Potenziale der Wireless-Nachrüstung von Hart-Geräten

Brücke ins Drahtlos-Zeitalter

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28.02.2011 Ist eine Messung im Betrieb nicht mehr vertrauenswürdig, gleicht die Fehlersuche häufig der sprichwörtlichen Stecknadel im Heuhaufen. Dabei stehen bei Hart-Geräten meist noch zusätzliche Informationen zur Verfügung, die aber oft aufgrund mangelnder Hart-Transparenz nicht genutzt werden können. Wie Funkadapter in solchen – aber auch anderen Situationen – helfen können, erfahren Sie hier.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Nach wie vor gehen viele Automatisierungsplaner in Unkenntnis der Leistungsfähigkeit der Feldbustechnik von einem zu konservativen Design der Feldbusstränge aus. Dadurch wird der Feldbus zu teuer.
  • Zu den Potenzialen, die sich mit Feldbustechnik erschließen lassen, zählen insbesondere eine höhere Genauigkeit bei der Signalübertragung, die Nutzung mehrerer Prozessvariablen mit einem Gerät sowie die Diagnose und das Plant Asset Management.
  • Beim Thema Control in the Field zeichnen sich erste Anwendungen ab.
  • Die Nutzung des Foundation Fieldbus für Sicherheitskreise wird von Anlagenbauern und Betreibern begrüßt, allerdings in unterschiedlicher Ausprägung.

In der Betriebspraxis in Prozessanlagen der Chemie alltäglicher Fall: Der Durchfluss-Messwert einer Blendenmessung zeigt ein untypisches Verhalten. Immer wieder friert das Signal eine Zeit lang ein, bevor sich die gewohnte Dynamik wieder einstellt. Ist die Wirkdruckleitung verstopft? „Hängt“ ein vor- oder nachgeschaltetes Stellventil? Befinden sich Gasblasen in der Leitung? Ist der Sensor oder der Messumformer defekt? Hat das 4…20-mA-Kabel einen schadhaften Kontakt? Oder liegt die Ursache an einer ganz anderen Stelle des Prozesses? Die richtige Antwort zu finden, bedeutet in der Praxis für Anlagenfahrer oder Wartungspersonal meist: Helm auf, Schutzkleidung an und raus in die Anlage. Dort wird der Differenzdruck-Messumformer in der Regel zunächst per Hart-Communicator oder Laptop untersucht. Ist die Ursache jedoch nicht an der Messstelle selbst, sondern in zeitweisen Prozessanomalien zu suchen, ist guter Rat teuer.

Dabei wäre der Drucktransmitter durchaus in der Lage, kontinuierlich weitere Informationen zu liefern, mit denen das Problem bereits von der Leitwarte aus eingegrenzt werden könnte. Moderne Messumformer können verstopfte Impulsleitungen oder Gaseinschlüsse erkennen und Hinweise auf Änderungen bei Prozessvariablen liefern. Auch stellen neueste Diagnosefunktionen, Informationen über den Zustand und eventuelle Fehler im Spannungsversorgungskreis wie z.B. Wasser-/Feuchteeintritt im Meßumformergehäuse, Korrosion der Anschlussklemmen oder auch Spannungsschwankungen des Speisegerätes zur Verfügung. Doch häufig sind diese Informationen in den Geräten gestrandet, da die prozessnahen Komponenten älterer Leitsysteme nicht Hart-transparent sind, und das 4…20 mA-Signal lediglich den Messwert überträgt. „Nur wenige Prozessleitsysteme in deutschen Anlagen bieten eine Hart-Durchlässigkeit“, berichtet Ralf Küper, Produktmanager Wireless-Technik, bei Emerson Process Management. Anders sieht es dagegen bei den Feldgeräten selbst aus: Die für 4…20-mA-Kommunikation ausgelieferten Geräte verfügen zum überwiegenden Teil bereits seit Jahren über die Hart-Funktionalität.

Anlagenstillstände werden durch Diagnose planbar

Um die zusätzlich vorhandenen Informationen nutzbar zu machen, empfiehlt der Hersteller den Einsatz der Funktechnik: „Die Hart-Geräte können mit einem Funkadapter – dem Thum – ausgestattet werden, der die Hart-Signale drahtlos an das Leitsystem oder aber eine Asset-Management-Konsole überträgt“, erläutert Küper einen aktuellen Lösungsansatz. Welcher Nutzen für den Anlagenbetreiber entstehen kann, verdeutlicht sein Kollege Marc Westhoff: „Anlagenstillstände werden durch solche Diagnosen optimal planbar. In einem Fall konnten wir so den Zyklus zwischen zwei Stillständen verdoppeln.“ Beim Differenzdrucktransmitter 3051 S von Rosemount wird beispielsweise mittels SPM-Technologie (Statistical Process Monitoring), die Dynamik (Rauschen) der Messstelle kontinuierlich mit vom Differenzdrucktransmitter erlernten Soll-/Standardwerten verglichen und so eine verstopfte Impulsleitung – der ein häufigster Fehler bei Blendenmessungen – sicher detektiert.

Im konkreten Anwendungsfall in einem deutschen Chemiepark hatte der Betreiber zur Vibrationsüberwachung der Antriebswelle einer Maschine bereits ein kleines Drahtlos-Netzwerk im Betrieb. Um die Diagnosesignale des Hart-fähigen Drucktransmitters nutzen zu können, wurde deshalb lediglich am zweiten Kabeleingang des Messumformers ein Wireless-Thum-Adapter installiert. Das Akronym „Thum“ steht dabei für „The Hart Upgrade Module“. Der Adapter nutzt die Energie des in 2- oder 4-Leitertechnik angeschlossenen Sensors und wird nach der Installation automatisch Teil eines sich selbst organisierenden Drahtlos-Netzwerkes, das über ein Smart Wireless-Gateway mit dem Prozessleitsystem oder der Wartungskonsole verbunden ist. „Der Adapter hat dabei keine Induktivität und auch keine Kapazität – deshalb verändert sich auch in eigensicheren Stromkreisen nichts an der Ex-i-Berechnung“, verdeutlicht Küper.

Zusätzliche Parameter verbessern das Prozessverständnis

Doch nicht nur die Diagnoseinformationen einer Messstelle lassen sich durch den Einsatz der drahtlosen Kommunikation nutzen. Hightech-Messgeräte wie moderne Coriolis-Durchflussmesser registrieren neben dem Massenstrom und der Dichte auch die Temperatur des Mediums. Zusätzlich können aus diesen Werten der Volumenstrom und die Konzentration ausgegeben werden. Doch in klassisch verdrahteten Installationen (4…20 mA), ohne Hart-Transparenz zum Leitsystem, kann nur ein einziger Parameter ausgewertet werden. Dabei lässt sich insbesondere der Dichtewert dazu nutzen, beispielsweise Veränderungen an der Produktqualität oder aber das Ende einer Reaktion zu detektieren. Informationen, die nicht nur zu einem besseren Prozessverständnis beitragen, sondern auch zu einer konstanten Produktqualität und besseren Auslastung der Anlage führen können.

Auf das Messrohr kann eine zusätzliche Test-Frequenz aufgeschaltet werden, mit der sich die Steifigkeit – ein Maß für den Zustand des Messrohres – erfassen lässt. Mit der Meter Verification lassen sich Fehler, wie z.B. Abrasion oder Korrosion frühzeitig diagnostizieren. Aber auch Flüssigkeiten mit Gaseinschlüssen (2-Phasen-Gemische) können durch die Auswertung verschiedener Sensorsignale und der Übertragung via Hart-Kommunikation erfasst werden.
Um diese Parameter in klassischer Verkabelung zugänglich zu machen, wurde bisher ein sogenannter „Tri-Loop“-Adapter installiert. Dieser teilt das Hart-Signal in drei 4…20-mA-Signale auf, die dann separat zum Leitsystem hin verkabelt werden. Ein teures Unterfangen. Wesentlich eleganter und vor allem kostengünstiger ist die Nachrüstung einer drahtlosen Verbindung mit dem Wireless Hart-Funkadapter. Dazu wird ein Wireless-Gateway installiert, das die von der nachgerüsteten Antenne des Feldgeräts ausgehenden Hart-Signale aufnimmt und über den Bus des Leitsystems (z.B. Modbus) an die Bedienstation des bestehenden Systems oder über eine systemeigene Schnittstelle an eine Wartungs- oder Asset-Management-Konsole überträgt. „Das funktioniert prinzipiell bei jedem vorhandenen Hart-Feldgerät welches mindestens Hart Rev. 5 entspricht“, erklärt Marc Westhoff. Wichtig ist dabei, dass die Verkabelung zum bestehenden Leitsystem unberührt bleibt.
Doch nicht nur bei Coriolis-Geräten gibt es zusätzliche Parameter, die für eine bessere Prozessführung genutzt werden können. Auch der eingangs beschriebene Differenzdrucktransmitter kann neben seinem Drucksignal zusätzlich auch Informationen zum Volumenstrom, Absolutdruck, Druckdifferenz, Temperatur etc. liefern. Bei magnetisch-induktiv arbeitenden Durchflussmessgeräten wie der E-Serie des Herstellers ist es möglich, Erdung und Verdrahtung zu diagnostizieren und eventuelle Installationsfehler festzustellen. Im laufenden Betrieb kann die Diagnose von hohem Prozessrauschen dazu beitragen, Prozessschwankungen zu verringern. Dazu wird angezeigt, wann eine höhere Spulenantriebsfrequenz starkes Rauschen am Ausgang ohne Dämpfung verbessert.
Aber auch bei anderen Feldgeräten wie beispielsweise Radarsensoren zur Füllstandmessung können via Hart- und Funkkommunikation zusätzliche Informationen zugänglich gemacht werden. Neben dem Messsignal für den Füllstand sind dies beispielsweise die Füllstandrate, die Durchschnittstemperatur, Trennschichten und Tankdruck. Dazu kommen Informationen über den Status der Signalstärke oder des Gerätes an sich. Bei seilgeführten Mikrowellengeräten können auch Informationen zu Anbackungen am Sensor übertragen werden.

Nachrüstung von Messstellen ohne 4…20-mA-Verkabelung

Bei der Nachrüstung von Messstellen an verkabelungstechnisch unzugänglichen Stellen, wie zum Beispiel auf Tanks oder zur Nachrüstung einer Filterüberwachung auf einer Anlage, kann die Drahtlos-Technik zur Signalübertragung genutzt werden. Das Feldgerät wird dabei nicht per 2- oder 4-Leitertechnik versorgt, sondern mit einer vor Ort vorhandenen Netzsspannung (z.B. 25 V DC 230 V AC). Das Messsignal wird dann ausschließlich per Drahtlos-Kommunikation übermittelt. Dadurch wird der Verkabelungsaufwand bei solchen nachträglichen Installationen deutlich reduziert.

Eine immer wichtiger werdende Applikation ist die zustandsbezogene Wartung von Regelventilen. Bislang werden diese Geräte turnusmäßig ausgebaut und in der Werkstatt untersucht bzw. überholt. Ein Großteil dieser Vorgänge ist unnötig, da die ausgebauten Ventile noch über genügend Nutzungsreserve bis zur nächsten Wartung verfügen. Die Diagnose des Ventilzustands ist hier der Schlüssel, um die Kosten für einen unnötigen Ausbau sowie den Anlagenstillstand zu vermeiden.
Moderne Stellungsregler ermöglichen dazu die Überwachung der Ventile im laufenden Betrieb. Daten, die Rückschlüsse über den Zustand des Ventils zulassen, werden im laufenden Betrieb aufgezeichnet (z.B. Partial Stroke Test). Dem Anwender wird der Zustand des Ventils nach dem Ampelprinzip signalisiert. Wenn die Ampel von „grün auf gelb“ wechselt, kann der Anwender tiefergehende Diagnosen durchführen, die es ihm erlauben zu entscheiden, ob das Ventil noch bis zum nächsten Stillstand weiter im Einsatz bleibt oder ob das Ventil direkt ausgebaut und repariert werden muss. Die Diagnoseinformationen erlauben Rückschlüsse auf den Zustand der Spindelabdichtung sowie die Dichtigkeit des Kegel-Sitzes sowie langfristige Trends. Dadurch werden Wartungsvorgänge planbar und Kosten auf das Notwendige reduziert. Auch hier ist die Voraussetzung, dass neben dem eigentlichen Stellsignal mehr Parameter und Informationen zwischen Leitsystem bzw. Wartungskonsole und Feldgerät übertragen werden, als dies die klassische 4…20-mA-Signalleitung erlaubt.
„Wir registrieren, dass insbesondere dort, wo bereits Gateways für die Wireless-Kommunikation vorhanden sind, mehr und mehr Feldgeräte mit der Drahtlos-Kommunikation nachgerüstet werden“, berichtet Christian Ebert, Vertriebsdirektor für Instrumentierung bei Emerson Process Management. Dabei hilft zusätzlich, dass die Thum-Adapter nicht nur an Geräte des Herstellers sondern auch an Hart5-fähige Feldgeräte anderer Hersteller angeschlossen werden können.

Fazit: Spätestens mit dem Trend zum Asset Management und dem Wunsch nach zustandsbezogener Instandhaltung hat der Wireless-Zug Fahrt aufgenommen. Ebert: „Wir schätzen, dass etwa ein Drittel unserer Kunden bereits Asset Management betreiben – und immerhin jeder zweite Auftrag, den wir im vergangenen Jahr für Wireless-Geräte erhalten haben, war eine Erweiterung von existierenden Wireless-Netzwerken.“

Interview mit Christian Ebert, Vertriebsdirektor Instrumentierung, Emerson:
„Konkrete Problemlösungen“

CT: In Chemieunternehmen werden zusätzliche Informationen aus Feldgeräten vor allem dann zum Thema, wenn man anfängt, Asset Management zu betreiben. Wie hoch ist der Anteil der Betriebe, in denen Sie bereits Asset Management antreffen?

Ebert: Nach unseren Schätzungen nutzt bereits ein Drittel unserer Kunden Asset Management-Konsolen. Und die Nachfrage nach Asset Management steigt. Oft verfügen die in den Betrieben eingesetzten Feldgeräte bereits über Diagnosefunktionen. Doch oft finden diese Informationen aufgrund der fehlenden Hart-Transparenz nicht ihren Weg zurück ins Leitsystem. Und hier kann die drahtlose Kommunikation helfen.

CT: Dennoch ist das Thema „Wireless“ in der Chemie nach wie vor ein Politikum.

Ebert: Die meisten Anwender sehen Wireless Hart nicht als Politikum. Die Diskussion über Wireless-Standards will ich nicht abtun, die ist absolut notwendig und Emerson beteiligt sich weltweit aktiv daran. Doch es gibt auch die Basis in den Betrieben, die mit der Installation von Wireless-Geräten schon heute konkrete Anwendungsprobleme löst.
Wir haben weltweit inzwischen mehr als 1?400 Kunden, die Wireless Hart bereits einsetzen und schätzen die Nutzungszeit von den dort eingesetzten Wireless-Geräten auf mehr als 200 Millionen Betriebsstunden. Allein in zwei europäischen Projekten haben wir 2?300 bzw. 2?800 Geräte im Einsatz. Für diese Kunden stand im Vordergrund, dass sie gegenüber der konventionellen Verkabelung etwa ein Drittel der Installationszeit und deutliche Einsparungen bei den Installationskosten erzielen.

CT: Das müsste ja vor allem für den Anlagenbau interessant sein.

Ebert: Das ist genau der Punkt. Bei der Einführung des Feldbusses war das Interesse seitens der Chemie groß und beim Anlagenbau eher gering. Beim Thema Wireless ist die Situation anders herum: Die Kontraktoren und EPC-Firmen sehen das Potenzial zur Kostenoptimierung nicht nur bei der Installation sondern zunehmend auch beim Engineering. Die EPCs beschäftigen sich deshalb mit dem Thema und stellen sich auf eine steigende Nachfrage ein. Wir registrieren vermehrt Anfragen, bei denen alternativ zur Verkabelung auch eine Wireless-Lösung angeboten werden soll.

CT: Bislang wird die drahtlose Kommunikation in der Chemie vor allem als Lösung für Nischenapplikationen gesehen.

Ebert: Das ist richtig. Kabel wird es immer geben. Aber die Kunden kommen mit den tollsten Anwendungsideen zu uns. Denn viele haben erkannt, dass der Einstieg in die Wireless-Kommunikation vergleichsweise einfach ist. Mit unseren Testkits, bestehend aus Gateway und Funkadaptern, haben wir vor wenigen Jahren den Anfang gemacht. Und sobald ein Gateway vorhanden ist, entsteht häufig der Wunsch nach mehr. Bei jedem zweiten Auftrag, den wir im vergangenen Jahr für Wireless-Geräte erhalten haben, wurden diese an bestehende Gateways angeschlossen.

CT: Dennoch bauen Sie ihr Programm an Geräten, die von vornherein mit Wireless-Kommunikation ausgerüstet sind, kontinuierlich aus. Ist der Thum-Adapter also nur eine Übergangslösung?

Ebert: Ich glaube, dass sich die Technik rasant entwickeln wird. Irgendwann wird die Funkkommunikation in Feldgeräten eine selbstverständliche Funktion sein. Und wenn alle Geräte damit ausgestattet sind oder alle an einem digitalen Feldbus betrieben werden, wird man den Funkadapter nicht mehr brauchen. Das würde aber heißen, dass wir zum Beispiel hier in Deutschland nur noch neue Anlagen stehen hätten. Das ist kein realistisches Szenario. Mit dem Adapter können wir bereits heute Anwendungsprobleme lösen, für die es bislang, basierend auf der 4…20-mA-Technik, keine wirtschaftliche Lösung gibt.

Christian Ebert ist Direktor Instrumentierung, Emerson Process Management

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Heftausgabe: März 2011

Über den Autor

Armin Scheuermann , Redaktion
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