Kritischer Erfolgsfaktor

Lebensdauer von MSR-Feldgeräten

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05.10.2016 20 Jahre sind eine lange Zeit – aber für Prozessanlagen alles andere als ungewöhnlich. Kein Wunder also, wenn Anlagenbetreiber auch von Feldgeräten in der Anlage erwarten, dass diese ihren Dienst mindestens zwei Jahrzehnte verrichten. Doch dafür müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bereits der Ausfall oder die Beeinträchtigung einzelner Komponenten oder Geräte können zu erheblichen Kosten beim Betreiber führen.
  • Anwender fordern eine Angabe der konstruktiven Lebensdauer in den technischen Datenblättern eines Feldgeräts – und zwar mit Angabe der Betriebszeit als auch der Lagerzeit.
  • Die Prozessbetreiber wünschen sich Feldgeräte, die eine konstruktive Lebensdauer von mindestens 20 Jahren erreichen.

Verfahrenstechnische Anlagen werden für jahrzehntelangen Betrieb geplant und errichtet. Investitions- und Instandhaltungskosten werden für diese Zeiträume eingeplant. Die Lebensdauer von Apparaten, Rohrleitungen, Maschinen, PLT-Feldgeräten und der Leittechnik muss daher für diese Zeiträume konstruktiv berücksichtigt werden.  Bereits der Ausfall oder die Beeinträchtigung einzelner Komponenten oder Geräte kann, bedingt durch Anlagenstillstand oder durch Verschlechterung der Produktqualität oder -ausbeute, zu erheblichen Kosten beim Betreiber führen. In der Gerätetechnik sind vor allem drei Begriffe in Bezug auf die Lebensdauer bekannt:

  • zeitliche Begrenzung von Zertifikaten,
  • regulatorische Lebensdauer,
  • Angaben zur Einsatzdauer – die „Konstruktive Lebensdauer“.

Die „Zeitliche Begrenzung von Zertifikaten“ spielt bei der Beschaffung des Gerätes keine Rolle, solange die Bescheinigung noch Gültigkeit hat. Einem Betrieb des Gerätes, auch in einer Sicherheitseinrichtung, über den Zeitpunkt des Ablaufdatums hinaus steht aus diesem Grund nichts im Wege. Nach Ablauf ihres im Zertifikat genannten Ablaufdatums dürfen diese Geräte allerdings nicht mehr neu errichtet werden. Ein Beispiel dafür ist die „Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung“ für Überfüllsicherungen.

Dagegen ist die „Regulatorische Lebensdauer“ ein echtes Verfallsdatum für den Einsatz in sicherheitstechnisch relevanten Anwendungsfällen. Sie wird von den Geräteherstellern für Geräte mit SIL-Zertifikaten angegeben („useful lifetime“), zum Beispiel gemäß DIN EN IEC 61508. Damit wird eine Zeitspanne bescheinigt, in der die Geräte laut Hersteller eine Ausfallwahrscheinlichkeit bezüglich eines zufällig auftretenden Fehlers haben. Für den Einsatz in sonstigen Betriebseinrichtungen hat diese Angabe keinen formal gültigen Charakter.

Konstruktive Lebensdauer von mindestens 20 Jahren gefordert

Im Hinblick auf einen jahrzehntelangen Anlagenbetrieb sind Angaben zur Einsatzdauer erforderlich – sie sollen in Zukunft „Konstruktive Lebensdauer“ genannt werden. Es ist eine Gerätelebensdauer, die durch die Auswahl von Bauteilen und durch die Spezifikation der Betriebsbedingungen eine statistische Lebensdauer (2 Sigma) erreicht. Die mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall bzw. der Erwartungswert der Zeit bis zum Ausfall (IEC 60050-191) wird auch als  „Mean Time To Failure – MTTF“ aufgeführt.

Die Experten der PLT-Technik sind sich einig darüber, dass die Angabe der konstruktiven Lebensdauer in den technischen Datenblättern enthalten sein muss. Und zwar mit Angabe der Betriebszeit als auch der Lagerzeit. Hier erwarten die Anwender und Betreiber klare Aussagen – besonders dazu, unter welchen Randbedingungen bzw. Wechselwirkungen die genannte konstruktive Lebensdauer und oder Lagerzeit gilt. Sie wünschen sich für Feldgeräte eine konstruktive Lebensdauer von mindestens 20 Jahren!

Um dies zu erreichen, müssen grundsätzlich alle Bauteile und Konstruktionen vermieden werden, die diese Laufzeit einschränken. In der Vergangenheit haben insbesondere folgende Bauteile die Lebensdauer von Feldgeräten eingeschränkt, weshalb diese nicht verwendet werden sollten:

  • Batterien oder andere Energiespeicher mit geringerer Lebensdauer,
  • Elektrolyt-Kondensatoren,
  • Dichtungen und Dichtungsmaterial für Gehäuse und Kabeldurchführungen die im Betrieb oder bei der Instandhaltung altern,
  • ungeeignete Öle und Fette.

Um langlebige Feldgeräte zu erreichen, müssen geeignete Bauteile verwendet  werden, in manchen Fällen ist auch eine Überdimensionierung die geeignete Methode. Mechanische Stabilität (Gehäuse, Bauteile und Steck- bzw. Klemmverbindungen) steht genauso im Fokus wie die Verwendung geeigneter Relais (Schaltspiele), die konstruktive Berücksichtigung der Einsatzgrenzen opto-elektronischer Bauteile, und sogar die Berücksichtigung der begrenzten Schreibzyklen von Flash-Speichern. Diese und weitere Maßnahmen bieten genügend Potenzial, um die Langlebigkeit zu verbessern.

Auch die Rolle der Soft- und Firmware darf bei der Lebensdauerbetrachtung nicht vernachlässigt werden: Software-Updates  im laufenden Betrieb erweitern den Funktionsumfang, helfen erkannte Fehler zu beseitigen und bieten mitunter mehr Komfort bei der Bedienung. Aber manch ein Software-Update zieht auch ein Hardware-Update nach sich –  unabhängig davon, dass das Update die ursprünglich vorhandenen und gewünschten Geräteeigenschaften erhält. Software und  Firmware muss daher aufwärtskompatibel (Geräte) und abwärtskompatibel ausgelegt sein, um die Integration in den aktuellen Applikationen (Leittechnik) sicherzustellen.

Auch Bedienungsanleitungen enthalten Fallstricke, insbesondere bei geräteindividuellen Bedienungsanleitungen mit versteckten Änderungen, besonderen Bedingungen oder Sicherheitshinweisen – diese müssen klar und einfach erkennbar sein. Prozess- und Umwelteinflüsse, die eine Wirkung auf die Lebensdauer haben, sollen selbstverständlich ebenso genannt werden wie Instandhaltungsmaßnahmen, wenn diese praxisnah und sinnvoll sind und sich positiv auf die Lebensdauer auswirken.

Grundsätzlich erwarten die PLT-Techniker, dass diese Forderungen erfüllt werden; ist dies jedoch im Einzelfall nicht möglich, müssen lebensdauerbegrenzende Einflüsse mit einer Diagnosemeldung überwacht werden. Im Wartungsfall und bei einem Austausch von Komponenten soll die Instandsetzung dann mit geringem Aufwand ausführbar sein (z. B. ohne Lötkolben und ohne Zerlegung des Gerätes).

Praxisferne Angaben zur Lebensdauer vermeiden

Die Lebensdauer von Feldgeräten ist aber nicht nur eine Frage der Anforderungen an Bauteile, Konstruktion und Software. Auch der vernünftige Umgang mit den Spezifikationsgrenzen ist erforderlich: Ein Gerät muss beim Betrieb innerhalb der Spezifikationsgrenzen, also insbesondere auch beim Betrieb an der Spezifikationsgrenze, dauerhaft betrieben werden können. Sollte ein Gerät beispielsweise nur kurzzeitig für den Betrieb in einem bestimmten Temperaturbereich geeignet sein, so wird diese Spezifikation separat in der Bedienungsanleitung erwähnt werden müssen.
Mitunter wird ein theoretisches Modell zur verfügbaren Lebensdauer in den Geräten abgelegt. Insbesondere der Temperaturverlauf am Sensor und in der Elektronik wird dabei herangezogen um die Betriebsreserve zu ermitteln. Dies kann ein Hilfsmittel für den Betreiber darstellen, mit dem dieser seine Instandhaltungsmaßnahmen festlegen kann. Diese Funktion muss jedoch mit Augenmaß umgesetzt werden: Als Diagnose-Information ist sie eine Hilfe – dass sie zur endgültigen Geräteabschaltung führt, ist ausdrücklich nicht erwünscht. Vielmehr erwartet der Anwender langlebige Komponenten sowie eine sinnvolle Überwachung von Komponenten, die in Bezug auf die Lebensdauer des Gerätes kritisch sind. Und er erwartet, dass während des Betriebs die zugesicherten Eigenschaften dauerhaft erhalten bleiben und dass bei einem Betrieb im spezifizierten Bereich die statistische Lebensdauer erreicht wird. Keinesfalls erwünscht ist eine Einschränkung an dieser Stelle oder ein Zwang zum Handeln beim Betreiber (zum Beispiel frühzeitiger Austausch).

Werden diese Punkte berücksichtigt, profitiert der Betreiber von einer langlebigen Gerätetechnik mit der die Investitionskosten im Betrieb einer Anlage planbar werden. Gleichzeitig sind Informationen zur Betriebsreserve von Geräten verfügbar und, falls notwendig, sinnvolle Vorschläge zur Instandhaltung und Hinweise für Wartungspläne (Austausch von Komponenten, Nachfüllen, …) in der Bedienungsanleitung vorhanden. Verschleißteile sind, falls unabdingbar, einfach und ohne spezielle Werkzeuge austauschbar. Die Kosten für Betrieb, Instandhaltung, Beschaffung und Lagerhaltung werden minimiert. Um dies zu erreichen, sollte der Betreiber vor dem Einkauf der Gerätetechnik zusätzlich zu den technischen Anforderungen Fragen bzw. Anforderungen stellen:

  • Gibt es Hinweise zur Instandhaltung, sind diese aussagkräftig und sind diese umsetzbar?
  • Werden Lebensdauer und die Lebensdauer beeinflussende Bedingungen genannt und können diese technisch mit vertretbarem Aufwand eingehalten werden?
  • Sind Komponenten verbaut, die eine regelmäßige Instandhaltung benötigen bzw. die regelmäßig getauscht werden müssen?
  • Werden Empfehlungen zur Lagerfähigkeit und Lagerzeit aufgeführt?
  • Schränken besondere Bedingungen in Betriebsanleitungen den Einsatz derart ein, dass eine vernünftige Laufzeit mit vertretbarem Aufwand nicht realisierbar ist?

Hersteller und Betreiber sind gleichermaßen gefordert, wenn die eingesetzte Gerätetechnik möglichst lange, sicher und verfügbar betrieben werden soll (Bild S. 21). Hersteller können ihr Gerätedesign optimieren (Vermeidung alterungskritischer Bauteile), aktives Fehlerverhalten und aussagefähige Diagnosefunktionen implementieren und mit geringem Aufwand ausführbare gerätetypische Instandhaltungsvorschläge bereitstellen. Betreiber sollten applikationsspezifische Instandhaltungsmaßnahmen vorsehen. Sie sollten ihre Geräte weitest möglich vor Applikations- und Umwelteinflüssen schützen, die negativen Einfluss auf die Lebensdauer haben, und die von den Geräten gelieferten Diagnosen sollten berücksichtigen werden.

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Heftausgabe: Oktober 2016

Über den Autor

Thomas Grein ist Leiter des Kompetenzcenters der Interessengemeinschaft Regelwerke Technik (IGR); Friedrich Rubner ist Leiter der Instandhaltung und Leiter des Arbeitsfeldes MSR-Technik in der Interessengemeinschaft Regelwerke Technik (IGR); Karsten Hoeland ist Leiter des Messtechnischen Service bei Evonik sowie Leiter des Arbeitskreises Sensorik der Evonik. Die Autoren sind Mitglieder im Namur- Arbeitskreis 3.1 Sensortechnik
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