KI bekämpft Leckagen in Druckluftanlagen – Fraunhofer IPA und Universität Stuttgart entwickeln smarte Detektion
Die Suche nach Leckagen und undichten Stellen in Druckluftanlagen war bislang zeitaufwändig. Doch nun hilft uns Künstliche Intelligenz, Verschwendung zu bekämpfen: Denn diese kleinen Probleme können große Auswirkungen haben und pro Unternehmen und Jahr Kosten in Höhe von zehntausenden Euro verursachen. Eine automatisierte Detektion zur Aufspürung von Leckagen wurde nun von dem Fraunhofer IPA, der Universität Stuttgart und dem Sensorunternehmen Sick entwickelt. Dabei kommt ein intelligenter Algorithmus zum Einsatz.
Die Suche nach Leckagen in einem Druckluftsystem ist eine Aufgabe, die häufig und gerne aufgeschoben wird. Das Aufspüren von undichten Verbindungsstücken und kleinen Löchern mittels eines Ultraschall-Ortungsgeräts ist schließlich eine mühsame und zeitraubende Aufgabe. Es wäre durchaus lohnenswert, sich die Mühe dafür zu machen.
Die etwa 60.000 in Deutschland betriebenen Druckluftanlagen verursachen jährlich einen Verbrauch von 16,6 Terawattstunden, was etwa sieben Prozent des gesamten Stromverbrauchs der deutschen Industrie ausmacht. Nach Schätzungen bleibt durchschnittlich etwa ein Drittel der erzeugten Druckluft ungenutzt verloren. Pro Unternehmen und Jahr können sich die Kosten für diese Verschwendung schnell auf zehntausende Euro belaufen und haben einen negativen Einfluss auf die Klimabilanz.
Daniel Umgelter, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Industrielle Energiesysteme am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart, erklärt, dass dieser Energieverlust durch eine kontinuierliche automatisierte Leckageerkennung im Durchschnitt um etwa zehn Prozent reduziert werden könnte. Das würde deutschlandweit zu einer Einsparung von 80 bis 160 Millionen Kilowattstunden pro Jahr führen, was dem durchschnittlichen jährlichen Energieverbrauch von 22.000 bis 45.000 Haushalten entspricht.
Dank vortrainierter Algorithmen sind kostspielige Testläufe überflüssig – In Zusammenarbeit mit dem Sensorunternehmen Sick hat ein Forschungsteam des Fraunhofer IPA und des Instituts für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart einen wissenschaftlich-methodischen Ansatz zur automatisierten Detektion von Leckagen in pneumatischen Maschinen und Anlagen entwickelt. Ein zentraler Bestandteil ist ein Durchflusssensor, der an die Druckluftzuleitung einer Maschine angeschlossen wird und kontinuierlich den Massenstrom, den Druck und die Temperatur erfasst. Mithilfe eines intelligenten Algorithmus werden die Kurvenverläufe in Echtzeit analysiert und charakteristische Signaturen erkannt, die auf das Vorhandensein von Leckagen hinweisen.
Unter realen Bedingungen haben Umgelter und sein Team den Algorithmus in einem überwachten maschinellen Lernverfahren trainiert. Das Forschungsteam hat zu diesem Zweck einen Demonstrator erstellt, der eine große Anzahl intakter und beschädigter Druckluftschläuche umfasst. Die während des laufenden Betriebs erzeugten Daten des Demonstrators werden anschließend millionenfach vervielfältigt und dienen als Trainingsgrundlage für den Algorithmus. Der Algorithmus erkennt nicht nur statische und dynamische Leckagen bei neu in Betrieb genommenen Anlagen, sondern auch bei bereits bestehenden Maschinen. Es ist nicht erforderlich, eine Referenzkurve zu erstellen und zu hinterlegen, die den störungsfreien Betrieb darstellt. Der Algorithmus kann sofort und ohne vorherige Vorbereitung seine Arbeit aufnehmen. Laut Umgelter spart die Industrie dadurch viel Zeit und Aufwand, da die Produktionsprozesse kontinuierlich an sich verändernde Gegebenheiten angepasst werden.
In Zukunft wird es nicht mehr notwendig sein, bei den Testläufen jedes Mal die Referenzkurve neu zu bestimmen. Auf der Hannover Messe wird eine automatisierte Leckageerkennung präsentiert. Allerdings wird noch einige Zeit vergehen, bis die Lösung für den Serieneinsatz bereit ist. Das Forschungsteam vom Fraunhofer IPA und der Universität Stuttgart hat den intelligenten Algorithmus im Rahmen des Forschungsprojekts LeakAIr erfolgreich entwickelt und nachgewiesen, dass er zuverlässig im laufenden Betrieb funktioniert. Bisher existiert noch kein marktreifes Produkt in diesem Bereich. Derzeit arbeitet der Sensorspezialist Sick an dieser Entwicklung. Den aktuellen Fortschritt können Sie zwischen dem 22. und 26. April 2024 auf dem Stand von Baden-Württemberg International auf der Hannover Messe in Halle 12, Stand D15, begutachten.
Über Sick – Sick ist ein führender Anbieter von sensorbasierten Lösungen für industrielle Anwendungen weltweit. Das Unternehmen, das 1946 von Erwin Sick in Waldkirch im Breisgau nahe Freiburg gegründet wurde, gilt als einer der führenden Technologie- und Marktführer. Es ist weltweit mit über 50 Tochtergesellschaften und Beteiligungen sowie zahlreichen Vertretungen präsent.
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