Fehlfunktionen früh erkennen

Dipl.-Ing. Andreas Domke

Die unidirektionale Datenübertragung mit pneumatischen und elektrischen Einheitssignalen ist für viele Aufgaben nicht mehr zeitgemäß. Die moderne Prozeßsteuerung und -überwachung baut auf eine bidirektionale Kommunikation auf, die die Komponenten in der Feld- und Automationsebene untereinander verbindet. Auf Basis dieser Kommunikation lassen sich Feldgeräte sehr einfach parametrieren und schnell in Betrieb nehmen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, prozeß- und geräterelevante Informationen in den prozessorgesteuerten Geräten zu verarbeiten, zu speichern und bei Bedarf an übergeordnete Steuerungen weiterzugeben. Feldbussysteme unterstützen diese Arbeitsweise und bieten darüber hinaus Kosteneinsparungen bei der Verdrahtung und Planung der Anlage. Mit Profibus-PA und Foundation Fieldbus konkurrieren heute zwei Bussysteme am Markt, die speziell auf die Anforderungen der Prozeßautomation abgestimmt sind.

Die Vorteile der bidirektionalen Kommunikation lassen sich sehr gut am Beispiel des Stellventils aufzeigen. Das Stellventil mit angebautem Stellungsregler ist in den Regelkreisen der Prozeß- und Verfahrenstechnik eine sehr wichtige Komponente (Abb. 1). Der Stellungsregler übernimmt die Aufgabe, den vom Prozeßregler vorgegebenen Stellhub oder Drehwinkel möglichst schnell und präzise einzustellen. Mikroprozessorgesteuerte Stellungsregler entlasten den Anwender von zeitintensiven, mechanischen Einstellarbeiten durch eine selbsttätige, programmgesteuerte Initialisierung. Während der Initialisierung und auch im laufenden Betrieb generiert der Stellungsregler viele weitere Daten, mit deren Hilfe sich die Funktion des Stellventils überwachen läßt. Die schnelle Bus-Kommunikation über Profibus-PA oder Foundation Fieldbus macht es möglich, diese Informationen auch an andere Busteilnehmer weiterzugeben. Das Stellventil ist damit nicht mehr nur ein Empfänger von Daten, sondern liefert gleichzeitig wichtige Geräte- und Prozeßinformationen. Auf diese Weise lassen sich Fehlfunktionen des Ventils früh erkennen und Wartungsarbeiten rechtzeitig einleiten.

Die Stellungsregler Typ 3785 für Profibus-PA und Typ 3787 für Foundation Fieldbus eignen sich auch für den Einsatz im Ex-Bereich (EEx ia IIC). Beide besitzen die gleichen mechanischen Komponenten und nutzen denselben Regelalgorithmus. Die berührungslos arbeitenden, induktiven Wegaufnehmer und die temperaturstabilen Zuluft- und Abluftmagnetventile führen zu einer hohen Qualität der Komponenten. Abhängig von der aktuellen Regelabweichung werden die Magnetventile mit kurzen Stellimpulsen angesteuert, bis die vorgegebene Ventilstellung erreicht ist. Im Beharrungszustand sind beide Magnetventile geschlossen. Der verbleibende Luftverbrauch ist notwendig, um das Gehäuse zu spülen und den Regler und die Anbauteile vor aggressiven Umwelteinflüssen zu schützen.

Die Stellungsregler stellen ihre Reglerparameter selbsttätig ein und optimieren ihr Verhalten fortwährend im laufenden Betrieb (Selbstadaption). Gleichzeitig überwachen die Geräte die Dynamik des Stellungsregelkreises und speichern Daten für die Diagnose und die Wartung. Der Parameter Nachlaufzeit bildet den Grenzwert bei der Analyse der Regeldynamik. Innerhalb dieser Zeit muß die Regelgröße das Toleranzband der Führungsgröße erreichen (Abb. 2). Jede Überschreitung des Vorgabewertes wird als Regelkreisstörung signalisiert. Auf diese Weise ist eine erhöhte Kegelstangenreibung oder eine Verringerung des Zuluftdruckes, zum Beispiel aufgrund verschmutzter Luftfilter, frühzeitig erkennbar. Eine weitere wichtige Diagnosekenngröße ist das Wegintegral. Damit läßt sich die Belastung der Stopfbuchse oder des Balges abschätzen. Ähnlich eines Kilometerzählers summiert der Stellungsregler jede Ventilbewegung und speichert diesen Wert als Summe der Nennlastspiele. Wird vom Anwender für das Wegintegral ein Grenzwert vorgegeben, meldet der Stellungsregler die Überschreitung dieses Wertes.

Optimale Regelergebnisse sind nicht allein auf die Selbstadaption des Stellungsreglers und die Online-Überwachung zurückzuführen. Für die bestmögliche Lösung einer Regelaufgabe muß das Stellverhalten des Ventils flexibel anpaßbar sein. Die Tabelle zeigt die Vielfalt der möglichen Einstellungen. Die Signalkennlinie gibt dabei an, wie die Ventilstellung vom Sollwert beeinflußt wird. Um mit der inhärenten Kennlinie der Sitz-Kegel-Kontur zu arbeiten, muß softwareseitig die lineare Signalkennlinie gewählt werden. Die Einstellung gleichprozentig oder invers-gleichprozentig kann das Regelverhalten verbessern, wenn die montierte Ventilgarnitur nicht optimal auf die Regelstrecke abgestimmt ist.

Soll ein Ventil nicht nur Regelaufgaben erfüllen, sondern auch mit voller Antriebskraft Absperren können, zeigen sich die Vorzüge der parametrierbaren Dichtschließfunktion. Diese be- oder entlüftet den pneumatischen Antrieb, sobald die Führungsgröße einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet.

Die Stellungsregler Typ 3785 und Typ 3787 sind busgespeiste Geräte. Sie beziehen ihre elektrische Hilfsenergie über die Zweidraht-Feldbusleitung. Dieses Merkmal reduziert den Verdrahtungsaufwand und die Anzahl der erforderlichen Ex-Barrieren. Zu beachten ist jedoch, daß bei der Eigensicherheit die verfügbare Leistung zur Speisung der Geräte begrenzt ist.

Der Profibus-PA-Stellungsregler Typ 3785 hat sich schon in vielen verfahrenstechnischen Anlagen bewährt. Bei der aktuellen Version wurde die Stromaufnahme auf 10 mA reduziert. Dadurch läßt sich an einem Bussegment die maximal mögliche Ventilanzahl anschließen und damit der Instrumentierungs- und der Kostenaufwand nochmals deutlich reduzieren. Das überarbeitete Gerät verfügt darüber hinaus über zwei Leuchtdioden zur Vor-Ort-Anzeige des Betriebszustandes sowie über einen zusätzlichen Konfigurations-Port. Anstatt eines vollständigen Profibus-Systems reicht zur Parametrierung und Inbetriebnahme ein Laptop oder PC mit serieller Schnittstelle, die zugehörige Bediensoftware sowie eine Spannungsversorgung aus.

Der Foundation Fieldbus-Stellungsregler Typ 3787 regelt nicht nur die Stellung eines Ventils, sondern stellt darüber hinaus leistungsfähige Automatisierungsfunktionen bereit. Da der Foundation Fieldbus mit einer verteilten Datenübertragung (DDT: distributed data transfer) arbeitet, lassen sich die Feldgeräte als eigenständige Prozeßregler betreiben. Diese Zusatzfunktion erfordert bei den Feldgeräten eine leistungsfähige Hardware mit einem entsprechend höheren Leistungsbedarf. Der Stellungsregler Typ 3787 bietet die Möglichkeit eine Prozeßgröße über einen PID-Funktionsblock zu regeln. Darüber hinaus ist das Gerät auch als Link Active Scheduler (LAS) zu betreiben. LAS ist eine Komponente am Bus, die die Buskommunikation koordiniert und initiiert. Beide Funktionen sind erforderlich für eine dezentrale Bearbeitung von Automatisierungsaufgaben. Die zentrale Station kann so wirksam entlastet werden oder ganz entfallen. Abbildung 3 zeigt ein Minimalsystem, bestehend aus einem Stellventil mit Stellungsregler Typ 3787 sowie einem Feldbus-Sensor. Dabei ruft der Stellungsregler zyklisch die Sensor-Meßdaten ab (LAS-Funktionalität) und bearbeitet anschließend den PID-Regelalgorithmus für den Prozeßregelkreis.

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