Online-Prozessanalytik Zuverlässige Online-Prozessanalytik – warum digital die bessere Wahl ist

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Mettler-Toledo GmbH Ingold (Prozessanalytik))

Bei der Betrachtung der Messunsicherheit des gesamten Loops vom Sensor über Kabel und Transmitter bis zur Messdatenübertragung an das Leitsystem muss in der Online-Prozessanalytik auch der Beitrag berücksichtigt werden, den die analoge Messwertverarbeitung beisteuert. Bei ungünstiger Skalierung kann dieser Fehler erhebliche Ausmaße annehmen! Diese lassen sich eliminieren, wenn die Messdaten digital statt analog übertragen werden.

Klassisch und immer noch weit verbreitet werden die Messdaten von Online-Analysegeräten für pH-Wert, Redox-Potenzial, elektrolytische Leitfähigkeit, gelösten Sauerstoff, Ozon, TOC, gelöstestes CO₂ und Trübung über analoge Stromausgänge 0/4…20 mA an das Prozessleitsystem übertragen. Das analoge Signal ist robust und sehr einfach ohne Programmieraufwand zu konfigurieren. Jedoch überträgt es nur den reinen Messwert, gegebenenfalls noch ein Alarmsignal im Fehlerfall.

Digitale Schnittstellen wie Profibus, Foundation Fieldbus, Profinet oder Ethernet/IP bieten bei der Messdatenverarbeitung erhebliche Vorteile. Bei der digitalen Integration von Analyse-Transmittern lassen sich weitere wertvolle Informationen aus dem Prozess gewinnen, welche die Prozesssicherheit erhöhen und moderne Wartungskonzepte ermöglichen. Intelligente Diagnosefunktionen geben an, wann die Reinigung, Kalibrierung oder der Austausch eines Sensors notwendig ist.

Historische Entwicklung der Datenübertragung

Um Produktionsprozesse in Echtzeit steuern und regeln zu können, müssen kritische Messdaten online zur Verfügung stehen. Probenahme und Offline-Analyse führen einerseits zu Verfälschungen, und andererseits stehen die benötigten Informationen nur zeitverzögert zur Verfügung. Schon in den 1940er Jahren wurde eine Technologie entwickelt, Prozessdaten permanent an ein Kon­trollsystem zu übertragen, nämlich über ein pneumatisches Signal 0,2…1 bar, das auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zone) geeignet war, da es nicht elektrisch war. In den 1960er Jahren wurde dann das bis heute bewährte und weit verbreitete analoge 0/4…20 mA Signal eingeführt, das auch in eigensicherer Ausführung (2-Leiter-Transmitter) in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden kann. Ab den 1980er Jahren war es mit dem Hart-Protokoll (Highway Adressable Remote Transducer) möglich, praktisch „Huckepack“ mit dem analogen 4…20 mA Signal zusätzlich bidirektional digital zu kommunizieren. Diese Kommunikation dient in erster Linie dem azyklischen Datenaustausch zwischen Feldgerät und Kontrollsystem (z. B. Fernparametrierung, Fehleranalyse), da sie für eine Messdatenübertragung zu langsam ist.

Schätzungsweise wird bei 80 Prozent der installierten Hart-fähigen Feldgeräte die Hart-Kommunikation gar nicht genutzt. Wireless Hart hat sich für die Steuerung kritischer Prozesse nicht durchgesetzt, da die kabelgebundene Datenübertragung im Hinblick auf EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) sicherer ist. In den 1990er Jahren wurden die Feldbusse entwickelt, mit dem Vorteil der rein digitalen Kommunikation – sowohl im Ex-Bereich bei niedrigen als auch im non-Ex-Bereich bei hohen Übertragungsraten. Das Highspeed-Ethernet entwickelt sich aktuell zum neuen Standard bei der Datenübertragung in der Prozesssteuerung. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Technologien.

Das bewährte 0/4…20 mA Signal

Immer noch weit verbreitet, obwohl moderne digitale Protokolle zur Verfügung stehen, ist das 0/4…20 mA Signal für die Messwertübertragung vom Feldgerät an das Prozessleitsystem (PLS). Der Messwert, z. B. pH, wird dabei meist im Bereich zwischen 4 und 20 mA (linear) skaliert. Bei 4-Leiter-Geräten wäre auch eine Skalierung zwischen 0 und 20 mA möglich, jedoch wäre bei 0 mA nicht eindeutig interpretierbar, ob es sich um einen Messwert am Messbereichsanfang oder eine Unterbrechung der Leitung handelt. Bei einer Skalierung zwischen 4 und 20 mA, fließt immer ein Strom von mindestens 3,6 mA, so dass Leitungsbruch eindeutig erkannt werden kann („live zero“). Gemäß Namur-Empfehlung NE43 werden folgende Strombereiche für die Signalerkennung bei Prozessleitsystemen genutzt:

• ≤3,6 mA: Ausfallinformation

• 3,8 mA: Messbereichsuntergrenze

• 4…20 mA: Messinformation

• 20,5 mA: Messbereichsobergrenze

• ≥21,0 mA: Ausfallinformation

Die Messwertverarbeitung über das analoge Stromausgangssignal ist sehr beliebt, da es bei der Einrichtung keinerlei Programmieraufwand/-kenntnisse erfordert und äußerst robust ist. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass man nur den reinen Messwert erhält und das Signal unidirektional gerichtet ist. Außerdem ist es fehlerbehaftet, was weiter unten betrachtet wird. Die meisten Feldgeräte erlauben es zumindest, die Fehlerzustände gemäß NE43 zu übertragen. Bei einem Signal von 22 mA erhält man immerhin die Information, dass ein Fehler vorliegt, muss dann aber am Feldgerät vor Ort die genaue Fehlerbeschreibung auslesen. Mit dem Hart-Protokoll in Verbindung mit dem analogen Stromausgang ließe sich zwar auch bidirektional digital zwischen Feldgerät und PLS kommunizieren, diese Funktion wird jedoch kaum genutzt wie weiter oben erwähnt.

Ältere Anlagen („brown field“) werden kaum mit digitaler Technologie nachgerüstet, bei neuen Projekten wird meist digitale Technologie am Anfang vorgegeben, schlussendlich aber dann doch oft nur analog ausgeführt. Argumente gegen die digitale Kommunikation sind meist der befürchtete Programmieraufwand, der Verlust von mehreren Teilnehmern, wenn ein Bussegment unterbrochen wird, und die häufig geäußerte Aussage: ”Ich benötige nur den Messwert“.

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Fehler bei der analogen Messwertübertragung

Geht es um die Betrachtung der Messunsicherheit, werden in erster Linie die Spezifikationen des Sensors und Transmitters, der korrekten Kalibrierung und Justierung sowie die Genauigkeit der Prüfmittel diskutiert. Meist wird nicht berücksichtigt, dass auch der analoge Stromausgang des Feldgeräts (und der analoge Eingang auf der Seite des PLS – Remote I/O, SPS) fehlerbehaftet sind. Die anlogen Stromausgänge eines Transmitters werden typischerweise mit ±0,05 mA spezifiziert. Oft findet man dann auch noch ungünstige Skalierungen des analogen Ausgangs vor, wenn der Messwert über einen unnötig weiten Bereich skaliert wird. Generell gilt: Je kleiner der Messbereich skaliert wird, desto besser ist die Auflösung und somit die Genauigkeit. Nur der zu erwartende Messbereich sollte skaliert werden. Oft muss nicht die gesamte pH-Skala auf 4…20 mA skaliert werden, wenn wie im Bereich der biotechnologischen Fermentation pH-Werte nur im Bereich 6 bis 9 zu erwarten sind. Dann kann die Skalierung auf 4…20 mA = pH 5…10 erfolgen.

Ein negatives Beispiel wird oft in der Rein(st)wasser-Analytik vorgefunden, nämlich bei der TOC-Bestimmung. Laut Vorgaben der Arzneibücher (Ph. Eur. 2.2.44, USP <643>) darf Wasser für pharmazeutische Zwecke maximal einen TOC-Gehalt von 500 ppb C enthalten (Hinweis: Der genaue Grenzwert ergibt sich aus dem Ergebnis des SST – System Suitability Test). Aus diesem Grund skalieren viele Anwender den analogen Stromausgang eines Online-TOC-Analyzers von 4…20 mA = 0….1.000 ppb C, um den Grenzwert von 500 ppb deutlich bei 12 mA darzustellen. Neue Wasseranlagen weisen TOC Gehalte <10 ppb C auf. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass am Analyzer vor Ort ein Gehalt von 1 ppb angezeigt wird, durch den fehlerbehafteten Stromausgang und -eingang (±0,05 mA) im PLS jedoch ein negativer TOC-Gehalt zur Anzeige kommt. In diesem Fall empfiehlt es sich, einen weiteren Stromausgang zu verwenden und auf 0…20 ppb C zu skalieren, um den Fehler durch die Wandlung digital => analog => digital zu minimieren. Der Stromausgang mit der Skalierung 0…1.000 ppb C bildet dann immer noch den gesetzlichen Grenzwert von 500 ppb ab.

Ein weiteres Beispiel, bei dem man sich erhebliche Verfälschungen des Messwerts einhandeln kann, ist die Leitfähigkeitsmessung, weil diese meist über mehrere Größenordnungen arbeitet. Tabelle 2 illustriert den Beitrag des Messfehlers durch analoge Übertragung bei verschiedenen Messwerten, Messbereichsskalierungen und Messgrößen. Zusätzlich zu berücksichtigen ist der Fehler auf dem Stromeingang des PLS. Die Excel-Kalkulationen zur Betrachtung der Messunsicherheit können auf Wunsch vom Autor zur Verfügung gestellt werden (siehe PROCESS-Tipp).

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Vorteile der digitalen Messwertübertragung

Feldgeräte mit digitalem Interface verfälschen den Messwert bei der Übertragung an das Leitsystem nicht. Abweichungen zwischen Anzeigewert auf dem Display des Transmitters und dem vom PLS dargestellten Messwert gehören damit der Vergangenheit an, ein Vorteil der ohne weitere Optimierungsmaßnahmen an der Messstelle selbst leicht erreicht werden kann. Darüber hinaus bietet das digitale Protokoll noch eine Reihe weiterer Vorteile:

• bidirektionale Datenübertragung in Höchstgeschwindigkeit;

• Fernzugriff auf das Feldgerät über Engineering Tools;

• Remote-Parametrierung des Feldgeräts und Ferndiagnose der Messstelle.

Moderne Feldgeräte wie der M800 von Mettler Toledo bieten neben digitalen Interfaces auch moderne, einfach zu bedienende Benutzeroberflächen (Touch Screen), Multi-Parameter-Fähigkeit und Ausführungen mit bis zu sechs Messkanälen. In Verbindung mit digitalen Sensoren erhält der Anwender vom Prozessleitsystem aus vollen Zugriff auf den Sensor in der Feldebene. Die Sensoren selbst verfügen über fortgeschrittene Diagnosefunktionen, die den Betreiber in Echtzeit darüber informieren, wann ein Sensor gewartet, kalibriert oder ausgetauscht werden muss. Angepasste Maintenance-Konzepte erlauben die Wartung genau dann, wenn sie notwendig ist – nicht zu spät, was die Prozesssicherheit gefährdet, und nicht zu früh, was unnötige Betriebskosten verursacht.

Dadurch, dass Sensoren unter kontrollierten und optimalen Bedingungen von Fachpersonal – z. B. im Betriebslabor oder in der Elektrowerkstatt – gewartet und kalibriert werden können, müssen sie im Feld an der Messstelle nur noch ausgetauscht werden, da die Kalibrierdaten im Sensor gespeichert sind und der Sensor automatisch vom Transmitter erkannt wird („Plug and Measure“). Für den Tausch vor Ort sind keine Experten notwendig, die Aufenthaltsdauer im Feld unter teils widrigen Bedingungen (Staub, Hitze, explosionsgefährdete Zonen, Dunkelheit, schlechte Zugänglichkeit) vermindert sich auf ein Minimum.

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