Durch die Speicherung der Kalibrierdaten können Memosens-Sensoren einfach vor Ort ausgetauscht werden.

Bild: Endress+Hauser

Messkonzept zum Prozessmanagement Plug-and-Play-Flüssigkeitsanalyse

05.09.2018

Automatisierte Prozesse erfordern eine ständige Kontrolle beziehungsweise Regelung der einzuhaltenden physikalischen und chemischen Parameter. Standardisierte Sensoren und Messumformer sorgen für effiziente, produktive und sichere Prozesse.

Eine der großen Herausforderungen in der Prozessautomatisierung im Bereich der Flüssigkeitsanalyse ist die große Bandbreite der zu messenden Parameter. Diese reichen von pH-Wert, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt über Chlor und Trübung bis hin zu Nitrat- und Ammoniumwerten und es gibt noch viele weitere. Somit müssen eine Reihe an Daten erfasst werden.

Für die Erfassung dieser Parameter werden die unterschiedlichsten Messverfahren verwendet – potentiometrische, akustische, optische oder nasschemische Verfahren. Diese Vielfalt stellt hohe Anforderungen an die Anlagenbetreiber sowohl bei Bedienung oder der Wartung der einzelnen Messgeräte als auch bei ihrer Integration in die vorhandenen Prozessleitsysteme.

Mögliche Ansätze, um diese große Bandbreite abzudecken und dazu noch eine einfachere Handhabung zu ermöglichen, basieren auf der Digitalisierung der Sensorik und der digitalen Kommunikation zum Prozessleitsystem.

Die Situation heute – große Varianz

Heute werden in vielen Bereichen noch klassische, also analoge Sensoren eingesetzt, die unterschiedliche Messsignale liefern. Bei der Sauerstoff- oder Chlorbestimmung oder auch bei Prozessphotometern liegt das zu messende Stromsignal im Nanoampere-Bereich.

Die moderneren pH-Sensoren liefern hingegen ein Ausgangssignal von ungefähr 50 mV pro pH. Bei der Leitfähigkeitsmessung hingegen umfasst der Messbereich mehrere Zehnerpotenzen. Diese unterschiedlichen Messsignale erfordern in der Regel unterschiedliche Messumformer, deren Bedienung sich oft voneinander unterscheidet. Diese Komplexität stellt bei den Anwendern eine große Herausforderung dar.

Analoge Messsysteme haben gemeinsam, dass sie immer als komplettes System, also „Sensor > Kabel > Messumformer“, kalibriert werden müssen. Bedeutet, hochqualifiziertes Personal muss die Kalibrierung der Sensoren in der Anlage vornehmen, um zuverlässige Messwerte zu erzielen. Hierbei können sich vor allem in der pH-Messung aufgrund der hochohmigen Sensorik auch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit negativ auswirken.

Zusätzlich zu den klassischen Sensoren werden in Anlagen oft automatische Probenehmer oder nasschemische Analysatoren für zum Beispiel Ammonium, Phosphat und Wasserhärte eingesetzt. Diese sind komplett eigenständige Geräte, die ihrer eigenen Bedienphilosophie folgen. Eine Kombination mit Standardparametern erfordert traditionell separate Transmitter.

Einfluss der Messleitungen reduzieren

Der Einfluss der Messleitungen auf die Messgenauigkeit und die Varianz der Messsignaleingänge kann eliminiert beziehungsweise signifikant reduziert werden, wenn die Kommunikation vom Sensor zum Messumformer über digitale Signale erfolgt. Digitale Sensoren besitzen eine hochintegrierte, miniaturisierte Elektronik, die das analoge Messsignal in ein digitales Signal umwandelt und individuelle Sensor- und Kalibrierdaten speichern kann. Die digitale Memosens-Schnittstelle beinhaltet zusätzlich eine induktive Signal- und Datenübertragung, die Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit vollkommen eliminiert.

Bei dieser standardisierten, digitalen Schnittstelle können die Eingänge des Liquiline-Multiparameter-Messumformers identisch ausgeführt werden. Somit kann auch bei unterschiedlichen Sensoren für die Trübung, den pH-Wert, den Sauerstoffgehalt, die Leitfähigkeit und weiteren Parametern immer der gleiche Messumformer verwendet werden, da die Erkennung des Sensors nur softwaretechnisch erfolgt (Bild 1). Sogar die Anbindung von Inline-Prozessspektrometern (Bild 2) ist zukünftig direkt möglich. Durch das Multikanal-Konzept können bis zu acht Sensoren in beliebiger Kombination gleichzeitig angeschlossen werden.

Sensoren im laufenden Betrieb austauschen

Weiterhin ist die Liquiline-Plattform mit Heartbeat Technology ausgerüstet. Die Heartbeat Technology sorgt für klare, standardisierte Diagnosemeldungen und Handlungsanweisungen, um die Anlage ökonomisch basiert, gemäß dem wirklichen Bedarf, zu warten. Dadurch wird eine Trenderkennung zur vorausschauenden Wartung möglich und es werden Anhaltspunkte für Betriebszuverlässigkeit und Prozesssicherheit geliefert.

Das kundenfreundliche Hot-Plug-and-Play-Konzept erlaubt den Anschluss oder Wechsel von Sensoren auch während des Betriebs. Sensoren können so in der Anlage einfach ausgetauscht werden (Bild 3). Ausgebaute Sensoren können unabhängig von der Messstelle im Labor regeneriert und kalibriert werden und sind danach für ihren nächsten Einsatz bereit. Dies bietet folgende Vorteile:

  • Kostspielige Prozessstillstände werden auf ein Minimum reduziert.

  • Die Sensorkalibrierung wird im Labor durch qualifiziertes Laborpersonal unter stabilen Umgebungsbedingungen durchgeführt und die Kalibrierdaten werden im Sensor gespeichert.

  • Der Sensortausch vor Ort kann hingegen durch Wartungspersonal ohne Detailkenntnisse bezüglich der Sensorik durchgeführt werden.

Im Bereich der Messgeräte ermöglicht die Digitalisierung des Messsignals eine einheitliche Bedienstruktur für ganz unterschiedliche Parameter. Das reicht von den Messumformern über nasschemische Analysatoren bis hin zu Probenehmern und bedeutet:

  • Das Anlagenpersonal ist schnell mit den Geräten vertraut. Die Inbetriebnahme und Konfiguration der Geräte nimmt weniger Zeit in Anspruch.

  • Die Wahrscheinlichkeit von Bedienfehlern sinkt, so dass der Prozess sicherer wird.

  • Der Trainingsaufwand wird reduziert. Dies führt zu einer zusätzlichen Kostenreduktion

  • Das Anlagenpersonal ist schnell mit den Geräten vertraut. Die Inbetriebnahme und Konfiguration der Geräte nimmt weniger Zeit in Anspruch.

Messkonzept verbessert Prozessmanagement

Die Vorteile digitaler Signale sind auch bei der Einbindung der Messgeräte in die Prozessleitsysteme offensichtlich. Digitale Feldbusse wie Modbus, EtherNet/IP, Profibus oder HART ermöglichen die Verarbeitung zusätzlicher Status- und Diagnosemeldungen der Messgeräte, so dass die Prozesse noch präziser gesteuert werden können als bisher.

Über Ethernet kann mit einem Laptop auf den integrierten Webserver der Messgeräte zugegriffen werden. Ist der Messumformer mit einem drahtlosen Netzwerk verbunden, ist sogar der Fernzugriff über Tablet oder Smartphone möglich. Ein integriertes Sicherheitskonzept limitiert die Zugriffsmöglichkeiten ausschließlich auf autorisiertes Personal.

Die Prozesssteuerung wird jedoch nicht nur mit den Daten des Prozesses „gefüttert“, sondern auch durch Laborergebnisse beeinflusst. Einerseits werden die Mess- und Diagnosewerte aus dem Prozess üblicherweise durch Labormessungen verifiziert. Andererseits kann die Prozesssteuerung aufgrund von neuen Laborergebnissen angepasst werden. Um in diesem Bereich Inkonsistenzen zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung der gleichen Sensoren in Prozess sowie im Labor und der Einsatz einer Laborsoftware wie Memobase Plus, die auf denselben Algorithmen basiert wie die Liquiline-Messgeräte im Prozess.

Kompatibilitätsprobleme werden vermieden. Dieses Setup unterstützt die Kunden auch bei der Entwicklung neuer Prozesse. Denn die im Versuchslabor gewonnenen Erkenntnisse lassen sich aufgrund der gleichen Sensorbasis auch direkt in der Pilotanlage oder der endgültigen Produktion umsetzen. Das Multikanal- und Multiparameter-Liquiline-Messumformerkonzept in Verbindung mit digitalen Memosens-Sensoren bildet das Fundament für diese kundenorientierten Vorteile im Labor, sowie auch im Prozess.

Einfache Handhabung schafft Flexibilität

Die einfache Handhabung von Plug-and-Play-Plattformen schafft den Freiraum, die Anzahl der Messstellen direkt im Prozess flexibel anzupassen und auch zu erhöhen. Dadurch erreicht man mehr Wissen über den Prozess selbst und erkennt eventuell weitere Optimierungspotenziale. Das Liquiline-Compact-Konzept folgt dem Trend der Miniaturisierung. Die Memosens-Schnittstelle und ein stark miniaturisierter Messumformer wurden dabei in das Gehäuse der Steckverbindung integriert.

Trotz des geringen Platzbedarfs bietet dieses Konzept die volle Messumformerfunktionalität und erleichtert Anwendern bei eingeschränkten Platzverhältnissen die Installation geeigneter Messstellen. Die Bedienung und Visualisierung der Messdaten erfolgt über Tablets oder Smartphones, die über Bluetooth LE angebunden werden können. Aufgrund des integrierten Sicherheitskonzepts eignet sich Liquiline Compact auch für Applikationen im Ex-Bereich. Die Zweidrahtversorgung bildet die Basis für ein einfaches Low-Energy-Konzept.

Zur Einbindung der Messstellen in das Prozessleitsystem dienen nach wie vor auch die lange etablierten Feldbusprotokolle Modbus, Profibus, HART, FF sowie EtherNet/IP. Diese Feldbusse und auch drahtlose Schnittstellen wie unter anderen Bluetooth LE erlauben den direkten Zugriff auf die Prozessdaten und bilden somit die Basis für Industrie 4.0 und IIoT-Konzepte, die diese Daten auswerten und so Zusatzinformationen für die Kunden generieren.

Bildergalerie

  • Bild 1: Liquiline: kundenorientierte Plug-and-Play-Plattform mit einheitlicher Bedienstruktur.

    Bild: Endress+Hauser

  • Bild 2: Zukünftig können auch Inline-Prozessspektrometer direkt an die Liquiline-Plattform angebunden werden.

    Bild: Thomas Hierl, Endress + Hauser

  • Bild 3: Die Analysatoren Liquiline System bieten dieselbe, einfache Bedienung wie die komplette Plattform.

    Bild: Endress+Hauser

  • Bild 4: Miniaturisierte Messumformer bieten volle Funktionalität bei eingeschränkten Platzverhältnissen.

    Bild: Endress+Hauser

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