Prozessanalytik Skalierbare Analysen- und Steuerungstechnik aus einer Hand

Angesichts der Bedeutung der Prozessanalytik für einen effizienten Anlagenbetrieb und eine gesicherte Produktqualität wächst in vielen Branchen der Prozessindustrie der Wunsch nach zentraler Überwachung und kontinuierlicher Bewertung der eingesetzten Analysatoren und ihrer Messwerte, vor allem der Prozess-Gaschromatographen. Für dieses „Analyzer Monitoring“ wurde das Ethernet-basierte Überwachungssystem ASM entwickelt.

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Mettler-Toledo GmbH

GUS LAB GmbH

Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH

In Anlagen der Prozessindustrie liefern Prozessanalysatoren wichtige Informationen über die Zusammensetzung der Stoffströme. Die gelieferten Daten dienen der Kontrolle der Ein- und Ausgangsstoffe, der Überwachung der Schadstoffemissionen auf Einhaltung von Grenzwerten und zunehmend auch einem besseren Prozessverständnis und der direkten Steuerung der Prozessabläufe. Sie tragen damit wesentlich zur Anlagenoptimierung hinsichtlich Verfügbarkeit, Energieeinsatz und Produktqualität bei. Ein Ethylencracker beispielsweise kann durch ständige Kontrolle der Coke-Bildung durch Prozesschromatographen deutlich länger und damit kostengünstiger in Betrieb gehalten werden als bei einer „blinden“ Fahrweise. Damit werden Prozessanalysatoren generell zu Anlagenkomponenten, deren Betriebssicherheit für die Produktion von hoher Bedeutung ist und die daher ständig überwacht werden müssen. Die derzeit verfügbaren Prozess-analysatoren sind anwendungsspezifisch verschieden aufgebaut und kein Gerätehersteller hat alle Typen in seinem Portfolio. Deshalb haben es die Anlagenbetreiber in der Regel mit Hunderten von Analysatoren mit unterschiedlichen Signaleigenschaften, Bedienkonzepten, Kommunikationsstandards sowie Wartungs- und Dokumentationsvorgaben zu tun. Das stellt hohe Ansprüche an das Wissen sowie die Erfahrung des Bedien- und Wartungspersonals und verursacht hohe Zusatzkosten. Ein System zum „Analyzer Monitoring“ muss diese Vielfalt eliminieren – mit dem Ziel, dass sich die heterogene Analysatorlandschaft in der Anlage wie ein einziger „virtueller Analysator“ darstellt. Das führt zu konkreten Anforderungen wie:

Schaffung einer für alle Analysatoren einheitlichen und klar strukturierten Schnittstelle für eine effiziente Kommunikation sowie zur reibungslosen Weitergabe ausgewählter Daten an übergeordnete Kommunikationssysteme wie Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution System (MES), Systeme zur Datenarchivierung u.Ä.;

• Schaffung einer einheitlichen, übersichtlichen Bedienoberfläche mit Visualisierung aller Betriebszustände;
• Gewährleistung einer schnellen, zuverlässigen Kommunikation ohne Gefahr einer Unterbrechung;
• Abspeicherung aller relevanten Daten in einer zentralen Datenbank;
• Bereitstellung von flexiblen, an die Analysator-Typen anpassbaren Methoden zur Validierung, Kalibrierung, Berichterstellung oder für Wartungsmaßnahmen.

Analyzer System Manager (ASM)

Der Analyzer System Manager ist in mehreren funktionalen Stufen aufgebaut und wird ausschließlich mit Simatic-Standardkomponenten einschließlich dem Prozessvisualisierungssystem WinCC realisiert. Der Aufbau kann je nach Gegebenheiten der Anlage variieren. Details werden als erster Schritt nach einer Auftragserteilung gemeinsam mit dem Betreiber in einer Functional Design Specification (FDS) erarbeitet und verbindlich festgelegt. Abb. 1 zeigt eine typische Konfiguration:

• In Stufe 1 (Analysenhäuser) erfolgt die Vernetzung aller Analysatoren eines Analysenhauses in einem separaten, ringförmigen Ethernet-Netzwerk. Die Vernetzung erfolgt mittels Direktanschluss der dafür vorbereiteten Geräte, wie z.B. der Maxum II, über programmierbare Scalance-X Switches. Geräte ohne Ethernet-Anschluss werden mittels einer SPS als Umsetzer angeschlossen. Der Einsatz von Glasfaser-Kabeln bringt Vorteile im Ex-Bereich und bei langen Übertragungsstrecken; redundante Ringstrukturen gewährleisten die geforderte Ausfallsicherheit. In jedem Analysenhaus besteht zusätzlich die Anschlussmöglichkeit für ein Notebook.
• In Stufe 2 (s. Abb. 2) werden alle Analysenhaus-Netze in einem zweiten Ethernet-Ring zusammengeführt und die übrigen, im Feld befindlichen Analysatoren unter Nutzung einer SPS eingebunden. In Stufe 2 besteht, nach entsprechender Aufbereitung in den SPS, eine für alle Analysatoren einheitliche Kommunikationsgrundlage (Datenstruktur und Schnittstellen). Von der Stufe 2 führt eine redundante Verbindung zum Leitsystem der Anlage.
• In Stufe 3 (Leitstand) werden in einem dritten Ethernet-Ring die Zwischenstationen zusammengeführt und mit einem zentralen, redundant ausgeführten Server vernetzt, der alle Daten sammelt und speichert. Eine Workstation dient zur vielfältigen Visualisierung aller Systemkomponenten und Betriebszustände. Stufe 3 ist die Scada-Ebene der Analysentechnik: Hier werden alle Messwerte und die daraus abgeleiteten Größen als WinCC-Applikation auf dem Server abgelegt. Von dort stehen sie über eine OPC-Schnittstelle zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
• In Stufe 4, dem anwendungsorientierten Kern des ASM, werden verschiedene Software-Module zur spezifischen Auswertung der gesammelten Analysator-Daten für Zwecke der Überwachung, Validierung, Wartung und Dokumentation bereitgestellt. Details hierzu enthält der folgende Abschnitt.

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