Auf/Zu-Armaturen und Schwenkantriebe Smart Control für Schwenkantriebe und Auf/Zu-Armaturen

Autor / Redakteur: Dr. Thomas Karte, Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer, Karl-Bernd Schärtner / M.A. Manja Wühr

Waren Auf/Zu-Armaturen und Schwenkantriebe jahrelang das Stiefkind der Automatisierungstechnik, so können sie nun durch Automatisierungsgeräte mit neuester Technologie bestückt werden – etwa mit Funktionalitäten wie Selbstabgleich und Diagnose. Dank integriertem Anbau lassen sich kompakte und robuste Units für den Feldeinsatz realisieren.

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Elektropneumatische Stellungsregler werden seit vielen Jahrzehnten an Regelventilen eingesetzt. Angesteuert werden sie in der Regel über die so genannte Zweileitertechnik mit 4...20 mA. Inzwischen gewinnt zusätzlich die Ansteuerung mit Feldbus an Bedeutung. So konstant auch die 4...20mA-Schnittstelle war, der innere Aufbau dieser Geräte wandelte sich in dramatischer Weise von mechanischen Geräten mit Faltenbälgen und Kraftvergleichern hin zu komplexen, mikrorechnergesteuerten Geräten, also exzellenten Beispielen für Mechatronik. Für den Betreiber bedeutete die-se Entwicklung in erster Linie verbesserte Regelgenauigkeit, erleichterte Inbetriebnahme und Einstellung und insbesondere auch ausgefeilte Diagnose. Ziel dieser Diagnose ist sowohl der Stellungsregler als auch das zugehörige Ventil. An Schwenkantrieben, die zur Betätigung von Auf/Zu-Ventilen, z.B. Kugelhähnen und Klappen dienen, werden dagegen unverändert Magnetventile zur Betätigung eingesetzt. Die Funktionalität ist auf das Anfahren der beiden Endlagen begrenzt.

Heute ist jedoch eine Gerätegeneration verfügbar, die bei Beibehaltung der elektrischen Schnittstellen die Entwicklung der Stellungsregler nun auch im Bereich der Auf/Zu-Armaturen komplementiert. Die Funktionalität beider Komponenten, Magnetventil und Endlagenschalter, werden in einem Gerät zusammengefasst. Kern des Gerätes ist aber nun ein Mikrorechner; als Wegsensor wird nicht mehr ein Näherungsschalter, sondern ein Analogsensor hoher Qualität verwendet. Die Funktionalität des Magnetventils – Belüften des Antriebes – ist nicht nur räumlich in das Gehäuse integriert, sondern auch funktionell mit der Sensierung und Signalisierung verknüpft. Ganz analog zu den Stellungsreglern hat der Betreiber nun den Nutzen erhöhter Genauigkeit, vereinfachter Einstellung bis hin zum Selbstabgleich und ausgefeilter Diagnose. Die Diagnose umfasst sowohl passive Beobachtungsmöglichkeiten als auch aktive Tests.

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Aufbau des Gerätes

Es gibt zwei Varianten, eine mit integriertem und eine mit externem Magnetventil. Die elektrischen Anschlüsse sind identisch zu induktiven Näherungsschaltern nach DIN EN 947-5-6 („Namursignal“). Dadurch ist auch das Nachrüsten von Altanlagen ohne jede Änderung der Verkabelung möglich. Bemerkenswert ist, dass die gesamte Versorgungsenergie des Gerätes aus dem an Klemme A fließenden Strom abgeleitet wird. Damit ist die maximale Leistungsaufnahme durch den im Signalfall „Low“ fließenden Strom von höchstens 1,2 mA und die maximale Versorgungsspannung von acht Volt begrenzt. Das Gerät ist also bereits voll funktionsfähig, sobald Klemme A angeschlossen ist. Zwei weitere Signalkontakte (Anschluss B und C) sind vorhanden. Diese dienen der Signalisierung der zweiten Endlage und einer Zwischenlage. Der Zustand „Armatur hat Zwischenlage erreicht“ ist z.B. bei Funktionstests einer Armatur im laufenden Betrieb (Partial Stroke) von Interesse. Ein Sammelalarm (Anschluss STAT) meldet Störungen aktiv nach außen. Die Stellung des Antriebes wird über einen analogen Sensor berührungslos gemessen. Die Bildung der Schaltpunkte erfolgt über einen Mikrorechner. Der Grenzwert ist durch den Benutzer frei konfigurierbar. Die typische Genauigkeit der Wegmessung – und damit der Schaltpunktbildung – ist besser als 1 Grad. Dieser gegenüber klassischen induktiven Initiatoren deutlich verbesserte Wert ist insbesondere bei Anwendungen wie Klappen von besonderem Vorteil. Entsprechend der Charakteristik des analogen Sensors ist das Signal temperatur- und langzeitstabil. Das Magnetventil ist in das Gehäuse integriert. Der anliegende Schaltpegel wird vom Mikrorechner sensiert. Durch die Verknüpfung der Information über den Schaltzustand des Magnetventils mit dem Wegsignal wird eine wirkungsvolle Diagnose der angeschlossenen Armatur und des Antriebs ermöglicht, es werden z.B. Totzeit, Verfahrzeit und andere Parameter ermittelt. Die Betätigung des Magnetventils erfolgt durch 24 Volt. Bei anliegender Spannung kann der Signalweg zum Magnetventil durch den Mikrorechner unterbrochen werden. Damit kann eine automatische Inbetriebnahme durchgeführt werden. Hierbei werden die Endlagen des Antriebes automatisch angefahren und auch entsprechend detektiert. Auch aktive Tests, wie ein Partial-Stroke-Test, sind möglich. Der Partial-Stroke-Test steuert den Antrieb über das Magnetventil an; es wird also mitgetestet. Wichtig ist die sichere und auch zertifizierte Trennung des MV-Kreises vom Mikrorechnerkreis. Bei spannungslosem MV-Eingang ist eine Speisung des MV durch den Mikrorechner ausgeschlossen. Diese Eigenschaft und auch die sichere Signalisierung der Endlagen ist durch externe Stelle zertifiziert. Dies ermöglicht den Einsatz des Grenzsignalgebers in sicherheitsgerichteten Kreisen, einkanalig kann bis SIL 2 instrumentiert werden, zweikanalig bis SIL 3. Entsprechend dem Stand der Technik ist das Gerät sowohl über Vorortschnittstelle mit LCD-Display und lokalen Bedienelementen bedienbar als auch über serielle Schnittstelle.

Mechanische Adaption

Grundsätzlich wird der Grenzsignalgeber an die dem Abtrieb gegenüberliegende Seite angebaut. Es existieren zwei Varianten, die sich durch die Art der Pneumatik unterscheiden. Die Variante mit externem Magnetventil ist zur Adaption an beliebige Schwenkantriebe entsprechend Norm vorgesehen. In diesem Fall wird der Grenzsignalgeber extern an die Ebene zwei nach VDI 3845 angebaut, das Magnetventil sitzt wie üblich seitlich an der Schnittstelle, entsprechend VDI 3845. Das 24-Volt-Signal zur Ansteuerung des Magnetventils wird dabei durch den Grenzsignalgeber „durchgeschleift“. Diese Anbausituation ist vorteilhaft in folgenden Fällen:

Verwendung von Magnetventilen hoher Luftleistung für sehr große Antriebe;

Für den Fall, dass nicht modifizierte Schwenkantriebe nach Standard verwendet werden sollen;

Zündschutzart Ex-e für das Magnetventil ist zwingend erforderlich.

Technisch überlegen ist aber die zweite Variante. Hier ist das Magnetventil in das Gehäuse des Grenzsignalgebers integriert. Die Luftübergabe der Steuerluft an den Antrieb erfolgt über Bohrungen im Gehäuseboden. Dementsprechend muss der Antrieb modifiziert sein, d.h. statt der seitlichen Luftführungen nach VDI 3845 erfolgt die Luftführung über zwei zusätzliche Bohrungen in der Ebene zwei. Diese „integrierte“ Variante bietet folgend Vorteile:

In einem Gehäuse werden Magnetventil und Signalgeber angebaut.

Durch den integrierten Anbau kann auf jede externe Verrohrung verzichtet werden.

Der Gesamtaufbau ist durch den Verzicht auf bewegliche Teile, Haltebügel und freiliegende Verrohrung außerordentlich robust.

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Die Automatisierung der Armatur ist damit sehr kostengünstig.

Im Reparaturfall kann in sekundenschnelle durch das Lösen zweier Schrauben ein Ersatzgerät montiert werden.

Da der analoge Sensor nach einem berührungslosen Prinzip arbeitet, ist der mechanische Aufbau schnell und einfach durchzuführen. Eine Schraube mit integriertem Magnet, der als Signalgeber dient, fixiert eine visuelle Anzeige an der Schwenkachse. Eine Grundplatte wird an die Ebene zwei aufgeschraubt. Auf diese Grundplatte wird ohne jede weitere mechanische Koppelung oder Justage das Gehäuse des Grenzsignalgebers mit zwei Schrauben befestigt. Die notwendige pneumatische Verbindung erfolgt über interne Bohrungen. Das Wegsignal wiederum wird via magnetischer Feldlinien ins Innere des Gehäuses auf den Sensor übertragen.

Diagnose

Im Gerät sind umfangreiche Diagnosemöglichkeiten integriert, die den Anwender bei der Inbetriebnahme des Gerätes, im laufenden Betrieb und auch während der wiederkehrenden Prüfung wirkungsvoll unterstützen. Die Diagnose wird geräteintern durchgeführt und bewertet, es können verschiedene Alarmbedingungen gebildet werden. Alarme werden über den Statuskontakt an die Leitwarte gemeldet. Lokal kann der Alarmstatus über ein Display ausgelesen werden. Über eine serielle Schnittstelle und das Programm TrovisView kann der Gerätezustand detailliert evaluiert werden. Der Anwender hat hier in einem übersichtlichen Fenster Zugriff auf alle relevanten Prozesswerte und Stati. Ereignisse, wie Alarme, werden intern aufgezeichnet und netzausfallsicher abgespeichert. Weiterhin können aktive Tests, z.B. ein Advanced Partial-Stroke-Test, angestoßen werden. Hierbei wird die Beweglichkeit des Ventils durch einen definierten, in einer Initialisierungsphase erlernten Puls getestet und das Erreichen eines einstellbaren Zielfensters bewertet.

Fazit: Durch die Integration aller Komponenten in ein Gehäuse sowie den materialsparenden Anbau sind signifikante Kostenvorteile gegeben. Besonders prädestiniert erscheinen als Anwendungsgebiet z.B. Klappen, bei denen schon kleine Abweichungen der Schließstellungen zu erheblichen Leckagemengen führen können, da hier die verbesserte Messgenauigkeit greift. Armaturen mit hohen Ansprüchen an Verfügbarkeit oder solche mit Einsatz in schwieriger Umgebung sind andere Schlüsselgebiete. Mittelfristig wird der Einsatz der vorgestellten Technologie für breite Anwendungen erwartet.

?ACHEMA?Halle 10.2, Stand F15-J18

T. Karte ist bei der Samson AG, Frankfurt/M., für Anwendungstechnik zuständig, K.B. Schärtner leitet die Entwicklung Pneumatik und J. Kiesbauer ist Vorstandsmitglied.

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