Intelligente Stellungsregler

Andreas Pomsel

Das Problem des Explosionsschutzes tauchte in der Chemie mit dem Beginn der Automatisierung auf. Aus der Entwicklung elektrischer und elektronischer Leitsysteme und der steigenden Komplexität von Chemieanlagen ergab sich die Forderung nach Verarbeitung elektrischer Signale an die pneumatischen Stellgeräte. Die Anordnung elektropneumatischer Wandler im nicht explosionsgefährdeten Bereich stellte sich schnell als zu aufwändig heraus, so dass der Wandler in den Stellungsregler integriert und explosionsgeschützt ausgeführt werden musste. Aus dem Bergbau war das Prinzip der druckfesten Kapselung seit vielen Jahren bekannt. Speziell die deutsche Chemie ging hier einen anderen Weg. Nach dem Prinzip der Eigensicherheit aufgebaute Geräte sind preiswerter, haben ein kleineres Bauvolumen und können auch im Betriebszustand gewartet werden.

Die Leistungsaufnahme der ersten intelligenten Stellungsregler, wie dem Arca-tron 828, war verhältnismäßig hoch. Das lag einerseits an den zur Antriebsansteuerung verwendeten direkt gesteuerten Magnetventilen, andererseits auch am Leistungsbedarf der Elektronik. So konnten diese Geräte noch nicht in der Zündschutzart EEx i ausgeführt werden. Erst durch den Einsatz extrem leistungsarmer piezovorgesteuerter Ventile gelang es, die aufgenommene Leistung entsprechend zu reduzieren. Um intelligente Stellungsregler in der Zündschutzart Eigensicherheit auszuführen, waren und sind wesentlich größere Aufwendungen als bei konventionellen Geräten erforderlich. Einerseits sind die Kapazitäten nicht mehr vernachlässigbar klein, andererseits liegt die Leistungsaufnahme von Prozessor, Speicher und Aktor bis heute mindestens um 50% höher als die konventioneller Stellungsregler, so dass der Eigenerwärmung im Fehlerfall größere Bedeutung zukommt.

Bei der zweiten Generation intelligenter Arca-Stellungsregler wie dem Arcapro 827 wurde ein wesentlich vergrößerter Funktionsumfang, kleinere Bauform und ein verbesserter Regelalgorithmus realisiert. Die Weiterentwicklung, der Arcapro 827A, verfügt außerdem über die so genannte erweiterte Diagnose. Die Funktionen der erweiterten Diagnose erlauben das frühzeitige Erkennen von Fehlfunktionen des Stellgerätes, überwachen die Lebensdauer und ermöglichen dadurch eine Optimierung der vorbeugenden Instandhaltung. So lassen sich durch die rechtzeitige Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen Anlagenausfälle vermeiden und durch die optimale Planung und gezielte Durchführung von Reparaturen Anlagenstillstände minimieren. Durch den Wegfall unnötiger, turnusmäßiger Instandhaltungsmaßnahmen können die Instandhaltungskosten wesentlich reduziert werden.

Die Funktionen der erweiterten Diagnose umfassen:

• Selbstüberwachung der Funktion des Stellgerätes (Zustandsdiagnose)

• Mittel zur Fehlerlokalisierung (Störungsdiagnose)

• Statusüberwachung der Lebensdauerwerte

Dazu werden im normalen Betrieb online bestimmte Parameter – Regelabweichung, adaptive Reglerparameter, mechanische Parameter wie Hub und Festanschläge – sowie die Anzahl der Hübe, Richtungswechsel und Betriebsstunden überwacht und bei Überschreiten festgelegter Grenzwerte erfolgt über den Störmeldeausgang eine Alarmierung und gleichzeitig im Display die Anzeige des überschrittenen Parameters. Das Auslesen einer Vielzahl weiterer Parameter im Diagnosemenü erlaubt nun eine Lokalisierung des Fehlers. Dazu lassen sich z. B. die Breite von Tot- und Langsamgangzone, die Anzahl der Betriebsstunden in bestimmten Temperaturbereichen, die Pulslänge und Schaltspielzahl der Vorsteuerventile sowie die Stellzeiten im Display darstellen oder auch über Hart oder Profibus auslesen. So ist eine optimale Reparaturplanung und –durchführung möglich.

Neben der weitverbreiteten Zündschutzart Eigensicherheit gewinnen auch in Europa besonders in der Petrochemie in den letzten Jahren die in Amerika und Asien üblichen Zündschutzarten EEx d und EEx n an Bedeutung. Das Prinzip der druckfesten Kapselung besteht darin, dass eine Zündung im Inneren des Gerätes nicht nach außen durchschlagen kann. Geräteverschlüsse und Bedienelemente müssen mit so genannten zünddurchschlagsicheren Spalten ausgeführt werden, die sehr eng toleriert sind und daher eine aufwändige Gehäusebearbeitung erfordern. Diese Spalten dürfen sich auch bei einer Explosion im Inneren des Gerätes nicht vergrößern. Da hierbei Drücke von 10 bar und mehr im Gehäuse auftreten können und die Gehäuse dem Vierfachen dieses Druckes standhalten müssen, resultiert aus dieser Vorgabe die stabile und meist runde Bauform druckfest gekapselter Stellungsregler. Bei intelligenten Geräten, die eine Bedienung auch in explosiver Atmosphäre zulassen sollen, verkomplizieren die Gehäusedurchführungen für Anzeige- und Bedienelemente die Gehäuse weiter, so dass die Herstellungskosten deutlich über denen eigensicherer Geräte liegen. Da aber in Chemieanlagen im Allgemeinen Zündschutzarten nicht gemischt eingesetzt werden, liegt die Wahl der Zündschutzart beim Anlagenbetreiber.

Nichtfunkende Geräte, die ausschließlich für Zone 2 zugelassen sind, stellen in Europa ein Novum dar. Diese Zündschutzart geht davon aus, dass im normalen Betrieb das Auftreten eines Fehlers, der zur Zündung führen kann, unwahrscheinlich ist. Störfälle werden dabei nicht betrachtet. An den Geräten sind unterschiedliche Maßnahmen möglich, wie z.B. vereinfachte Überdruckkapselung oder Energiebegrenzung. Letztere Möglichkeit kommt einer vereinfachten Eigensicherheit gleich und wird deshalb bei Stellungsreglern häufig angewendet.

In den letzten Jahren ist die Zahl der Feldbusanwendungen deutlich gestiegen, wobei der Anschluss peripherer Geräte entweder als direkter Busanschluss oder über zwischengeschaltete Remote I/O-Geräte erfolgen kann. Bei Profibus-PA dominieren dabei eigensichere Geräte, die nach dem Fisco-Modell als Einzelgeräte zertifiziert sind. Bei anderen Feldbussen und bei der Busanbindung von Hart-Geräten muss z. Z. noch der rechnerische Nachweis der Eigensicherheit des gesamten Netzwerkes erbracht werden.