Multiparametersystem zur Bestimmung von analytischen Wasserparametern

Modulares Messsystem

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Die Online-Messung von analytischen Wasserparametern wurde über viele Jahre hinweg von Einparametersystemen beherrscht. Diese Einheiten bestanden aus einem für die jeweilige Messgröße spezifischen Messumformer und Sensor. Um auf die vielfältigen Bedürfnisse des Anwenders reagieren zu können, wurde jetzt ein konsequent modulares Multiparametersystem realisiert. In Verbindung mit der Zweidraht-Verbindungstechnik führt dies zu einem anpassbaren Universal-Messsystem.

Dipl.-Ing. Ulrich Rettig

Das IQ Sensor Net ist ein modulares Messsystem mit hoher Flexibilität und Nutzungsfreundlichkeit (Abb. 1). Aufgrund der breitbandigen Modularisierung kann das System von WTW an jede Applikation angepasst werden. Diese Eigenschaft bleibt über die gesamte Produktlebenszeit erhalten und nützt vor allem bei Erweiterungen und Änderungen. Planungsrisiken werden auf diese Weise minimiert.
Montage und Installation
Das IQ Sensor Net unterstützt den Anwender durch ein Angebot sinnvoller Funktionseinheiten in Form von Geräte- und Sensormodulen in standardisierten Gehäusen. Diese Module können auf der Anlage beinahe beliebig verteilt, montiert und installiert werden (Abb. 2). Geräte im Modulgehäuse können mit Montagesets für Wand, Schalttafel oder Hutschiene einfach montiert werden. Bei der mechanischen Stapelmontage werden die Modulgehäuse automatisch energie- und informationstechnisch verbunden. Der Schutzgrad aller Systemgehäuse und der Stapelverbindung zwischen den Modulgehäusen ist IP 66. Auch im montierten Stapel ist der interne Installationszugang jedes einzelnen Modulgehäuses ohne Demontage des Stapels und der Kabelanschlüsse gewährleistet. Als Verbindungsmedium zwischen den Modulen und den Sensoren dienen geschirmte zweiadrige Kabel. Alle Sensoren werden durch wartungsfreundliche Kupplungen direkt am Sensor an das System angeschlossen. Die Sensoren können kabellos transportiert und installiert werden. Alle Sensormodule haben den Schutzgrad IP 68 und 10 bar Druckfestigkeit.
Als Schnittstellen zum Menschen dienen mobile Terminals, die mittels Schnellkupplung an jeder freien Frontfläche der Modulgehäuse angedockt werden können. Das Andocken und Abnehmen ist ohne Unterbrechung des laufenden Messbetriebs möglich. Mit den bis zu drei Terminals in einem Messsystem werden die Funktionen Messwertbeobachtung, Kalibrieren, Einstellen des Systems, Systemdiagnose und Messdatenlogger realisiert. Alle Modulgehäuse enthalten ein Speicherelement, in dem die Definition der lokalen Funktionen des Terminals an jeder Messstelle hinterlegt werden können. Diese Funktionen ermöglichen die Anzeige des Namens der aktuellen Messstelle und die Auswahl der an dieser Stelle anzuzeigenden Messwerte. Das ist zum Beispiel für die einfache Auswahl der zu kalibrierenden Sensoren am jeweiligen Messort sehr nützlich.
Inbetriebnahme
Bei der Inbetriebnahme des Systems erfasst die Software selbständig alle Komponenten des Netzwerks und erstellt automatisch eine funktionsfähige Systemkonfiguration. Als Ergebnis erscheinen sofort die Messwerte der Sensoren in der Messwertanzeige und die Kanäle der Ausgangsmodule stehen zur Verknüpfung mit den Sensorsignalen zur Verfügung.
Softwarestruktur
Da die Software mittels Klassenmodellen arbeitet, können heutige und zukünftige Sensor- und Ausgangsmodule an ein vorhandenes System angeschlossen werden, ohne dass die Systemsoftware ausgetauscht werden muss. Jedes neue Modul bringt die Software mit, um mit dem Basissystem, bestehend aus Terminal und Controller, operieren zu können. Ein Sensor zum Beispiel stellt die standardisierten Daten und Funktionen für Identifikation, Messdatenübergabe, Überwachung, Textausgaben in allen Sprachen, Einstellungen und Kalibrierabläufe bereit. Terminal und Controller benutzen Interpreter, die mit den Daten und Funktionen der Sensoren komplette Vorgänge steuern. Das Gleiche gilt auch für mA- und Relaisausgangsmodule. Für die Einstelldaten entnommener Module und deren Verknüpfungen werden inaktive Datensätze gesichert, die nach Einfügen des selben oder eines gleichartigen Moduls wieder übernommen werden können. Ein RS232-Interface zum PC ermöglicht die Online- und Offlinemessdatenübergabe an Windowsapplikationen und die Ausführung von Wartungsaufgaben, wie die Konfigurationsdatensicherung und -übergabe.
Leitungssystem
Die Vernetzung der Module erfolgt durch ein einfach anwendbares leitungsgebundenes System. Es ist zweipolig ausgeführt und wird aus EMV-technischen Gründen von einer Schirmung umhüllt (Abb. 3). Es kann gleichzeitig Energie und Informationen übertragen und ist, bei gleichzeitigem Erhalt der vollen Funktionsfähigkeit, verpolungstolerant. Informationen werden im Frequenzbereich moduliert und die elektrische Leistung wird mittels Gleichspannung übertragen. Es werden verschiedene mechanische Ausführungen des Leitungssystems genutzt. Eine Ausführungsart sind Kabel, die im IQ Sensor Net als Erdkabel und Kabel für Freiluft- und Wasserverlegung verwendet werden. Eine andere konstruktive Ausführungsart des Leitungssystems stellt das Kontaktsystem an der Vorder- und Rückseite der Modulgehäuse dar, das die Stapelfähigkeit ermöglicht. An der Rückseite der mobilen Terminals ist das Gegenstück des Kontaktsystems installiert. Auch bei der Sensorinstallation ist das zweipolige Installationssystem sehr vorteilhaft. Die Sensorkupplung konnte wegen der wenigen Kontakte als Klinkensteckersystem in robuster druckwasserdichter Ausführung direkt am Sensor realisiert werden.
Energieversorgung
Die Versorgungsspannung innerhalb des IQ Sensor Net beträgt max. 24 V. Die Bereitstellung der Spannung erfolgt aus sicherheitsgeprüften Weitbereichsnetzteilen. Die Energieversorgung eines IQ Sensor Net-Netzwerkes kann sehr flexibel ausgebaut werden. Eine speziell gestaltete Ausgangskennlinie erlaubt die flexible Parallelschaltung mehrerer Netzteilmodule. So können je nach Leistungsbedarf mehrere Netzteilmodule gleichzeitig an ein Netzwerk angeschlossen werden. Der Leistungsumsatz in einem System wird im Wesentlichen nur durch Gerätesicherheitsanforderungen begrenzt. Mit dieser Energieversorgung ist es möglich, dass alle IQ Sensor Net-Module einheitlich aus dem Netzwerk versorgt werden können.
Das zusätzliche Heranführen andersartiger Energieversorgungssysteme an einzelne Module ist nicht notwendig.
Die Übertragung hoher elektrischer Leistungen wird auch durch die großen Aderquerschnitte der verwendeten IQ Sensor Net-Kabel unterstützt. Alle Stromversorgungen der Geräte und Sensoren benutzen Schaltregler mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. So liegen die Leistungsaufnahmen der Sensoren für pH, O2, LF und Redox bei typisch 50 bis 70 mW und reichen bei den optischen Trübungs- und Feststoffsensoren mit Ultraschall-Reinhaltungssystem hoch bis zu 8 W. Auch der Betrieb von Wartungssystemen mit anderen Funktionsprinzipien ist durch diese Energieversorgung abdeckbar.
Installationstopologien
Die Datenraten im System wurden so abgestimmt, dass eine große Flexibilität der Systemverdrahtung ermöglicht wird. So sind alle bekannten Installationstopologien wie Stern-, Baum- und Linienverdrahtung einzeln oder kombiniert anwendbar. Dabei sind nur zwei Randbedingungen einzuhalten, die Gesamtkabellänge von maximal 1000 m Kabel in einem Netzwerk ohne Repeatermodul und das Einschalten von zwei Leitungsterminatoren, jeweils einen an den Enden der größten im System vorkommenden Kabelstrecke.
Anwendung standardisierter Bussysteme
Die Anwendung von standardisierten Bussystemen wird ebenfalls in modularer Bauweise unterstützt. Aktuell wird die Profibus-Schnittstelle angeboten. Je IQ Sensor Net-System ist nur eine Standardbusschnittstelle erforderlich. Das hat den Vorteil, dass die Freiheit der Installationstopologie des IQ Sensor Net in der Feldebene voll genutzt werden kann und gleichzeitig eine Datensammelstelle für mehrere Messstellen bereitgestellt wird. Von dieser Datensammelstelle können dann die Daten von einem Standardbussystem mit hoher Datenübertragungsrate abgeholt werden. Bei Standardbussystemen und deren hohen Datenraten ist keine große Freiheit bezüglich der Installationstopologie des Bussystems möglich. Da die teure Standardbusanschaltung im IQ Sensor Net für mehrere Sensoren gleichzeitig verwendet werden kann, ergeben sich bezüglich der Beschaffung und Installation hohe Kosteneinsparungspotentiale.
ElektromagnetischeVerträglichkeit
Die IQ Sensor Net Komponenten erzielen in allen denkbaren Installationskombinationen einen sehr hohen EMV-Systemschutz. Technisch unterstützt durch das konsequent angewandte Zweidrahtsystem und die direkt an den Sensorelementen plazierte Analog-Digitalwandlung, werden die in der DIN EN 61326 geforderten EMV-Eigenschaften deutlich übertroffen. Insbesondere für die im Freifeld von Wasserbehandlungsanlagen installierten Messstellen ist der lückenlose Überspannungsschutz (Blitzschutz), beginnend vom Netzteil über alle Komponenten bis zum Sensor in der Messlösung, sichergestellt. Ein großer Vorteil des IQ Sensor Net-Systems ist die automatische Sicherstellung der EMV-Installationsqualität bei der standardmäßigen Installation des Systems. Durch das integrierte IQ Sensor Net-Diagnosesystem kann die Installation und damit der notwendige EMV-Systemschutz im laufenden Betrieb permanent überwacht werden.
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