Der CIA eine Nasenlänge voraus

Michael Herbstritt

Elektrische Stellantriebe werden zur Automatisierung von Armaturen in prozesstechnischen Anlagen aller Art eingesetzt. Sie bestehen aus einem Getriebe mit angeflanschtem Elektromotor und einer integrierten Steuerung, die die Schaltgeräte zur Ansteuerung des Motors und die Kommunikationsschnittstelle zum Leitsystem enthält. Schnittstellen gibt es zu allen in der Prozessautomatisierung gängigen Feldbussystemen, wie die verschiedenen Profibus-DP-Protokolle. Aber auch die herkömmliche parallele Ansteuerung ist immer noch Praxis. Elektrische Stellantriebe enthalten immer ein Handrad mit einem Aktivierungsmechanismus, um die Armaturenstellung auch bei Stromausfall verändern zu können. Über die integrierte Steuerung wird der Antrieb entweder mit den binären Fahrbefehlen Auf – Halt – Zu angesteuert oder es wird per Sollwert eine anzufahrende Armaturenstellung von der Leitstelle vorgegeben. Die Steuerung führt dann die Positionierung des Antriebs durch. Wird eine Armaturenendlage erreicht, schaltet der Antrieb automatisch ab, entweder über die Positionsrückmeldung oder bei Erreichen eines eingestellten Drehmomentgrenzwertes.

Die Steuerungen moderner Stellantriebe enthalten Mikrocontroller. Seit deren Einführung vor ca. 20 Jahren hat sich der Funktionsumfang der Antriebe enorm erweitert. Schon in den 90er-Jahren wurde die prinzipielle Möglichkeit präventiver Wartung durch Erfassung und Auswertung der Betriebsdaten von Feldgeräten erkannt. Durch die Entwicklung der Feldbusse wurden die technischen Voraussetzungen geschaffen, mehr Statusinformationen vom Feldgerät zum Leitsystem zu übertragen als mit der parallelen Kommunikation. Die ersten Versuche in dieser Richtung waren wenig erfolgreich, denn die Festlegung eines technischen Standards zur Datenübertragung erwies sich als notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung. Die zusätzliche Datenflut verlangsamte die Übertragung der prozessführungsrelevanten Informationen, überforderte das Leitsystem und damit auch die Anlagenbediener. Die Betriebsdaten der Geräte waren in erster Linie im Servicefall von Nutzen, wenn sie den Gerätespezialisten bei der Fehlerdiagnose unterstützten. Dann war die Störung aber bereits eingetreten. Ziel der präventiven Wartung ist jedoch Ausfällen vorzubeugen.

Dieses Thema beschäftigt zwischenzeitlich eine Reihe von Gremien, die Richtlinien für die Umsetzung von Asset-Management-Systemen erarbeitet haben. Die Grundzüge sind bei allen identisch. Aus Sicht der Feldgerätehersteller ist das anlagennahe Asset-Management relevant, auch Plant-Asset-Management genannt.

In diesem Kontext versteht man unter Assets die für einen industriellen Prozess erforderlichen Komponenten wie Apparate, Behälter, Maschinen, Rohrleitungen sowie Geräte und Einrichtungen der Prozessführung. Ziel des anlagennahen Asset-Managements ist es, durch Instandhaltungsmaßnahmen den Wert einer Anlage zu erhalten oder gar zu steigern.

Das anlagennahe Asset-Management nutzt in der Regel zumindest Teile der Infrastruktur zur Prozessführung mit, ist aber organisatorisch getrennt. Während die Prozessführung die prozessrelevanten Daten verarbeitet, um den Prozess in seinen vorgegebenen Grenzen ablaufen zu lassen, stellt ein Asset-Management-System vorrangig Online-Informationen für die technische Beurteilung der Anlagenkomponenten bereit. Es fällt in die Zuständigkeit der technischen Betriebsbetreuung, während die Prozessführung in den Händen des Bedienpersonals liegt.

Bisher agierte die technische Betriebsbetreuung, indem sie turnusmäßige Wartungsmaßnahmen vornahm und sie reagierte, wenn eine Störung bereits vorlag, indem sie die Störungsursache behob. Beides kann mit größeren und kostspieligen Stillständen verbunden sein. Ein Asset-Management-System hat vor diesem Hintergrund zwei Aufgaben: Einerseits Zustände zu melden, die eine Störung verursachen könnten, um Maßnahmen zu deren Vermeidung ergreifen zu können und andererseits konkrete Hinweise auf den Wartungsbedarf eines Geräts zu liefern, um von fixen Wartungsintervallen wegzukommen.

Moderne elektrische Stellantriebe sind Feldgeräte mit interner Zustandsbeobachtung, d. h. sie überwachen selbstständig die Einhaltung der spezifizierten Betriebsbedingungen. Dazu zählen die Einhaltung vorgegebener Laufzeiten oder die Erfassung der Einschalthäufigkeit, Größen die sich mit der vorhandenen Mikrocontrollertechnik einfach erfassen lassen. Zur Überwachung weiterer Größen ist zusätzliche Hardware im Antrieb erforderlich. Zu der ohnehin vorhandenen Drehmomenterfassung kommen hier Sensoren zur kontinuierlichen Erfassung der Temperaturen in den Bereichen Motor, Getriebe und Elektronik sowie ein Vibrationssensor. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, alle Größen zu überwachen, deren Überschreiten zu einer Störung führen kann. Zur Beurteilung des Gerätezustandes ist es notwendig, die Nutzungshistorie zu kennen. Deshalb werden alle Messwerte in einem zeitgestempelten Ereignisprotokoll gespeichert.

Es ist nicht nur möglich, gerätespezifische Einsatzbedingungen zu überwachen, wie die zulässige Umgebungstemperatur, zulässige Vibrationen, maximale Schalthäufigkeiten oder Laufzeiten, es können auch anwendungsabhängige Schwellwerte gesetzt werden. Beispielsweise kann nach der Inbetriebnahme eine Drehmomentkennlinie aufgenommen werden. Weicht das Drehmoment im Laufe des Betriebs um einen vorgegebenen Grenzwert von dieser Referenz ab, wird dies gemeldet. Die Beurteilung dieser Abweichung liegt in der Verantwortung der technischen Betriebsbetreuung. Ist das erhöhte Drehmoment geänderten Prozessbedingungen geschuldet, beispielsweise einem höheren Betriebsdruck, oder muss die Armaturenspindel geschmiert werden, um den Drehmomentbedarf wieder auf Referenzniveau zu bringen.

Das Überschreiten vorgegebener Grenzwerte sind spontan auftretende Ereignisse. Damit ohne Zeitverlust Maßnahmen eingeleitet werden können, müssen sie auf dem Bildschirm des Anlagenfahrers erscheinen. Berücksichtigt man, dass eine Anlage aus einer Vielzahl verschiedener Komponenten von unterschiedlichen Herstellern besteht, ist es notwendig, die Meldungen der Geräte zu schematisieren. Ziel ist es, den Anlagenfahrer in die Lage zu versetzen, schnell die geeigneten Maßnahmen einzuleiten, um das Problem von seinem Tisch zu bekommen.

Ein Ansatz ist die Aufteilung der Meldungen in vier Kategorien, wie sie die Namur-Empfehlung NE 107 vorschlägt:

Die Aufgabe des Feldgeräteherstellers ist es, die Meldungen seiner Geräte in dieses Schema einzuordnen.

Erfasst der Stellantrieb beispielsweise eine Umgebungstemperatur, die außerhalb der Gerätespezifikation liegt, erhält der Anlagenfahrer nur das entsprechende Symbol mit der Gerätekennung. Er informiert die technische Betriebsbetreuung, die dann der Ursache auf den Grund gehen kann.

Ähnliches gilt, wenn das Drehmoment das Toleranzband um eine Referenzkennlinie verlässt. Dann erscheint auf dem Schirm des Anlagenfahrers das Wartungssymbol und auch hier wird das Servicepersonal informiert, welches die geeigneten Maßnahmen einleiten kann.

Die Überwachung der antriebsspezifischen Einsatzbedingungen und anwendungsbezogenen Grenzwerte sowie die Meldung dieser Ereignisse nach dem NE-107- Schema ist umgesetzt. Damit können Störungen und Stillstände aus Sicht der elektrischen Stellantriebe vermieden werden. Der nächste Schritt ist, eine kontinuierlich verfügbare „Wartungskennzahl“ festzulegen, die Auskunft über Zustand des Antriebs gibt. Dazu fließen die verfügbaren Daten aus Lebensdauertests in ein Formelwerk ein, das im Antrieb hinterlegt ist. Mit dieser Wartungskennzahl ist die technische Betriebsbetreuung in der Lage, Wartungsmaßnahmen bedarfsgerecht zu planen.

Online-Info www.cav.de/0310415