Zwischen Sensor und Prozesssteuerung

Dipl.-Ing. Rolf Kolass

Zur Prozesskontrolle finden verschiedene Ansätze Anwendung, abhängig von der Vielschichtigkeit oder Reichweite des Prozesses selbst. Manchmal sind die Kontroll- und Messsysteme vollkommen in sich abgeschlossen. Ein Beispiel hierfür ist ein Flussregler in einem Flüssigkeitsspeicher, der nur direkt an ein automatisches Abflussventil angeschlossen ist. Am oberen Ende der Skala könnte eine komplette petrochemische Produktionsstätte durch ein integriertes zentrales Kontrollsystem auf Basis eines hochentwickelten digitalen Kommunikationsprotokolls gesteuert werden. Zwischen diesen beiden Anwendungen existieren viele Möglichkeiten zur Überwachung und Kontrolle hunderter von Parametern, die für die entsprechenden Fertigungsabläufe wichtig sind. Die verschiedenen Ansätze bieten jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile, die individuell gegeneinander abzuwägen sind. So ist beispielsweise eine punktuelle Messung und Kontrolle kostengünstiger, denn sie ist nicht abhängig von komplexen Computersystemen und daher sehr zuverlässig. Allerdings liefert sie auch nur die nackten Basisdaten eines Prozesses und erlaubt keine einfache Datenübertragung zu weiter entfernten Standorten. Taupunkt- und Feuchtesensoren und Sensorik zur Messung physikalischer nichtelektrischer Größen allgemein stellten bisher häufig Sonderfälle bei der Integration in vorhandene Prozessumgebungen dar.

Andererseits liefert eine integrierte Prozesskontrolle eine Flut an Daten; sie ermöglicht die Weiterverarbeitung und den Vergleich mit anderen Datenmengen und unterstützt eine Datentransformation. Bei der Messung mehrerer relevanter Größen eines Trocknungsprozesses, kann neben dem Taupunkt oder der Feuchte z. B. auch die Erfassung der Temperatur und des Druckes eine entscheidende Rolle spielen. Prozessentscheidende Korrekturen einzelner abhängiger oder abgeleiteter Größen können von integrierten Systemen direkt und online vorgenommen werden. Druckkompensation, Einheitenumrechnungen oder komplexere Abhängigkeiten lassen sich direkt darstellen und deshalb auch in Echtzeit auf den Prozess einwirkend verwenden. Diese Form der Prozesskontrolle macht die Behandlung der Daten jedoch aufwendiger und verringert deren Integrität, weil sie von sehr vielen nicht-prozessrelevanten Aspekten wie Sensorsystemen, Computern, Analog-Digital-Wandlern usw. abhängig ist.

Einhelliges Ziel bei der Optimierung der Prozessmessung und -steuerung muss sein, die Vorteile der einfachen Technik und die der integrierten Systeme zu vereinen und gleichzeitig deren beider Nachteile zu minimieren. Dies strebte man auch bei der Entwicklung des Moisture Manager an. Der Moisture Manager ermöglicht geschlossene Messungen und Kontrollen des Taupunktes und der Prozessfeuchte und dient zusätzlich als Sensorsteuerung für beliebige Seitenparameter, um eine optimale Prozessüberwachung zu gewährleisten. Dazu gehören unter anderem Taupunkt, Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand, Gaskonzentration und O2-Spuren. Die offene Systemstruktur bietet fast unendliche Möglichkeiten, wobei immer der optimale Sensor von einem beliebigen Hersteller für den Anwendungsfall ausgewählt werden kann. Der Moisture Manager übernimmt die Speisung der lokalen Sensoren und die Aufnahme der verschiedenen Sensordaten zur direkten Aufzeichnung und Regelung des Prozesses. Dabei fungiert das Gerät als eigenständige Multikanal-/Multisensor-Lösung. Die Aufbereitung und Weitergabe der Messdaten für die Visualisierung und Weiterverarbeitung auf einem zentral integrierten Prozessleitsystem ist ebenfalls möglich.

Traditionelle Analogsensoren waren ohne das richtige Werkzeug zur Verarbeitung und geeigneten Darstellung der Sensordaten meist nutzlos. Die Darstellung konnte entweder auf einer analogen Anzeige, auf einer digitalen Anzeige, mittels eines Kurvenverlaufes oder durch Übermittlung als analoges oder digitales Signal zur Einspeisung in ein anderes Überwachungs- und Protokollierungsgerät erfolgen. So betrachtet ist selbst ein K-Thermoelement als Sensor unnütz, solange er nicht in einen geeigneten Messkreis, also an einen Kurvenplotter oder einem Prozessinterface, integriert ist.

Die Einführung integrierter Prozesskontrollsysteme mit Standard-Schnittstellen führte zur Entwicklung einer Vielzahl smarter Sensorsysteme. Wenn man den Analogsensor mit der grundsätzlich notwendigen Elektronik und dem eigentlichen Sensor-Frontend zu einem sogenannten Smart-Sensor verbindet, können diese in sich geschlossenen Übertragungsgeräte mit Standardschnittstelle (z. B. 4…20 mA) an eine Vielzahl von Prozessüberwachungs- und Kontrollsystemen (Scada, PLC) angeschlossen werden. Ebenso ist es möglich, sie direkt an Standard-Anzeige-/Speisegeräten (Einbaugerät) oder virtuellen Aufzeichnungsgeräten (z. B. Software auf dem PC) zu betreiben.

Paradoxerweise entstehen durch diese höhere Komplexität innerhalb des Sensors mehr und mehr sogenannte smarte Sensoren, die sich in der Praxis der Anwendung nur noch unwesentlich unterscheiden. Vereinfacht ausgedrückt, kann nun ein 4…20-mA-Transmitter des Herstellers A durch einen ähnlichen 4…20-mA-Transmitter des Herstellers B ausgetauscht werden. Historisch betrachtet wären die Sensoren zweier verschiedener Hersteller eigentlich stark unterschiedlich und es bedürfte für jeden Sensor spezieller dedizierter und auch teurer Elektronikkomponenten, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können. Heute jedoch, in der Zeit der Low-Cost-Geräte, bedingt durch globalisierte Anforderungen und Massenproduktion, werden sich auch diese Industrie-Produkte immer ähnlicher und daher alltagstauglicher für den Anwender.

Die einzelnen Prozesssensoren und Transmitter unterscheiden sich jedoch in ihrer Funktionalität und Leistungsfähigkeit. So liefert der Keramik-Taupunkttransmitter Transmet zum linearen 4…20-mA-Standardsignal am Ausgang zusätzlich eine RS232-Schnittstelle und die RS485-Netzwerkfähigkeit. Die Bereichsskalierung des Ausgabesignals, PC-Direktanschluss und der gleichzeitige Betrieb von bis zu 32 Sensoren an einem einzigen Netzwerkkabel sind weitere Höhepunkte im technischen Datenblatt. Der kalibrierte und frei skalierbare Gesamtmessbereich beträgt –100 bis +20 °C Taupunkt mit einer Genauigkeit von bis zu 61 °Ctp, integrierte Temperaturkompensation und eine auf nationale und internationale Standards rückführbare Kalibrierung mit Zertifikat. Das bereits sehr erfolgreich zur Überwachung und Regelung von Produktionsprozessen etablierte Transmet-Sensorsystem wird in verschiedenen Bereichen zur Qualitätskontrolle von Fertigungsgasen eingesetzt werden.

Die Funktion des Moisture Managers lässt sich mit folgendem Szenario erläutern. Am Messpunkt ist ein Smart-Sensor im Einsatz, der die Prozessdaten in einem Standardformat liefert. Auf der anderen Seite befindet sich ein sehr komplexes und umfassendes Prozesskontrollsystem, das Daten aus verschiedenen Bereichen der Gesamtanlage erhält, visualisiert und in Aktionen umsetzt. Häufig werden dieselben Messgrößen oder direkt abhängige Variablen an verschiedenen Stellen im Prozess gemessen und aufgenommen, beispielsweise um einen besseren Eindruck über einzelne Prozessschritte zu erhalten (z. B. Effizienz einer Trocknungskolonne) und bei Bedarf sofort darauf einzuwirken. Dort ist eine Art Zwischeninstanz, eine Art Hub, hilfreich, die zwischen den Sensoren dieses Prozessbereiches und der zentralen übergeordneten Prozesskontrolle fungiert. Dieser Hub erhält die Eingabedaten von einer Reihe verschiedener Sensoren oder Signalumformer, um lokale Messungen, Kontrollaufgaben und einfache Verarbeitungen direkt vor Ort gesammelt vorzunehmen. Des Weiteren erlaubt ein solches System dann – falls erforderlich – auch die Weiterleitung der gewonnenen Daten an ein übergeordnetes Überwachungssystem (Scada).

Ein solches zwischengeschaltetes Prozess-Management-System stellt der Moisture Manager dar. Dieser intelligente Prozessmanager ist dafür konstruiert, an bis zu acht Kanälen Taupunkt und Temperatur als Primärdaten über ein RS485-Netzwerk von einem Transmet-Taupunkttransmitter aufzunehmen. Als besonderes Merkmal ist hervorzuheben, dass das System auch die Ausgangssignale verschiedener anderer Sensoren, Signalumformer und Transmitter (maximal acht) verarbeiten kann. Die Eingangssignale können sehr einfach mit dem im Gerät integrierten Touchscreen-Farbdisplay dargestellt, verarbeitet und protokolliert werden.

Der Moisture Manager führt Prozessberechnungen online durch, erlaubt individuelle Alarmwerte neben den vordefinierten globalen Alarmpunkten zu setzen und verfügt sowohl über analoge als auch digitale Ausgänge zur Weitergabe an Haupt-Prozessmanagement-Systeme innerhalb einer grösseren Fertigungskette.

Der Moisture Manager ermöglicht die kosteneffiziente Messung mehrfacher Prozessvariablen (Multichannel). Dabei sind verschiedene Messgrößen möglich. Weitere Vorteile sind:

• einfache Programmierung und Einrichtung durch eine intuitive Benutzerschnittstelle über Touch-Screen

• mehrsprachiges Display mit Datenprotokollierung und Alarmfunktionen

• flexibler Anschluss und Integration in übergeordnete Scada oder PLC

• Verwendung von Standard-Signalumformern (24 V, 4…20 mA linear)

Besonders hervorzuheben ist jedoch, dass der Moisture Manager den sich verändernden Anforderungen des Nutzers angepasst werden kann, z. B. durch Ergänzung mit neuen Sensortypen, Erweiterung der Messbereiche oder Aufrüstung der Messkanäle. Das modulare Konzept eröffnet viele Entwicklungsmöglichkeiten, um weitere Eingabe- und Ausgabemöglichkeiten verfügbar zu machen.

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