Feldbustechnik beweist ihren Nutzen
Verfahrenstechnische Anlagen mit 25 oder mehr Jahren Betriebsdauer sind heute sei-tens ihrer MSR-Technik "fällig" für eine Ertüchtigung mit moderner Technologie. Da-bei müssen häufig begrenzende Vorgaben bezüglich räumlicher und funktioneller Einpassung in eine weiter bestehende Gesamtanlage erfüllt werden. Das bedeutet eine besondere Herausforderung an Betreiber und Lieferanten.
Die Feldbustechnik und speziell PROFIBUS PA kann hierzu von hohem Nutzen sein, wie sich bei der Ertüchtigung eines VAE-Polymerisationsreaktors gezeigt hat.
Projekt
Ausgangslage und Entscheidungsfindung
Seit 1972 hatte ein Polymerisationsreaktor in einem Betrieb von Wacker Specialties am Standort Burghausen seinen (Batch-)Dienst bei der Herstellung von Dispersionen getan, als im Jahre 2000 die Ertüchtigung von Reaktor und zugehöriger MSR-Technik beschlossen wurde. Ein wichtiger Aspekt der danach einsetzenden Planung waren die äußerst beengten örtlichen Gegebenheiten der Anlage (siehe Bild 3). Mehrere einander ähnliche Reaktoren sind hier auf engstem Raum nebeneinander und vertikal über vier Geschosse ausgedehnt angeordnet. Der neue Reaktor musste sich mit seiner neuen Feldinstrumentierung und Leittechnik räumlich und funktionell nahtlos in diese enge Packung einfügen und der Neubau durfte den Betrieb der übrigen Reaktoren nicht beeinträchtigen.
Für die veraltete MSR-Technik stand angesichts der heutigen Möglichkeiten ein enormer Technologieschritt bevor. Neben der Wahl eines Leitsystems war vor allem die Entscheidung zwischen einer Ausführung in konventioneller 4-20 mA-Technik oder in zukunftsweisender Feldbustechnik zu treffen.
In die entsprechende Entscheidungsanalyse wurden einbezogen:
- die technologischen Eigenschaften der Feldbustechnik (einfache Topologie mit reduzierter Verkabelung, Interoperabilität der Geräte, zentrales Gerätemanagement, Übertragung eines fertigen Messwertes u.a.)
- Kosten- und Zeitaufwand für Beschaffung, Planung, Montage und Betrieb
- Beachtung der räumlichen und funktionellen Randbedingungen in der Anlage einschließlich der Ex-Bedingungen
- Einheitlichkeit mit Blick auf die bereits absehbare Ertüchtigung der übrigen Reaktoren
- Kontinuität bei Bedienung und Wartung (Erfahrungen, persönliche Kontakte) und
- die positiven Erkenntnisse aus einem bereits 1998 im Unternehmen installierten Feldbussystem (PROFIBUS PA am ehemaligen Standort Köln)
Im Frühjahr 2001 fiel die Entscheidung eindeutig zu Gunsten einer Feldbuslösung und nach Detailanalyse der dafür vorhandenen Alternativen speziell für den PROFIBUS PA mit dem Leitsystem SIMATIC PCS7 Batch flexible.
Anlagenkonzept
Die neue Anlage enthält ca. 80 Feldgeräte verschiedener Hersteller in Ausführung PROFIBUS PA, gekennzeichnet durch u.a. Busspeisung, eigensichere Schnittstelle und Applikationsprofil "PA Devices 3.0". Die Geräte sind im Ex-Bereich Zone 1 angeordnet, nach räumlichen Kriterien auf 8 PA- Segmente verteilt und über PA-Kabel mit zugeordneten DP/PA-Link-Bausteinen verbunden. Über "Ventilboxen" (diese sind PA-Busteilnehmer) sind zusätzliche Geräte wie z.B. Induktiv-Kontakte konventionell angeschlossen.
Die Links sind Busteilnehmer am PROFIBUS DP zusammen mit der als Master fungierenden Steuerung S7-400. Weitere DP-Stränge erstrecken sich vom Master zu einigen DP-Geräten (Simocode und Umrichter) sowie zum dezentralen Peripheriesystem ET 200M.
Über PROFIBUS DP liegt der Anlagenbus (Industrial Ethernet) mit zwei redundanten Servern und einer Gateway-Verbindung zur Altanlage. In einer noch höheren Ebene liegt der Terminalbus mit den Bedienstationen, dem Engineeringsystem und dem Batchserver.
Konventionelle Verdrahtung wurde nur für einige einfache oder noch nicht in PA-Ausführung erhältliche Geräte sowie für Sicherheitsschaltungen (z.B. maximaler Druck) verwendet.
Planung und Dokumentation
Die Feldbustechnik mit ihrer einfachen Topologie und gegenüber konventioneller Technik weniger Geräten und einfacheren Signalläufen reduziert den Planungs- und Dokumentationsaufwand für die Messtechnik ganz erheblich! Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die räumliche Anordnung der Geräte mit der dafür günstigsten Topologie (möglichst kurze Stichleitungen) bereits bei der Planung in Einklang gebracht wird.
Für PROFIBUS PA-Geräte können die detaillierten Messkreiszeichnungen durch einfache Listen mit wenigen Zeilen oder auch nur einer Zeile je Gerät ersetzt werden, da außer dem Buskabel keine weiteren Kabelverbindungen mehr existieren. Die Tabellenzeilen enthalten Angaben über DP-Adresse, Teilanlage-Nr., Montageort, Teilnehmer Nr., Stromaufnahme u.a. der Geräte.
Übliche Messkreiszeichnungen wurden nur noch für die wenigen Geräte mit Hilfsenergie sowie für die über Ventilboxen angeschlossenen Geräte angefertigt. Der Umfang der Dokumentation der Messkreise und damit der Erstellungsaufwand konnte so um etwa Faktor 3 reduziert werden.
Auch die große Produktauswahl bei PROFIBUS erleichterte die Planung, da ohne Einschränkung auf bekannte und bewährte Gerätetypen zurückgegriffen werden konnte.
Montage, Inbetriebsetzung, Schulung
Montage und Inbetriebsetzung wurden vom Betreiber gemeinsam mit dem Leitsystem-lieferanten vorgenommen. Auch dabei wurde der Nutzen von PROFIBUS PA, sowohl funktionell als auch vor allem hinsichtlich der räumlichen Enge der Anlage, sehr deutlich:
- Es waren weniger Geräte als früher zu montieren und mit einem drastisch geringerem Umfang an Kabelsträngen in der Anlage und an Schalttechnik in den Schaltschränken.
- Bei üblicher Sorgfalt bereitete die Montage keine besonderen Schwierigkeiten; generell sollten Stichleitungen möglichst kurz gehalten und an den Geräten bzw. den Feldbusverteilern Stecker statt Klemmtechnik verwendet werden. Damit werden u.a. Kurzschlüsse bei Gerätetausch sicher vermieden.
- Die Geräte wurden vor ihrer Montage außerhalb der Anlage komplett parametriert. Nach der Montage (und im Betrieb) werden sie über das Bedientool Simatic PDM zentral aus der Warte angesprochen. Der resultierende Zeitgewinn ist groß.
- Die Einweisung der eigenen Mitarbeiter konnte während der laufenden Arbeiten vorgenommen werden, eine spezielle Schulung erwies sich als nicht erforderlich.
Zentraler Gerätezugriff
Ein bedeutender Vorteil der Feldbustechnik ist die Möglichkeit, für Aufgaben des Engineering oder zur Wartung zentral vom Engineeringsystem oder einem Stand-alone Tool aus auf die Feldgeräte und ihre "Intelligenz" zugreifen zu können. Dadurch kann beispielsweise eine Störung von der Warte aus lokalisiert, die Störungsursache auf Grund abgefragter Diagnosedaten eingegrenzt und ein eventuell nötiger Gerätetausch gezielt vorbereitet werden. Das ist ein in schwer zugänglichen Anlagen äußerst zeiteffektiver Vorgang. Und von Multifunktionsgeräten können bei Bedarf zusätzliche Informationen, die im Gerät vorhanden, am PLS aber nicht aufgelegt sind, unmittelbar abgerufen werden. Beispiele hierfür sind Temperaturwerte aus einem Drucktransmitter oder eine Dichtebestimmung im Massendurchflussmesser.
Für den zentralen Zugriff benötigt das Bedientool Informationen über bestimmte Feldgeräteeigenschaften in elektronischer Form. Diese stehen bei PROFIBUS in der zu jedem Gerät zugehörigen GSD (Geräte-Stammdate-Datei) und, bei komplexeren Prozessgeräten, in einer zusätzlichen EDD (Electronic Device Description) zur Verfügung.
Als Bedientool wird im vorliegenden Fall SIMATIC PDM verwendet, welches auf Basis der GSDs und EDDs Zugriff auf alle wichtigen Gerätefunktionen und eine für alle Geräte einheitliche Bedienoberfläche bietet.
Ergebnis
Erfahrungen und Facit
Die Erwartungen an PROFIBUS PA hinsichtlich seines Nutzen speziell für die Ertüchtigung von Teilanlagen unter schwierigen räumlichen Bedingungen wurden voll erfüllt. Einige typische Resultate belegen das:
- der straffe Zeitablauf von 12 Monaten zwischen Planungsbeginn und Inbetriebsetzung und die dadurch verkürzte Stillstandszeit,
- der erheblich reduzierte Platzbedarf in der Anlage, auf den Kabeltrassen und in den Schaltschränken und die damit mögliche Ertüchtigung innerhalb der vorhandenen Anlage,
- der Gewinn an Zeit und Effizienz bei gleichzeitig reduzierter Fehlerhäufigkeit durch einfache Montage, zentralen Gerätezugriff und reduzierte Dokumentation,
- die Möglichkeit, defekte Geräte sehr schnell auswechseln zu können, da der physikalische Wert übertragen wird und der Messbereich daher nicht eingestellt werden muss,
- die Möglichkeit, bei Geräten mit Dipschaltern ('Mäuseklavier', in dieser Anlage ausschließlich eingesetzt) ein defektes Gerät ohne Softwareeingriff bzw. andere spezielle Kenntnisse zu wechseln, ein für betriebsfremdes Personal bei z.B einem Bereitschaftseinsatz sehr großer Vorteil,
- der Zuwachs an Einheitlichkeit und Übersichtlichkeit der Instrumentierung mit positiver Auswirkung auf Wartungsfreundlichkeit und Verfügbarkeit der Anlage.
Die Ertüchtigung weiterer Reaktoren im gleichen Betrieb wird auf Grund dieser positiven Erfahrungen ebenfalls mit PROFIBUS PA erfolgen. Aus diesen Wiederholungen wird sich dann der Nutzen der Feldbustechnik und speziell von PROFIBUS PA für die Ertüchtigung alter Anlagen auch quantitativ ableiten lassen.