[:de]Wie Sie Druckluftleckagen vermeiden ohne dauernd selbst auf die Suche zu gehen[:en]How to avoid compressed air leaks without constantly searching yourself[:]

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Druckluftleckagen gehören zu den größten versteckten Kostentreibern in Produktionsunternehmen. Aus diesem Grund wird in vielen Betrieben in regelmäßigen Abständen eine Druckluft-Leckageortung durchgeführt. Derartige Aktionen sind jedoch aufwändig und oft bei den zuständigen Mitarbeitern sehr unbeliebt, da eine zuverlässige Leckageortung meist nur bei stillstehender Produktion (Geräuschpegel) möglich ist. Eine Automatisierung der Druckluft-Leckageortung kann hier Abhilfe schaffen.

Jeder der sich schon einmal mit der Thematik Druckluftleckagen auseinandergesetzt hat, kennt die Beispielrechnungen wie teuer eine Leckage von X mm hochgerechnet auf ein Jahr sein wird. Gleichzeitig kennt aber auch jeder, der schon einmal eine Leckageortung durchgeführt hat die Schwierigkeiten und Probleme die dabei auftreten können und ist sich über den notwendigen Zeitbedarf (und möglichen Zeitraum – oft am Wochenende) für diese Maßnahme im Klaren. Die Durchführung von Druckluft-Leckageortungen gilt deshalb als sehr unbeliebte Aufgabe.

Bei einer Druckluft-Leckageortung wird das gesamte Druckluftsystem, also sowohl die Erzeuger als auch das Leitungsnetz sowie sämtliche Verbraucher auf Leckagen hin untersucht. Dies geschieht entweder mit Hilfe des eigenen Ohres oder alternativ mit Hilfe von spezieller Ultraschall Messtechnik. Ohne Ultraschall-Messtechnik ist es bei einer Leckageortung sehr ratsam, einen Zeitpunkt zu wählen in dem der Geräuschpegel in der Produktion sehr gering ist. Sind die Umgebungsgeräausche gering genug, lassen sich größere Leckagen anhand ihres charakteristischen Zischens oder Pfeiffens aufspüren. Aus diesem Grund werden dazu häufig die Produktions-Randzeiten (vor Beginn der Produktion oder nach Ende der Produktion) sowie produktionsfreie Wochenenden genutzt. Dies macht die Durchführung der Ortungsaufgabe natürlich für den betroffenen Mitarbeiter noch etwas unattraktiver und führt nicht selten dazu, dass gemäß dem Motto “nix gefunden –> früh Feierabend” oft ein recht positives Ergebnis (wenige Leckagen) erreicht wird. Exakt diese Ausgangssituation hat in einem uns bekannten realen Fall dazu geführt, dass in einem Produktionsbetrieb die Meinung verankert war ein nahezu perfekt gewartetes Druckluftsystem zu betreiben, obgleich reale Messungen das Gegenteil offengelegt haben…

Leckagekennzeichnung immer doppelt

Wird eine Leckage entdeckt sollte diese natürlich sofort auch markiert werden, so dass ein späteres Auffinden leicht möglich wird. Die Markierung sollte dabei möglichst in mindestens doppelter Form vorgenommen werden. Als nützlich hat sich dabei eine farbliche Markierung direkt an der Stelle selbst herausgestellt, wo die Leckage entdeckt wurde (z.B. mit Klebestreifen).

Sinnvoll ist auch der Einsatz von unterschiedlichen Farben wobei die Farbe etwas über den Schweregrad der Undichtigkeit aussagt:

grün: kleine Leckage
gelb: mittelschwere Leckage (z.B. mit bloßem Ohr hörbar)
rot: schwere Leckage (z.B. spürbarer Luftzug)
Blau: Leckage nicht genau entdeckt, aber vermutet

Zusätzlich hat es sich als nützlich erwiesen – für jede entdeckte Leckage – eine zweite Markierung an einer zentralen Stelle der Extrusionslinie (z.B. an der Extrudersteuerung) anzubringen. So muss die Instandhaltung nicht erst die gesamte Linie ablaufen um eine Markierung zu finden, sondern kann direkt an der Extrudersteuerung ablesen, dass sich an dieser Linie X Leckagen befinden und sieht auch sofort wie der Schweregrad der Leckagen ist.

Als weitere Maßnahme ist die Markierung jeder Leckage in einem Hallenplan sehr empfehlenswert. Durch ein einfaches Kreuz an der jeweiligen Stelle wird das spätere Suchen nach “Markierungen” so stark erleichtert.

Anhand der vorbeschriebenen Methodik ist klar ersichtlich, dass Druckluftleckageortung ein zeitaufwändiger Prozess sein kann. Insbesondere dann, wenn Druckluftnetze in einem relativ guten Zustand sind, wird das Auffinden von Leckagen um so schwieriger, gleichzeitig aber auch das Potenzial der Einsparungen kleiner. Gerade dann sollte versucht werden eine effiziente Methode zur Systemüberwachung zu ermöglichen.

3 einfache Möglichkeiten zur Erfassung von Druckluftleckagen

Es können verschiedene Methoden eingesetzt werden, mit denen die Menge der Druckluftleckagen schnell und kostengünstig manuell ermittelt werden können.Diese Methoden eignen sich beispielsweise um den richtigen Zeitpunkt für die oben beschriebene Leckageortung auszuwählen. In diesem Fall wird kein fester Turnus für eine Leckageortung einberaumt, sondern es wird eine (z.B.) wöchentliche Ermittlung der Leckagemenge durch eine der unten genannten Methoden durchgeführt. Wird dabei ein definierter Grenzwert überschritten, kann eine Leckageortung geplant werden.

Druckabfallmessung
Lastganganalyse (Energiemonitoring)
Volumenstrommessung

Eine sehr einfache Methode ist die Methode der Druckabfallmessung. Während alle Druckluftverbraucher in der Produktion außer Betrieb sind, wird der Druckluftspeicher auf den oberen Abschaltdruck gebracht (z.B. 8,5 bar). Nun kann der Kompressor abgeschaltet werden, so dass der Speicher nicht erneut aufgeladen wird. Nach einer definierten Zeit (z.B. 15min) wird erneut der Druck am Manometer des Druckspeichers abgelesen.

Aus diesen Werten wird der Druckabfall pro Zeiteinheit berechnet und unter Berücksichtigung der Netzvolumens (Speicher + Leitungsnetz) die Leckagemenge pro Zeiteinheit ermittelt. Aus diesem Wert kann dann sogar, bei einer bekannten spez. Kompressorleistung ein Wert für die jährlichen Kosten der Leckage ermittelt werden.

Die Voraussetzungen zur Durchführung dieser Methode sind fast überall vorhanden, da hier nur eine Uhr sowie ein Manometer benötigt werden.

(Ein Excel-Tool zur Durchführung dieser Berechnung finden Sie kostenlos in unserem Downloadbereich)

Bei der Lastganganalyse werden Energieverbrauchszähler genutzt, die ohnehin in sehr vielen Fällen schon vorhanden sind. Dabei wird der Energieverbrauch gemessen, der während einer Stillstandphase der Produktion (also nur die Leckagen sind “fleißig”) anfällt. Der Kompressor darf dazu natürlich nicht abgeschaltet werden, da andernfalls keine Nachspeisung erfolgen würde.

Bei dieser Methode wird so vorgegangen, dass nach Beendigung der Produktion der Kompresor nicht abgeschaltet wird. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch des Kompressors an dem Verbrauchszähler (Wirkarbeitszähler) abgelesen und mit einer dazugehörigen Uhrzeit notiert. Nach einem repräsentativen Zeitraum wird erneut der Energieverbrauch sowie die Uhrzeit notiert. Wichtig ist dabei, dass der Zeitraum so lang gewählt wird, dass stufenweise arbeitende Kompressoren mehrmals Ein- und Abgeschaltet haben.

(Ein Excel-Tool zur Durchführung dieser Berechnung finden Sie kostenlos in unserem Downloadbereich)

Die Voraussetzungen zur Durchführung dieser Methode sind ebenfalls fast überall vorhanden, da lediglich eine Uhr sowie ein Energieverbrauchszähler notwendig sind.

Eine weitere Methode ist die Messung des Volumenstromes. Hierfür wird jedoch zusätzliche Messtechnik (Volumenstrommessung) benötigt. Bei dieser Methode wird in den abgehenden Volumenstrom des Druckluftkompressors ein Volumenstromzähler integriert, der die Durchflussmenge pro Zeiteinheit ermittelt und oft bereits selbstständig einen Durchschnittswert berechnen kann. Wird dieser Wert mit einer elektrischen Lastganganalyse kombiniert, kann somit auch für unterschiedliche Kompressorbetriebspunkte ein spezifischer Kompressorkennwert (kWh/Nm³) gebildet werden.

Automatisierung der Leckageortung

Oben genannte Methoden lassen sich selbstverständlich heutzutage auch automatisiert durchführen. Zur Automatisierung werden die von den Sensoren erfassten Kennwerte (Druck, Volumenstrom, elektrischer Lastgang, Zeiten, etc.) in einem zentralen Auswertesystem zusammengeführt. Dort werden die formelmäßigen Zusammenhänge und Algorithmen hinterlegt und ein automatisches Reporting konfiguriert (sofern kein vorgefertigter Block für die automatisierte Leckageanalyse vorhanden ist).

Zur Steuerung, Regelung und Auswertung kann dabei quasi jedes erdenkliche frei programmierbare SPS System eingesetzt werden.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich konkret auf die Umsetzung mit einer plusMETER/plusWARE Lösung aus dem Hause SHS plus GmbH sind aber analog auch auf Systeme wie etwa Beckhoff, B&R, Siemens, IBA, Wago, etc. übertragbar.

Bei der automatisierten Druckluftleckagebewertung fungiert eine zentrale Einheit als Steuerungs-, Auswerte- sowie Reporting-System.

Wie in der Schemagrafik dargestellt, wird die zentrale Steuerungseinheit (hier eine plusMETER Zentraleinheit) verbunden

mit einem Luft-Volumenstromsensor,
einer elektrischen Leistungsmessung am Druckluftkompressor,
einer Druckmessung im Druckluftspeicher,
einer Möglichkeit zum Zugriff auf eine Datenspeicherung (z.B. SQL) im Netzwerk oder einer Cloud,
einem Internetzugriff zum E-Mail Versand

sowie ggf. zusätzlich mit Aktorik zur

automatischen Aktivierung bzw. Deaktivierung des Kompressors und
Servoventilen zum Öffnen und Schließen von einzelnen Druckluftbereichen.

Die zentrale Steuerungseinheit wird zur automatisierten Druckluftleckageortung so programmiert, dass in einem voreingestellten Turnus (z.B. immer am Wochenende) die Leckageauswertung automatisiert durchgeführt wird. Bevor die Sequenz gestartet wird ermittelt das System aber automatisch, ob tatsächlich ein Produktionsstillstand vorliegt (z.B. über den Luftmassenstromsensor) oder ob evtl. ausnahmsweise eine Wochenendproduktion stattfindet.

Sofern sichergestellt ist, dass der Produktionsbetrieb durch die Analyse nicht gefährdet wird, startet das System die Analyse. Dazu werden die oben vorgestellten Messmethoden automatisch durchgeführt. Zusätzlich greifen Aktoren auf verschiedene Servoventile zu und sperren so verschiedene Produktions- und Lagerbereiche nacheinander ab. Diese Methode hilft dabei, die Leckagen einzelnen örtlichen Bereichen zuzuordnen und verringert den Aufwand bei der Suche nach tatsächlichen Leckageorten.

Nach Abschluss der Analyse kann das System ein automatisches Reporting erstellen, welches sogleich an die Instandhaltung oder den Energiemanagementbeauftragten versendet werden kann, so dass eine kurzfristige Beiseitigung der Leckagen durchgeführt werden kann.

Aufgrund der Automatisierung ist es quasi aufwandsfrei möglich, die Analyse zu sehr häufigen Zeitpunkten durchführen zu lassen (z.B. jede Nacht bei 1-Schicht Betrieb), so dass neu entstandene Leckagen sehr zeitnah erfasst und aufgrund der Zuordnung in einzelne Produktionsbereiche auch sehr schnell lokalisiert werden können.

In unserem Downloadbereich finden Sie zu diesem Thema ein praktisches Excel-Tool zur manuellen Auswertung Ihrer Druckluftleckagen sowie weitere Informationen zum Thema.

Beispielhafte Auswertegrafiken für eine automatisierte Leckageanalyse:

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Compressed air leaks are one of the biggest hidden cost drivers in production companies. For this reason, compressed air leakage detection is carried out at regular intervals in many companies. However, such actions are time-consuming and often very unpopular with the responsible employees, since reliable leak detection is usually only possible when production is at a standstill (noise level). This can be remedied by automating compressed air leakage detection.

Anyone who has ever dealt with the topic of compressed air leaks knows the example calculations of how expensive a leakage of X mm will be extrapolated to one year. At the same time, everyone who has already carried out a leak detection knows the difficulties and problems that can arise and is aware of the time required (and possible time period – often at the weekend) for this measure. The performance of compressed air leak detection is therefore considered a very unpopular task.

In the case of compressed air leakage detection, the entire compressed air system, i.e. both the generators and the pipeline network as well as all consumers, are checked for leaks. This is done either with the help of your own ear or alternatively with the help of special ultrasonic measurement technology. Without ultrasonic measurement technology, it is very advisable to select a time at which the noise level in production is very low. If the ambient noise is low enough, larger leaks can be detected by their characteristic hissing or whistling. For this reason, the production edge times (before the start of production or after the end of production) and production-free weekends are often used. Of course, this makes the location task even less attractive for the affected employee and often leads to a quite positive result (few leaks) according to the motto “nothing found -> early closing time”. Exactly this initial situation led in a real case known to us to the fact that in a production company the opinion was anchored to operate an almost perfectly maintained compressed air system, although real measurements have revealed the opposite…

Leakage marking always double

If a leakage is detected, it should of course also be marked immediately, so that later detection is easily possible. If possible, the marking should be done in at least double form. A colour marking directly at the point where the leakage was detected (e.g. with adhesive tape) has proven to be useful.

It also makes sense to use different colours, whereby the colour says something about the severity of the leakage:

green: small leakage
yellow: medium leakage (e.g. audible with bare ear)
red: severe leakage (e.g. noticeable draught)
Blue: Leakage not exactly detected, but suspected

In addition, it has proven useful to place a second marking at a central point of the extrusion line (e.g. at the extruder controller) for each leakage detected. Maintenance does not have to run the entire line to find a mark, but can read directly at the extruder control that there are X leaks on this line and can also immediately see the severity of the leaks.

As a further measure, the marking of any leakage in a hall plan is highly recommended. A simple cross at the respective point makes the later search for “markings” much easier.

The methodology described above clearly shows that compressed air leak detection can be a time-consuming process. Especially when compressed air networks are in relatively good condition, the detection of leaks becomes all the more difficult, but at the same time the potential for savings is smaller. Especially then it should be tried to enable an efficient method for system monitoring.

3 simple ways to detect compressed air leaks

Various methods can be used to manually determine the quantity of compressed air leaks quickly and cost-effectively, for example to select the correct time for the leakage location described above. In this case, there is no fixed frequency for a leakage location, but a weekly (e.g.) determination of the leakage quantity is carried out by one of the methods listed below. If a defined limit value is exceeded, a leakage location can be planned.

pressure drop measurement
load profile analysis (energy monitoring)
volume flow measurement

A very simple method is the method of pressure drop measurement. While all compressed air consumers in production are out of operation, the compressed air reservoir is brought to the upper cut-off pressure (e.g. 8.5 bar). Now the compressor can be switched off so that the pressure-tank is not recharged. After a defined time (e.g. 15min) the pressure is read off again at the pressure gauge of the pressure accumulator.

The pressure drop per unit of time is calculated from these values and the leakage quantity per unit of time is determined taking into account the network volume (storage tank + pipe network). From this value, a value for the annual costs of the leakage can even be determined for a known specific compressor capacity.

The prerequisites for carrying out this method are almost everywhere, as only a clock and a manometer are required here.

Energy consumption meters are used in the load profile analysis, which are already available in very many cases anyway. The energy consumption that occurs during a production standstill phase (i.e. only the leaks are “diligent”) is measured. The compressor must not be switched off for this, of course, as otherwise no replenishment would take place.

With this method, the compressor is not switched off after production has been completed. At the same time, the energy consumption of the compressor is read from the consumption meter (active energy meter) and noted with an associated time. After a representative period of time, the energy consumption and the time are noted again. It is important that the time period is selected so long that compressors operating in stages have switched on and off several times.

The prerequisites for carrying out this method are also almost everywhere, since only a clock and an energy consumption counter are necessary.

Another method is the measurement of the volume flow. However, this requires additional measurement technology (volume flow measurement). With this method, a volume flow meter is integrated into the outgoing volume flow of the compressed air compressor, which determines the flow rate per time unit and can often already calculate an average value independently. If this value is combined with an electrical load profile analysis, a specific compressor characteristic value (kWh/Nm³) can be formed for different compressor operating points.

Automation of leak detection

Of course, the methods mentioned above can nowadays also be carried out automatically. For automation, the characteristic values recorded by the sensors (pressure, volume flow, electrical load curve, times, etc.) are combined in a central evaluation system. There the formulaic connections and algorithms are stored and an automatic reporting is configured (if no prefabricated block for the automated leakage analysis is available).

Virtually any conceivable freely programmable PLC system can be used for control, regulation and evaluation.

The following explanations refer specifically to the implementation with a plusMETER/plusWARE solution from SHS plus GmbH, but can also be transferred to systems such as Beckhoff, B&R, Siemens, IBA, Wago, etc. in the same way.

In automated compressed air leakage assessment, a central unit functions as a control, evaluation and reporting system.

As shown in the diagram, the central control unit (here a plusMETER central unit) is connected.

with an air flow rate sensor,
an electrical power measurement at the air compressor,
pressure measurement in the compressed air reservoir,
a way to access data storage (e.g. SQL) on the network or in the cloud,
internet access for sending e-mails

And, if necessary, additionally with actuators for

automatic activation or deactivation of the compressor and
servo valves for opening and closing individual compressed air areas.

The central control unit is programmed for automated compressed air leak detection in such a way that the leakage evaluation is carried out automatically in a preset cycle (e.g. always on weekends). Before the sequence is started, however, the system automatically determines whether production has actually stopped (e.g. via the air mass flow sensor) or whether a weekend production may exceptionally take place.

Provided that the analysis does not endanger the production operation, the system starts the analysis. For this purpose, the measurement methods described above are carried out automatically. In addition, actuators access different servo valves and thus block off different production and storage areas one after the other. This method helps to assign the leaks to individual local areas and reduces the effort involved in searching for actual leakage locations.

After completion of the analysis, the system can create an automatic report which can be sent immediately to maintenance or the energy management representative so that leaks can be rectified at short notice.

Due to the automation it is possible to have the analysis carried out at very frequent times (e.g. every night in one-shift operation), so that new leaks can be recorded very quickly and localised very quickly due to the allocation to individual production areas.

Exemplary evaluation graphics for an automated leakage analysis:

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