Exapilot viel mehr als eine elektronische Checkliste Produktivität steigern durch teilautomatisierte Anfahr- und Lastwechselvorgänge

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1 Beitrag Verfahrenstechnik Exapilot viel mehr als eine elektronische Checkliste Produktivität steigern durch teilautomatisierte Anfahr- und Lastwechselvorgänge Dr. Thomas Schmidt Das Anfahren von Anlagen, Lastwechsel oder andere Statusveränderungen gehören nicht zu den beliebtesten Aufgaben bei der Betriebsmannschaft, denn in komplexen Situationen den Überblick zu behalten ist nicht leicht und erfordert viel Erfahrung. Auch angesichts des großen wirtschaftlichen Potenzials solcher Betriebsvorgänge liegt es nahe, auf Standardisierung und Automatisierung zu setzen. Exapilot heißt die Antwort von Yokogawa auf diese Herausforderung. Am Beispiel der Acrylsäure-Großproduktion der Evonik Stockhausen GmbH in Marl beschreibt dieser Beitrag Konzept und Implementierung dieser Softwarelösung und stellt wichtige Ergebnisse und Erfahrungen vor. Abb. 1 Chemiepark Marl (Kraftwerk) Potenziale nutzen mit Softwarelösungen Die Acrylsäure-Anlage der Evonik Stockhausen GmbH in Marl produziert seit 1991 derzeit mit drei Straßen und einer Gesamtkapazität von rund Tonnen pro Jahr. Acrylsäure dient vorrangig als Grundstoff für polymere Superabsorber, z. B. für Babywindeln. Bereits seit 1999 ist die Anlage mit einem Leitsystem von Yokogawa ausgestattet wurde der mehrfach erweiterte Betrieb zudem mit dem Advanced Alarm Administrator von Yokogawa zum intelligenten Alarmmanagement ausgestattet. Wir konnten die Alarmflut deutlich eindämmen. Dieser Erfolg hat uns überzeugt, dass sich auch in einer technisch ausgereiften Anlage mit durchdachten Softwarelösungen noch Effizienzpotenziale erschließen lassen, beschreibt Dr. Jürgen Mosler, Technischer Direktor Acrylmonomere und Produktionsleiter bei Dr. Thomas Schmidt freier Journalist, Mülheim a. d. Ruhr page 1/5

2 Stockhausen, die Ausgangssituation. Von Exapilot haben wir uns unmittelbar höhere Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitiger Entlastung der Betriebsmannschaft versprochen, fährt er fort. Der Bedarf für eine solche Lösung in der Acrylsäure-Anlage ist offensichtlich: Jedes Jahr sind dort mehrere Anfahrprozesse der zentralen Oxidationsreaktoren sowie monatliche Anfahrprozesse in Teilanlagen zu bewältigen, etwa bei den zahlreichen Kolonnen der einzelnen Anlagenstraßen jährlich also mehrere Dutzend Ereignisse. Hinzu kommen rohstoff- oder nachfragebedingte Lastwechsel während des Betriebs. Exapilot Implementierung und Konfiguration Mitte des Jahres 2006 wurde daher ein Exapilot-System beschafft, auf einem PC installiert und via OPC-Schnittstelle mit dem Leitsystem verbunden. Neben unseren Centum-Systemen lassen sich so auch andere Leitsysteme anbinden, etwa von Honeywell, Emerson oder Foxboro, erläutert Bruno Oeldemann, Account Manager IA System Sales von Yokogawa. Dafür gibt es Dutzende von Beispielen. Insgesamt wurden bisher weltweit mehr als 850 Exapilot-Lizenzen verkauft. Kern des Softwarepakets ist eine symbolorientierte Kommandosprache. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Logik hinter dem Management komplexer Betriebssituationen einfach und übersichtlich in Ablaufschemata umsetzen und dann weitgehend automatisiert abarbeiten. Neben der Anlagenkonfiguration und den verfügbaren Prozessinformationen geht bei der Konfiguration des Exapilot auch die Erfahrung der Betriebsmannschaft ein, sodass am Ende ein reproduzierbarer best practice -Ablauf steht. In der Startphase werden logische Informationen und Parameterlisten geladen (Abb. 2, oben) und dann schrittweise abgearbeitet, wobei der Prozedurstatus anhand eines Farbcodes visualisiert wird (Abb. 2, unten). Gleichzeitig erhält der Anlagenfahrer in einem über ActiveX gesteuerten Meldungsfenster wichtige Prozessinformationen und ggf. Handlungsaufforderungen (Abb. 2, kleines Fenster). Start-Phase Prozedur- Ablauf Abb. 2 Schrittfolge einer Anfahr-Prozedur in der Acrylsäure-Anlage von Evonik Stockhausen, grün die aktiven Prozedurschritte, grau die erledigten. Dr. Thomas Schmidt freier Journalist, Mülheim a. d. Ruhr page 2/5

3 Die Implementierung des Exapilot-Systems in der Acrylsäure-Anlage lag in den Händen von Benjamin Schramm, Project Manager Process Technology & Engineering der Evonik Degussa GmbH und erforderte etwa zwei Mannmonate. Speziell ein gutes Verständnis der dynamischen Prozesse ist wichtig, um eine wirklich effiziente Konfiguration zu entwickeln. Dabei entdeckt man zudem oft verbesserungswürdige Details im Prozess oder den Regelkreisen. Insgesamt lassen sich bis zu 90 % der vorher manuell bewältigten Aufgaben automatisieren, erläutert er. Ein typisches Projekt gliedert sich in zwei große Abschnitte: 1. Erfassung und Analyse des status quo, Selektion von best practices und Entwickeln der Prozedur; 2. Implementieren, Testen und Konfigurieren der Prozedur sowie Schulen der Betriebsmannschaft. Vom ersten Test zum Rollout In der zweiten Jahreshälfte 2006 wurde Exapilot zunächst während mehrerer Anfahrprozesse an einer einzelnen Destillationskolonne einer Kaskade erprobt. Schon erste Ergebnisse waren Erfolg versprechend. So gelang es rasch, die zeitliche Schwankungsbreite für das Anfahren zu minimieren und die durchschnittliche Anfahrzeit um 30 % zu senken (Abb. 3). Die Kolonne erreichte also schneller und zuverlässiger den Volllastbetrieb. Gerade beim sequenziellen Anfahren ganzer Kaskaden ist das vorteilhaft, denn einerseits fällt weniger offspec-produkt an, außerdem können einzelne Anfahrprozesse überlappend gefahren werden, was den Gesamtvorgang weiter beschleunigt. 5 4 Mittelwert manuell automatisiert 3 ca. 30 Anfahrzeit Mittelwert Anfahrvorgang Nr. [-] Abb. 3 Anfahrzeiten der Testkolonne vor (links, grau) und nach (rechts, schwarz) der Implementierung des Exapilot-Systems Nach dem erfolgreichen Test wurde Exapilot im Jahre 2007 zunächst für jeweils die erste Kolonne der Kaskaden und danach für alle Kolonnen implementiert. Mittlerweile sind auch die Reaktoren einbezogen, in denen die Oxidationsreaktion Dr. Thomas Schmidt freier Journalist, Mülheim a. d. Ruhr page 3/5

4 abläuft. Da deren Anfahrprozesse seltener sind als bei den Kolonnen, ist die entsprechende Konfiguration, vor allem die Feinjustierung der Parameter, noch nicht abgeschlossen. Das Anfahren der katalysatorgefüllten Rohrreaktoren ist besonders anspruchsvoll, weil rund ein halbes Dutzend Parameter systematisch beobachtet und schrittweise angepasst werden müssen, um exakt das optimale Temperaturprofil zu erhalten. Erschwerend kommt hinzu, dass die Parameter teilweise voneinander abhängig sind, dass einzelne Regelkreise unterschiedlich schnell reagieren und zudem sicherheitsrelevante Größen, etwa Explosionsgrenzen, lastabhängig sind, erklärt Schramm. Gerade hier kann das Exapilot-System seine Stärken ausspielen. Insgesamt prüft es während eines Anfahrvorgangs rund 600 wesentliche Messwerte und ersetzt mehr als 400 manuelle Eingriffe. Mit zahlreichen, inkrementellen Parameteränderungen wird es der sensiblen Regelsituation dabei besser gerecht als stufenförmige, manuelle Eingriffe. Zugleich kann auf Basis von Erfahrungswerten ein optimaler Pfad im Parameterraum gewählt werden, der bei ausreichendem Abstand zum Ex-Bereich zusätzlich ökonomische Vorteile bringt. Manuell gesteuert könnte eine solche Optimierungsaufgabe allenfalls intuitiv gelöst werden. Exapilot hingegen betrachtet laufend alle wichtigen Schlüsselparameter: die Peak-Temperatur und deren geometrische Position im Reaktor sowie die Entfernung vom Ex-Bereich im Parameterraum, außerdem die Konzentration der Reaktanden und die Kühlleistung. Schon nach den ersten Tests steht auch hier fest: Es hat sich gelohnt. Die durchschnittlichen Anfahrzeiten sanken teilweise um mehr als zwei Drittel (Abb. 4). Dass ein manueller Anfahrvorgang sehr viel Zeit in Anspruch nehmen kann, unterstreicht die Relevanz dieser Verbesserung. Außerdem verläuft das Anfahren wesentlich ruhiger, d. h. ohne größere Temperaturschwankungen Anfahrzeit* Anfahrlast* Test 1 Test 2 optimiert Abb. 4 Anfahrzeit und entsprechende Anfahrlast der Oxidationsreaktoren Dr. Thomas Schmidt freier Journalist, Mülheim a. d. Ruhr page 4/5

5 Komplexität zuverlässig und effizient bewältigen Exapilot ist eine leistungsfähige und nachhaltige Lösung, die unsere Erwartungen voll erfüllt hat. Unsere Investition hat sich nach weniger als einem Jahr bereits amortisiert, resümiert Dr. Mosler. Gleichzeitig betont er, das System sei kein Autopilot. Es könne eine erfahrene, wachsame Betriebsmannschaft nicht ersetzen. Dem Anlagenfahrer bleibt aber viel mehr Zeit für intelligente Aufgaben, jenseits der Beobachtung zahlreicher sich ständig ändernder Parameter oder deren schrittweiser Veränderung, erklärt er. Exapilot ist dann besonders nützlich, wenn häufig Prozesse abseits des Standardbetriebs nach best practice-prinzipien teilautomatisiert werden sollen, um sie ohne Engineering-Aufwand reproduzierbar durchführen zu können. Neben der Entlastung des Betriebspersonals erschließt der Einsatz von Exapilot drei entscheidende wirtschaftliche Vorteile: Zeitersparnis bzw. höhere Verfügbarkeit der Anlage, geringeren Rohstoffeinsatz und nicht zu vergessen Reduzierung der Abfallmenge. All dies sorgt dafür, dass sich die Investition im niedrigen fünfstelligen Euro-Bereich sowie der Implementierungsaufwand schon kurzfristig lohnen, erklärt Bruno Oeldemann. Anfragen an: Bruno Oeldemann, Yokogawa Deutschland GmbH, Paul-Baumann-Str. 1, Marl, Geb. 741, PB 09 Fax: ; Dr. Thomas Schmidt freier Journalist, Mülheim a. d. Ruhr page 5/5