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Wie die Wärmebildtechnik die Wertschöpfung in der Industrie steigert

01.Juli 2021
Minuten Lesezeit 
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CAM Diagram

In this podcast episode, Dylan Erwin explores how thermal imaging technology can improve plant productivity.

This podcast was originally posted by Plant Services on May 27, 2021.

Dylan Erwin ist Technical Sales Manager bei Fluke Process Instruments und war zuvor u. a. als Produktinnovationsmanager und regionaler Vertriebsleiter tätig. Dylan machte seinen BS-Abschluss in Maschinenbau an der Montana State University und verbrachte die ersten Jahre seiner beruflichen Laufbahn im Bereich der industriellen Automatisierung. Dylan sprach kürzlich mit Thomas Wilk über die vielen Einsatzmöglichkeiten von Wärmebildgeräten in der Produktion und die Zukunft der Technologie, einschließlich der Einführung der TV40 Wärmebildkamera von Fluke Process Instruments.

PS: Im vergangenen Pandemiejahr haben wir ein erneutes Interesse an Wärme im Allgemeinen festgestellt. Eine Umfrage von Plant Services zeigt jedoch, dass Infrarot als Technologie bei der Mehrheit unserer Leser schon seit einiger Zeit genutzt wird. Könnten Sie über einige der Anwendungen sprechen, bei denen die Wärmebildtechnik in der Industrie traditionell eine wichtige Rolle spielt?

DE: Ja, absolut, und zunächst einmal: Sie haben Recht. Die Wärmebildtechnik gibt es nun schon seit geraumer Zeit. Ich gehe davon aus, dass Ihr Publikum am ehesten mit dem Einsatz von handgeführten Wärmebildkameras zur Überwachung mechanischer oder elektrischer Geräte, von Anlagen oder Hotspots vertraut ist, bei denen möglicherweise ein Ausfall vorliegt oder sich ankündigt. Diese Art von Anwendung findet sich in nahezu jeder Industrieeinrichtung, von der Fertigung bis hin zu Versorgungsunternehmen. Die Technologie ist großartig, sie hat diesen auffälligen Visualisierungsreiz, nicht wahr, wo sie Hand-Infrarot-Thermometer oder Pyrometer hatten, nicht wahr, einfach berührungslose Temperatursensoren, die es wahrscheinlich sogar noch länger gibt, die aber nicht dieselbe Möglichkeit zum Ausrichten bieten wie die Wärmebildkamera, mit der Sie die Temperaturverteilung sehen und wirklich herausfinden können, wo der Hotspot ist.

Die Handhelds sind zwar fantastische Hilfsmittel für diese Aufgabe und liefern sehr wertvolle Informationen, aber sie können diese nur liefern, wenn sie auch wirklich benutzt werden. Aus diesem Grund ist das Interesse an der kontinuierlichen Temperaturüberwachung rund um die Uhr gestiegen, insbesondere in den Bereichen, die für den Betrieb der Anlage unter Produktivitäts- oder Sicherheitsaspekten besonders wichtig sind.

PS: Wir stellen fest, dass das Interesse auch allgemein an der 24/7-Fernüberwachung, einschließlich der thermischen Überwachung, zunimmt. Mir ist aufgefallen, dass eine der weniger verbreiteten Anwendungen für thermische Verfahren die Aufrechterhaltung der Produktqualität und ganz allgemein der Produktivität einer Fabrik ist. Können Sie uns sagen, was Sie in dieser Hinsicht in der Praxis beobachten?

DE: Die Temperatur ist häufig ein wichtiger Maßstab für die Qualität. Um einen zusätzlichen Kontext zu schaffen und den Umfang oder die Reichweite einiger dieser Anwendungen zu erläutern, bieten wir neben stationären Wärmebildkameras mit Prozessinstrumenten als breitem Portfolio auch berührungslose Einzelpunkt-Infrarot-Temperatursensoren, Sie wissen schon, Pyrometer, und wenn ich Freunden oder neuen Bekannten erkläre, was ich mache, sage ich ihnen, dass wir Teil von Prozessen sind, die alles von Tortilla-Chips bis zu den Chips in ihrem Smartphone herstellen. Stationäre Bildgebungssysteme haben eine ähnliche Reichweite, da sie einen Mehrwert bieten und bei der Herstellung von Lebensmitteln, medizinischen Geräten, Transportmitteln, Metallen und Baumaterialien eingesetzt werden können - die Liste ist lang.

Hinsichtlich der Qualität gibt es zwei Hauptgruppen, in die ich diese Anwendungen einordnen würde: Die erste ist die 100%ige Qualitätsprüfung oder die Pass/Fail-Prozesskontrolle. Wenn Sie sich also die Heckscheibe Ihres Autos vorstellen, dann haben Sie dieses Entfrostergitter, bei dem man einen Knopf drückt und diese Leitungen sich aufheizen und die Scheibe frei halten, damit Sie eine gute Sicht nach hinten haben. Diese Hersteller lassen jede einzelne dieser Heckscheiben über eine Teststation laufen, und wir überwachen sie mit einer Wärmebildkamera, um sicherzustellen, dass sich die Elemente erwärmen, dass es keine Unterbrechungen gibt, dass es sich um einen kontinuierlichen Stromkreis handelt und dass keine Mängel vorhanden sind, bevor sie an das Montagewerk weitergeleitet werden.

Another example within automotive, looking at either plastic components or housings for electronics or other pieces, right? There’s a lot of laser ultrasonic welding methods there, and the thermal imager gives you that full view not only of the welds, you can see that's a complete weld, but you're measuring the temperature along it. Too cold of a temperature might indicate that the weld didn't actually take place, you don't have a firm seal there, whereas going back to the ultrasonic example, if the two pieces are not pressed together hard enough, you don't have that thermal energy being dissipated, and it might be a weak weld at that point. Manufacturers ensuring that their products are to-specification before shipping them further down the supply chain or onto consumers is a pretty solid example there.

Ein weiteres Beispiel aus dem Automobilbereich: Kunststoffkomponenten oder Gehäuse für Elektronik oder andere Teile, richtig? Es gibt viele Laser-Ultraschall-Schweißverfahren, und mit der Wärmebildkamera kann man nicht nur die Schweißnähte vollständig sehen, sondern auch die Temperatur entlang der Schweißnaht messen. Eine zu kalte Temperatur könnte darauf hindeuten, dass die Schweißung nicht wirklich stattgefunden hat und keine feste Versiegelung entstanden ist. Um auf das Ultraschall-Beispiel zurückzukommen: Wenn die beiden Teile nicht fest genug zusammengepresst werden, wird die Wärmeenergie nicht abgeleitet, und die Schweißnaht könnte an diesem Punkt schwach sein. Hersteller, die sicherstellen, dass ihre Produkte den Spezifikationen entsprechen, bevor sie sie in der Lieferkette oder an die Verbraucher weitergeben, sind hier ein gutes Beispiel.

Als weiteren Aspekt in Hinblick auf die Qualität sehe ich die allgemeinere Prozessüberwachung, bei der man nicht unbedingt ein bestimmtes Teil oder Produkt hat und sicherstellt, dass es all diese Anforderungen erfüllt, sondern bei der führende Hersteller einfach Daten für weitere Untersuchungen und Analysen sammeln, um Prozessänderungen zu verstehen oder möglicherweise sogar indirekt Geräte- oder Wartungsprobleme zu identifizieren. Wenn Sie zum Beispiel ein Zuschlagstoffprodukt haben, das in irgendeiner Weise erhitzt oder getrocknet wird, und Sie haben eine Wärmebildkamera, die das Band überwacht, während es die Linie herunterläuft oder Ihren Ofen verlässt, dann wird Ihnen ein kalter Abschnitt dieses Bandes sagen: Oh, hey, vielleicht stimmt etwas mit einem Brenner im Ofen nicht, wir sollten das herausfinden, bevor wir weitere Probleme bekommen.“ Das sind nur ein paar Beispiele aus dem Bereich der Qualität.

Was die Produktivität betrifft, so habe ich bereits einige der kritischen Anlagen oder Ausrüstungsgegenstände angesprochen, die für den Betrieb einer Fabrik am wichtigsten sind. Ein Beispiel: In einem Stahlwerk, und davon gibt es viele, gibt es eine Schöpfkelle, ganz anders als die Schöpfkelle, die man normalerweise zum Ausgießen von Suppe verwendet. Bei dieser so genannten Stahlpfanne handelt es sich um einen massiven, mit feuerfesten Steinen ausgekleideten Behälter, der geschmolzenen Stahl aus dem Ofen zum nächsten Teil des Prozesses transportiert, wie auch immer er geformt wird. Oft gibt es mehrere dieser Pfannen, die ständig in Betrieb sind. Wenn man mehrere stationäre Wärmebildkameras hat, mit denen man jede einzelne Pfanne inspizieren kann, während sie jeden Zyklus durchläuft, erkennt man, ob das Feuerfestmaterial möglicherweise abgenutzt ist - das wird durch einen Hotspot angezeigt - und kann einen Alarm auslösen. Wenn ein Fehler an diesem Glied in der Produktionskette auftritt und es zu einem möglichen Blowout kommt, ist das ein großes Problem für die Produktivität und auch für die Sicherheit, wenn geschmolzener Stahl ausläuft.

Ein weiteres Beispiel aus dem Bereich der kritischen Anlagen ist ein Kalkofen in einem Zementwerk oder einer Papierfabrik, diese riesigen Drehrohröfen, einige der größten Industriemaschinen, die es gibt. Wenn ein Loch in die Hülle brennt, hat man ein erhebliches Problem mit der Ausfallzeit. Schließlich laufen diese Öfen rund um die Uhr und man kann es sich oft nicht leisten, sie so lange ausfallen zu lassen. Dazu kommt noch, dass man mit zusätzlichen Kosten rechnen muss und daher versuchen muss, die Reparatur zu beschleunigen. Das hätte man verhindern können, indem man einfach sagt: „Hey, wir müssen diese Hülle beim nächsten Stillstand ersetzen.“

PS: Wir beobachten, dass viele Endnutzer die Wärmebildtechnik mit anderen Datensätzen kombinieren, wie Sie sagten, zum Beispiel mit Ultraschall, manchmal auch mit Motion-Capture-Videografie, aber oft auch nur als eigenständigen Datensatz für die Zustandsüberwachung einsetzen. Wenn es um Wärmebildkameras geht, wollte ich Sie speziell nach der Wärmebildkamera TV40 von Fluke Process Instruments fragen. Wodurch unterscheidet sich diese spezielle Kamera von anderen Wärmebildkameras auf dem Markt?

DE:  Der Wert der TV40 ergibt sich nicht nur aus der Kamera selbst, sondern aus der gesamten Lösung, die Ihnen zur Verfügung steht. Wir haben zum Beispiel eine Reihe von Zubehörteilen, die den Betrieb in rauen Industrieumgebungen ermöglichen. Dazu gibt es Netzwerkausrüstung, um das Gerät mit Ihrem Steuerungssystem oder Computern im Kontrollraum zu verbinden, und es gibt einige austauschbare Objektive, die das Sichtfeld entweder erweitern oder fokussieren können. Darüber hinaus gibt es eine eingebaute Standardkamera für eine gleichzeitige Übertragung von Sichtbild und Wärmebild, die einigen Kunden sehr wichtig ist. Außerdem gibt es einen Schwenk- und Neigemechanismus, mit dem man die Kamera montieren und den Erfassungsbereich wirklich optimieren kann. Sie können die Kamera in einem Bogen von 360° nach oben und unten ausrichten, um den Ort wirklich gut im Blick zu haben. Es gibt viele zusätzliche Komponenten, die es uns ermöglichen, die beste Systemlösung für nahezu jede Anwendung zu finden.

Das eigentliche Unterscheidungsmerkmal bei all dem ist die ThermoView-Software, die alles miteinander verknüpft. Die Software verfügt über einige sehr leistungsstarke Automatisierungsfunktionen - ich könnte den ganzen Tag darüber sprechen - aber zum Beispiel automatische Alarme, Signalisierung, Datenaufzeichnung, die Möglichkeit, automatisch eine E-Mail mit einem Wärmebild im Anhang zu versenden. All das kann mit einigen grundlegenden und/oder logischen Funktionen kombiniert werden, um auch Eingaben von einem Steuerungssystem des Kunden einzubinden, z. B. einem Auslöser, um etwas zu steuern oder einfach nur auf der Grundlage einer bestimmten Zeitbedingung zu arbeiten. Es gibt eine Menge davon, und die Programme, die man sich ausdenken kann, können sehr tiefgründig und kompliziert sein. Trotzdem sind sie ziemlich intuitiv zu bedienen. Wir waren zum Beispiel neulich an einem unserer Fluke Standorte, um Fotos und Videos für Marketingzwecke aufzunehmen, und einer unserer Marketingmanager, der keinerlei praktische Erfahrung mit dem Produkt hatte, konnte die Kamera innerhalb weniger Minuten einrichten, die Software ausführen, eine Verbindung herstellen und streamen. Die Handhabung ist also tatsächlich ziemlich einfach.

Ich selbst bin zwar kein Steuerungs- oder Automatisierungsingenieur, aber ich konnte persönlich zu den Kunden gehen und mit ihnen gemeinsam Programme erstellen. Ich habe zuvor das Beispiel der Pass/Fail-Kontrolle verwendet, aber wir stellen eine Reihe von interessierenden Bereichen ein. Wir stellen diese Temperaturbedingungen ein, um sicherzustellen, dass diese Elemente auf einen bestimmten Bereich aufgeheizt werden, wir kombinieren dies mit einem Auslöser von der SPS und geben es dann entweder als Pass- oder als Fail-Signal zurück, um diese automatisierte Aktion zu steuern. Das ist ein großer Teil des Nutzens: Die Kunden sind in der Lage, einige ziemlich ausgeklügelte Programme für eine 24/7-Überwachung und Automatisierung einzurichten, ohne dass sie für die Integration an einen Drittanbieter oder eine kundenspezifische Softwareprogrammierung benötigen.

PS: Das ist wirklich gut, und es ist wichtig, einfach starten zu können, ohne die Unterstützung eines integrierten Partners zu benötigen, um das in Gang zu bringen.

DE: Ja. Und als Letztes möchte ich unser Team für Anwendungen und technischen Support loben, das immer bereit ist, bei der Einrichtung und Fehlerbehebung zu helfen, sei es per Fernzugriff oder vor Ort. Sie machen einen tollen Job.

PS: Das ist großartig. Alle paar Monate scheint es irgendeine Innovation im Bereich der Wärmebildtechnik zu geben. Welche Fortschritte sehen Sie in den nächsten fünf Jahren, die für unsere Zuhörer interessant sein können?

DE: Zunächst möchte ich einen Blick auf die letzten fünf Jahre werfen und sehen, was wir erreicht haben. Die Kameras selbst haben sich definitiv verbessert, mit höherer Pixelauflösung und schnelleren Streaming-Raten. Darüber hinaus gibt es flexiblere Kommunikations- und Integrationsmöglichkeiten sowie einige eigenständige Funktionen, die ebenfalls Einzug gehalten haben. Und ich denke, dass diese Entwicklung parallel zu allgemeinen Technologietrends wie kleineren Formfaktoren und besserer Leistung auch weiterhin fortgeführt wird. Ich möchte nicht sagen, dass wir aus der Perspektive der Messung oder der Visualisierung, d. h. der Fähigkeit der Kamera, zu sehen und messen, vor einer Art Mauer stehen, aber wir erhalten eine Menge Daten. Für die TV40 bedeutet dies eine Auflösung von 640 x 480 Pixel bei bis zu 60 Bildern pro Sekunde. Das sind über 18 Millionen diskrete Temperaturmessungen pro Sekunde.

Das ist ein Teil des Marketings, mit dem wir uns gerne schmücken. Aber ich finde, dass die Datenmenge schon fast zu groß wird. Es kommt vielmehr darauf an, die richtigen Daten auszuwählen und dann etwas mit ihnen anzufangen. Es wird also mehr Gewicht auf die Erleichterung und Rationalisierung von Korrekturmaßnahmen basierend auf den wichtigen Temperaturdaten gelegt werden. Vieles davon wird durch eine einfachere Integration, die Verbesserung der Interoperabilität mit verschiedenen Steuerungssystemen und Kommunikationsprotokollen, den Fernzugriff für unbemannte Standorte und nicht einmal unbedingt nur einen entfernten Standort da draußen ermöglicht. Wenn Sie ein Schwenk- und Neigesystem haben, das ein Umspannwerk überwacht, sind Sie vielleicht gerade in der Fabrik und wollen sehen, was in unserem Prozess am anderen Ende der Fabrik vor sich geht, ohne den ganzen Weg dorthin gehen zu müssen. Es geht also darum, den sofortigen Zugriff auf Daten zu ermöglichen, egal wo man sich befindet.

Da das Bewusstsein für diese Thematik weiter zunimmt, haben wir ein gewisses Interesse von Seiten der Versicherungen und der Aufsichtsbehörden festgestellt, die dabei mehr die Sicherheit im Auge haben. Beispiele hierfür sind Brandverhütung und -erkennung. Wir vermarkten diese Geräte nicht als Brandmelder - dafür sind sie nicht gedacht -, aber mit einigen ihrer Funktionen können Sie eine Hitzeentwicklung erkennen, bevor ein potenzieller Brand entsteht, zum Beispiel bei der Überwachung von Kohle- oder Biomassehaufen.

Die Integration von KI-Tools wird wahrscheinlich in nicht allzu ferner Zukunft in Angriff genommen werden. Es ist schwer zu sagen, wie das genau aussehen könnte, aber eine intelligentere Software, sei es die intuitive Einrichtung von interessierenden Bereichen, wenn Sie ein Teil herstellen und Ihr Automatisierungsprogramm bereits dafür konfiguriert haben, und nun mit der Herstellung eines neuen Teils beginnen. Vielleicht ist es eine Copy-Paste-Funktion und dann eine Software, die sagt: „Hey, uns ist aufgefallen, dass du hier ein paar Dinge ein bisschen anders machst, lass uns versuchen, das für dich zu klären.“ Es könnte sich um die Erkennung von Defekten im Bild selbst handeln: Sie haben vielleicht Ihre interessierenden Bereiche auf der Grundlage festgelegter Parameter eingerichtet, aber wenn das Gerät zufällig einen kalten Fleck oder ein anderes anormales Temperaturereignis an einer anderen Stelle entdeckt, könnte das ein großartiges Hilfsmittel sein.

Es könnte sogar sein, wir hören diesen Begriff, das industrielle Internet der Dinge, Industrie 4.0, richtig, diese Integration von mehreren Datenströmen, wo dieses System zur thermische Analyse sagen könnte; „Hey, wir wissen, dass es in den nächsten Wochen draußen etwas kälter sein wird, vielleicht sollten Sie Ihre Ofentemperaturen entsprechend anpassen, um sicherzustellen, dass es keine Abweichungen beim Endprodukt gibt.“ In diesem Bereich gibt es also eine Menge Dinge. Es wird sicherlich spannend sein, zu sehen, wie sie sich wirklich entwickeln und in der Industrie ankommen.