Mit neuen Konzepten bestehende Anlagen besser überwachen und Störungen erkennen, bevor sie auftreten: Werden diese Ansprüche erfüllt, steigt die Effizienz und Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen.

Mit neuen Konzepten bestehende Anlagen besser überwachen und Störungen erkennen, bevor sie auftreten: Werden diese Ansprüche erfüllt, steigt die Effizienz und Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen. Bild: Phoenix Contact

| von Armin Scheuermann

Mit neuen Konzepten bestehende Anlagen besser überwachen und Störungen erkennen, bevor sie auftreten: Werden diese Ansprüche erfüllt, steigt die Effizienz und Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen. Im Bereich der Chemie- und Pharmaindustrie stellt das NOA-Konzept in diesem Zusammenhang einen Seitenkanal zur Verfügung, über den zusätzliche Daten für eine verbesserte Instandhaltung und einen wirtschaftlicheren Betrieb aus der Applikation gezogen werden können. Der Seitenkanal ermöglicht zudem den Einsatz neuer Technologien, die den laufenden Anlagenbetrieb nicht beeinträchtigen. Darüber hinaus lassen sich wichtige Anlagenteile kontinuierlich mit Hilfe moderner Lösungen, wie beispielsweise einer Cloud-Anbindung, kontrollieren.

Damit ein hoher Anwendernutzen sichergestellt wird, sind ferner spezielle Anforderungen wie Industrietauglichkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit zu realisieren. Des Weiteren kommt der umfassenden Datensicherheit sowohl in existierenden als auch neuen Anlagen eine große Bedeutung zu. Sind diese Rahmenbedingungen nicht gegeben, werden die Anwender die Technologie nicht in ihren Anlagen installieren.

Zusätzliche Daten gewinnen

Das NOA-Konzept wurde erstmals auf der Hauptsitzung des Verbands im November 2016 vorgestellt. Wie bereits erwähnt, wird ein Seitenkanal geschaffen, der den Zugang zu allen wesentlichen Daten der Geräte und Infrastruktur bietet, um dem Wunsch der Betreiber nach einem tieferen Einblick und größerer Offenheit in den Anlagen gerecht zu werden. Das Besondere ist, dass dies rückwirkungsfrei geschieht, während die kritischen Prozesse ohne Unterbrechung weiterlaufen. Seitdem werden jedes Jahr im November neue Ansätze und (Weiter-)Entwicklungen präsentiert, die praktisch veranschaulichen, wie die Hersteller und Dienstleister die Anforderungen der Branche verstanden sowie in Produkte und Lösungen umgesetzt haben (Bild 1).

Mit dem NOA-Konzept lassen sich zusätzliche Daten von Feldgeräten gewinnen, die derzeit mehrheitlich die bewährte 4…20mA-Stromschleife unterstützen sowie teilweise ebenfalls über eine HART-Schnittstelle verfügen. Diese Informationen sind sofort im Rahmen der Maintenance- und Monitoring-Strategie nutzbar. Im M+O-Bereich (Monitoring + Optimization) können per HART-Kommunikation neben den wichtigen 4…20mA-Messignalen weitere Daten als überlagertes Signal aus den Feldgeräten – egal ob Sensor oder Aktor – ausgelesen werden. Typischerweise wird die HART-Funktion nur bei einem Gerätetausch im Feld oder der Kalibrierung an der Werkbank verwendet – vergleichbar mit der Messung von Puls und Blutdruck, die lediglich bei einem Arztbesuch erfolgt. Doch heute gibt es Smartwatches, die derartige Informationen ständig aufnehmen, speichern und für den gesamten Tag grafisch darstellen können. Das wäre in industriellen Anwendungen ebenso wünschenswert.

Einfach in das Host-System integrieren

Durch spezielle HART-I/O-Karten, die zwecks Nutzung der HART-Daten in die Prozessleittechnik (PLT) oder das Distributed Control System (DCS) integriert werden müssen, entstehen zusätzliche Kosten. Da die Daten nur für das Instandhaltungs-Personal zur Geräteüberwachung relevant sind, hat Phoenix Contact zwei Lösungen für die HART-Übertragung entwickelt, die im Rahmen des Seitenkanals zum Einsatz kommen. Beide Produkte, die sich sowohl in bestehende als auch neue Prozessanlagen einbinden lassen, werden zur Erfüllung der Anwender- und Gremienanforderungen stetig weiterentwickelt.

Beim ersten Ansatz handelt es sich um den modularen Ethernet-HART-Multiplexer GW PL…-Bus. Er eröffnet die Möglichkeit, HART-Geräte via Ethernet zu parametrieren und zu überwachen. Die HART-Geräte lassen sich über industrielle Ethernet-Systeme wie Profinet, Modbus TCP, HART IP, Emerson AMS oder OPC UA einfach in fast jedes Host-System integrieren, wobei das analoge Steuerungssystem voll betriebsfähig bleibt und sogar für die Installation nicht stillgelegt werden muss.

Der modulare Ethernet-HART-Multiplexer eröffnet die Möglichkeit, HART-Geräte via Ethernet zu parametrieren und zu überwachen Bild: Phoenix Contact

Der modulare Ethernet-HART-Multiplexer eröffnet die Möglichkeit, HART-Geräte via Ethernet zu parametrieren und zu überwachen Bild: Phoenix Contact

Der Ethernet-HART-Multiplexer besteht aus einer Kopfstation und bis zu fünf vier- oder achtkanaligen HART-Erweiterungsmodulen, sodass maximal 40 HART-Geräte an die Kopfstation angeschlossen und von ihr mit Strom versorgt werden können. Die modulare Bauweise stellt eine skalierbare Lösung für moderne verteilte Steuerungssysteme sowie schrittweise Rollouts zur Verfügung. Der Ethernet-HART-Multiplexer hat sich seit vier Jahren weltweit in kleineren Applikationen bewährt. Er bietet sich für den Einbau im sicheren Bereich sowie in Kombination mit zusätzlichen Signaltrennern an den HART-Geräten für Applikationen in der Ex-Zone 2 an (Bild 2).

Flexibel an die jeweiligen Anforderungen anpassen

Die zweite Lösung, die zur NAMUR-Hauptsitzung im November 2019 vorgestellt wird, ist eine Erweiterung des bewährten I/O-Systems Axioline F in Schutzart IP20. Axioline F zeichnet sich durch eine schnelle Signalerfassung aus. Die robuste Mechanik hält durch eine sehr gute Schock- und Vibrationsfestigkeit selbst widrigsten Umgebungsbedingungen stand. Der erweiterte Temperaturbereich von -40°C bis 70°C trägt zusätzlich dazu bei, dass sich die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Zudem reduzieren eine einfache Handhabung und schnelle, werkzeuglose Verdrahtung die Installationszeit. Das I/O-System wird nun durch analoge und digitale Ein- und Ausgabemodule für den Ex-i Bereich ergänzt. Axioline F lässt sich somit in hybriden und kontinuierlichen Applikationen verwenden. Die Installation erweist sich dort als sinnvoll, wo Eigensicherheit erforderlich ist, aber keine Hot-Swap-Fähigkeit benötigt wird (Bild 3).

Die I/O-Module der Produktfamilie Axioline F in Schutzart IP20 stehen demnächst auch für den Ex-i Bereich zur Verfügung Bild: Phoenix Contact

Die I/O-Module der Produktfamilie Axioline F in Schutzart IP20 stehen demnächst auch für den Ex-i Bereich zur Verfügung Bild: Phoenix Contact

Die I/O-Module können an industrielle Steuerungen und Buskoppler der Produktfamilie Axioline angekoppelt werden. Der Anwender erhält so eine im Vergleich zu PLT/DCS kostengünstige Lösung, wobei letztere allerdings höheren Anforderungen genügen und PID-Steuerungsfähigkeit bieten. Für die Instandhaltung von Prozessfeldgeräten stellt Axioline F jedoch eine zuverlässige Plattform zur Verfügung, die sich flexibel an die jeweiligen Rahmenbedingungen anpasst und kontinuierlich weiterentwickelt wird. Neben den Standard-I/O-Modulen für die HART-Kommunikation eröffnen die eigensicheren Varianten neue Nutzungsmöglichkeiten im Feld. Da HART-fähige Durchflussmessgeräte weitere auswählbare Daten – wie Gerätelaufzeit, die gesamte Durchflussmenge, Druck oder Temperatur – liefern, kann der Anwender bedarfsgerechte Wartungsmaßnahmen einleiten sowie den Prozess optimieren. Seit sich die Kosten für die im prozesstechnischen Umfeld verbaute Sensorik reduziert haben, lassen sich NAMUR-Sensoren direkt über den Seitenkanal als diskretes Signal überwachen (Bild 4).

Den ungenutzten Datenschatz heben

Derzeit werden weltweit mehr als 40 Millionen HART-Geräte eingesetzt, auf deren Daten über die NAMUR-Datendiode zugegriffen werden kann. Neben der Primärvariablen (PV), die sich als 4…20mA-oder Digitalwert via HART-Kommunikation auslesen lässt, stellen die Gerätehersteller drei weitere von den Endanwendern auswählbare Variablen zur Verfügung. Die Sekundär-, Tertiär- und Quartärwerte erteilen unter anderem Auskunft über die Historie des Geräts sowie seine Nutzung, die Temperatur und Laufzeit.

Darüber hinaus gibt es mehrere HART-Befehle (CMD), die in drei Klassen für die unterschiedliche Sensorik und Aktorik verfügbar sind. Universelle Anweisungen (Universal Commands) müssen von allen HART-Feldgeräten unterstützt werden. Sie erlauben die Identifikation des Geräts sowie das Abgreifen von standardisierten Gerätemerkmalen. Standardanweisungen (Common Practice Commands) sind nicht zwingend zu implementieren, werden aber von vielen Geräten angeboten und dienen deren Inbetriebnahme. Gerätespezifische Anweisungen (Device Specific Commands) beinhalten gerätetypspezifische Informationen, die der Hersteller festlegt. Dazu gehören beispielsweise interne Referenzdaten inklusive Gerätekonstruktion, die sich bei der Umsetzung der jeweiligen Applikation oftmals als hilfreich erweisen.

Fazit

In Kombination mit dem Ecosystem PLCnext Technology eignen sich die Ex-i Module des I/O-Systems Axioline F bestens für NOA-Anwendungen zur Automatisierung von Nebenprozessen. Als Einsatzszenarien bieten sich beispielsweise die Leckage-Suche in Rohrleitungen, Gaswarnsysteme sowie das Monitoring von Tanks, Ventilstellungen, Pumpen, Motoren oder der Begleitheizung an.

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