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Industrie 4.0 in der Hydraulik – Die zweite Schleusenkammer Trier

Im Stahlwasserbau wird, insbesondere in der hydraulischen Antriebstechnik, seit Jahren auf altbewährte Technik gesetzt. Hohe Verfügbarkeit der Anlagen (geringste Ausfallquoten), sowie ...

... lange Wartungsintervalle und robuste Ausführung haben bereits in der Planungsphase von stahlwasserbaulichen Anlagen hohe Priorität. Nicht zuletzt durch die zunehmenden Digitalisierungsmöglichkeiten und dadurch erfolgten Zentralisierungen in der Steuerung von mehreren Anlagen erfolgte in den letzten Jahren ein Umdenken. Spätestens seit der Präsenz von Industrie 4.0 gibt es auch für die hydraulische Antriebstechnik neue, moderne, kostensparende und energieeffiziente Möglichkeiten stahlwasserbauliche Anlagen auszurüsten und zu betreiben. Ein aktuelles Beispiel ist hier der Neubau der zweiten Schleusenkammer in Trier.

Die internationale Wasserstraße Mosel ist von Koblenz bis Neuves-Maison als Großschifffahrtstraße für Motorschiffe mit einer Länge von bis zu 135 m und Schubverbänden mit einer Länge von bis zu 172 m bei jeweils einer Breite von bis zu 11,45 m ausgebaut. Seit über 50 Jahren werden die insgesamt 28 Staustufen mit jeweils einer Schleusenkammer betrieben. Im Rahmen des Ausbaus der Mosel werden seit 2002 die ersten 10 Staustufen zwischen Koblenz und Trier mit einer zweiten Schleusenkammer versehen. Die Schleusenanlage Trier ist nach den bereits fertiggestellten Schleusen in Zeltingen und Fankel, die dritte Staustufe die um eine 2. Schleusenkammer ergänzt wird. Sie befindet sich seit 2011 im Bau und wird voraussichtlich Ende 2019 fertiggestellt. Die nutzbare Kammerlänge beträgt 210 m bei einer Kammerbreite von 12,50 m. Die Hubhöhe beträgt 7,25 m.
Die geplante und ausgeschriebene Antriebstechnik sieht beim Obertor (Drehsegmenttor) hydraulische Antriebstechnik und Hydraulikzylinder, und beim Untertor (Stemmtor) und bei den Längskanalverschlüssen elektromechanische Antriebe und Elektrohubzylinder vor. Die installierte Seilstoßschutzanlage wird ebenfalls hydraulisch ausgeführt.

Antrieb durch drehzahlvariable Antriebe (DVA Kits)
Die „konventionelle“ hydraulische Antriebstechnik des Obertors mittels geregelte Axialkolbenpumpen und einer Gesamtantriebsleistung von 55 kW wird in Trier durch 2 Stück energieeffiziente drehzahlvariable Antriebe mit jeweils 30 kW und je zwei Innenzahnradpumpen ersetzt. Um in jeder Situation sowohl den notwendigen Druck als auch den notwendigen Volumenstrom bereitstellen zu können, werden die Innenzahnradpumpen als Doppelpumpenkombination ausgeführt, wobei jede Motor-Pumpen Gruppe über eine integrierte Leistungsüberwachung verfügt. Durch den Einsatz des drehzahlvariablen Antriebssystems kann die Betriebsdauer des Antriebs auf die Dauer der tatsächlichen Bewegung reduziert werden. Die Volumenstromregelung wird über Drehzahlregelung in den Antrieb verlagert und es kann auf teure Proportionaltechnik verzichtet werden. Jeder Motor-Pumpen Gruppe wird ein mit einer intelligenten Steuerung ausgestatteter Frequenzumrichter inklusive Feldbusschnittstelle zugeordnet.
Die Frequenzumrichter können sich direkt „on board“ (bis 22 kW möglich) auf dem Antrieb befinden, bzw, werden im Schaltschrank zentral integriert. Mit dieser integrierten Intelligenz ist ein Betrieb der Schleuse auch ohne übergeordnete Steuerung möglich. Bei Ausfall der übergeordneten Steuerung übernehmen die Frequenzumrichter die Steuerung und gewährleisten den ordnungsgemäßen Lauf des Drehsegmenttors auf Knopfdruck. Auch das hydraulische Antriebsaggregat der Seilsstoßschutzanlage wird mit einem drehzahlvariablen Antrieb mit 11 kW Leistung ausgestattet.

Die OXiStop Tanklösung
Herkömmliche Hydrauliksysteme benötigen deutlich mehr Öl als tatsächlich für den Ausgleich der Ölvolumendifferenz im System z.B. für die Zylinder erforderlich ist. Mit großen Hydrauliktanks möchte man zwei Dinge erreichen: Zum einen die Verfügbarkeit des notwendigen Hydraulikflüssigkeitsvolumens einer Anlage, zum anderen lange Verweilzeiten des Öls zur Ausgasung. Darüber hinaus sind die Vorschriften der DIN 19704 für die Auslegung von Ölbehältern zu beachten. Bei dem Schleusenneubau in Trier hat sich das WSA Trier zusammen mit der Fachstelle Maschinenwesen Südwest (FMSW) in Koblenz für eine neue und optimierte Tanktechnologie sowohl für den Antrieb des Obertors als auch für den Antrieb der Seilstoßschutzanlage entschieden. In beiden Systemen wird eine sogenannte OXiStop-Tanklösung installiert. Im OXiStop Tank wird das Öl mit Hilfe einer Membrane, die sich wie eine schützende Haut auf die Oberfläche legt, luftdicht von der Atmosphäre abgeschlossen. Das bewirkt, dass zusätzliches Tankvolumen zur Beruhigung und Ausgasung des Öls nicht mehr notwendig ist. Dadurch kann zur Auslegung der notwendigen Tankgröße nur noch das Pendelvolumen betrachtet werden. Der Pumpenvolumenstrom ist nicht mehr ausschlaggebend. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den relativen Unterdruck im Tank dieser vollständig gefüllt ist, und somit keine Atmosphäre für Korrosion vorhanden ist. Die im Stahlwasserbau üblichen Tankausführungen aus Edelstahl, um Korrosion im Tank zu verhindern, sind nicht mehr notwendig. Auf Tankbelüftungsfilter / Feuchtigkeitsabsorber kann vollständig verzichtet werden. Standardmäßig ist der OxiStop mit einer Nebenstromfiltration ausgestattet, die unerwünschte Feststoffverschmutzungen aus dem System entfernt. In diesem Nebenstrom arbeitet kontinuierlich eine Entgasungs- und Entwässerungseinheit (MiniOX). Der MiniOX sorgt für eine kontinuierliche Entgasung und Entwässerung des Öls. Dadurch bleibt das Öl gashungrig und löst ins System eindringende Luft schnellstmöglich auf. Pro 100 Liter Öl können ca. 8-9 Liter Luft gelöst werden. Die Fluidpflege wird ergänzt durch Fluidsensoren zur Überwachung der Feststoffverschmutzung, des Luft- sowie des Wassergehalts des Öls. Die Kombination aus Fluidüberwachung und -pflege führt zu längeren Ölstandzeiten und optimalem Komponenten- und Anlagenschutz. Für den Anlagenbetreiber bedeutet dies weniger Maschinenausfälle sowie geringere Life Cycle Cost (LCC) der Anlage.

Condition Monitoring
Allgemein lässt sich aus dem Hydraulikmedium eine Vielzahl von Informationen über den Zustand einer Anlage ableiten. Dafür ist es notwendig die Anlagen mit intelligenter Sensorik auszustatten. Die für das Projekt in Trier gebauten Aggregate sind mit einem Kontaminationssensor und dem sogenannten HydacLab ausgestattet. Diese Sensoren liefern Daten über z.B. Feststoffkontamination, Sättigungsgehalt oder Ölalterung. Des Weiteren sind alle Systemfilter mit intelligenten Verschmutzungsmeldern versehen, welche eine Berechnung der Reststandzeit von Filterelementen ermöglichen. Aber auch viele andere Anlagenteile liefern Daten die für ein Condition Monitoring wertvoll sind. Die modernen Schnittstellen der DVA Kits stellen relevante Daten zur Verfügung die Rückschlüsse auf den Zustand von beispielsweise den Pumpen zulassen. All diese Faktoren zusammengefasst und ausgewertet versetzen den Anlagenbetreiber in die Lage seine Anlagen vorbeugend zu warten und so Ausfälle auf ein Minimum zu reduzieren. HYDAC hat hierfür ein Plug-and-Play-System geschaffen, welches die oben beschriebene Datenvielfalt aus unterschiedlichsten Quellen über eine Datendrehscheibe miteinander verknüpft, vorverdichtet und daraus intelligente Maschinen- und prozessrelevante Informationen, Meldungen und Handlungsempfehlungen generiert. HYDAC kommt ursprünglich aus dem Komponenten- und Systemgeschäft der Hydraulik und bietet heute ein breites Portfolio an Produkten und Dienstleistungen, welche durch tiefgreifendes Applikationswissen ständig verfeinert und an Kundenbedürfnisse angepasst wurden. Vom intelligenten Sensor mit bidirektionaler Kommunikation und entsprechendem Gateway, über smarte Komponenten mit integriertem Algorithmus autarken Condition-Monitoring-Systemen für Öl- und Schwingungsanalyse, über ein maschinenbezogenes Dashboard an einer oder mehreren Maschinen in der Produktion, bis hin zur umfangreichen Prozessvisualisierung und zertifiziertem Energiemanagementsystem, bietet das Condition-Monitoring-Portfolio die perfekten Werkzeuge für den Einsatz für die Schleusenüberwachung, aber auch andere Stahlwasserbauwerke.

Das CM Expert und die Möglichkeiten
An der Schleuse in Trier sorgt ein CM-Expert Modul für die Visualisierung der erfassten Werte und bildet so die Schnittstelle zwischen der Maschine und dem Bediener. Das CM Expert bekommt entweder aus der Anlagensteuerung, oder auch direkt über eine Busverbindung aus den Sensoren, alle Daten zur Verfügung gestellt, erfasst diese, bereitet sie auf und verarbeitet sie.
Auf dem Bildschirm werden dann, möglicherweise angepasst nach Benutzerstatus, verschieden tiefe Einblicke in die Maschine gewährt. Meistens ist es sinnvoll dem Bediener nur eine Meldung mit einer Reaktionsempfehlung zu geben. Das Servicepersonal muss  jedoch die Messwerte und Langzeittrends einsehen können, um im Bedarfsfall richtig zu reagieren.  Mit einem Ampelsystem werden dann alle Anlagenteile angezeigt. Eine grüne Anzeige bestätigt dem Bediener den ordnungsgemäßen Zustand der Anlage. Mit gelb werden dem Bediener Abweichungen zum Normalzustand angezeigt und erste Empfehlungen gegeben wie darauf zu reagieren ist beziehungsweise was die Ursache dafür sein kann. Eine rote Anzeige signalisiert einen bevorstehenden vorhersehbaren Anlagenausfall oder bereits eingetretenen unvorhersehbaren Defekt. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Planung von Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen gezielt auf Anlagenbedürfnisse. Selbstverständlich kann das Servicepersonal immer in Echtzeit alle Daten der Maschine einsehen. Auch Langzeitverläufe lassen sich einfach anzeigen. Sprunghafte Anstiege von beispielsweise Verschmutzungen im Öl werden sofortgemeldet. Optional ist auch eine E-Mailbenachrichtigung von Betriebs- und Fehlermeldungen denkbar.  Das verhindert teure ad-hoc Reparaturen und ermöglicht auch mit einem kleineren Wartungsteam immer up-to-date zu sein.
Die Möglichkeiten dieses Prinzip zu verfeinern sind nahezu unbegrenzt. Voraussagen über Standzeiten von Komponenten und Anlagen, anstehende Wechselintervalle von Verschleißteilen oder prozessrelevante Störungen können in Echtzeit kommuniziert werden. Daten aus ERP-Systemen können mit Maschinen- und Prozessdaten verknüpft werden, um Wartungseinsätze automatisiert koordinieren zu können und die Verfügbarkeit der Maschinen zu optimieren. Vom reinen Condition Monitoring zu Predictive Maintenance ist es mit dem System nur ein kleiner Schritt. Welche Hard- und Softwaremodule man benötigt, ob der Anwender einen Cloud-Service oder eine lokale Server-Lösung favorisieren und wie die individuelle Oberfläche und das dazugehörige Analysetool aussehen, können die HYDAC-Experten mit dem Kunden in partnerschaftlicher Entwicklung umsetzen.


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