Einsatz von Diagnosen zur Optimierung der Anlagen-Performance

Messumformer übernehmen in Prozessanlagen eine Vielzahl von Funktionen und liefern wichtige Prozessvariablen. Zudem können die Geräte nützliche Diagnoseinformationen bereitstellen, die Anlagenbetreiber und Techniker vor der Entstehung interner Probleme warnen. Auch wenn nicht jeder Anwender diese Funktionalität ausnutzt, hat sich die neueste Generation der fortschrittlichen Messumformer zu einem wichtigen Diagnose-Tool für die Prozess- und Automatisierungsinfrastruktur entwickelt.

Die Diagnosefunktion der Messumformer variiert je nach Auslegung und Alter. Ältere und sehr einfache Messumformer sind wahrscheinlich entwickelt worden, bevor es viele der Diagnosefunktionen von heute überhaupt gab, und liefern nur eine einzige Variable. Grundsätzlich war die interne elektronische Diagnose die erste Diagnosefunktion, mit der Messumformer erweitert wurden. Diese kann den Anwender vor Problemen warnen, die im Sensor selbst oder in den Messkreisen entstehen, die das Signal verarbeiten.
Diagnoseinformationen können als Hart-Wert, der über den normalen, analogen 4-20-mA-Messkreis gelegt wird, über ein digitales Kommunikationsprotokoll wie Foundation Fieldbus oder Profibus oder sogar Wireless-Hart übertragen werden. Die Verfügbarkeit dieser Diagnosedaten stellte einen entscheidenden Vorteil für Wartungs- und Instandhaltungsabteilungen dar, da sie sich nun mit entstehenden Problemen befassen konnten, bevor diese zu ungenauen Messwerten oder einem kompletten Geräteausfall führten.

Normalerweise wird ein Druck- oder Differenzdruckmessumformer (DP) an einer strategischen Stelle im Prozess installiert, um zu messen und Informationen zu sammeln, die zur Überwachung einer bestimmten Funktion verwendet werden. Druckmesskreise können verschiedener Art sein und auch Füllstand- und Durchflussmessungen realisieren. Druckmessumformer übertragen die primären Prozessdaten an das Prozessleitsystem (PLS) der Anlage – dabei handelt es sich immer um die wichtigste Aufgabe, die ein Messumformer übernimmt. Entscheidend ist, dass der Messumformer eine zuverlässige Verbindung zum PLS hat, um sicherzustellen, dass die Messung die Realität widerspiegelt. Ein unzuverlässiges Signal an das PLS kann eine Verzerrung und dadurch einen ungenauen Wert nach sich ziehen. Auch wenn dieser Aspekt außerhalb des Messumformers liegt, kann dieser trotzdem die Situation bewerten und fehlerhafte Zustände melden.

In einer typischen Anlagenumgebung mit Druckmessumformern, die über den analogen 4-20-mA-Messkreis plus Hart mit dem PLS kommunizieren, können die Leitungswege zwischen dem Messumformer und dem E-/A-Anschluss des PLS lang sein – möglicherweise über 100 m. Ein Messkreis ist sehr robust und kann diese Distanz leicht überbrücken, wenn alle Elemente intakt sind. Das ist aber nicht immer der Fall. Eine lange Leitung weist schnell ein Dutzend Anschlusspunkte auf, wenn es durch Kabelkanäle und Schaltschränke verläuft. Schraubklemmen, die sich gelockert haben oder korrodiert sind, können die Ursache für einen Komplettausfall des Signals sein. Ein Kurzschluss kann ebenfalls verhindern, dass Daten fehlerfrei übertragen werden. Die Rückverfolgung der Problemursache kann eine Herausforderung darstellen, aber wenn eine Messung offensichtlich falsch misst (oder überhaupt keine Daten übermittelt werden), sollte das Bedienpersonal in der Lage sein, dies zu erkennen und geeignete Maßnahmen für eine Behelfslösung zu ergreifen, damit Techniker den Fehler suchen und beheben können. Diffizilere Probleme, bei denen eine falsche Messung nicht gleich erkannt werden kann, können dazu führen, dass das Bedienpersonal falsche Maßnahmen ergreift. Hier zwei Beispiele:

(1) Kriechstrom: Diverse Situationen können einen Teilkurzschluss verursachen, bei dem ein neuer Pfad entsteht, dessen Widerstand jedoch so hoch ist, dass das Signal komplett unterbrochen wird. Kriechströme aufgrund von Feuchtigkeit oder Korrosion können die Signalstärke um ein paar mA verändern. Wenn beispielsweise das tatsächliche Signal 15 mA beträgt und aufgrund des Kriechstroms weitere 3 mA hinzukommen, geht das PLS von einem Messwert von 18 mA aus und zeigt dem Bedienpersonal einen entsprechenden Wert an. Dieser Fehler im Anzeigebereich kann dazu führen, dass das Bedienpersonal falsche Maßnahmen ergreift oder dass ein Regelkreis, der von diesem Messumformer geregelt wird, falsch reagiert. Überträgt der Messumformer ein Signal über 18 mA, zeigt das System einen Fehler, da der Wert 20 mA übersteigt.

(2) Erhöhte elektrische Last: Damit ein Messkreis richtig funktioniert, muss man den Widerstand der Verkabelung kennen. Sind Leitungen oder Klemmen korrodiert bzw. locker, können diese Stellen für eine zusätzliche Last sorgen, so als wäre ein Widerstand in den Messkreis integriert worden. Somit kann sich die dem Messumformer zur Verfügung stehende Spannung reduzieren (Abbildung 3), wodurch dieser an der Übertragung des Signals von max. 20 mA gehindert wird. In diesem Szenario kann der Messumformer eventuell nur maximal 16 mA übertragen, obwohl der Prozess einen höheren Wert fordert. Die Feststellung dieses Problems ist besonders schwierig, da sich der Messumformer möglicherweise über den Großteil seines Messbereichs korrekt verhält.

Dieser Zustand kann mithilfe manueller Loop-Tests durch einen qualifizierten Techniker erkannt werden, aber wenige Werke haben ausreichend Ressourcen, um diese regelmäßig durchzuführen. Die neuesten, fortschrittlichen Messumformer verfügen über eine Diagnose der Loop-Integrität (Loop Integrity Diagnostics), die diese Tests automatisch durchführen, wobei die verfügbare Spannung kontinuierlich überwacht wird. Wenn die Spannung von den Referenzbedingungen abweicht, können Bedien- und Wartungspersonal sofort informiert werden, um mögliche Prozessstörungen oder sogar Sicherheitsvorfälle zu verhindern. Schwellenwerte können konfiguriert werden, um der geforderten Verfügbarkeit (z. B. hohe Priorität in einer Sicherheitseinrichtung) eines Messkreises zu entsprechen.

Ein Druckmessumformer kann seiner Messaufgabe nicht nachkommen, wenn er den tatsächlichen Prozesszustand nicht „sehen“ kann. Beispiel: Wenn der Messumformer ein Absperrventil in der Impulsleitung hat und das Ventil geschlossen ist, kommt beim Sensor keine Prozessänderung an, und er kann den Prozess nicht korrekt widerspiegeln. Dies sollte einfach zu erkennen sein; darüber hinaus gibt es noch subtilere Bedingungen wie z. B. die teilweise verstopften Leitungen oder ein anderes Hindernis im Inneren, welche zu einer ungenauen Messung führen können.

Hochentwickelte Messumformer können eine Diagnose von verstopften Impulsleitungen durchführen, wobei derartige Zustände über das Prozessrauschen erkannt werden. Wenn das Rauschen ohne erkennbare Ursache abnimmt oder sich verändert, ist es wahrscheinlich, dass sich ein Störfaktor in der Leitung gebildet hat. Mithilfe eines bestimmten Schwellenwerts kann der Messumformer das Bedien- und Wartungspersonal darauf hinweisen, dass ein Eingriff notwendig ist. Wenn mehrere Messumformer gleichzeitig eine Warnmeldung abgeben, könnte dies ein Indiz sein für Ungereimtheiten im eigentlichen Prozess.

Neben Leitungsverstopfungen kann das Prozessrauschen auf eine Vielzahl von Problemen hinweisen, die die Prozesseffizienz reduzieren oder zum Verschleiß und Ausfall der Anlage führen können. Dazu gehören: Pumpen- und Ventilkavitation, Überflutung der Destillationskolonne, Luft, die in einem Flüssigkeitsstrom mitgeführt wird (Zweiphasen-Strömung), Instabilität der Ofenflamme, Prozessleckagen oder Verschleiß von Rührer-Blättern.

Ohne automatisierte Lösungen können die Feststellung dieser Problemarten und die Lokalisierung der Ursache schwierig sein, und ein geschulter Techniker muss zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein. Druckmessumformer mit Prozessintelligenzfunktionen können das Prozessrauschen kontinuierlich „hören“. Sobald der normale Rauschpegel als Referenz ermittelt wurde, kann der Messumformer eine statistische Analyse durchführen, nach Abweichungen von der Norm suchen und Modelle nutzen, um die wahrscheinliche Ursache zu finden. Sofern eine Vielzahl von Druckmessumformern über diese Funktionalität verfügt, können Veränderungen und die Ursache sogar noch schneller erkannt werden. So kann das Bedien- und Wartungspersonal früher informiert werden, wodurch sofortige Abhilfemaßnahmen oder eine Überwachung bis zur nächsten geplanten Abschaltung ermöglicht werden.

Die Prozessintelligenz kann auch verwendet werden, um Störungen und andere Zustände zu erkennen, die Druckspitzen oder Einbrüche bei normalen Messungen verursachen können. Diese Alarme können in einzelnen Messumformern protokolliert und von Technikern zu Rate gezogen werden, wenn sie umfassende Maßnahmen zur Störungsbeseitigung vornehmen. In einem Statusprotokoll kann auf die letzten zehn Vorfälle mit Zeitstempeln zurückgegriffen werden, um extreme Messwerte für spätere Analysen zu erfassen.

Bei vielen Anlagen bedeutet der schrittweise Austausch alter Druckmessumformer durch die neueste Technologie damit eine Chance zur Steigerung der Anlagenzuverlässigkeit und Effizienz.