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Diagnose und Zustandsüberwachung Mit Diagnose und Condition Monitoring zu mehr Anlagenverfügbarkeit

Redakteur: Andreas Kunze

Die Forderungen nach Systemlösungen, modularen Konzepten sowie Diagnose und Zustandsüberwachung in der Prozessindustrie wachsen ständig. Denn Anlagenstillstände verursachen Kosten und können ganze Produktionschargen unbrauchbar machen. Komplette Automatisierungslösungen sind deshalb längst auch für die Prozessindustrie angekommen.

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Die moderne Prozessautomation als Garant für Konsistenz, Sicherheit und verminderte Kosten. Hier bei der Antikörperherstellung im Fermenter.
Die moderne Prozessautomation als Garant für Konsistenz, Sicherheit und verminderte Kosten. Hier bei der Antikörperherstellung im Fermenter.
( Archiv: Vogel Business Media )

Neben dem Kundenwunsch, für integrierte Automatisierungslösungen – vom Engineering bis zum Aufbau – alles aus einer Hand zu bekommen, ist es auch notwendig, Daten zwischen aufeinander abgestimmten Komponenten austauschen zu können. Aufeinander abgestimmte Automatisierungsprodukte mit Diagnosefunktionen zur Datenauswertung bilden dabei die Basis und ermöglichen eine vorausschauende Wartung. Mit einer durchgängigen Diagnose können Anwender ungeplante Stillstandszeiten bei den Produktionsprozessen weitestgehend reduzieren und somit für Konsistenz, Verfügbarkeit und verminderte Kosten sorgen.

Wenn zudem bei der Umsetzung der Prozessautomation der Ansatz „Total Cost of Ownership“(TCO) verfolgt wird, kann man noch weitere Einsparpotenziale erschließen, z.B. das Finden und Dimensionieren der richtigen Komponenten, das Zeichnen von Schaltplänen, das Einbinden von Einzelkomponenten in eine Gesamtkonstruktion, Bestellvorgänge, Montieren und die Inbetriebnahme. Die Betrachtung dieser Kostenanalyse beschränkt sich aber nicht auf die Investitionssummen und deren Einsparpotenziale. Mit der Inbetriebnahme kommt ein wesentlicher Faktor hinzu: die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit und damit die Steigerung der Produktionskapazität. Zur automatisierten Prozessführung gehört bei dem Unternehmen Festo z.B. ein verteiltes System aus elektronischen sowie pneumatischen Steuerketten.

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Ein modernes Diagnosekonzept

Die pneumatische Steuerkette umfasst neben der Druckluftversorgung die Druckluftaufbereitung, pneumatische Schaltventile, Verschlauchung sowie pneumatische Prozessantriebe. Eine Fehlfunktion in der pneumatischen Steuerkette bedeutet häufig keinen oder falschen Produktfluss, fehlerhafte Prozesszeiten, schlechte Performance, vermeidbare Stillstände und unzureichende Qualitäten, bis hin zum Produktverlust. Mit einem durchgängigen Diagnosekonzept können Anwender ungeplante Stillstandszeiten der Prozesse reduzieren. Dabei lassen sich die möglichen Abläufe in drei verschiedene Levels unterteilen: 1. Diagnoselevel: einfache Monitoringfunktionen (Erkennen von Störungen); 2. Diagnoselevel: Systemdiagnose (Fehlerlokalisierung in der Anlage) und 3. Diagnoselevel: Subsystemdiagnose (Fehleridentifizierung).

Mit wenigen Sensoren für Druck und Durchfluss in der pneumatischen Steuerkette lassen sich über den einfachen Vergleich von Soll- und Ist-Werten Rückschlüsse auf den Zustand der Anlage treffen (1. Level). In der zweiten Ebene werten ein Diagnosecontroller sowie modellbasierte Software-Lösungen die Prozessparameter aus Level 1 aus und interpretieren sie. Damit lassen sich bereits vor dem Ausfall Wartungsmaßnahmen durchführen. Diagnoselevel 3 ist für besonders kritische Prozessfunktionen sinnvoll. Zusätzliche Sensorik überwacht anspruchsvolle Prozessantriebe und erkennt z.B. verstellte Drosseln, Dichtungsverschleiß oder gequetschte Zuleitungen. Diese Diagnoseinformationen lassen sich auf den übergeordneten Leitsystemen visualisieren, um Maßnahmen zielgerichtet einzuleiten.

Anlagennahe Diagnose

Das modulare Ventilinselkonzept CPX/MPA von Festo, eine Kombination aus dem Remote-IO-Terminal CPX und der Magnetventilinsel MPA, zeigt Fehlerquelle, -ort und Maßnahmen an. Dazu gehören die Fehlererkennung und -lokalisierung als modul- oder kanalorientierte Diagnose der E/As, die Ventildiagnose pro Kanal, Klartextanzeige vor Ort, Datenaufbereitung und -übertragung über Feldbus. Außerdem gehört eine Ausbaustufe mit Ethernetschnittstelle, integrierte IT-Lösungen wie Fernwartung, E-Mail- oder SMS-Alarm und Diagnose-Trace mit Fehlerspeicher dazu. Zur vorausschauenden Wartung dienen bei diesem Bauteil die integrierten Features zum Condition Monitoring wie Schaltspielzähler, permanente Überwachung der Spulenströme für Magnetventile sowie die modulweise Kontrolle der Spulenspannung für Magnetventile. Mit einem Ethernetanschluss auf CPX sind Diagnosedaten sofort und weltweit als integrierte IT-Lösung verfügbar. Über das Zählen von Zyklen lassen sich Wartungseinsätze bestimmen. Im Störfall kann das Modul den Fehlerort weitermelden. Sind die Werte bekannt, lassen sich so Stillstände durch rechtzeitige Wartung vermeiden, Produktionsabläufe besser steuern und Störungsursachen schneller beseitigen.

Multifunktionale Ventilinseln sind mit ihrer Verbindung von Elektrik, Pneumatik und Integration in überlagerte Systeme der Prozessführung prädestiniert für die anlagennahe Diagnose. Ein Softwarepaket macht dabei alle Diagnosedaten dynamisch in einem Web-Browser sicht- und anwendbar, entweder im lokalen Anlagennetzwerk, im Intranet oder weltweit. In die modulare elektrische Peripherie kann auch ein Front-End-Controller CPX-FEC integriert werden, der im Feld autarke Steuer- und Regelkreise, Visualisierung vor Ort sowie Vorverarbeitung am Feldbus ermöglicht. Per Fernwartung behalten die Betreiber ihre Anlagen von jedem beliebigen Ort im Auge und können Konfigurationen durch Online-Zugriff verändern.

Neben diesen Automatisierungskomponenten im Diagnosesystem erhöhen die Festo Services auch die Verfügbarkeit von Anlagen. Die Analyse und Optimierung der Druckluftqualität sorgt für präzise, langzeitstabile Messergebnisse, besonders bei Dauereinsatz der Durchflusssensoren im rauen Umfeld einer Fertigung. Nur eine optimale Druckluftqualität erhöht die Lebensdauer aller Sensoren und pneumatischen Komponenten in der Gesamtanlage. Mit dem speziellen Energy Saving Service lassen sich z.B. auch Leckagen beseitigen.

Nachgefragt:

Dr. Eckhard Roos ist Leiter der Process Automation bei Festo und berichtet über Strategien, Diagnosekonzepte sowie über kundenspezifische Condition-Monitoring-Projekte des Unternehmens in der Prozessautomatisierung.

Herr Dr. Roos, seit knapp einem Jahr sind Sie nun Leiter des Business Center Prozessautomation bei Festo. Wo steht Ihr Bereich heute im Unternehmen?

Dr. Roos: Die Prozessautomation ist heute bei Festo eines der strategischen Geschäftsfelder für die Zukunft. Der Business-Plan sieht daher auch noch weitere erhebliche Investitionen für diesen Bereich vor. Der Umsatz, den das Unternehmen in der Prozessindustrie im vergangenen Jahr weltweit erzielt hat, lag im hohen zweistelligen Millionen-Euro-Bereich. Festo wird dieses Ergebnis aber noch deutlich ausbauen. Wir wollen den Bereich Prozessautomation so stärken, dass er einen signifikanten Anteil zum Gesamtumsatz bei Festo beitragen wird.

Wo gibt es derzeit noch Probleme?

Dr. Roos: Tatsächlich gibt es wenige Lücken, die es zu schließen gilt. Zwar können wir unsere bisherigen Factory-Automation-Systeme, z.B. die modularen Ventilkonzepte CPX/MPA ohne große Probleme 1:1 auf die Prozessautomation übertragen. Dennoch gibt es ein paar spezielle Eigenheiten in der Prozessindustrie. Gerade in der Petrochemie unterliegen viele Anlagen den Atex-Anforderungen. Unsere CPV-Ventilinseln sind dort einsetzbar, aber noch nicht unsere CPX- oder MPA-Anwendungen, weil sie die angesprochenen Explosionsschutzrichtlinien noch nicht erfüllen. Aber schon im nächsten Jahr werden wir auch diese Lücke geschlossen haben.

Ein wichtiges Thema in der Prozessautomation ist die Anlagenverfügbarkeit. Wie wollen Sie dazu beitragen, diese zu erhöhen?

Dr. Roos: Vor allem durch moderne Diagnoseverfahren. Wir werden z.B. ermitteln, wie der Zustand eines bestimmten Bauteils zur Inbetriebnahme ist, bei der Ansteuerung, Drehmomentüberwachung und Rückmeldung eines pneumatischen Antriebes. Über ständige Analysen und Vergleiche im gesamten Lebenszyklus können wir so typische Material- oder Verschleißprobleme erkennen. Beispielsweise wann beginnt sich ein Ventil festzufressen oder verschmutzt und droht auszufallen. Dies ist auch wichtig im Zusammenhang mit einer effektiven und intelligenten Instandhaltung, die zukünftig immer mehr in Richtung vorausschauende Korrektur zielt.

Ist Condition Monitoring für den Geschäftsbereich Prozessautomation bei Festo ein Thema, und wie sollten moderne CM-Systeme aussehen?

Dr. Roos: Wir haben zwar derzeit noch keine konkreten Standard Condition Monitoring-Lösungen für Anlagenkomponenten oder Teilanlagen, doch dies wird in naher Zukunft mit Sicherheit ein ganz wichtiger Sektor für die Prozessautomation bei Festo sein. Denn immer mehr Kunden sagen heute: Condition Monitoring ist für uns genau dann ein Thema, wenn wir uns den enormen Aufwand für den spontanen oder turnusmäßigen Austausch von Verschleißteilen sparen können. In Raffinerien oder anderen petrochemische Anlagen ist es doch oft so, dass nach sieben bis acht Jahren Betriebszeit die Anlagen heruntergefahren werden und das Wartungsintervall beginnt. Alle Ventile werden dann ausgewechselt. Heute weiß man, dass etwa 60 Prozent der Ventile unnötig ausgebaut werden, weil sie noch völlig intakt sind. Wenn man hier eine zuverlässige Anlagen-Zustandsüberwachung aufbauen könnte, würde dies nicht nur Kosten sparen, sondern eben auch die Ausfälle erheblich reduzieren. Condition Monitoring wird deshalb auch für Festo eine große Aufgabe für die Zukunft sein.

Herr Dr. Roos, vielen Dank für das Gespräch.

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