Auch ein intelligentes Filtersystem kann maßgeblich zu einem effizienten und ausfallfreien Produktionsprozess verhelfen.

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Smarter Filtercontroller Mit intelligenten Systemen Arbeitsabläufe verändern

04.03.2020

Eine ungeplante Produktionsunterbrechung kommt ein Unternehmen teuer zu stehen. Dabei können Ausfälle mit intelligenten Systemen vermieden werden. So ist mit einem smarten Filtersystem nicht nur eine Fernüberwachung in Echtzeit möglich, auch die Wechselzyklen lassen sich besser planen und Ersatzteile automatisch nachbestellen.

Ein Produktionswerk für hochwertige Industrielacke: Die Anlage läuft störungsfrei. Vor der Abfüllung in die Transportgebinde durchläuft die Charge einen letzten Filtrationsschritt, damit in die Liefergebinde keine Verunreinigungen aus dem Prozess eingetragen werden.

Doch plötzlich verringert sich der Durchsatz rapide und der Abfüllvorgang muss schließlich unterbrochen werden. Der Filter ist verblockt. Nichts geht mehr. Eine hektische Suche nach den richtigen Ersatzelementen beginnt. Die Ersatzelemente sind glücklicherweise im Lager vorhanden, aus Sicherheitsgründen sogar in hoher Stückzahl. In aller Eile wird der Filterwechsel vorgenommen. Endlich kann der Abfüllvorgang neu gestartet werden.

Die ungeplante Produktionsunterbrechung ist nicht alleine ein Problem der Quantität, sondern auch der Qualität. Wäre das Filtersystem intelligent und damit in der Lage gewesen, die Anzeichen für sein eigenes Verblocken frühzeitig selbst zu erkennen und optimal zu visualisieren, hätte der skizzierte Fall mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden können.

Der Beladungszustand des Filters wäre nämlich zu jeder Zeit bekannt gewesen und er hätte zum optimalen Zeitpunkt darauf vorbereitet werden können, die zur Abfüllung anstehende Menge an Lack ohne Unterbrechung des Abfüllvorgang zu filtrieren. Der Fall lässt sich auf andere Filtertypen im selben Einsatzgebiet genauso übertragen wie auf andere Anwendungsfälle – zum Beispiel die Wein-und Sektfiltration, in der Tiefen- und Membranfilterkerzen eingesetzt werden.

Kein voreiliger Filterwechsel notwendig

Ein solches intelligentes Filtersystem hat die Firma Wolftechnik Filtersysteme entwickelt. Der smarte Filter bildet einen neuen Baustein innerhalb der Smart Factory und ermöglicht durch die echtzeitnahe Verfügbarkeit und die optimale Visualisierung der Informationen neue Ansätze in der Organisation und Steuerung der Filtersysteme.

Mit dem smarten Filter lässt sich die Filtration einfach überwachen und Filterwechselzyklen lassen sich besser planen. Auch die Nachversorgung mit neuen Filterelementen kann nicht mehr vergessen werden. Es ist somit weder erforderlich, einen Filter aus Sicherheitsgründen viel zu früh zu wechseln, noch einen hohen Sicherheitsbestand an Ersatzfiltern auf Lager zu bevorraten.

Das Herzstück, der smarte Filtercontroller, wurde in Zusammenarbeit mit dem Mittelstand-4.0-Kompetenzzentrum Stuttgart entwickelt. Denn hinter der Zukunftstechnologie steckt ein anspruchsvolles IT-Konzept, das in den Druckbehältern der Filtersysteme relevante Daten erfasst und verarbeitet. Ein erster Prototyp des smarten Filtercontrollers wurde bereits Ende 2018 erfolgreich getestet und in ein Wolftechnik-Filtersystem eingebaut. Derzeit arbeitet das Unternehmen daran, den Prototypen des smarten Filters zu einem verkaufsfähigen Serienprodukt weiterzuentwickeln.

Filtersystem wird zum Allround-Talent

Smarte Filtercontroller überwachen im Filtersystem diverse Betriebsparameter wie Differenzdruck, Temperatur und Durchfluss/Volumenstrom, übermitteln Daten und zeichnen sie zudem für die Protokollierung auf. Innerhalb der IT-Umgebung sind filterspezifische Informationen zu Ersatzteilen und -filtern hinterlegt sowie digitale Wartungs- und Prüfpläne eingestellt.

Bedienungsanleitungen für Wartung, Pflege und Filterwechsel, in Text und Bild visualisiert, leiten das Personal bei der Arbeit an. Das vereinfacht die Installation, aber auch Wartungs- und Servicearbeiten wie das Tauschen eines Filterelements.

Smarte Filter ermöglichen einen Austausch der Betriebsdaten mit einem externen Servicepartner. Bei Störungen am Filtersystem kann damit eine zeitnahe Diagnose durch den Experten erfolgen; Fehlerursachen können anhand der gesammelten Daten detektiert werden. Durch die Vernetzung mit dem Servicepartner lässt sich zudem die eigene Lagerhaltung optimieren, denn der Servicepartner kann Komponenten für den Filterwechsel just in time versenden. Die automatische Ersatzteilbeschaffung wird mit dem Benachrichtigungsservice aufgewertet.

Neben neuen Services handelt es sich beim smarten Filter um ein System zur vorausschauenden Wartung und Produktionsoptimierung. In der optisch an moderne Bedürfnisse angepassten Ausgabe der Daten, zum Beispiel auf dem Smartphone, Tablet oder in der Cloud, und in der Vernetzung mit dem spezialisierten Servicepartner liegen die großen Vorteile gegenüber einer reinen Überwachung des Filtersystems mit der SPS.

Die Cloud-Anbindung ist aber kein Muss, sondern vielmehr eine Option. Der smarte Filter kann auch über eine rein interne Datenanbindung in den vernetzten Produktionsprozess eingebunden werden.

Das smarte Funktionsprinzip

Die Mikrocontrollereinheit (MCU) kommuniziert mit den angeschlossenen Sensoren und mit einem im Umfeld des Endanwenders installierten Gateway (Rechner, der Daten- beziehungsweise Rechnernetze verbindet). Der Filtercontroller sendet einerseits die Sensorwerte wie Druck oder Temperatur an das Gateway, kann aber auch Befehle, wie die Anpassung der Abtastraten, empfangen.

Das Gateway ist der zentrale Eintrittspunkt in das Internet und sendet die Sensorwerte bei Bedarf in einer aggregierten Form an eine Datenbank, welche in der Cloud gehostet ist. Der Endanwender kann über Visualisierungen (zum Beispiel ein Dashboard) den Zustand seiner Filter überwachen. Eine Applikation (der „Filter Assessment Service“ = Filterbewertungsdienst) überwacht die Filterparameter aus den Sensordaten und kann daraus Entscheidungen ableiten.

Beispiel: „Smartifizierte Druckkontrolle“

Relativdrucksensoren vor und nach dem Filter liefern ihren momentan gemessenen Druck über ein stromcodiertes Signal an den smarten Filtercontroller. Der wandelt das Signal in den entsprechenden Druckwert in der Einheit bar um und sendet die Werte über das Netzwerk an das Gateway, welcher wiederum für die automatisierte Auswertung der Messdaten und die Visualisierung über ein Dashboard verantwortlich ist. Über das Dashboard können berechtigte Personen die Druckwerte und somit den Zustand des Filters in „near real-time“ betrachten, überwachen und bei Bedarf auf Ereignisse reagieren.

Im System können unterschiedliche Benutzergruppen, wie Endkunden oder Administratoren, angelegt werden. Sollte einer der Filter einen konfigurierbaren Grenzwert überschreiten, so wird eine E-Mail-Benachrichtigung (für eine notwendige Wartung des Filters) an die vordefinierten Personen / E-Mail-Adressen versendet. Zudem kann ein Alarm ausgelöst werden.

Der Autor dieses Fachartikels, Peter Krause, war auch mit einem Statement im P&A-Kompendium 2019/2020 vertreten. Darin erzählt er, wie Wolftechnik die Zukunft der Filtertechnik mitgestaltet.

Bildergalerie

  • Konzeptstudie: Über ein Dashboard können Nutzer die Filtration vollständig verwalten und zum Beispiel die Parameter des Filters überwachen oder wichtige Dokumente abrufen.

    Bild: Wolftechnik

  • Die Abbildung zeigt das IT-Konzept hinter dem smarten Filter.

    Bild: Fraunhofer IPA; Wolftechnik

  • Primäres Entwicklungsziel war es, eine Plattform zu konzipieren, die mit variablen Stellgrößen für jedes Filtersystem und jeden Prozess modifizierbar ist. So kann das hier abgebildete Kerzenfiltergehäuse WTGDS als smarter Filter betrieben werden, aber auch jedes andere Filtersystem von Wolftechnik.

    Bild: Martin Wolf Wagner, Wolftechnik

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