Welches Konzept macht das Rennen?

Automatisierung von Prozessventilen im Vergleich

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10.07.2019 Einzelventile direkt am Antrieb oder (digitalisierte) Ventilinsel: Das Konzept für die pneumatische Automatisierung von Prozessventilen ergibt sich häufig direkt aus den – etwa räumlichen – Gegebenheiten der verfahrenstechnischen Anlage. Wenn diese aber mehrere Automatisierungskonzepte zulassen, hat der Anwender die Qual der Wahl.

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Entscheider-Facts

  • Wenn es die Gegebenheiten hergeben, stehen für die pneumatische Automatisierung von Prozessventilen verschiedene Automatisierungskonzepte zur Wahl.
  • Mit Ventilinseln, die es mittlerweile auch in einer digitalisierten Variante gibt, lassen sich gegenüber Einzelventilen direkt am Antrieb Investitionskosten sparen – insbesondere bei Anlagen mit Atex-Anforderung.
  • Daneben bieten Ventilinseln eine Reihe weiterer Vorteile wie eine bessere Zugänglichkeit sowie Diagnose- und Monitoring-Funktionen.

Zwischenablage01

Bei den Konzepten für die pneumatische Automatisierung von Prozessventilen lohnt sich der direkte Vergleich. Bild: soupstock – AcobeStock

Viele Unternehmen treffen ihre Entscheidung dann oftmals aufgrund von guten Erfahrungen in der Vergangenheit. Wer sich so zurückhält und sich vor dem Risiko scheut, neuartige Technologien zu implementieren, verspielt aber die Chance, über den gesamten Lebenszyklus von Produktionen bares Geld zu sparen. Dies gilt insbesondere für solche Technologien, welche die Möglichkeiten der Digitalisierung konsequent umsetzen und völlig neue Funktionen der Automatisierung ermöglichen. Welche Vorteile die verschiedenen Möglichkeiten, pneumatische Antriebe zu automatisieren, bei verschiedenen Gegebenheiten haben können, zeigt ein modellhafter Vergleich auf Basis einfacher Auf-/Zu-Ventile.

Verschiedene Konzepte zur Automatisierung

Bei der Ansteuerung über Einzelventile ist das Einzelventil direkt am Antrieb montiert. Die Ansteuerung erfolgt über ein elektrisches Signal aus der überlagerten Steuerung. Die Druckluft wird über eine Ringleitung direkt an das Einzelventil angeschlossen, so dass der Steuerdruck unmittelbar nach dem Schaltvorgang an dem Antrieb ansteht. Die Rückmeldungen der Prozessventil-Stellungen erfolgt traditionell über Sensorboxen an die überlagerte Steuerung. Im Vergleich zu den anderen Möglichkeiten lässt diese Automatisierungsvariante nur sehr eingeschränkt Diagnosefunktionen in Bezug auf mögliche sich ändernde Prozessgegebenheiten oder die Feldkomponenten selbst zu.

Schema_Einzelventil

Bei der Ansteuerung über Einzelventile ist das Einzelventil direkt am Antrieb montiert. Bilder: Festo

Schema_Ventilinsel

Bei diesem Automatisierungskonzept wird die Funktion des Einzelventils in eine Ventilinsel integriert.

Schema_Motion_Terminal

Die digitale Ventilinsel ergänzt zusätzliche Sensorik und integriert Mechanik, Elektronik sowie Software.

Bei der Automatisierung über Ventilinseln wird die Funktion des Einzelventils in eine Ventilinsel integriert, das heißt, die Ansteuerung der Antriebe erfolgt über die Ventilscheiben auf der Ventilinsel. Binäre Ausgänge in der überlagerten Steuerung können im Vergleich zur Einzelventil-Variante entfallen. Das spart Investitionskosten bei den I/Os und bei der Verkabelung. Grenzen gesetzt sind dieser Variante bei räumlich ausgedehnten Anlagen, wenn definierte Öffnungs- und Schließzeiten der Prozessventile gefordert sind. Gegenüber der Einzelventil-Lösung bietet diese Ventilinsel eine Vielzahl von vorkonfektionierten Diagnosemöglichkeiten der Komponenten selbst und zusätzlich noch Monitoringfunktionen – zum Beispiel in Bezug auf die Anzahl von Schaltzyklen des Antriebs, die die Basis für Preventive Maintenance bieten können.

Die dritte Variante besteht in digitalen Feldkomponenten. Ein Beispiel dafür ist die neue digitale Ventilinsel von Festo, das Motion Terminal VTEM. Diese ergänzt zusätzliche Sensorik und integriert Mechanik, Elektronik und Software konsequent und erschließt damit neue monetäre Vorteile in allen Phasen des Anlagenlebenszyklus. Auf einer standardisierten Hardware-Plattform lassen sich durch die Installation von Software-Apps bis zu 50 unterschiedliche pneumatische Anwendungen realisieren. Die Vorteile der Hardware-Standardisierung werden hier kombiniert mit der Flexibilisierung der Automatisierungsfunktion durch Software-Apps. Dabei kommen laufend neue Apps hinzu – zum Beispiel die Endpositionserkennung bei Auf/Zu-Prozessventilen, die auf traditionelle Endschalter oder Sensorboxen verzichtet.

Investitionskosten zeigen deutliche Unterschiede

Da sich die Investitionskosten je nach Umgebungsbedingungen und Anlagencharakteristiken unterscheiden, nahm der Modellvergleich zwei Szenarien in den Blick: Eine Indoor-Anlage ohne Explosionsschutz-Anforderungen sowie eine Outdoor-Anlage mit Anforderungen gemäß Atex-Zone 2. Berücksichtigt wurden dabei die Kosten für die Automatisierungskomponenten inklusive der Schaltschränke sowie die Montageleistungen und -materialien. 16 Antriebe wurden über Kabel und Pneumatikschläuche mit einer durchschnittlichen Länge von 25 m angeschlossen. Die pneumatische Ringleitung, die bei der Einzelventil-Variante erforderlich ist, wurde mit den gleichen Kosten wie die Verschlauchung der Antriebe bei den anderen Varianten berechnet.

Indoor

Im Indoor-Szenario liegen die Investitionskosten der digitalen Ventilinsel am niederigsten – vor allem für die Montage.

Outdoor

Im Outdoor-Szenario zeigt die digitale Ventilinsel eine deutliche Kostensteigerung gegenüber der Standard-Ventilinsel.

Der Vergleich für die Anlage ohne Explosionsschutz-Anforderungen zeigt, dass die Investitionskosten der Ventilinseln etwa 20 % unter denen bei den Einzelventilen liegen. Die Einsparungen resultieren im Wesentlichen aus der Montage und den niedrigeren Kosten der Automatisierungskomponenten. Die digitale Ventilinsel liegt bei den untersuchten Kosten auf einem Niveau vergleichbar mit der Standard-Ventilinsel. Betrachtet man die Einzelpositionen, zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede: Dadurch, dass bei der digitalen Lösung die Stellungsrückmeldungen wegfallen, ist als Verbindung nur noch der Pneumatikschlauch erforderlich. Dies reduziert die Montagekosten deutlich, die Investitionskosten für die Automatisierungskomponenten liegen dafür jedoch höher als bei den anderen Varianten.

Auch bei der Outdoor-Anlage mit Explosionsschutz-Anforderungen liegen die Kosten für die Ventilinsel-Variante deutlich niedriger als diejenigen der Einzelventil-Lösung, nämlich bei etwa der Hälfte. Grund hierfür sind die deutlich höheren Anforderungen an die Einzelventile beim Einsatz im Ex- und Außenbereich. Derartige Unterschiede treffen auch auf die Indoor-Variante zu, sofern man dort die für die Chemie typischen Einzelventile mit Magnetsystem und Anschlusskasten vorsieht. Im ersten Beispiel wurde dagegen die einfachste Variante an Einzelventilen verwendet. Bei der Variante der digitalen Ventilinsel zeigt sich in der Outdoor-Anlage eine deutliche Kostensteigerung gegenüber der Standard-Ventilinsel. Dieser ergibt sich derzeit noch daraus, dass überdruckgekapselte Schränke vorzusehen sind, denn das Terminal ist momentan noch nicht mit Atex-Zertifikaten verfügbar. Aber auch diese Variante ist bei den Investitionskosten immer noch deutlich günstiger als die Einzelventil-Variante.

Weitere Merkmale von Ventilinseln

Über die reinen Investitionskosten hinaus bringen (digitale) Ventilinseln weitere Merkmale mit sich, die zu großen Kosteneinsparungen führen können. Zu diesen Zusatzfunktionen gegenüber der Variante mit Einzelventilen gehört die bessere Zugänglichkeit der Schränke bei Wartung und Instandhaltung. Denn diese sind im direkten Zugriffsbereich montiert. Die Automatisierungskomponenten sind bei Ventilinseln außerdem diagnosefähig, und ein Monitoring der Schaltspiele der pneumatischen Antriebe ist möglich.

Durch Apps, die den Druckluftverbrauch auf das Mindestmaß reduzieren und es ermöglichen, Leckagen antriebsbezogen zu erkennen, sorgt speziell die digitale Ventilinsel für eine höhere Energieeffizienz. Durch die Standardisierung am Standort bei verschiedenen pneumatischen Funktionen müssen auch weniger Hardware-Komponenten auf Lager gehalten werden. Insgesamt ermöglichen die Ventilinseln den Einstieg in das globale Monitoring und die Optimierung der Anlagen. All diese Merkmale tragen dazu bei, die Kosten über den gesamten Lebenszyklus der Anlage zu senken.

Digitalisierung wird sowohl die Automatisierungstechnik von Produktionsanlagen als auch die damit verbundenen Prozesse über den Lebenszyklus der Anlagen signifikant verändern. Der Vergleich der Investitions- und sonstigen Kosten zeigt jedoch, dass es sich schon lohnen kann, bisher ungenutzte, schon seit längerem bestehende Technologien wie die Ventilinsel konsequent einzusetzen.

Digitalisierung pneumatischer Lösungen in der Prozessindustrie

 

Heftausgabe: Juli/2019

Über den Autor

Thomas Bertsch und Dr. Eckhard Roos, beide Globales Industrie- und Key Account Management Prozessindustrie, Festo
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