Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit ... · White Paper | Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 | 7 Bild 2-2: Leistungskennlinie. Die

A white paper issued by: Siemens. © Siemens AG 2014. All rights reserved.

Im Rahmen des anlagennahen Plant Asset Management in der Prozessindustrie wird bisher vorwiegend der Zustand von Feldge-räten und Automatisierungskomponenten im Sinne der Instand-haltung betrachtet. Ein wesentlich größerer wirtschaftlicher Nut-zen für Anlagenbetreiber wird erzielt, wenn man dieses Konzept auf mechanische Anlagenkomponenten wie Pumpen, Ventile, Wärmetauscher oder Kompressoren erweitert. Das vorliegende Whitepaper bietet einen Überblick, welche Funk-tionen SIMATIC PCS 7 zur Überwachung mechanischer Assets an-bietet.

Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7

White Paper Welche Vorteile im Hinblick auf Operational Efficiency, Anlagen-Verfügbarkeit und Instandhaltungsplanung lassen sich mit der Überwachung mechanischer Assets in SIMATIC PCS 7 erzielen?

A white paper issued by: Siemens, Sector Industry, IA AS S SM. © Siemens AG 2014. All rights reserved.

White Paper | Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 | 2

Contents

1 Einführung ....................................................................................................... 4

1.1 Condition Monitoring und Performance Monitoring ........................................ 4

1.2 SIMATIC PCS 7 Maintenance Station .............................................................. 4

1.3 Elektrische und mechanische Assets ............................................................. 5

1.4 Integration von Assets in die Maintenance Station mit AssetM ......................... 5

2 Überwachung von Kreiselpumpen mit PumpMon ................................................... 6

2.1 Anwendungsbereich ................................................................................... 6

2.2 Funktionsumfang ....................................................................................... 6

2.2.1 Berechnung von Performance-Kenngrößen.............................................................. 6

2.2.2 Kennlinien-Darstellungen ........................................................................................ 6

2.2.3 Alarmierung ............................................................................................................ 7

2.3 Sensorik .................................................................................................... 8

2.4 Nutzen ...................................................................................................... 8

3 Überwachung von Stetigventilen mit ValveMon ..................................................... 9

3.1 Anwendungsbereich ................................................................................... 9

3.2 Funktionsumfang ....................................................................................... 9

3.2.1 Kennliniendarstellungen .......................................................................................... 9

3.2.2 Diagnosefunktionen .............................................................................................. 10

3.3 Sensorik .................................................................................................. 10

3.4 Nutzen .................................................................................................... 10

4 Überwachung von Wärmetauschern mit HeatXchMon........................................... 11

4.1 Anwendungsbereich ................................................................................. 11

4.2 Funktionsumfang ..................................................................................... 11

4.2.1 Berechnung von Performance-Kennzahlen ............................................................ 11

4.2.2 Kennliniendarstellungen ........................................................................................ 12

4.3 Sensorik .................................................................................................. 12

4.4 Nutzen .................................................................................................... 12

5 Überwachung des Druckverlusts von Anlagenkomponenten mit PressDropMon ....... 13





5.2.1 Kennlinien-Darstellung .......................................................................................... 13

5.2.2 Berechnung von Kennwerten................................................................................. 13

5.2.3 Teach-Funktion ...................................................................................................... 13

5.3 Sensorik .................................................................................................. 14

5.4 Nutzen .................................................................................................... 14

6 Überwachung von Kompressoren mit CompMon .................................................. 15



6.2.1 Berechnung von Performance-Kennwerten............................................................ 15

6.2.2 Kennfeld-Darstellungen ......................................................................................... 15

6.2.3 Alarmierung .......................................................................................................... 17

6.3 Sensorik .................................................................................................. 17

6.4 Nutzen .................................................................................................... 17

7 Extrapolation zeitlicher Trends und Abschätzung der Restlebensdauer mit TrendMon ............................................................................................................ 18



7.3 Nutzen .................................................................................................... 19

8 Überwachung typischer verfahrenstechnischer Units ........................................... 20

8.1 Rührkesselreaktoren ................................................................................. 20

8.2 Rektifikations- und Destillations-Kolonnen .................................................. 21

9 Fazit .............................................................................................................. 22

10 Literatur ..................................................................................................... 22



Angesichts hart umkämpfter Märkte und eines verschärften globalen Wettbewerbs kann sich heute kein Anlagenbetreiber Produktionsausfälle wegen defekter Komponenten leisten. Unerwar-tete Anlagenstillstände aufgrund von Fehlfunkti-onen bedeuten doppelten finanziellen Aufwand: Zu den Kosten für die korrektive Instandsetzung kommen nicht unerhebliche Einbußen durch den Produktionsausfall [3.]. Eine Erhöhung der Anla-genverfügbarkeit durch Redundanzkonzepte beispielsweise bei Pumpensystemen ist ein er-heblicher Kostenfaktor. Die so genannten B-Pumpen liegen bei den Betreibern auf Lager und werden bei Ausfall einer Pumpe aktiviert oder getauscht. Diese Maßnahme schützt allerdings nicht davor, dass auch die Ersatzpumpe durch nicht bestimmungsgemäßen Betrieb, z. B. infol-ge falscher Auslegung, erneut Schaden nimmt.

Gerade in den komplexen, kapitalintensiven Anlagen der Prozessindustrie sind deshalb eine frühzeitige Problemerkennung und eine prädikti-ve Instandhaltung von erheblicher Bedeutung: Sie tragen nicht nur maßgeblich dazu bei, die Anlagenverfügbarkeit auf Maximalniveau zu halten, sondern haben auch einen nicht zu un-terschätzenden Einfluss auf Produktqualität, Sicherheit und Lebensdauer der Anlage.

Funktionen für das Plant Asset Management sind daher heute für zahlreiche Prozessleitsysteme verfügbar. Eine durchgängige Überwachung der Anlage und ihrer Komponenten ist die Basis für zustandsorientierte, vorausschauende Instand-haltung.

1.1 Condition Monitoring und Performance Moni-toring

Bezüglich methodischem Ansatz und Zielsetzung kann unterschieden werden zwischen [4.]: Condition Monitoring: Bestimmung und

Überwachung des Zustands der Anlage und ihrer Komponenten. Signalquelle ist das Verhalten der Komponenten; Ziele sind die Aufrechterhaltung der Verfügbarkeit bzw. der Schutz der Komponenten.

Performance Monitoring: Bestimmung der von der Anlage oder ihren Komponenten er-brachten Leistung (Signalquelle) und Über-wachung der Prozessführung. Ziel ist die „Güte“ der Produktion; ein geändertes Ver-

halten einer Komponente wirkt sich als Stö-rung (Verschlechterung) aus.

Strategien und eingesetzte Werkzeuge ähneln sich. Häufig werden die gleichen Messwerte ausgewertet. Es handelt sich also um unter-schiedliche Sichtweisen auf das gleiche Objekt. Folgende anschauliche Erklärung verdeutlicht die Beziehung zwischen Condition Monitoring und Performance Monitoring am Beispiel eines Menschen:

Condition Monitoring beim Menschen, z. B. Fieber messen: Eine zusätzliche Informati-onsquelle (z. B. Sensor, andernfalls auch Modell) liefert Aussagen über den Zustand. Daraus können indirekte Schlüsse über die Performance gezogen werden, da der Mensch mit Fieber im Allgemeinen nicht mehr seine volle Leistungsfähigkeit erreicht.

Performance Monitoring beim Menschen, z. B. 100-m-Lauf: Die Performance wird di-rekt „im Betrieb“ gemessen. Daraus können indirekte Schlüsse über den Zustand gezo-gen werden, wenn es Referenzinformatio-nen über die Performance im guten Zustand gibt. Wenn die Leistungsfähigkeit deutlich unter dem Optimum liegt, ist die Ursache unter Umständen beim schlechten Zustand zu suchen.

1.2 SIMATIC PCS 7 Mainte-nance Station

Die in SIMATIC PCS 7 integrierte Maintenance Station [2.] bietet vollen Überblick über den Zustand der Anlagenkomponenten und schafft die Basis für eine effektive und damit Wert erhal-tende und Wert steigernde Instandhaltung. Das macht sie zugleich zu einem wertvollen Instru-ment zur Minimierung der über den kompletten Lebenszyklus der Anlage kumulierenden Ge-samtkosten (Total Cost of Ownership).

Die Maintenance Station ist auf das Plant Asset Management fokussiert und ermöglicht die vor-beugende (präventive) und vorausschauende (prädiktive) Diagnostik, Instandhaltung und Wartung der Anlage. Über die Maintenance Sta-tion stehen parallel zur Prozessführung auch durchgängige Instandhaltungsinformationen und -funktionen für die Systemkomponenten (Assets) zur Verfügung. Während der Anlagen-fahrer über die Operator Station alle prozessrele-vanten Informationen erhält und gezielt in den

1 Einführung



Prozess eingreifen kann, kontrolliert der In-standhalter per Maintenance Station die Hard-ware der Automatisierungsanlage, bearbeitet deren Diagnosemeldungen und Wartungsanfor-derungen.

1.3 Elektrische und mecha-nische Assets

Über die Maintenance Station hat das Instand-haltungspersonal standardmäßig Zugriff auf den Zustand elektrischer bzw. elektronischer Kom-ponenten der Anlage: intelligente Feldgeräte und I/O-Baugruppen, Feldbus, Controller, Netz-werkkomponenten und Anlagenbus sowie Server und Clients der Operator Systeme. Intelligente Feldgeräte verfügen über umfangreiche Funkti-onen zur Eigendiagnose, so dass der Anwender stets im Bild ist, ob volle Funktionsfähigkeit oder aber eine Abweichung vom gewünschten Nor-malzustand vorliegt.

Neben den elektrischen Assets sind auch mecha-nische Assets wichtige Bestandteile jeder verfah-renstechnischen Anlage: Pumpen, Stellventile, Wärmetauscher, Kompressoren usw. Im Vergleich zu den elektrischen Komponenten (Assets) der MSR-Technik stellen die mechanischen und ver-fahrenstechnischen Assets für den Anlagenbe-treiber meist den wertvolleren Teil einer Ge-samtanlage dar, sind aber aufgrund ihrer hohen mechanischen Belastung häufiger von Abnut-zungs- und Verschleißerscheinungen betroffen.

Dennoch sind sie oft noch nicht an Plant Asset Management Systeme angeschlossen - im Ge-gensatz zu intelligenten Feldgeräten tauchen „nicht-intelligente“ mechanische Assets ohne eigene Elektronik und Kommunikationsfähigkeit sie von sich aus nicht als Objekte im Prozessleit-system auf. Nur wenige, besonders große und wertvolle mechanische Assets (z.B. Kompressor-Stationen) sind von sich aus mit einem speziel-len Diagnosesystem ausgestattet. Der nachträg-liche Einbau zusätzlicher Sensoren nur für das Condition Monitoring wie z.B. Körperschall-, Beschleunigungs- oder Temperatur-Sensoren ist entsprechend kostspielig. Wie also kann eine kostengünstige Überwachung mechanischer Assets im Rahmen eines Prozessleitsystems realisiert werden?

Die Antwort: vorgefertigte Funktionsbausteine für bestimmte Klassen häufig vorkommender mechanischer Assets erlauben eine zuverlässige Zustands- und Performance-Überwachung durch die intelligente Auswertung von Sensor-Signalen, die bereits im Leitsystem vorhanden

sind. Auf die Installation spezieller zusätzlicher Sensoren kann daher verzichtet werden.

Diese vorgefertigt programmierten Bausteine können verschiedene Analog- und Binärwerte verarbeiten und logische Zusammenhänge zwi-schen mehreren Messwerten herstellen. Die Bausteine übernehmen eine reine Diagnosefunk-tion und warnen vor Geräteschädigungen durch ungünstige Betriebszustände oder Erreichen von Verschleißgrenzen. Ein aktiver Eingriff in den Betrieb der mechanischen Komponenten ist zwar über die Weiterverarbeitung von Ausgangssigna-len diese Bausteine auf Wunsch möglich, aber nicht von vorneherein innerhalb der Bausteine vorgesehen. Somit kann ein Einsatz auch prob-lemlos als Nachrüstung erfolgen, ohne dass eine Beeinflussung des Prozesses zu befürchten ist.

Im vorliegenden Whitepaper geht es um einen breiten Überblick zur Überwachung mechani-scher Assets. Vertiefende Informationen finden Sie in weiterführender Literatur (z.B. speziellen Application Notes zu Einzelthemen), auf die im Text verwiesen wird.

1.4 Integration von Assets in die Maintenance Sta-tion mit AssetM

Mechanische Assets wie Pumpen, Motoren, Zent-rifugen oder Wärmetauscher werden in der SI-MATIC PCS 7 Maintenance Station durch Stellver-treterobjekte repräsentiert, in denen die Bedin-gungen zur Generierung von Instandhaltungsan-forderungen hinterlegt sind. Der AssetM (als APL-Pendant zum AssetMon aus der Standard-Lib.) ist ein universeller Stellvertreter-Baustein für mechanische bzw. verfahrenstechnische Assets in der Maintenance Station. Er liegt im Hierar-chiebaum der Maintenance Station und nicht in der normalen technologischen Hierarchie der Anlage. Sein Bildbaustein erscheint daher in der Maintenance Station und nicht in der Operator Station. Der AssetM-Baustein erzeugt Instandhal-tungsmeldungen (-anforderungen) für das In-standhaltungspersonal, keine Warnungen und Alarme für den Anlagenfahrer.

Dieser AssetM-Baustein liefert auch die Electro-nic Device Description (EDD) mit den Stammda-ten der Anlagenkomponente (Hersteller, Typ-Bezeichnung, Baujahr, Einbauort etc.), so dass im Asset-Management-System auf die Anlagen-komponente genauso wie auf ein intelligentes Feldgerät zugegriffen werden kann.



Pumpen sind besonders weit verbreitete rotie-rende Maschinen in verfahrenstechnischen An-lagen. Das PCS 7 Add-on Produkt PumpMon [7.] bietet eine kostengünstige Lösung für die Über-wachung und Analyse von Kreiselpumpen. Sie beruht auf der intelligenten Auswertung von Sensor-Signalen, die im Leitsystem vorhanden sind, im Gegensatz zu aufwändigen Condition-Monitoring Systemen, die auf spezielle zusätzli-che Sensoren wie z.B. Körperschall- oder Be-schleunigungs-Sensoren angewiesen sind.

2.1 Anwendungsbereich

Der PumpMon-Baustein kann für elektrisch ange-triebene Kreiselpumpen sowohl mit konstanter, als auch mit variabler Drehzahl verwendet wer-den.

Typische Anwendungsbeispiele:

Pumpen, die überdurchschnittlich häufig ausfallen,

Kavitationsgefährdete Pumpen, u.a. bei der Wasserversorgung,

Pumpen, in denen sich chemische Ablage-rungen bilden,

Pumpen, die in einem anderen als dem ur-sprünglichen geplanten Betriebspunkt arbei-ten,

Pumpen, die unerklärliche Fluktuationen in der Leistungsaufnahme zeigen,

Anwendungsfälle, bei denen das bestim-mungsgemäße Verhalten von Pumpen nach-gewiesen werden soll.

2.2 Funktionsumfang

2.2.1 Berechnung von Performance-Kenngrößen

Förderhöhe,

Mechanische und hydraulische Leistung,

Hydraulischer Wirkungsgrad.

Erforderliche Haltedruckhöhe oder NPSH-Wert („Net Positive Suction Head“).

„Lastkollektiv“: statistische Verteilung der Durchflusswerte.

2.2.2 Kennlinien-Darstellungen

Bild 2-1: PumpMon-Bildbaustein, Förderhöhen-verlust z.B. durch Gasmitförderung.

2 Überwachung von Kreiselpumpen mit PumpMon



Bild 2-2: Leistungskennlinie. Die elektrische Leistung liegt zwar noch auf ihrer olivgrünen Kennlinie, aber die hydraulische Leistung ist geringer als erwartet, d.h. der aktuelle Wir-kungsgrad liegt unter der zugehörigen orange-farbigen Kennlinie.

Bild 2-3: Npsh-Kennlinie im kavitationsfreien Betriebszustand der Pumpe

Förderkennlinie: Darstellung der Soll-Förderhöhe in Abhängigkeit vom Durchfluss (bei drehzahlvariablen Pumpen drehzahl-normiert), mit minimalem und nominalem Durchfluss, Darstellung des aktuellen Ar-beitspunkts, der absoluten und prozentua-len Abweichung des Arbeitspunktes von der Kennlinie.

Leistungskennlinie: Darstellung der erwarte-ten (mechanischen) Pumpenleistung in Ab-hängigkeit vom Durchfluss mit aktuellem Arbeitspunkt und Abweichung von der Kennlinie. Zusätzlich Darstellung des erwar-teten hydraulischen Pumpenwirkungsgrades in Abhängigkeit vom Durchfluss mit ermit-teltem aktuellem Wirkungsgrad.

NPSH-Kennlinie: Logarithmische Darstellung des für den kavitationsfreien Betrieb erfor-derlichen NPSHr-Wertes („required“) in Ab-hängigkeit vom Durchfluss, mit aktuellem NPSHa-Wert.

Histogramme: Statistische Auswertung der Betriebszustände der Pumpe bzgl. Durch-fluss (Pump-Last) und Kavitationsreserve.

2.2.3 Alarmierung

Der Baustein bietet folgende Diagnosefunktio-nen zur Warnung des Betriebpersonals bei un-günstigen Betriebszuständen:

Grenzwertverletzung bei den Leistungswer-ten,

Unterschreiten des Minimaldurchflusses – extremer Teillastbetrieb, Gefahr der Pum-penüberhitzung,

Überschreiten des Nenndurchflusses – Über-last,

Abweichung Arbeitspunkt von der Förder-kennlinie, d.h. Förderhöhenverlust – auf Gasmitförderung oder Kavitation oder Blo-ckade,

Abweichung des Arbeitspunktes von der Leistungskennlinie,

Abweichung des Arbeitspunktes von der Wirkungsgradkennlinie,

Annäherung des NPSHa-Wertes an die NPSHr-Kennlinie – Frühwarnung bzgl. Kavi-tation.

Verschiedene Ergebnisse der Berechnungen im PumpMonitor sind für verschiedene Zielgruppen, die in einer verfahrenstechnischen Anlage tätig sind, relevant, und unterscheiden sich bezüglich der angemessenen Reaktion und der Dringlich-keit.

Diagnosen wie akute Blockade oder Trockenlauf müssen unmittelbar dem Anlagenfahrer als Alarm gemeldet werden, da solche Betriebszu-stände in kurzer Zeit zu einer Schädigung der Pumpe führen können. Ein automatischer Not-halt der Pumpe wird typischerweise nicht über den PumpMonitor eingeleitet, sondern über die binäre Verriegelungslogik z.B. bei geschlossenen Ventilen. Prinzipiell könnte man durch Auswer-tung der Binärausgänge des PumpMonitor auch die Verriegelungslogik ergänzen.

Andere Betriebszustände wie z.B. Kavitation führen erst nach einiger Zeit zu Beschädigungen der Pumpe – jedoch muss in der Regel auch hier noch relativ schnell reagiert werden. In diesem Fall muss Diagnoseinformation sowohl dem Anlagenfahrer als auch dem Instandhalter ge-meldet werden.

Meldungen wie z.B. „der Wirkungsgrad liegt um mehr als 10% unter der erwarteten Kennlinie“ erfordern keine unmittelbare Reaktion, sondern sind ein Hinweis auf Optimierungspotential bzw. können für die prädiktive Wartungsplanung genutzt werden.



Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, die In-formationen aus dem PumpMonitor entspre-chend zielgruppenorientiert auszuwerten.

Die Anforderung einer Instandhaltungsmaßnah-me mit Hilfe einer Instandhaltungsmeldung wird nicht im PumpMon-Baustein selber, sondern im zugeordneten AssetM-Baustein [6.] durchge-führt, sh. Kapitel 1.4.

2.3 Sensorik Relevante Prozess-Messwerte für die Überwa-chung von Kreiselpumpen:

Elektrische Wirkleistung des Motors

Durchfluss des Fördermediums

Eingangsdruck (Saugdruck) der Pumpe Aus-gangsdruck (Förderdruck) der Pumpe

Bei Kavitationsüberwachung zusätzlich:

Temperatur des Fördermediums

Bei drehzahlgeregelten Pumpen zusätzlich:

Drehzahl der Pumpe

Diese Signale müssen verschaltet oder im Falle konstanter Werte (Luftdruck, oft auch Druck Saugseite oder Temperatur Medium) parame-triert werden. Falls der Umrichter die Wellenleis-tung des Motors direkt liefert wird diese eben-falls auf den PumpMon verschaltet.

2.4 Nutzen Die Diagnose-Logik des PumpMon kann folgende nicht-bestimmungsgemäßen Betriebszustände erkennen:

Blockade

Trockenlauf

Förderhöhenabfall z.B. durch Gasmitförde-rung

Spaltverschleiß

Überlast

Durch eine rechtzeitige Warnung des Anlagen-fahrers können Überhitzung, Verschleiß und Beschädigungen der Pumpen durch solche Be-triebszustände vermieden werden.

Insbesondere kann durch die Überwachung von Saugdruck und Siedetemperatur des Mediums die Gefahr von Kavitation frühzeitig erkannt werden, bereits bevor sie tatsächlich ein akus-tisch hörbares und stark verschleißförderndes Ausmaß erreicht hat.

Bild 2-4: Kavitationsschäden am Läufer einer Kreiselpumpe

Unter Kavitation versteht man das Entstehen und anschließende schlagartige Vergehen von Dampfblasen in der Strömung einer Flüssigkeit. Beim Betrieb von Kreiselpumpen können solche Dampfblasen durch (lokal) überhöhte Strö-mungsgeschwindigkeiten entstehen: Je höher die Geschwindigkeit, desto geringer ist der Druck in der Flüssigkeit. Fällt der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, dann bilden sich Dampfblasen. Steigt der Druck in Strömungsrich-tung wieder an, kollabieren die Blasen: Das Gas in der Blase kondensiert schlagartig. Bei dieser Implosion der Blase kommt es zu so genannten „jet-impacts“. Es entstehen enorme Druck- und Temperaturspitzen, die meist um ein Vielfaches über den Belastungsgrenzen des Materials der Pumpenschaufel oder -wandung liegen. Die Oberfläche der Schaufel oder Wandung wird permanent geschädigt und schließlich zerstört. Darüber hinaus reduziert bereits ein geringes Maß an Kavitation den Wirkungsgrad (die För-derhöhe) der Pumpe. Durch Vollkavitation kann es sogar zum vollständigen Zusammenbruch der Förderung kommen.

PumpMon kann zudem für die Optimierung der Pumpenauslegung durch statistische Auswer-tung der Betriebsdaten (Erfassung des Lastkol-lektivs) eingesetzt werden und stellt gleichzeitig eine Lösung für das Aufspüren von Energieein-sparungsmöglichkeiten dar.



Ventile gehören zu den meist verbreiteten Stell-gliedern in verfahrenstechnischen Anlagen. Der Zustand der Ventile hat maßgeblichen Einfluss auf die Verfügbarkeit und Sicherheit der kom-pletten Anlage. Ventile sind von verschiedenen Verschleißerscheinungen wie z. B. Abrasion, Kavitation, Korrosion von Ventilkegel und/ oder -sitz bzw. Anbackungen an Ventilkegel und/oder -sitz betroffen.

Der PCS 7 Funktionsbaustein ValveMon bietet eine kostengünstige Lösung für die Überwa-chung und Analyse von Stellventilen (Stetigventi-len). Die Überwachung beruht auf der intelligen-ten Auswertung von Sensor-Signalen, die bereits im Leitsystem vorhanden sind. Der ValveMon ergänzt die Eigendiagnose eines elektropneu-matischen Stellungsreglers wie z.B. Sipart PS, oder ersetzt diese ganz, falls der Stellungsregler keine Eigendiagnose aufweist, oder seine Eigen-diagnose nicht ins Prozessleitsystem integriert ist.

3.1 Anwendungsbereich Der ValveMon-Baustein ist einsetzbar für jedes Stetigventil, das kontinuierlich verstellt werden kann. Reine Schaltventile (auf/zu) sind nicht Gegenstand der Betrachtung. Kann das Ventil keine aktuellen Ventilpositionen zurückliefern (keine Stellungsrückmeldung), werden nur die grundlegenden Zustandsüberwachungen durch-geführt (Überwachung der Betriebsstunden, Stillstandszeit, usw.). Stellventile mit Rückmel-dung der Ventilpositionen erlauben eine Über-prüfung auf Ventilbewegungsfehler (Verschleiß, Festbackungen, usw.). Liegen zusätzliche Pro-zesswerte vor, die häufig im Umfeld von Ventilen gemessen werden, kann eine erweiterte Ventil-diagnose durchgeführt werden (Überwachung der Ventilkennlinie, des Versorgungsdrucks, usw.).

Typische Anwendungsbeispiele

Stellventile, die überdurchschnittlich häufig Fehlfunktionen und Verschleißer-scheinungen aufweisen.

Kavitationsgefährdete Stellventile.

Stellventile, in denen sich chemische Abla-gerungen bilden.

Stellventile, die eine unerklärliche Abwei-chung bzgl. Ihrer ursprünglichen Durchfluss- und Reaktionszeitkennlinie aufweisen.

3.2 Funktionsumfang

3.2.1 Kennliniendarstellungen

Bild 3-1: ValveMon-Bildbaustein, Durchflusskenn-linie bei Anbackungen am Ventilkörper

Durchfluss-Kennlinie in Abhängigkeit von der Ventilstellung, wobei der Durchfluss umgerechnet wird auf Norm-Druckdifferenz. Die Soll-Kennlinie wird konstant parame-triert, während die Ist-Kennlinie im laufen-den Betrieb aus Messdaten erlernt und stän-dig adaptiert wird.

Reaktionszeit-Kennlinie: Soll- und Ist-Ventilreaktionszeit in Abhängigkeit von der Sprunghöhe der Ventilstellung für positive Sollwertsprünge.

Histogramm (Häufigkeitsverteilung) der Ventilstellungen: statistische Auswertung der Betriebszustände des Stellventils bzgl. Ventilpositionen.

3 Überwachung von Stetigventilen mit ValveMon



3.2.2 Diagnosefunktionen

Der Baustein bietet folgende grundlegende Di-agnosefunktionen zur Warnung des Betriebper-sonals bei ungünstigen Betriebszuständen bzw. Erreichen von Verschleißgrenzen.

Überwachung der max. zulässigen Betriebs-stunden im Dauer-Stillstand ganz ohne Ven-tilbewegung Festbackungen, Verkrustun-gen.

Überwachung der max. zulässigen Betriebs-stunden im Dauerbetrieb ohne Ventilstill-stand Überlastung.

Überwachung der max. zulässigen Ventil-hubanzahl Wartung.

Überwachung der max. zulässigen Rich-tungsänderungen Wartung.

Der Baustein erkennt mit den folgenden Diagno-severfahren eine fehlerhafte Ventilbewegung. Dabei wird der vom Stellungsregler vorgegebene Sollwert mit der realen Rückmeldung des Ventils verglichen:

Erkennung von Ventilbewegungen ohne Stellanforderung Druckluft-Leckage.

Verschiebung der oberen und unteren End-lage Beschädigung des Ventilkegels, Null-punktverschiebung.

Feststellung einer bleibenden Regelabwei-chung nach Abschluss der Ventilbewegung

Hinweis auf Probleme am Antrieb, an der Versorgungsspannung.

Überwachung der Ventil-Reaktionszeit an Hand einer Soll-Reaktionszeitkennlinie bei jeder Ventilbewegung Schwergängigkeit, Beschädigung des Ventilantriebes.

Überwachung der Zeitspanne (Totzeit), die ein Stellventil benötigt, um sich aus einem parametrierbaren Toleranzband (Totzone) heraus zu bewegen Festbackungen, Schwergängigkeit.

Der Baustein kann bei Vorhandensein zusätzli-cher Sensoren, die häufig im Umfeld von Venti-len bereits eingebaut sind, folgende erweiterte Diagnosefunktionen durchführen:

Arbeitspunktüberwachung des Durchfluss-wertes an Hand einer Soll-Durchflusskennlinie in Abhängigkeit von der Ventilstellung Hinweis auf Veränderung des Ventilquerschnittes durch Anbackungen oder Abrasion.

Vergleich der automatisch erfassten Ist-Durchflusskennlinie mit der Soll- Durchfluss-

kennlinie für langfristige Drifterkennung mechanische Beschädigung am Ventilkegel, Anbackungen, Abrasion.

Überwachung des Versorgungsdrucks Leckage in der Druckluftversorgung

3.3 Sensorik Der Baustein benötigt für Stellventile mit Rück-meldung der Ventilposition folgende Prozesswer-te:

Durchfluss

Druck vor und nach dem Ventil

Druck nach dem Ventil

Ventil-Soll- und Ist-Stellung

3.4 Nutzen Mit dem ValveMon ist eine zustandsorientierte Überwachung von Stellventilen anhand ver-schiedener Prozesswerte möglich. So können Ventilfehlfunktionen und sich anbahnende Ven-tilausfälle frühzeitig detektiert werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Wartungsplanung und erhöht die Verfügbarkeit der kompletten Anlage.

Die Funktion ValveMon dient

zur Warnung vor Ventilschädigungen bei ungünstigen Betriebszuständen oder Errei-chen von Verschleißgrenzen: Dauerbetrieb ohne Ventilstillstand, Dauerstillstand, Über-schreiten der max. Hubanzahl etc.

zur Früherkennung von sich anbahnenden Ventilschäden: An- oder Festbackungen, Ab-rasion, Verschleiß.

zur langfristigen Optimierung der Ventildi-mensionierung durch statistische Auswer-tung der Betriebsdaten.



Wärmetauscher sind technische Apparate, in denen wärmere Stoffe einen Teil ihrer Wärme abgeben, die von kälteren Stoffen aufgenommen wird. Ein Produkt soll mit Hilfe eines Serviceme-diums (z.B. Kühlwasser, Heizdampf) gekühlt oder beheizt werden. Wärmetauscher verbrauchen erhebliche Mengen an Energie und müssen im-mer wieder gewartet bzw. gereinigt werden. Das Hauptproblem ist hier das sogenannte Fouling, also Rückstände des Prozessmediums, die sich auf den Übertragungsflächen als Belag ablagern und dadurch den Wirkungsgrad verschlechtern z.B. Sedimentbildung, Korrosion, Reaktionsfou-ling, Biofouling.

Der PCS 7 Funktionsbaustein HeatXchMon bietet eine kostengünstige Lösung für die Überwa-chung und Analyse von Wärmetauschern. Die Überwachung beruht auf der intelligenten Aus-wertung von Messwerten und dem Vergleich mit Kennfeldern des Wärmetauschers. Diese Kenn-felder werden vorab per Simulation des sauberen und verschmutzten Zustands des Wärmetau-schers aus den Kenndaten des Wärmetauschers ermittelt. Dies geschieht im Rahmen eines Dienstleistungspakets durch die Siemens-Dienstelle I IA AS PA EC, Frankfurt.

4.1 Anwendungsbereich Das bevorzugte Einsatzgebiet des HeatXchMon-Bausteins sind flüssig-flüssig Rohrbündel-Wärmetauscher mit Ein-Pass-Stromführung in den Varianten Gleichstrom, Gegenstrom, Quer-strom oder Stromteilung. Platten-Wärmetauscher und andere Multi-Pass-Wärmetauscher können überwacht werden, wenn für den konkreten Typ ein hinreichend genaues Simulationsprogramm zur Verfügung steht. Auch reine Gas-Ströme als Produkt- oder Servicemedium sind gut zu be-rechnen. Wärmetauscher mit Wechsel des Ag-gregatszustandes (Verdampfer, Kondensatoren) können nur mit Hilfe von applikationsspezifisch modifizierten Varianten des HeatXchMon-Bausteins überwacht werden.

Typische Anwendungsbeispiele

Wärmetauscher, die besonders stark zu Kor-rosion oder Sedimentbildung neigen.

Wärmetauscher, die durch Mikroorganismen verschmutzt werden (Biofouling).

Wärmetauscher, in denen sich Ablagerungen aufgrund chemischer Reaktion oder Reakti-onsprodukte bilden (Reaktionsfouling).

Wärmetauscher mit schlechtem oder stark schwankendem Wirkungsgrad.

4.2 Funktionsumfang

4.2.1 Berechnung von Performance-Kennzahlen

Berechnung der Wärmeströme Q für den

aktuellen ("act"), den sauberen ("clean") und maximal verschmutzten ("dirty") Zustand aus Kennfeldern. "Maximal verschmutzt" be-zeichnet den Zustand des Wärmetauschers, bei dem eine Reinigung umgehend erforder-lich ist.

Berechnung des Performance-Kennwertes HeatPerf für die Wärmeübertragung als Maß für das Fouling:

%100dirtyclean

dirtyact

QQQQ

HeatPerf

Der Kennwert für den Wärmetauscher wird anhand der o.g. Wärmeströme berechnet und kann als Abnutzungsvorrat interpretiert werden. Er ist so definiert, dass er im sau-beren Zustand den Wert 100% und im ma-ximal verschmutzten den Wert 0% annimmt.

Berechnung der Energieverluste pro Tag bezogen auf den Referenz-Wärmestrom im sauberen Zustand Energieverschwen-dung.

Überwachung der finanziellen Verluste pro Tag, verursacht durch den Energieverlust.

4 Überwachung von Wärmetauschern mit HeatXchMon



4.2.2 Kennliniendarstellungen

Bild 4-1: HeatXchMon-Bildbaustein im nahezu sauberen Zustand des Wärmetauschers, d.h. der aktuelle Wärmestrom (grüner Punkt) liegt nahe an der idealen Kennlinie (blau)

Darstellung des Referenz-Wärmestroms (Wärmestrom im sauberen Zustand) in Ab-hängigkeit vom Massenstrom des Ser-vicemediums als zweidimensionaler Schnitt durch das fünfdimensionale Kennfeld, Dar-stellung des aktuellen Wärmestroms im Ar-beitspunkt und des Wärmestroms im maxi-mal verschmutzten Zustand.

4.3 Sensorik Für die Überwachung des Wärmetauschers sind folgende Prozesswerte erforderlich, entweder als Messwerte oder als konstante Parameter:

Durchfluss des Servicemediums

Eintritts- und Austrittstemperatur des Ser-vicemediums

Durchfluss des Produktmediums

Eintritts- und Austrittstemperatur des Pro-duktmediums

Mit Hilfe von SteadyState-Funktionsbausteinen werden alle Messwerte Tiefpass-gefiltert und auf stationäre Zustände überwacht, da die im He-atXchMon hinterlegten Kennfelder nur stationä-re Zustände beschreiben.

4.4 Nutzen Der HeatXchMon ermöglicht eine zustandsorien-tierte Instandhaltung von Wärmetauschern in Abhängigkeit des Foulings. Sowohl der Abnut-zungsvorrat, als auch der thermische Wirkungs-grad, d.h. der Energieverlust und die damit ein-hergehenden finanziellen Verluste durch ver-schlechterten Wärmeübergang können bei der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen be-rücksichtigt werden.

Bild 4-2: Fouling an einem Wärmetauscher

Bild 4-3: Überwachung eines Wärmetauschers in Simatic PCS 7



In vielen verfahrenstechnischen Komponenten besteht die Gefahr, dass sich im laufenden Anla-genbetrieb Ablagerungen oder Anbackungen bilden, die den Strömungswiderstand und damit den Druckverlust erhöhen. Dies kann zu erhöh-tem Energieverbrauch oder reduziertem Durch-satz, aber auch zu Störungen des Anlagen-betriebs bis hin zum Anlagenstillstand führen.

5.1 Anwendungsbereich Der PCS 7 Funktionsbaustein PressDropMon [11.] erkennt solche Beeinträchtigungen und dient

zur Überwachung von Druckverlusten an beliebigen Anlagenkomponenten

zur Früherkennung von sich anbahnenden Verstopfungen

Der Baustein kann für beliebige durchströmte Anlagenkomponenten verwendet werden, an denen ein durchfluss-abhängiger Druckabfall auftritt. Typische Beispiele:

Filter

Abscheider

Wärmetauscher

lange Rohrleitungen, Pipelines usw.

5.2 Funktionsumfang 5.2.1 Kennlinien-Darstellung

Anzeige des Druckabfalls in Abhängigkeit vom Durchfluss und (falls relevant) von der Viskosität (ersatzweise Temperatur) als Soll-Druckabfall-Kennlinie.

Darstellung des aktuellen Arbeitspunktes.

Berechnung der absoluten und relativen Abweichung des Arbeitspunktes von der Sollkennlinie: DevPres und RelDev.

Bild 5-1: Differenzdruckkennlinie, grün: aktueller Arbeitspunkt

5.2.2 Berechnung von Kennwerten

Um die Verschleißreserve WearReserve zu be-rechnen wird vom Anwender eine "kritische" relative Abweichung CriticDev von der Sollkenn-linie spezifiziert, bei deren Erreichen die Funkti-onsfähigkeit der Anlagenkomponente gefährdet und eine sofortige Instandhaltungsmaßnahme erforderlich ist.

Die Verschleißreserve wird dann folgenderma-ßen aus den Abweichungen von der Sollkennli-nie bestimmt:

WearReserve = 1 – (RelDev / CriticDev).

5.2.3 Teach-Funktion

Die Teach-Funktion ermöglicht das punktweise Einlernen der Soll-Kennlinie per Knopfdruck. Der aktuelle Arbeitpunkt wird dadurch zu einem Punkt der Soll–Kennlinie. So entsteht im Laufe der Zeit eine Kennfläche des Druckabfalls in Abhängigkeit des Durchflusses und der Viskosi-tät.

Die Kennlinie kann für bis zu fünf verschiedene Viskositätsbereiche parametriert werden, d.h. es handelt sich um eine Kennlinienschar mit der Viskosität als Scharparameter.

5 Überwachung des Druckverlusts von Anlagenkom-ponenten mit PressDropMon



5.3 Sensorik Die Anwendung des PressDropMon setzt voraus, dass neben dem Durchfluss der Druck vor und nach der betrachteten Anlagenkomponente gemessen wird. Falls die Viskosität des Mediums sich im laufenden Betrieb spürbar ändert, muss ein für die Viskosität repräsentativer Messwert bereitgestellt werden, typischerweise die Tempe-ratur.

5.4 Nutzen Um Ablagerung oder drohende Verstopfung im Inneren der Anlagenkomponente zu diagnosti-zieren wird die Soll-Differenzdruckkennlinie mit dem momentanen Arbeitspunkt verglichen. Liegt die Abweichung des Arbeitspunkts von der Soll-kurve innerhalb der parametrierten Toleranzen leuchtet der Arbeitspunkt grün. Ansonsten wird eine zu große Abweichung durch ein Umschalten der Punktfarbe auf rot visualisiert. Abweichungen von der Soll-Kennlinie lassen sich mit einer Veränderung des Strömungswider-stands bzw. des für die Strömung zur Verfügung stehenden Querschnitts erklären. Mechanische Beschädigungen oder Anbackungen im Inneren der überwachten Komponente führen zu einer Veränderung des Querschnitts der Rohröffnung. Daraus folgt ein veränderter Durchfluss bei kon-stanter Druckdifferenz, oder eine veränderte Druckdifferenz bei konstantem Durchfluss (je nachdem ob der Druck oder der Durchfluss durch eine Regelung konstant gehalten wird). Befindet sich der Arbeitspunkt über der Kennlinie, d.h. ist der Druckverlust zu hoch liegt wahrscheinlich ein Anbacken von Material oder eine Verstop-fung vor, oder ggf. Leckage innerhalb der Kom-ponente. (Bemerkung: evtl. Leckagen zwischen dem Durchfluss-Sensor und der Komponente selbst verfälschen den Durchfluss-Messwert und damit die Überwachung.) Liegt der tatsächliche Arbeitspunkt jedoch (ausnahmsweise) unter der Kennlinie, ist vielleicht Abrasion oder bei Filtern ein Verlust an Filtermaterial die Ursache, oder aber es liegt ein Messfehler an einem der drei Prozess-Messwerte vor.

Warnungen und Alarme für den Anlagenfahrer können anhand von binären Ausgangssignalen des PressDropMon erzeugt werden, und zwar mit Hilfe separater DIG_MON-Bausteine.

Die Anforderung einer Instandhaltungsmaßnah-me mit Hilfe einer Instandhaltungsmeldung wird nicht im Baustein PressDropMon selbst, sondern im zugeordneten AssetM-Baustein durchgeführt.



Der PCS 7 Funktionsbaustein CompMon [10.] bietet eine kostengünstige Lösung für die Über-wachung von Turbo-Kompressoren. Die Überwa-chung beruht auf der intelligenten Auswertung von Messwerten (Drücke, Temperaturen, Durch-fluss etc.), die bereits im Leitsystem vorhanden sind, im Gegensatz oder in Ergänzung zu einer Schwingungsüberwachung mit Hilfe zusätzlicher Sensoren.

6.1 Anwendungsbereich Es werden nur kontinuierlich betriebene, rotato-rische Strömungsmaschinen, d.h. Turbokompres-soren betrachtet. Diese werden in verfahrens-technischen Anlagen häufig zur Förderung oder Komprimierung von Prozessgasen eingesetzt. Zur Druckluft-Erzeugung (http://de.wikipedia.org/wiki/Druckluft) für pneumatische Ventilantriebe etc. werden dage-gen meist Schraubenkompressoren oder Kolben-kompressoren eingesetzt. Diese gehören zur Klasse der Verdrängerkompressoren und Ver-drängerkompressoren sind generell nicht Gegen-stand der Betrachtung für den CompMon.

Eine umfassende Überwachung von Kompresso-ren mit hoher Diagnosetiefe kann nur vom Her-steller des Kompressors selbst entwickelt wer-den. Diese wird beispielsweise vom Siemens Sektor Energy als „Compressor Awareness Sys-tem“ (CAS) angeboten, im Rahmen eines Ser-vice-Geschäfts für die von Siemens selbst kon-struierten und verkauften Kompressoren. Bei diesen Kompressoren handelt es sich um kost-spielige Einzelstücke, die für spezielle Anforde-rungen konstruiert und in Einzelfertigung herge-stellt werden.

Eine einfache Performance-Überwachung auf Basis von Kennfeldern ist jedoch im Rahmen des Plant Asset Managements für PCS 7 realisierbar und für viele Kunden attraktiv. Im Fokus stehen kleinere Kompressoren (100kW-2MW) in den Branchen Chemie sowie Öl&Gas, nicht die gro-ßen Kompressoren, die ohnehin ein spezielles Condition-Monitoring System mitbringen.

Instabilitäten im Verdichterbetrieb („Pumpen“, engl. „Surge“) sind unbedingt zu vermeiden, da die dabei auftretenden Druckstöße zur Schädi-gung oder sogar Zerstörung des Kompressors führen können. Ein „Pumpen“ tritt dann auf, wenn der Verdichter nicht genug Druck erzeugt, um den abströmseitigen Widerstand zu über-winden. Das bedeutet, dass der Verdichter einen

geringeren Druck erzeugt als im abströmseitigen System herrscht. Dies kann zu einer vorüberge-henden Durchflussumkehr im Verdichter führen. Eine funktionsfähige Anti-Pump-Regelung und ein Sicherheitssystem für den Pump-Schutz wer-den für die Anwendung von CompMon voraus-gesetzt.

Typische Anwendungsbeispiele: Kompressoren, die besonders stark zu Insta-

bilitäten im Verdichterbetrieb (z.B. „Pum-pen“) neigen.

Kompressoren, in denen sich Ablagerungen aufgrund chemischer Reaktion oder Reakti-onsprodukte bilden (Reaktionsfouling).

Kompressoren mit schlechtem oder stark schwankendem Wirkungsgrad.

6.2 Funktionsumfang 6.2.1 Berechnung von Performance-

Kennwerten

Der Funktionsbaustein CompMon berechnet folgende aerodynamischen Performance-Kenngrößen: Spezifische isentrope und polytrope Förder-

arbeit, Isentroper und polytroper Wirkungsgrad.

6.2.2 Kennfeld-Darstellungen

Der CompMon-Bildbaustein stellt vier verschie-dene Kennfelder grafisch dar. Die ersten beiden sind in erster Nährung unabhängig von Druck und Temperatur auf der Eingangs-Seite und werden anhand von Unterlagen des Kompressor-Lieferanten parametriert. Polytrope Förderarbeit („polytropic head“)

über Durchfluss, mit eingezeichneter Pump-grenze. Die Kennlinien beginnen links an der Pumpgrenze. Das rechte Ende jeder Kennli-nie stellt die Sauggrenze dar.

Polytroper Wirkungsgrad über Durchfluss.

6 Überwachung von Kompressoren mit CompMon



Bild 6-1: Kennlinie polytrope Förderarbeit

Bild 6-2: Kennlinie polytroper Wirkungsgrad Die anderen beiden Kennfelder werden durch thermodynamische Berechnungen von den ers-ten beiden abgeleitet, so dass hierfür keine Quelldaten hinterlegt werden müssen. Lastseitiger Druck (Discharge Pressure) über

Massenstrom. Hydraulische Leistung über Massenstrom. In

Relation zu dieser Kennlinie wird die me-chanische Wellenleistung angezeigt. Die Leistungs-Obergrenze des Antriebs wird als horizontale Linie eingeblendet.

Bild 6-3: Kennlinie Ausgangsdruck

Bild 6-4: Kennlinie mechanische Wellenleistung

Alle Kennlinien hängen von einem Scharparame-ter, nämlich der Stellgröße des Druckreglers ab, d.h. je nach Kompressor von Drehzahl oder IGV (Inlet Guide Vane). IGV steht für Eintrittsleitschaufelregelung. Die Förderhöhen von Strömungsverdichtern sind abhängig von der Zunahme des Dralls des Gases im Verdichter. Die Förderhöhe lässt sich durch saugseitige Leitschaufeln derart verstellen, dass die Leitschaufeln dem eintretenden Gasstrom einen Drall in oder entgegen der Drehrichtung des Laufrades vermitteln und die Umfangsge-schwindigkeit des eintretenden Gasstroms damit erhöhen (Gleichdrall, reduziert Förderhöhe) bzw. erniedrigen (Gegendrall). Drei Kennlinien der Kennlinienschar werden als Quelldaten hinterlegt, nämlich die Kennlinien für maximale Drehzahl (typisch 105%), für minimale Drehzahl (typisch 70%) und für die Auslegungs-drehzahl (typisch 100%). Die Kennlinie für die



aktuelle Drehzahl wird daraus durch Interpolati-on berechnet.

6.2.3 Alarmierung

Meldungen können ausgelöst werden durch Abweichungen des aktuellen Arbeitspunktes von den vier hinterlegten Kennfeldern für den idea-len Zustand. Überschreitungen der zulässigen Abweichungen werden über den CompMon-Baustein gemeldet und zusätzlich auch anhand von Bausteinausgängen einer Weiterverarbei-tung zur Verfügung gestellt.

6.3 Sensorik Relevante Prozess-Messwerte für die Überwa-chung von Kompressoren: Eingangsdruck (Druck vor dem Kompressor) Ausgangsdruck (Druck nach dem Kompres-

sor) Durchfluss vor dem Kompressor Eingangstemperatur (Temperatur vor dem

Kompressor) Ausgangstemperatur (Temperatur nach dem

Kompressor) Stellung des Bypass-Ventils (Sollwert und

Stellungsrückmeldung) Mechanische Wellenleistung des Kompres-

sor-Antriebs Drehzahl oder IGV-Stellung

Bei mehrstufigen Verdichtern wird jede „Stufen-gruppe“ separat betrachtet, was eine Umrech-nung der Volumenströme und ausreichende Instrumentierung auch zwischen den Stufen-gruppen erfordert. Bei mehrstufigen Verdichtern für die Drucklufterzeugung verfahrenstechni-scher Anlagen ist diese oft nicht vorhanden, so dass der CompMon-Baustein für solche Anwen-dung nicht geeignet ist.

6.4 Nutzen Der Kompressor gehört häufig zu den besonders kritischen und kostenintensiven Komponenten einer Anlage. Der Schutz des Kompressors vor Schäden durch „Pumpen“ durch Überwachung des aktuellen Arbeitspunktes im Kennfeld, die Erfassung von langsamer Verschmutzung oder sich plötzlich bzw. langsam entwickelnder Be-schädigungen an den Schaufeln kann mit dem CompMon verbessert werden und dadurch auch die Verfügbarkeit der kompletten Anlage. Er-kennbare Schädigungen am Kompressor können auch durch Anlagerung von Schmutzpartikeln am Laufrad oder Erosion der Schaufeln durch Flüssigkeitsschlag entstehen. Die langfristige Optimierung der Kompressordi-mensionierung wird durch statistische Auswer-tung der Betriebsdaten unterstützt. Hierzu wird

die Häufigkeitsverteilung des Betriebes in ver-schiedenen Lastbereichen ermittelt.



7.1 Anwendungsbereich Mit Hilfe des PCS 7 Bausteins TrendMon können die von XxxMon oder anderen Asset-Management-Bausteinen berechneten Ver-schleißreserven so aufbereiten werden, dass der zeitliche Verlauf in die Zukunft extrapoliert wird. So lässt sich die Restlaufzeit der überwachten Komponente abschätzen. Um einen Anlagenstill-stand zu vermeiden, muss die betroffene Kom-ponente innerhalb dieser Restlaufzeit gewartet, gereinigt oder ausgetauscht werden.

Typische Anwendungsbeispiele für den Trend-Mon sind alle Anlagenkomponenten, die bereits auf Verschleiß überwacht werden, und für die eine Aussage über die verbleibende Restlebens-dauer für den Betreiber der Anlage wichtig ist:

Überwachung von Strömungswiderständen mit PressDropMon-Baustein: die Ausgangs-variable WearReserve (Verschleißreserve) wird abgeleitet von der Abweichung des ak-tuellen Arbeitspunktes von der Sollkennlinie und kann auf den TrendMon-Baustein ver-schaltet werden.

Überwachung von Wärmetauschern mit dem HeatXchMon-Baustein: die Ausgangsvariab-le HeatPerformance (0...100%) beschreibt die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf den Wärmetransport und kann durch 100 divi-diert als Verschleißreserve interpretiert und auf den TrendMon-Baustein verschaltet wer-den. Bei HeatPerformance=0 ist der Wärme-tauscher so stark verschmutzt, dass eine Reinigung zwingend erforderlich ist.

Überwachung von Ventilen mit dem Valve-Mon-Baustein: die Ausgangsvariablen Strokes bzw. SID beschreiben die Anzahl der Ventilhübe bzw. Richtungswechsel. Wenn vom Ventilhersteller beispielsweise eine ma-ximale Lebensdauer MaxStrokes in Ventil-hüben angegeben wird, dann können Sie die Verschleißreserve folgendermaßen berech-nen:

WearReserve= 1 - Strokes/MaxStrokes

Aus der Abweichung des aktuellen Arbeits-punktes von der erwarteten Durchflusskenn-linie kann applikationsspezifisch ebenfalls eine Verschleißreserve abgeleitet werden, falls bekannt ist, bei welcher Abweichung

eine Reinigungsmaßnahme zwingend erfor-derlich ist.

Überwachung von Kreiselpumpen mit dem PumpMon-Baustein: die Ausgangsvariable DevDelHi beschreibt die relative Abwei-chung von der Förderkennlinie und gibt da-mit einen Hinweis auf möglichen Verschleiß. Je nach Applikation kann individuell ent-schieden werden, bei welchem Förderhö-henverlust eine Wartungsmaßnahme erfor-derlich ist, und eine Verschleißreserve für den TrendMon-Baustein mit elementaren Arithmetik-Bausteinen im CFC entsprechend berechnet werden.

Überwachung von Kompressoren mit dem CompMon-Baustein: Je nach Art des geför-derten Mediums kann es zu Verschmutzun-gen, Anbackungen oder Abrasion kommen, die die hydrauliche Leistung beinträchtigen. Je nach Applikation kann individuell ent-schieden werden, bei welcher Abweichung der hydraulichen Leistung eine Wartungs-maßnahme erforderlich ist, und eine Ver-schleißreserve für den TrendMon-Baustein im CFC entsprechend berechnet werden.

7.2 Funktionsumfang Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Ein-gangsgröße Verschleißreserve in der Vergangen-heit und lineare Extrapolation des Verlaufs in die Zukunft.

7 Extrapolation zeitlicher Trends und Abschätzung der Restlebensdauer mit TrendMon



Bild 7-1: Extrapolation der Verschleißreserve von der Vergangenheit in die Zukunft

7.3 Nutzen Der Schätzwert für die verbleibende „Restlauf-zeit“ wird mit einer „minimal erforderlichen Rest-laufzeit“ ins Verhältnis gesetzt; dies ergibt die sogenannte „Kritikalität“:

Criticality = RestTimeMin / RestTimeEstim

Bei einer Unterschreitung der „minimalen Rest-laufzeit“ wird die Kritikalität größer als 1, und es wird ein entsprechender Binärausgang Rest-TimeUnderrun am TrendMon gesetzt. Diese Kriti-kalität kann wiederum verwendet werden, um durch Kombination mit einem AssetM-Baustein eine Instandhaltungs-Anforderung (Wartungsa-larm) auszulösen.

Bild 7-2: Symbole für den Status von Assets in der PCS 7 Maintenance Station

Dazu wird die Kritikalität des Asset-Zustands auf einen Analog-Überwachungseingang des As-setM-Bausteins verschaltet. Die Maintenance-Alarm-Grenzen werden dann beispielsweise auf

0.7 für den Maintenance Request (grüner Schraubenschlüssel),

0.9 für den Maintenance Demand (gelber Schraubenschlüssel),

1 für den Maintenance Alarm (roter Schrau-benschlüssel)

gesetzt.



Bild 8-1: KPIs zur Überwachung einer Destillationskolonne, v.l.n.r relativer Energieverbrauch, Druckverlust, Rücklaufverhältnis, Durchsatz und Produktqualität Bestimmte verfahrenstechnische Grundoperati-onen werden typischerweise in bestimmten Typen verfahrenstechnischer Apparate durchge-führt, wie beispielsweise Rührkesselreaktoren oder Destillationskolonnen.

Im Rahmen vorgefertigter Musterlösungen ("So-lution Templates") für die Automatisierung sol-cher Units können auch Asset-Management-Funktionen integriert werden. Dazu gehören sowohl Instanzen der universellen Asset-Management Funktionen:

Überwachung der in der Unit vorhandenen Pumpen, Ventile und Wärmetauscher mit XxxMon-Funktionsbausteinen.

Überwachung aller Regelkreise mit ConPer-Mon-Bausteinen (Control Performance Mo-nitoring, [5.])

als auch spezielle Funktionen zur Berechnung von Performance-Kennzahlen (Key Performance Indicators, KPIs) für die betreffende Unit.

8.1 Rührkesselreaktoren In Reaktoren werden aus Einsatzstoffen (Eduk-ten) durch Reaktionen das oder die Produkte hergestellt. In einem Reaktor können eine oder

auch mehrere Phasen (gas, flüssig, fest) vorlie-gen und unterschiedliche Reaktionsmechanis-men ablaufen. Folgende Kennzahlen sind gene-rell für alle Reaktoren relevant [4.]:

Die Produktqualität mit Spezifikationen wie Reinheit (z. B. Mindestkonzentration einer oder mehrerer Produktkomponenten, oder Maximalkonzentration von einer oder meh-reren Verunreinigungen / Nebenkomponen-ten) oder anderen Produkteigenschaften (z. B. Molmassenverteilung, Viskosität, Schmelzindex, Farbe, Geruch).

Der Umsatz ist die im Batch-Betrieb wäh-rend der Reaktionszeit umgesetzte Menge des die Reaktion stöchiometrisch begren-zenden Eduktes im Verhältnis zu der zum Zeitpunkt t = 0 eingesetzten Menge dieses Eduktes oder im Konti-Betrieb die zwischen Ein-/Austritt umgesetzte Menge zu der ein-tretenden Menge des Eduktes.

Die Ausbeute ist das Verhältnis der gebilde-ten Molmenge eines Produktes zu der einge-setzten Molmenge des die Reaktion stöchi-ometrisch begrenzenden Eduktes.

Die Selektivität ist das Verhältnis der gebil-deten Molmenge eines Produktes zu der

8 Überwachung typischer verfahrenstechnischer Units



umgesetzten Molmenge des die Reaktion stöchiometrisch begrenzenden Eduktes.

Spezifischer Energieverbrauch: Reaktionen verbrauchen oder erzeugen Wärme. Die spe-zifische Reaktionswärme ist theoretisch be-kannt und kann mit der in der Produktion freiwerdenden bzw. verbrauchten Wärme-menge anhand einer Wärmebilanz vergli-chen werden.

Spezifischer Katalysatorverbrauch: Ver-hältnis des Massenstroms an Katalysator be-zogen auf den Produktmassestrom.

Raum-Zeit-Ausbeute oder Reaktorkapazität: Produktionsleistung (Produktmassenstrom) pro Volumeneinheit des Reaktors.

Ausschuss(menge)

Verweilzeit-Verteilung

Misch-Güte, Misch-Zeit, Totvolumen

8.2 Rektifikations- und Des-tillations-Kolonnen

Bei der Rektifikation wird ein Mehrkomponen-tengemisch in mindestens zwei Ströme zerlegt, wobei man sich die unterschiedlichen Siedetem-peraturen der Komponenten zunutze macht. Am Kopf der Rektifikationskolonne wird das Kopf-produkt (Leichtsieder) und am Sumpf das Sumpfprodukt (Schwersieder) abgezogen. Die Performance wird generell anhand folgender Kennzahlen bewertet: Reinheiten von Kopf-, Sumpfprodukt, Sei-

tenabzug. Spezifischer Energieverbrauch (Heizdampf)

pro Zulauf oder Produktmenge. Rücklaufverhältnis, d.h. Rücklaufmenge

bezogen auf den Abfluss an Kopfprodukt. Mit einem höheren Rücklaufverhältnis kann eine höhere Kopf- /Sumpfreinheit erreicht werden. Rücklaufverhältnis und spezifischer Energiever-brauch hängen von einander ab, d.h. mit dem Rücklaufverhältnis steigt der Energieverbrauch. Stimmen beide nicht mit dem Auslegungswert überein, so wird entweder die Kolonne nicht optimal betrieben oder es besteht ein Problem mit den Einbauten. Druckverlust über Teile der oder über die

ganze Kolonne Wenn der Druckverlust über der Kolonne zu groß wird, ist das ein Indiz für Schäden oder Ver-schmutzungen (Korrosion, Anbackungen) an den Einbauten (Kolonnen-Böden, Füllkörper oder Packungen). Im PCS 7 Solution Template zur Automatisierung von Destillationskolonnen ( [12.], [13.]) sind

Funktionen zur Berechnung und Überwachung dieser Performance-Kenngrößen serienmäßig integriert. Weitere Solution Templates für verfahrenstech-nische Units liegen als Prototypen vor und wer-den für die Bereitstellung zum Download vorbe-reitet: Rührkessel-Reaktor mit Mantelkühlung, Bioethanol-Fermenter, Polymerisationsreaktor mit Advanced Pro-

cess Control, Wirbelschichttrockner mit Advanced Process

Control.



Eine Automatisierung mit SIMATIC PCS 7 trägt wesentlich dazu bei, Betriebskosten und In-standhaltungskosten zu minimieren.

Die Ausweitung des Plant Asset Managements auf mechanische Anlagenkomponenten wie z.B. Pumpen, Stellventile, Wärmetauscher, Filter oder Kompressoren verspricht einen großen Nutzen im Hinblick auf Verfügbarkeit, Instandhaltung und Performance durch zustandsorientierte Instandhaltung, Verlängerung der Wartungsin-tervalle, Vermeidung ungeplanter Stillstände sowie Steigerung der Energie-Effizienz.

10 Literatur

[1.] Internet-Portal SIMATIC PCS 7 www.siemens.com/simatic-pcs7 -->

https://www.automation.siemens.com/mcms/process-control-systems/de/simatic-pcs-7/Pages/simatic-pcs-7.aspx

[2.] PCS 7 Maintenance Station

https://www.automation.siemens.com/mcms/process-control-systems/de/simatic-pcs-7/simatic-pcs-7-systemkomponenten/maintenance-station/Pages/maintenance-station.aspx

[3.] Schmitt, S.: Bausteine für optimalen Durch-blick - Condition Monitoring mechanischer As-sets in der Prozessindustrie. VERFAHRENSTECH-NIK 11/2010.

https://www.automation.siemens.com/mcms/process-control-systems/de/simatic-pcs-7/simatic-pcs-7-systemkomponenten/maintenance-stati-on/Documents/236_10_schmitt_verfahrenstechnik_11_2010.pdf

[4.] Pfeiffer, B-M., Grieb, H., Bettenhausen, K. D.: Prozessnahes Performance-Management - vom Plant Asset-Management zur optimierten Be-triebsführung. VDE-Kongress, Aachen, Okt. 2006. Tagungsband 2, VDE-Verlag, Berlin, S. 325-330.

[5.] Application Note: Control Performance Mo-nitoring (CPM) zur Überwachung von Regelkrei-sen http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&objid=32486166&caller=view [6.] Online-Hilfe zum Funktionsbaustein Asset-Mon, PCS 7 ES V7.0.1, I IA AS RD Khe, 2008. [7.] Application Note: Überwachung von Kreisel-pumpen mit dem PumpMon-Baustein. http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&objid=42460161&caller=view [8.] Application Note: Ventilüberwachung und Diagnose mit dem ValveMon-Baustein. https://intranet.automation.siemens.com/mcms/process-control-sys-tems/de/intranet/Documents/AN_ValveMon_DE.pdf [9.] Application Note: Überwachung von Wärme-tauschern mit dem HeatXchMon-Baustein. https://intranet.automation.siemens.com/mcms/process-control-sys-tems/de/intranet/simaticpcs7/Documents/AN_HeatXchMon_DE.pdf [10.] Application Note: Performance-Überwachung von Turbo-Kompressoren mit dem CompMon-Baustein. https://intranet.automation.siemens.com/mcms/process-control-sys-tems/de/intranet/simaticpcs7/Documents/Application%20Note_CompMon_2011_04_DE.pdf [11.] Application Note: Überwachung des Druckverlusts von Anlagenkomponenten und Extrapolation von (Verschleiß-) Trends. https://intranet.automation.siemens.com/mcms/process-control-sys-tems/de/intranet/Documents/AN_PressdropMon_DE_2010_10.pdf

[12.] Pfeiffer, B-M., Lorenz, O.: Unit-orientierte Musterlösungen für Advanced Control (Unit-oriented solution templates for advanced con-trol) - Beispiel Destillationskolonne (Example

9 Fazit



distillation column). Automation 2008, Baden-Baden. VDI-Berichte 2032, S. 11-14, VDI-Verlag, Düsseldorf.

https://www.automation.siemens.com/mcms/process-control-systems/de/simatic-pcs-7/simatic-pcs-7-technologiekomponenten/advanced-process-control/Pages/apc-fachartikel.aspx [13.] Unit Solution Template für die chemische Industrie - Destillationskolonne. http://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&objid=48418663&caller=view



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