesicherte Cloud können alle Beteiligten im selben Datencenter arbeiten. Restriktive Zugänge ermöglichen ebenfalls, dass bestimmte Benutzergruppen auch nur bestimmte Bereiche bearbeiten können. Des Weiteren können Laufzeiten mit aufgezeichnet werden. Die SH-Tools hat einen aktiven Wartungskalender integriert. Somit kann die Software eine durchschnittliche Laufzeit errechnen und einen Zeitpunkt der Wartung festlegen. Dieser reagiert jederzeit auf das Aggregat. Das heißt, auch bei einer unübersichtlichen Größe an Aggregaten können Instandhalter jetzt feststellen, wann zum Beispiel eine Wartung oder eine Nachschmierkontrolle durchgeführt werden muss.

Bild 24: Quelle: SH-Tools GmbH – Wartungskalender

Die Keyfacts.

  • Optimierung der Anlagensicherheit.
  • Messdatenerfassung.
  • Serviceintervalle für den Kunden werden proaktiv gestaltet (Wartungsverträge).
  • Langzeit-Trendanalyse: Den Aggregatzustand im Fokus halten mittels Langzeit-Trendanalyse.
  • Papierlose Dokumentation.
  • Bestandsaggregate durch Vernetzung modernisieren und somit Kosten optimieren.
  • Vorgeschriebene Inspektionen innerhalb der Gewährleistungszeit sind automatisch terminierbar.
  • Bei Erstinbetriebnahme oder nach Revisionen von Aggregaten. permanente digitale Überwachung der Messwerte während des Probelauf.

Unterschied Mess- und Regelwarte zu Instandhaltung.

Mess- und Regelwarte:

Eine plötzliche Fehlfunktion der Aggregate wird von der Prozessparameterüberwachung nicht immer gleich erkannt. Die Prozessparameter sind hauptsächlich für den aktuellen Live-Prozessablauf zuständig. Für die reine Instandhaltung sehr komplex und teuer.

Präventive Instandhaltung:

Messen und Vorhalten von Maschinenparametern zum Überwachen der Aggregate. Frühzeitige Erkennung von Problemen durch Trendanalyse. Schnelle Reaktion durch Alarmierung bei Grenzwertüberschreitung. Garantie für eine zuverlässige Produktion und konsequente Kontrolle der Aggregate.

 

 

Bild 25: Quelle: SH-Tools GmbH – Einsatzbeispiel

Im Teil 3 meines Blog-Berichtes werde ich mich dann mit dem Digitalen Zwilling des CFS auseinandersetzen.

Vom Produkt-Lieferant zu erweiterten Geschäftsmodellen – Teil 1

In dem folgenden Beitrag  Teil 1 möchte ich am Beispiel des Ventilatorenbaus, den aktuellen Stand und die Chancen  aufzeigen, die sich, und das gilt stellvertretend für viele mittelständische Maschinenbauer, durch die Digitalisierung ergeben.

Bild 1: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Wenn wir uns den aktuellen Stand bei der Mehrzahl der mittelständischen Ventilatorenbauer ansehen, stellen wir fest, daß diese meist reine Produkt-Lieferanten sind. Was heißt das?

Für alle Leser, die nicht gerade aus dem Ventilatorenbau kommen und nicht unbedingt nach einer DIN-Norm suchen, sondern einfach mal googeln was Wikipedia als Begriffs-Definition so anbietet, finden sie folgende Definition:                                                                                                Ein Ventilator (von lat. Ventilare  „Wind erzeugen“, „Kühlung zufächeln“)  ist eine fremd angetriebene Strömungsmaschine, die meist mittels eines in einem Gehäuse rotierenden Laufrads ein gasförmiges Medium fördert und verdichtet sowie dabei zwischen Ansaug- und Druckseite ein Druckverhältnis zwischen 1 und 1,1 erzielt.

Bild 2: Quelle: Bild; fotolia, Text; http://de.wikepedia.org/wki/Ventilator

Maschinen mit einem Druckverhältnis zwischen 1,1 und 3 sind Gebläse. Ventilatoren und Gebläse werden auch als Lüfter bezeichnet, insbesondere wenn sie zur Luftabsaugung vorgesehen sind. Im weiteren Sinn werden alle zu den Verdichtern gerechnet. Verdichter im engeren Sinn erzielen dagegen Druckverhältnisse von mehr  als 3. Im Verhältnis zur Leistung erzielen Ventilatoren aufgrund des niedrigen Druckverhältnisses hohe Volumenströme. Gebläse wegen des mittleren Druckverhältnisses mittlere Volumenströme. Für die, die jetzt ganz verwirrt sind, das Ganze einfach in Bildern.

Bild 3: Quelle: TROX-TLT, Berliner Luft, Nicotra Gebhardt, TLT Turbo, Reitz Ventilatoren 

Unter dem Sammelbegriff Ventilatoren laufen die verschiedensten Ausprägungen. Während  grundsätzlich zwischen Axial- und Radialventilatoren unterschieden wird, ist ein weiteres Unterscheidungskriterium die Anwendung. Hier wird zwischen Klimaventilatoren oder auch  Ventilatoren der Technischen Gebäude Ausrüstung einerseits

Bild 4: Quelle: Reitz Ventilatoren, TLT Turbo

und den Industrieventilatoren bzw. Prozess-Ventilatoren andererseits unterschieden. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Ventilatoren prägen hier deutlich die Ausführungen und Bauarten der Ventilatoren.

Bild 5: Quelle: IKTD Universität Stuttgart, Dipl.-Ing. Matthias Bachmann und Dipl.-Ing. S. Recker 

Allen gemeinsam ist die Tatsache, dass der Produkt-Lieferant im Ventilatorenbau  versucht das eigentliche Produkt, also den Ventilator zu optimieren, d.h.; Die optimale Auslegungsdrehzahl zu finden,  mittels CFD-Analyse die Laufradströmung und damit den Wirkungsgrad zu verbessern,  mittels FEM  und Modal-Analysen die Laufradbelastung und damit Festigkeit  mit kleinst möglichen Massen zu realisieren, Untersuchungen der Lagerbelastung durchzuführen, sowie Maßnahmen zu Geräuschreduzierung vorzunehmen.

Kurz er ist bemüht, im Sinne der zuständigen EU-Richtlinien  und Verordnungen, ein effizientes Produkt zu gestalten, zu fertigen und zu liefern.

Bild 6: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Der nächste Schritt in der Entwicklung des Ventilatorenbaus ist der Systemlieferant. Dies vor allem getrieben durch die EU-Richtlinien, wie der Er-P-Richtlinie 2009/125/EG sowie der speziell auf Ventilatoren bezogene Verordnung (EU) Nr. 327/2011, aber auch der internationalen Normenreihe IEC 61800-9, die eine ganzheitliche Betrachtung der Effizienz eines kompletten Antriebsystems ermöglicht. Die deutsche Fassung dieser internationalen Norm ist mit der  DIN EN 61800-9-2 am 01.01.2018 veröffentlicht worden und ersetzt die bisherige DIN EN 50598-2. Hierin heißt es, um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex      (EEI) -Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Also das Zusammenspiel des kompletten Ventilatorsystems.

Mit der internationalen Normreihe IEC 61800-9 wurde im Jahr 2017 ein normatives Werkzeug veröffentlicht, das unter anderem eine objektive Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen, aber auch des erweiterten Produktbereiches ermöglicht. Die Effizienzklassen der Complete Drive Module (der Frequenzumrichter) werden hierin in den Klassen IE0 bis IE2 festgelegt. Vergleichbares gilt für das Power Drive System also das komplette Antriebssystem (Motor+FU). Bei der Ermittlung der Verluste eines Power-Drive-Systems werden die Einzelverluste des Motors und des kompletten FU´s addiert. Die Verlustbestimmung wird in 8 Betriebspunkten ermittelt. Um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex (EEI)-Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Die Arbeitsmaschine ist in unserem Fall der Ventilator.

Bild 7: Quelle: ZVEI – Handout – zu Norm EN 50598 – heute DIN EN 61800-9-2

Entscheidend dabei ist die Einsicht, nicht Komponenten sparen Energie, sondern Systeme in ihrer verfahrenstechnischen Anwendung.

Bild 8: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes von den verfahrenstechnischen Anforderungen des Kundenprozesses bestimmt wird, sollte also auch logischerweise die konzeptionelle Gestaltung, Lieferung und damit Verantwortung des erweiterten Produktes Ventilatorsystem in einer Hand bei dem Ventilatorlieferanten angesiedelt sein. Nur er kann bei den vom Verfahrenstechniker vorgegebenen Lastpunkten einer Anlage die mit der Ventilatorkennlinie und dem entsprechend gewählten Regelungskonzept sich ergebenden Arbeitspunkte und damit den Energieeffizienzindex (EEI) des kompletten Ventilatorsystems (CFS) bestimmen bzw. ein für die Anforderungen entsprechendes Ventilatorsystem auslegen. Eine strikte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich bereits aus Energieeffizienzgründen, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Das es weitere Gründe für die einheitliche Behandlung als Ventilatorsystem gerade im Zuge der Digitalisierung gibt, wird in dem weiteren Verlauf dieses Beitrags deutlich.

Eine sehr gelungene Umsetzung eines kompletten Ventilator-Systems aus dem Niederdruckbereich sehen Sie hier mit einer Baureihe der Firma ebmpapst. Und zwar das Ventilator-System der Baureihe RadiFit:

Bild 9:  Quelle: ebmpapst Produkt RadiFit 

Es besteht aus den Komponenten: Spiralgehäuse, Hochleistungslaufrad, GreenTech EC-Motor und  der elektronischen Steuerung für eine stufenlos steuerbare Drehzahl mit integriertem Blockier- und Übertemperaturschutz.

Bei dieser Art Ventilatoren, würde kein Kunde auf die Idee kommen den Antrieb oder die Regelung beizustellen. Ganz abgesehen davon, dass ebm-papst die Antriebe auch selbst herstellt.

Bild 10: Quelle: ebmpapst Produkt RadiCal

Bei dem rückwärtsgekrümmten GreenTech EC-Ventilator der RadiCal Baureihe handelt es sich um eine All-in_One Lösung aus einer Hand. Also Laufrad, GreenTech EC-Motor mit integrierter Steuerelektronik und Spiralgehäuse. Zus. einer zum Patent angemeldeten Volumenstrommessung  mit Flügelradanemometer, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren und einer MODBUS-RTU Schnittstelle. ebm-papst zeigte 2018 auf der Messe Chillventa in Nürnberg bereits die Linie GreenIntelligence. Hierbei entwickelt ebm-papst aus energieeffizienten Ventilatoren und Antrieben eine intelligente vernetzte Komplettlösung. Alle Produkte mit GreenIntelligence von ebm-papst sind IoT-fähig und mit jedem System vernetzbar – und das schnell und einfach per Plug & Play. D.h. hier sind Smart Fans bereits Realität.

Bild 11: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz

Anders sieht das bei den sogenannten Industrie- bzw. Prozeß-Ventilatoren aus. Hier wollen oft sogar die Ventilatorlieferanten nichts mit der E-Technik, geschweige denn  der Leistungs-Elektronik zu tun haben. Denn wie höre ich häufig. „Wir sind ja schließlich Maschinenbauer“. Aber auch hier besteht das komplette Ventilator-System immer aus dem eigentlichen Ventilator (also dem Laufrad, dem Gehäuse, bei separater Lagerung den Lagern, den  Moment übertragenden Komponenten (Kupplung, Riementrieb) und den Konsolen etc.)

Bild 12: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Danfoss, ABB, Siemens, REEL S.r.l.

dem Antrieb – In den meisten Fällen einem Elektromotor, wobei man je nach Einsatzbedingungen und Antriebsgröße entscheiden muss, welche Antriebslösung die richtige ist. Drehstromasynchronmotor mit Alu-Läufer. Drehstromasynchronmotor mit Kupferläufer. Synchronmotor mit Permanentmagneten am Rotor. Synchronreluktanzmotor dessen spezielles Rotordesign den magnetischen Fluss führt und so ein Reluktanzmoment erzeugt. Wobei der Synchronmotor mit Permanentmagneten bei kleineren Leistungen und hohen dyn. Anforderungen und der Synchronreluktanzmotor bei Leistungen bis max. 450 kW  die richtige Wahl bei dem Wunsch nach einer Effizienzklasse >=IE4 in Verbindung mit einem Frequenzumrichter sind. Die verschiedenen Motorkonzepte beeinflussen erheblich den Antriebswirkungsgrad.

Bild 13: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz, CG Drives & Automation, Siemens, ABB, Danfoss

Die dritte wichtige Komponente ist die Regelung.

Ob Drosselklappenregelung, Drallregelung oder Drehzahlregelung, und hierbei je nach Leistung mit einem Aufsatz-FU, mit einem Einbaugerät oder einem kompletten Schranksystem. Der richtige Antrieb (Motor +FU) bestimmt schon einmal den Antriebssystem-Wirkungsgrad. In Verbindung mit dem Ventilator dann den Ventilatorsystem-Wirkungsgrad und was viel wichtiger ist, durch die Unterschiede in der Regelungsart die unterschiedlichen Leistungsaufnahmen über den Regelbereich. Entscheidend  ist aber hier, dass das Ventilator-System, also Ventilator, Motor und Regelung exakt aufeinander abgestimmt ist. Wobei hier leider in der Praxis oft die Systemkomponenten auseinander gerissen werden (also nicht aus einer Hand geliefert werden), weshalb gerade die Abstimmarbeiten vernachlässigt werden, obgleich diese von großer Bedeutung sind, da es sonst bei nicht richtig abgestimmten Ventilator-Systemen bzw. falsch parametrierten Antriebssystemen zu Schwingungen und letztlich Schäden an den Ventilatoren kommen kann.

Wenn in den ErP-Richtlinien bzw. der EU-Verordnung Nr. 327/2011 vom Ventilator-System-Wirkungsgrad gesprochen wird, sind also zumindest diese drei Komponenten gemeint.

Bild 14: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Siemens, Reitz

Zwar nicht im Sinne der EU-Richtlinie 327/2011, wohl aber im Sinne der Anforderungen an ein optimales Ventilator-System, gehören die aktiven oder passiven Maßnahmen zur Schallreduktion mit in die Betrachtung. Denn auch hier gewinnen durch steigende Marktanforderungen und verschärfte gesetzliche Bestimmungen maschinenakustische Produktanforderungen immer mehr an Bedeutung.

Ist damit das Ventilator-System abgerundet? – Ich sage nein.

Denn wenn wir im Ergebnis erweiterte digitale Geschäftsmodelle anstreben, müssen erst die Grundlagen, die digitale Geschäftsmodelle erst möglich machen, gelöst und damit vorhanden sein.

Hierzu zählen, die Sensorik, Konnektivität, Cloud-Nutzung, das Arbeiten mit Digitalen Zwillingen und den Plattform-Technologien.

Im Teil 2 werde ich über die Sensorik berichten bzw. versuche ich zu der Frage, wie bekommen wir die Daten zu einer vorausschauenden Wartung bis hin zu einem IoT-basierten Predictive Maintenance des CFS in den Griff, Antworten zu finden.

Aion von AiSight – Maschinenüberwachung inkl. Echtzeit FFT-Analyse (Fast Fourier Transform) und KI-Algorithmen in der Firmware dank Edge-Computing Architektur

Zwei wichtige Faktoren, die bei der Entwicklung einer Digitalisierungsstrategie berücksichtigt werden müssen, sind, dass alle Prozesse digitalisiert werden können und dass dies manchmal einfacher ist als gedacht.

Basierend auf diesen Prinzipien wächst AiSight, ein in Berlin ansässiges, junges, internationales Startup, weiterhin erfolgreich.

Die neueste Version ihrer Lösung „Aion“ wurde gerade veröffentlicht.  Es nutzt Algorithmen der künstlichen Intelligenz, um den Zustand einer Maschine in Echtzeit zu bestimmen, Fehler vorherzusagen und die Maschinenparameter basierend auf Sensordaten dynamisch zu regulieren.  Aion besteht sowohl aus Hardware- als auch aus Softwarekomponenten.

Die Hardware besteht aus einem Sensorkit, das eine Vielzahl von Sensoren enthält und so optimiert ist, dass eine Plug & Play-Installation ohne spezielles Fachwissen möglich ist.

Die Software verwendet maschinelle Lernmodelle, um den Zustand einer Maschine zu bewerten, Anomalien zu identifizieren und Fehlerursachen basierend auf Mustern und physikalischen Parametern in den Sensordaten zu bestimmen.  Der Schlüsselalgorithmus dieser Lösung ist das „akustische Fingerprinting“, bei dem physikalische Parameter aus den Sensordaten extrahiert werden, um Muster zu identifizieren.

Was Aion von anderen Lösungen auf dem Markt unterscheidet, ist die einfache Implementierung und Skalierbarkeit, die diese sehr fortschrittlichen Analysen auch für KMU zugänglich macht.

Unter den Anwendungen von Aion finden sich auch Industrieventilatoren.  Die Funktionsweise der Lösung setzt ein gründliches Wissen darüber voraus, weshalb solche Maschinen ausfallen können.  Basierend auf diesem Wissen ist es möglich, die von Ventilatoren oder anderen Maschinen ausgehenden Schwingungen zu interpretieren und sie mit einem bestimmten Fehler zu verknüpfen.

Die Hauptfehler, mit denen Industrieventilatoren konfrontiert werden können, sind Lagerfehler.  Die Lager sind eine der wichtigsten Komponenten eines Ventilators, daher kann die Vorhersage ihrer Fehlfunktion äußerst wichtig sein.  Die Hauptursachen für einen Lagerfehler sind Schmierung (das Schmiermittel kann aufgrund hoher Temperaturen unzureichend, ungeeignet oder verschlechtert sein) und Verunreinigungen, die auftreten, wenn Fremdstoffe und Partikel mit dem Lager in Kontakt kommen.

Durch Beobachtung von Vibrationen ist es möglich, einen Lagerfehler zu erkennen.

 

 

 

 

(Abbildung 1)

Die Vermeidung von Lagerfehlern ist auch möglich, indem wichtige Ereignisse überwacht werden, die die Wahrscheinlichkeit von Lagerfehlern erhöhen können. 

Es folgen einige Beispiele.

-Unwucht. Diese Fehler treten im Allgemeinen auf, wenn sich Material auf den Laufradschaufeln ansammelt und dies dann von einigen Schaufeln ungleich abplatzt oder wenn hohe Temperaturen, die ein Ventilator im Betrieb erreicht, eine ungleichmäßige Ausdehnung einiger Komponenten des Laufrades verursachen. Diese Unwucht erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Lagerfehlers exponentiell. 

 

 

 

 

(Abbildung 2)

-Fehlausrichtung:  Dieser Fehler hängt hauptsächlich mit der falschen Installation neuer Geräte (wie Kupplung, Antrieb etc.) oder mit Wellen und Lagern zusammen, die nicht richtig montiert wurden.

 

 

 

 

 

(Abbildung 3)

Neben der Erkennung von Fehlern oder Schlüsselereignissen, die zu diesen führen könnten, kann die Vibrationsüberwachung auch die aktuellen Wartungsvorgänge optimieren.  Es gibt zwei Beispiele für Fehler, die auf unsachgemäße Wartungsarbeiten zurückzuführen sind.

Erstens treten nach Wartungssitzungen, bei denen das Lager auf der Welle gewechselt wird, häufig Fehlausrichtungen auf.  Durch die ständige Überwachung von Industriemaschinen ist es auch möglich, solche Fehler sofort zu erkennen.

Zweitens ist bei Industrieventilatoren eine ordnungsgemäße Reinigung der Schaufeln von grundlegender Bedeutung.  Eine zu häufige oder zu späte Durchführung dieses Vorgangs kann zu einer Verringerung der Effizienz führen.  AiSight ist in der Lage, diese Art von Fehlern zu erkennen und die Planung der Wartungsvorgänge zu vereinfachen, um mit maximaler Leistung zu arbeiten.

Die Art und Weise, wie AiSight den Bediener auf all diese Fehler aufmerksam machen kann, ist sehr einfach: Aion kann an jede Industriemaschine angeschlossen werden.  Seine Sensoren verfolgen viele Parameter wie Temperatur, Magnetfeld und hauptsächlich Vibration.  Die dreiachsige Analyse ermöglicht eine hochauflösende Überwachung aller Arten von Geräten. Die Firmware führt eine FFT-Analyse (Fast Fourier Transform) und eine Reihe verschiedener Signalverarbeitungstechniken in Echtzeit durch.  Die FFT-Analyse kann die Zeitbereichsdaten erfassen mit der Erkennung von transienten Signalen, Schwebungen sowie wiederkehrenden Stoßfolgen und diese in den Frequenzbereich umwandeln, um den Bedienern zu zeigen, wie sich die Vibrationen der Maschine verhalten und wie diese mit der Normalität verglichen werden (wie in den obigen Grafiken dargestellt).  Die Analyse der Frequenzgraphen erleichtert die Erkennung der Grundursache hinter jedem Fehler.  Die Algorithmen für maschinelles Lernen, die die Analyse durchführen, sind bereits für die Interpretation dieser Daten geschult und für die direkte Anwendung in den im Sensor eingebetteten leistungsstarken Mikroprozessoren optimiert.  Dies ist möglich durch eine Kombination der neuesten Fortschritte in der Mikroprozessortechnologie und der Optimierung von Algorithmen für extrem leistungsschwache Umgebungen.  Die Edge-Computing-Architektur impliziert, dass nur relevante Daten an die Cloud gesendet werden, wodurch der Datenverkehr erheblich reduziert wird.

Alle Daten sind in Echtzeit auf dem Dashboard sichtbar. Wenn ein Fehler erkannt wird, werden Warnungen nicht nur über das Dashboard (siehe Titelbild), sondern auch per E-Mail und SMS gesendet, um ein rechtzeitiges Eingreifen zu ermöglichen.

Bei rotierenden Geräten kann diese Analyse zu einer durchschnittlichen Erhöhung der Betriebszeit um 6% führen, was sich positiv auf die Gesamtanlageneffektivität (OEE) auswirkt.  Die Wartungsproduktivität kann sich im Durchschnitt um 45% verbessern. Meistens wird sie entsprechend den Anforderungen der Geräte geplant und durchgeführt, wodurch die Belastung der Bediener durch ungeplante Eingriffe verringert wird.

Ventilatorenbauer und elektrische Antriebstechnik vereint der Systemgedanke

Ausgangsbasis, Antriebskraft und Zielsetzung der EU-Richtlinien ist die Forderung nach Energieeffizienz.

Sowohl die Verordnung (EU) Nr. 327/2011 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Ventilatoren, die durch Motoren mit einer elektrischen Eingangsleistung zwischen 125 W und 500 kW angetrieben werden, als auch die auf die elektrischen Antriebe bezogene EN 50598 kommen zu der Einsicht, dass nicht Komponenten Energie einsparen sondern komplette Systeme in den tatsächlichen Anwendungen.

So wurden erstmals in der EU-Verordnung Nr. 327/2011 bei der Mindesteffizienz-Anforderung an Ventilatoren die Wirkungsgrad- bzw. Verlustbetrachtungen nicht nur für das Produkt Ventilator, sondern für das Gesamtsystem Ventilator, inkl. Gehäuse, Moment übertragende Komponenten, Antriebsmotor und Regelung deklariert. Bei der Regelung werden hier allerdings nicht so deutlich wie interessanterweise bei der Antriebstechnik verschiedene Lastpunkte festgeschrieben. Dies kann bei der reinen Betrachtung im Auslegungspunkt zu der kuriosen Situation führen, dass hier ein im Auslegungspunkt offenes Regelorgan Klappe bzw. Drallregler weniger Verluste aufweist als ein CDM (Complete Drive Module = Frequenzumrichter). Was ganz anders aussieht, wenn mehrere Lastfälle betrachtet werden.

Bei der Norm zur Ökodesignanforderung für elektrische Antriebssysteme im Niederspannungsbereich EN 50598 hingegen wird die Verlustbestimmung sowohl der Antriebskomponenten Motor, als auch CDM in 8 verschiedenen Auslastungspunkten vorgegeben. Diese Einzelverluste werden dann zu den Power-Drive-System- / Motorensystemverlusten addiert. Erwähnt wird hier bereits auch der Energieeffizienindex (EEI) einer elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine. Wobei hier lediglich der Hinweis erfolgt, dass zur Ermittlung des EEI die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen müssen um dann die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Moment übertragenden Module hinzu zu addieren.

Beides die Arbeitmaschine (in unserem Fall der Ventilator) und das Motorsystem (PDS) bilden das Erweiterte Produkt bzw. in unserem Fall das Ventilatorsystem. Obgleich ja gerne alle Abkürzungen aus den englischen Begriffen hergeleitet werden, habe ich für das Ventilatorsystem noch nichts passendes gefunden. Vorschlag nennen wir es doch einfach CFS (Complete Fan System).

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes zu den verfahrenstechnischen Anforderungen des Kundenprozesses bestimmt wird, sollte also auch logischerweise die konzeptionelle Gestaltung, Lieferung und damit Verantwortung des erweiterten Produktes Ventilatorsystem in einer Hand bei dem Ventilatorlieferanten angesiedelt sein. Nur er kann bei den vom Verfahrentechniker vorgegebenen Lastpunkten einer Anlage die mit der Ventilatorkennlinie und dem entsprechend gewählten Regelungskonzept sich ergebenden Arbeitspunkte und damit den Energieeffizienzindex (EEI) des kompletten Ventilatorsystems (CFS) bestimmen. Eine strickte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich dafür, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Systemverantwortung gehört in eine Hand

Obgleich die Verordnung (EU) 327/2011 hohe Ventilator-System-Wirkungsgrade fordert, finde ich als Berater zur Effizienz von Prozeß-Ventilatoren immer wieder grundlegende Fehler in den Anlagen vor, die aus teilweise effizienten Einzelkomponenten ineffiziente Ventilator-Systeme ergeben.

Warum ist das so?

  1. Ausschreibungsfehler:                                                                                                                     Obgleich bekannt ist, daß gut 31,3 % entsprechend ca. 170 TWh des Stromverbrauchs in Deutschland auf elektrische Antriebe bzw. elektromotorisch angetriebene Systeme entfallen, und davon ein großer Teil auf die Querschnittstechnologien Pumpen und Ventilatoren entfällt, werden in den Ausschreibungen leider immer noch absolut uneffiziente Regelungskonzepte vorgegeben. Hier sollten die Planer endlich einmal überhohlte Ausschreibungs-Spezifikationen überarbeiten und nicht alt hergebrachtes dauern aus der Schublade ziehen. Denn hier könnten allein durch effizientere Motore und Drehzahlregelung rund 28,5 TWh/Jahr eingespart werden. Bei nur 10 ct/kWh ergäbe dies eine Kosteneinsparung von 2,85 Mrd. €/Jahr bzw. eine Senkung des CO2-Ausstoßes von 17 Mio. t/Jahr. Auch wenn dem Anlagenbauer (2-ter in der Kette) diese Tatsache bewusst ist, bleibt ihm nichts anderes übrig, als erst einmal gemäß Ausschreibungs-Spezifikationen anzubieten, will er den Auftragszuschlag erhalten. Kommt dann der Ventilator-Lieferant (3-ter in der Kette) und  will seinen Kunden (den Anlagenbauer) von dem besseren, weil effizienteren Konzept überzeugen, indem er aufwendig alternative Lösungen aufzeigt, ist für derartige Konzepte kein Geld im Budge. D.h. hier gehen dann wieder einmal Investkosten vor den Lebenszykluskosten.
  2. Verfahrenstechnische Einbindung:                                                                                               Leider werden auch häufig Prozeß-Ventilatoren verfahrenstechnisch falsch eingebunden. So sind mir Saugzugventilatoren in Rauchgasreinigungsanlagen aufgefallen, die je einer Reinigungsstufe zugeordnet sind und mit einer offenen Bypaßregelung eingesetzt waren. Als der Betreiber die Leistung erhöhen wollte sind ihm Umrüstungen der Saugzüge auf höhere Leistung und mit Drehzahlregelung angeboten und eingebaut worden. Mit dem Ergebnis, daß die Drehzahlregelung selbstverständlich vollkommen unwirksam ist, da der neue Saugzug so halt nur ein noch höheren Volumenstrom im Kreislauf bei voller Drehzahl fördert. So bringt selbst die effizienteste Antriebstechnik keine Energie-Ersparung.
  3. Zu- und Abströmbedingungen:                                                                                                       Durch strömungstechnisch schlechte An- und Abströmverhältnisse reduziert sich nicht nur der Wirkungsgrad eines Ventilator-Systems um mehrere Prozentpunkte, nein bei den so entstehenden Verwirbelungen und instationären Strömungszuständen können auch erhebliche Schäden verursacht werden. Auch hier beginnen die Fehler meist bereits in der Planung der Gesamtanlage. Planer sind stolz jeden Quadratmeter Fläche ausgenutzt zu haben und Luft- und Rauchgaskanäle mit 90-Grad Umlenkungen unter Ausnutzung jeder freien Ecke Platz optimal geführt zu haben. Damit dann die Anlage noch kompakter und günstiger wird, werden Kanalquerschnitte noch weiter reduziert. Allein hier könnten durch strömungsgerecht ausgeführte Kanalführungen und somit Widerstandreduzierungen erhebliche Energie-Einsparungen erzielt werden.  Mir sind Umrüstungen bekannt bei denen allein an einem großen Saugzuggebläse bei gleicher lufttechnischer Leistung der Energiebedarf von vorher 9.902 kW auf 8.675 kW reduziert werden konnte. Eine Energie-Einsparung von 1.227 kW. Bei einer Anlagenlaufzeit von 8.000 h/Jahr also 9.816.000 kWh entsprechend bei 10 ct/kWh immerhin eine Kostenreduzierung von 981.000,– Euro/Jahr.

Fazit:                                                                                                                                                                 Die Verordnung (EU) 327/2011 fordert hohe System-Wirkungsgrade. Dann sollten Ventilator-Lieferanten auch System-Verantwortung übernehmen. Das geht aber nur, wenn der Liefer- und Leistungsumfang auch in die Hand des Ventilator-System-Lieferanten gegeben wird.

Augmented Automation Service eine Lösung für Ventilator-System-Anbieter?

Bildquellen: HBC Horst Benderoth Consulting, Reitz Ventilatoren, Alexander Bürkle,  

Der technologische Fortschritt bei dem Thema IoT (Internet of Things) und dem exponentiellen Wachstum der Rechnerleistung wird uns Lösungen als denkbar erscheinen lassen, bei dem sich das Ventilator-System selbst überwacht und bei drohenden Störungen sich rechtzeitig beim zuständigen Service-Personal anmeldet.

So wie heute schon E-Motore mit der Remote Condition Monitoring-Lösung, mit intelligenten Sensoren ausgerüstet werden können, die Daten zu Vibration, Temperatur, Überlastung, Energieverbrauch etc. liefern und mit seinen On-Board-Algorithmen Informationen über den Zustand des Motors über ein Smartphone oder das Internet an einen sicheren Server weiterleiten, könnte dies eine Entwicklung für das gesamte Ventilator-System sein.

Ist die von der Leistungselektronik gesteuerte Drehzahlregelung, der Beginn zur Digitalisierung des Ventilatorsystems?

Online Condition Monitoring ist heute – erlauben Sie mir hierzu einen Blick in die Zukunft.
Das Ventilatorsystem ist komplett mit Smart Sensoren ausgestattet.

Folgendes Szenario in Anlehnung an den Bericht „keine Angst vor der automatisierten Wartung“  Autor: Anne Prokopp – erschienen unter www.industry-of-things.de  auf Ventilator-Systeme bezogen, würde sich wie folgt darstellen:

Ein Servicetechniker wird über eine Push-Benachrichtigung auf seinem Smartphone über einen abweichenden Sollwert informiert. Parallel dazu wird im Issue-Tracking-System (ITS) ein Ticket zu diesem Vorgang angelegt. Das ITS ist mit dem Enterprise Resource Planning (ERP) verbunden, worüber die Wartungshistorie der Maschine beziehungsweise des Bauteils eingesehen werden kann. Hinweise, wie ein defektes Bauteil zu wechseln ist, erhält der Servicetechniker aus der technischen Dokumentation in Form von Hilfevideos, Bildern und Texten auf sein Smart Glasses. Während der kompletten Maßnahme besteht jederzeit die Möglichkeit, sich über Remote Service Hilfe bei einem Kollegen oder Vorgesetzten zu holen, der sich an einem anderen Ort befindet, bzw. bidirektional mit einem entfernten Experten zu kommunizieren. Mittels Augmented Reality, also permanente, mobile Erweiterung der visuellen Warnehmung durch Einblendung von Echtzeitinformationen mittels Head-Up-Displays kann so der Experte dem Servicetechniker vor Ort die notwendigen Informationen einblenden und ihn bei der Fernwartung führen. Das heißt, Augmented Automation Service- Lösungen. Also audiovisuell unterstützte Fernwartung.

Eine Anbindung an das Lagerverwaltungssystem bucht dann das verbaute Ersatzteil automatisch aus dem Bestand. Der Tausch wird dokumentiert und mit allen generierten Daten in der Wartungshistorie abgelegt.

Der wirtschaftliche Vorteil läge nicht nur in einer ausfallsicheren Anlage für den Betreiber, sondern auch in einem deutlichen Mehrwert des Service-Anbieters.

Erforderliche Abstimmarbeiten des Ventilator-Systems

Spätestens seit der EU-Richtlinie 327/2011 hat sich bei Ventilatoren die Systembetrachtung durchgesetzt. Wobei die Richtlinie vordergründig nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems im Blickwinkel hat.

Bei kleineren Ventilator-Einheiten, wie sie beispielsweise in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik eingesetzt werden, ist der Systemgedanke gängige Praxis. Hier wird zur Erreichung eines guten Systemwirkungsgrades und damit eines effizienten Produktes an allen Stellschrauben gedreht. Bei den sogenannten EC-Ventilatoren reicht das von aerodynamisch optimierten Hochleistungslaufrädern in optimerten Gehäusen mit Spiralkontur, über den Einsatz von EC-Motoren (Electronical Commutation), also Synchron-Motore mit Permanentmagneten und elektronischer Kommutierung (Stromwendung) durch Transistoren bis hin zur passenden elektronischen Steuerung für eine stufenlose steuerbare Drehzahl. Der erforderliche mechanische, elektrische akustische und letztlich schwingungstechnische Abgleich ist hier, bei Lieferung eines Gesamtsystems aus einer Hand eine Selbstverständlichkeit.

Anders sieht dies bei größeren Prozeß-Ventilatoren aus. Die auf den ersten Blick aus kommerzieller Sicht selbstverständliche Aufteilung der Liefergrenzen – Ventilator (Maschinenbau) auf der einen Seite, regelbarer Antrieb, also Motor und Frequenzumrichter, zur E-Technik bzw. Regelungstechnik auf der anderen Seite – hat nicht nur den Nachteil einer unklaren Verantwortlichkeit des Ventilator-Systemwirkungsgrades, diese Aufteilung führt auch zu einer Grauzone in der sich für das Abstimmen im Hinblick auf einen schwingungsarmen Lauf nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 keine der beiden Lieferparteien zuständig fühlt, und so diese zwingend erforderlichen Arbeiten meist vernachlässigt werden. So treten zwangsläufig Schwingungsprobleme des Gesamtsystems auf, mit dem Ergebnis, dass die Schwingungsprobleme und die hieraus entstehenden Schäden als Garantiepunkt zwischen den Parteien strittig hin und her geschoben werden.

Das Ergebnis meiner Untersuchungen in den vielen Jahren meiner aktiven beruflichen Laufbahn zeigte nun, dass es sich bei einem drehzahlgeregelten Ventilator-System schwingungstechnisch um ein sehr komplexes System handelt. Dieses System ist nicht einmal mit Hilfe modernster Rechnerprogramme, wie z.B. Finite Elemente oder Modalanalysen, in einem angemessenen Aufwand vorausbestimmbar. Da z.B. bei einer Wellenstrangberechnung nicht nur die Federkonstanten der Einzelelemente Motorwelle, Kupplung, Ventilatorwelle sondern als Ansatz der Berechnung natürlich auch die Antriebsdrehmomente, der Regelbereich und damit die Erregerfrequenzen bekannt sein müssen. Hier gibt es aber zu dem gewollten und berechenbaren Antriebsgrunddrehmoment eine Vielzahl an systembedingten, und vor allem durch Parametrierung veränderbaren, zur jeweiligen Grundfrequenz überlagerten Oberwellendrehmomente. D.h. eine rein theoretische Betrachtung ist so gut oder falsch wie der Ansatz. Das bedeutet, Resonanzschwingungen können konstruktiv nur aufwendig vermieden werden, wenn die Erregerfrequenzen, -momente bzw. –kräfte bekannt sind. Diese sind aber parametrierbar und insofern im Voraus nicht festlegbar.

Die Ursache liegt also in der Kombinationsvielfalt von den verschiedensten Erreger- und Eigenschwingungen:

Im Folgenden sind einige der Schwingungsursachen dargestellt.

  1. Der gewünschte Regelbereich von z.B. 5-50 Hz, d.h. ein weites Spektrum an Erregerfrequenzen.
  2. Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters enthält neben der gewünschten Grundschwingung Lamda = 1 eine Reihe von Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen Lamda = 5,7,11 usw. Diese Oberschwingungen bewirken abwechselnd mit- und gegensinnig zu den Grundschwingungsfeldern mit lamda-facher Geschwindigkeit umlaufende zusätzliche Drehfelder. Hierdurch können asynchrone Sattelmomente gebildet werden. In jedem Fall aber treten zusätzliche magnetische Anregungen durch Umrichterspeisung im Motor auf.
  3. Resonanzen können im Motor und im Ventilator auftreten. Ein Beispiel: Allein die Tatsache, Wälzlager bei verschiedenen Frequenzen von 5-50 Hz zu betreiben, kann im Lager zu Resonanzen führen. Wird die Erregerfrequenz jetzt noch von Oberwellen lamda-facher Ordnung überlagert, ist die Wahrscheinlichkeit, Resonanzpunkte zu erhalten, um ein Vielfaches gestiegen.
  4. Resonanzverhalten durch Eigenspannungen: Ein Ventilator bleibt selbst bei stabilster Ausführung letztlich eine Blechschweißkonstruktion mit den verschiedensten Eigenspannungen im Blech, schwingungstechnisch ein idealer Resonanzkasten. Erregt man diesen, wie unter 1. und 2. beschrieben, trifft man mit 90%-iger Sicherheit auf Resonanzpunkte, die durch Verstimmen beseitigt werden müssen.
  5. Nicht zu unterschätzen ist die Tatsache, dass bei einem Ventilator ein kompressibles Medium gefördert wird, das kleinste drehfrequente Schwingungen verstärkt und nicht, wie z.B. bei einer Pumpe, dämpft. Dies ist im Übrigen auch ein Grund warum bei Ventilatoren mit falsch parametrierten Frequenzumrichtern es bei Anlagen mit häufigen Lastwechseln zu Kupplungsschäden kommt.

Außer der Schwingungsproblematik des Ventilators treten auch Resonanzschwingungen z.B. der Trafobleche des Antriebmotor durch Oberwellen bei FU-Betrieb auf. Diese führen zu einer Schallpegelerhöhung, die je nach FU-System und Parametrierung zwischen 5-12 dB(A) liegen kann. Aber auch angeregte Blechflächen des Ventilatorgehäuses oder der Motorkonsole können in Resonanzschwingungen versetzt werden und als solche wie eine Membrane wirken und selbst zur neuen Schallquelle, die die tonale Frequenz der Taktfrequenz des FU´s widerspiegelt,
werden.  

Letztlich führen sogenannte Common-mode Spannungen und Ströme bei nicht sachgerechter optinaler Ausstattungen des Motors und des Frequenzumrichters, aber auch des Erdungskonzepts durch ein kapazitiv eingekoppeltes Wellenpotential zu Lagerströmen und damit Lagerschäden.  

Konsequenz:

Das System Ventilator, Motor und Frequenzumrichter muss aus schwingungstechnischer Sicht so aufeinander abgestimmt werden, dass über den garantierten Regelbereich alle Resonanzschwingungen beseitigt werden, um die geforderte Schwinggüte nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 einhalten zu können. Die hierzu erforderlichen Arbeiten sind in jedem Fall von den Komponentenlieferanten zu fordern, da anderenfalls die erforderliche Schwinggüte nicht garantiert werden kann. Die Abstimmarbeiten eines drehzahlgeregelten Ventilators sollten idealerweise (soweit von der Leistungsgröße her wirtschaftlich sinnvoll) auf einem Ventilatorenprüfstand durchgeführt werden, weil nur hier klar zwischen elektrischen Schwingungen des Antriebs, mechanischen Schwingungen des Ventilators oder aber Schwingungen der vom Ventilator aufgebauten Gassäule (Pumpen, Strömungsabrisse, Verwirbelungen im Leitungssystem etc.) unterschieden werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich im Vorhinein Unstimmigkeiten über Ursache und Wirkung im Anlagenprozess vermeiden. Im Prüffeld kann jede Rückwirkung des Systems ausgeklammert werden und somit ein optimales und vor allem stabiles, schwingungsarmes Laufverhalten eingestellt, parametriert und dokumentiert werden. Dies ist auch mit ein Grund weshalb das Ventilator-System (also Ventilator, Motor und Regelung) auch bei größeren Prozeß-Ventilatoren in einer Hand bleiben sollte.

 

 

 

Nennen Sie das strömungsgerechte Ausführung?

Haben wir wirklich nichts dazugelernt?
Trotz der Möglichkeiten mittels CFD-Analysen strömungsgerechte Zu- und Abluftleitungen zu gestalten, sehen Leitungsführungen der Luft- bzw. Rauchgaskanäle heute nicht besser als früher aus.

Bei einer derartig schlechten Kanalführung,  wie diese CFD-Analyse der Firma NECON InnoSys GmbH bei der Untersuchung eines Ansaugkanals des Primärlüfters in einem Kraftwerk zeigt, kann weder der Ansaugschalldämpfer seine bestimmungsgemäße Wirkung entfalten, noch die nach dem Schalldämpfer sich ergebende Zuströmung zu dem Prozeß-Ventilator als optimal bezeichnet werden. Ganz im Gegenteil. Durch die Verwirbelung und ungleiche Anströmung des Schalldämpfers sorgen diese instationären Zustände für unterschiedliche Beaufschlagung der einzelnen Kulissenspalten. Diese zeitlich wechselnden Strömungsprobleme sorgen für Teilströmungen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und damit unterschiedlichen Druckverhältnissen zwischen den Kulissen. Diese Druckpulsationen führen auf Dauer zu Beschädigungen der Schalldämpfer-Kulissen.  Ganz abgesehen davon, daß die eigentliche Dämpfungswirkung des Schalls, für die der Schalldämpfer eigentlich ausgelegt ist, damit nicht erreicht werden kann.

Das selbst bei gleicher Kanalführung mit richtiger Anordnung von Leitblechen eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, bewies dieser Verbesserungsvorschlag der Firma NECON InnoSys GmbH. Über die Folgen ihres Tuns machen sich Anlagenplaner meistens keine Gedanken. Im Gegenteil der Komponentenlieferant wird bei auftretenden Problemen zur Beseitigung der Mängel aufgefordert. Was Ursache und was Wirkung ist, läßt sich in einem Kunden- Lieferanten Verhältnis meist schwer klären. Deshalb möchte ich in dem HDT Seminar „VENTILATOREN – Systembetrachtung, Anlagenintegration und Akustik“ u.a. in einem Referat darauf hinweisen, welch enormer Einfluss und Einbußen der Energie-Effizienz derartig unüberlegtes Handeln bedeutet.
Schicken Sie mir Beispiele aus Ihren Anlagen und noch besser schicken Sie Ihre Anlagenplaner zum Seminar – wir möchten mit Ihnen über die Auswirkungen solchen Tuns diskutieren.

Nähere Informationen finden Sie unter;

Bypaßregelung die größte Energievernichtung

Im Rahmen meiner Beratungstätigkeiten zur Energieeinsparung von Prozeßventilatoren habe ich eine Situation vorgefunden, bei der eine einfache Umrüstung der Ventilatoren auf Drehzahlregelung keinen Erfolg gebracht hätte.

Bei der Auswertung der Daten für die mittlere Jahresauslastung der Anlage , stellte ich fest, dass trotz Teillast der Anlage die  3 Saugzüge der diversen Rauchgasreinigungsstufen in einer offenen Bypaßregelung betrieben wurden.

Hierdurch ziehen die Saugzüge soviel Rauchgasvolumen über den Bypaß zurück, wie diese in der Überwindung des mit höherem Volumen zum Quadrat steigenden Widerstand in der Anlage bedingt durch ihre Ventilatorkennlinien her schaffen. D.h. die Saugzüge wurden mit offenem Drallregler trotz Teillastbetrieb der Anlage betrieben und schafften noch nicht einmal den Auslegungsvolumenstrom durchzusetzen.

Bei dieser Anlagenkonstellation würde also auch eine Umrüstung von Drall- auf Drehzahlregelung keine Energieeinsparung bewirken, da die Saugzüge auch dann mit voller Drehzahl betrieben würden.

Ich habe dem Anlagenbetreiber deshalb vorgeschlagen zus. Klappen in die Bypaßstrecken einzubauen und diese soweit geschlossen zu halten, wie es verfahrenstechnisch für eine Mindestdurchflussmenge der einzelnen Filterstufen erforderlich ist. Anschließend die Saugzüge auf Drehzahlregelung umzurüsten.

Die sich durch diese Maßnahmen ergebenden Betriebspunkte auf den Kennlinien der Saugzüge ergeben dann eine Energie-Einsparung von ca. 68%.