Messung von gelöstem Sauerstoff in Bier über PROFIBUS PA bei der Bitburger Brauerei

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1 8 Messung von gelöstem Sauerstoff in Bier über PROFIBUS PA bei der Bitburger Brauerei Es ist bekannt, dass Sauerstoff den Geschmack und die Qualität von Bier nachhaltig verändert. Das Bier verdirbt und schmeckt schal. Aus diesem Grund ist die Messung von gelöstem Sauerstoff das entscheidende Qualitätsmerkmal, um Bier mit einwandfreiem Geschmack und höchster Qualität zu brauen. Die Bitburger Brauerei überwacht die Konzentration von gelöstem Sauerstoff während des gesamten Brauprozesses über PROFIBUS PA und sichert dadurch die Qualität ihrer Biere. Die Bitburger Brauerei hat einen jährlichen Ausstoß von mehr als 4 Mio. hl Bier und gehört zu den drei größten Privatbrauereien Deutschlands. Die online-überwachung von gelöstem Sauerstoff in Bier wird während des gesamten Brauprozesses durchgeführt und garantiert die gleichbleibend hohe Qualität des Bitburger Bieres. Ist ein Bier einmal durch die Oxidation mit Sauerstoff geschädigt, muss es verworfen werden, da die Oxidationsreaktion nicht mehr umkehrbar ist. Eine typische online-sauerstoffmessstelle besteht aus Sensor, Armatur, Kabel und Transmitter. Die Auflösung des Transmitters muss dabei entsprechend hoch sein, um die Sauerstoffkonzentration im unteren ppb-bereich genau anzeigen zu können. Bei modernen Anlagen, wie die der Bitburger Brauerei, wird die Kommunikation von Transmitter zum Prozessleitsystem meist digital mittels PROFIBUS Protokoll übertragen. PROFIBUS PA (Process Automation) ist in diesem Fall besonders geeignet, da das zugrunde liegende Protokoll speziell auf die Kommunikation zwischen Feldgerät und Prozessleitsystem zugeschnitten ist. Der Sauerstofftransmitter ist zertifiziert nach der PNO-Richtlinie gemäß Profil 3.0 für analytische Geräte. Besondere Eigenschaften des Transmitters sind unter anderem die über PROFIBUS frei paramterierbaren Funktionsblöcke für diskrete Signale, wobei die Konfiguration direkt über das Transmitterdisplay oder PROFIBUS DP Netzwerk erfolgen kann. Zudem garantieren die standar-

2 Inhaltsverzeichnis Messung von gelöstem Sauerstoff in Bier über PROFIBUS PA bei der Bitburger Brauerei Leitfähigkeitsmessung zur Medientrennung. Einsatz in der Abfüllanlage Transmitter mit digitaler Kommunikation InPro 325x löst InPro 3200 ab Die optimale Adaption sichert höchste Produktqualität Suchen Sie Bedienungsanleitungen für ein bestimmtes Produkt? Impressum Herausgeber Mettler-Toledo GmbH Ockerweg 3 D Gießen Tel: (+49) Internet disierten Kommunikationsprotokolle eine Interoperabilität und Austauschbarkeit der Geräte verschiedener Hersteller. Der Sauerstofftransmitter wird über Segmentkoppler/Link in den PROFIBUS DP integriert. Die Speisespannung ist gemäß FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) ausgelegt, so dass Spannung und bidirektionaler Datenaustausch in 2-Leitertechnik und somit eigensicher ausgelegt sind. Der innovative Hochleistungstransmitter O PA bietet dem Benutzer zahlreiche Vorzüge bei einfacher Handhabung und großer LC-Anzeige. Neben der gleichzeitigen Anzeige von aktuellem Messwert und Temperatur unterstützen zusätzlich Piktogramme die Bedienung und signalisieren auffällige Signal- bzw. Funktionsstörungen. Erhöhte Prozesssicherheit ist garantiert durch die integrierte Sensordiagnostik,die den gegenwärtigen Zustand des Sensors überwacht. Alle Funktionen des Transmitters sind über die Tastatur oder über die Komunikationsschnittstelle zugänglich. Zwei separate Eingänge ermög- lichen sowohl die Spurenmessung als auch die Messung von Sauerstoff in höheren Konzentrationen. Wartung und Installation des Transmitters können leicht und schnell durchgeführt werden, da sich der vollständig abgeschirmte Elektronikteil leicht vom Gehäuse trennen lässt, so dass die Klemmleisten frei zugänglich sind. Bei der Bitburger Brauerei wurden zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in der Filtration sieben Messsysteme mit PROFIBUS PA installiert, wodurch täglich Zeit und Kosten gespart werden. MTP01 Sauerstoffsensoren InPro 6800 MTP02 Advanced Line 2-Leiter Transmitter MTP03 Wechselarmaturen InTrac 77Xe Messstelle Sauerstoffgehalt Temperatur Druck Würzebelüftung ppm <100 C 1 2 bar Gärtank <100 ppb <14 C 1 2 bar CO 2 Anlage <100 ppb <10 C 0.8 bar Filter <100 ppb <10 C 2 3 bar Lagertank <100 ppb <5 C 2 3 bar Abfüllung <50 ppb <5 C <6 bar prozess@mt.com Die Tabelle zeigt Auszüge der wichtigsten Messstellen mit typischen Sauerstoffkonzentrationen bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur. Realisation und Bilder Archiv von Mettler-Toledo GmbH, Urdorf (CH) Technische Änderungen vorbehalten. Mettler-Toledo GmbH 09 / 05 Gedruckt in der Schweiz. Messstelle mit Wechselarmatur nach der Filtration Installation des Transmitters O e 2

3 Interview mit Dieter Lichter, Projektmanager bei der Bitburger Brauerei Die Fragen wurden von Alfred Peer (AP), Produktmanager für Digitale Kommunikation, METTLER-TOLEDO, Process Analytics, Schweiz gestellt. Alfred Peer (AP): Herr Lichter, die Bitburger Brauerei war einer der ersten Betriebe, die die traditionelle 4 bis 20 ma Technik durch die moderne PROFIBUS Kommunikation ersetzt haben. Welche Erfahrungen haben sie in dieser Hinsicht gemacht? Ehrlich gesagt, kann ich Ihnen hier gar nicht soviel sagen. Nach der Einbindung der PA Geräte in unser Bussystem funktionierte alles sofort problemlos. Mit anderen Worten, wir haben, seitdem wir die PA Transmitter installiert haben, mehr Zeit, um uns um andere Bereiche der Anlage zu kümmern. Was ist für Sie der größte Nutzen des PROFIBUS Konzepts? Aufgrund der 2-Leitertechnik konnten wir natürlich sehr viel Geld sparen. Datenübertragung und Spannungsversorgung über die gleichen zwei Drähte ist eine sehr wichtige Eigenschaft. Weiterhin erlaubt das PROFIBUS PA Konzept Wechsel, Anbindung oder Entfernung der Geräte, ohne das System oder andere Geräte zu beeinflussen. Vergleicht man die analoge Technik mit der digitalen Technik, wo sehen sie dabei die wesentlichen Unterschiede? Über die digitale Datenübertragung erhält man natürlich wesentlich mehr Informationen als den einfachen Messwert. Jeder Messwert wird gleich auf Sicherheit und Zuverlässigkeit überprüft. Somit können wir leicht und schnell auf jeden Transmitter zugreifen und erhalten so einen direkten Zugriff zu allen Prozessvariablen. Sie haben sich kürzlich entschieden, Sauerstofftransmitter in ihr PROFIBUS Netzwerk zu integrieren. Warum haben Sie sich zu diesem Schritt enschieden? Weil in unserer Anlage bereits ein PROFIBUS Netzwerk vorhanden ist, somit mussten keine zusätzlichen Kabel verlegt werden. Wir konnten den Sauerstofftransmitter einfach in unser bereits vorhandenes Netzwerk integrieren, so dass wir die Sauerstoffkonzentration in unserem Kontrollraum visualisiert über einen Monitor darstellen können. Ist dabei das Profil 3.0 für analytische Geräte wichtig für Sie? Natürlich, das schafft zusätzliches Vertrauen zum Gerät und garantiert uns, dass die Funktionalität den Anforderungen der PNO (Profibus Nutzer Organisation) entspricht. Nutzen Sie das Prozessleitsystem, um die Analysengeräte zu konfigurieren? Wir brauchen das Prozessleitsystem, um die Wartung der Geräte einzuleiten. Durch die Möglichkeit die Konfiguration up- und downzuloaden sparen wir eine Menge Zeit. Fehler durch manuelle Konfiguration gehören der Vergangenheit an. Jede Konfiguration kann dem betreffendem Gerät mühelos übertragen werden. Welche Anforderungen haben Sie an die Gerätehersteller, und wie sehen Sie die Zukunft der Prozessautomation? Es ist sehr wichtig für uns, dass die Geräte als eine komplette Einheit angeboten werden: mit PNO Zertifikat, GSD (Gerätestammdatei) und Gerätebeschreibung (DD - Device Description), damit die Geräte schnell über die Schnittstelle ins Netzwerk integriert werden können. Die Automation in unserer Anlage wird sicherlich durch die Direktübertragung ausgedehnt werden, um möglichst viele Geräte in unser digitales Netzwerk zu integrieren. Herr Lichter, vielen Dank für das Interview. 3

4 Leitfähigkeitsmessung zur Medientrennung Einsatz in der Abfüllanlage In der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie wird die Leitfähigkeit gemessen, um die Trennung zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten zu überwachen. Ein Beispiel ist die Messung der Leitfähigkeit von Bier und Wasser im Bierfüller. Mit einem Leitfähigkeitsmesssystem entfällt die manuelle Kontrolle der Medientrennung anhand eines Schauglases, und der Prozess kann automatisiert werden. Daraus resultieren die Minimierung von Produktverlust, geringere Arbeitskosten und eine verbesserte Prozesssicherheit und -zuverlässigkeit. Prozess Der letze Prozessschritt bei der Bierherstellung ist die Abfüllung in Flaschen, Dosen oder Fässer. Am Füller wird eine gewisse Menge an Bier in einem Tank gelagert. Durch Druckbeaufschlagung mit CO 2 wird das Bier in Flaschen abgefüllt. Der Vorgang ist in Abb. 1 schematisch dargestellt und nutzt einen CO 2 -Druck von 0 bis 6 bar, der das Produkt (Bier) in die Flaschen befördert. Während des CIP- Reinigungsprozesses (CIP = Cleaning In Place) werden Reinigungslösung und Wasser im Füller und den Rohrleitungen, die das Bier aus der Produktion zur Abfüllung zuleiten, zirkuliert. Bierfüller Nachdem der letzte CIP-Reinigungszyklus beendet wurde, werden die Rohrleitungen und der Füller komplett mit Wasser gefüllt. Wenn der Abfüllprozess erneut gestartet wird, wird normalerweise eine gewisse Zeit gewartet, bevor das eigentliche Abfüllen beginnt. Die ersten abgefüllten Flaschen müssen im Labor analysiert werden, um zu bestimmen, welche Flaschen verworfen werden müssen bevor der korrekte Gehalt an Bier erreicht wird (keine Verdünnung mit Wasser). Ist die Wartezeit zu kurz, müssen zuviele Flaschen oder Dosen verworfen werden. Ist hingegen die Wartezeit zu lang, wird gutes Bier unnötig in den Abfluss gespült. Außerdem muss in einigen Fällen das Bedienpersonal am Schauglas im Abfluss anhand der Farbe bestimmen, wann der richtige Zeitpunkt erreicht wird, wo das Waschwasser in Bier übergeht. Der Einsatz eines Leitfähigkeitsmesssystems, um die genaue Übergangsphase von Wasser zu Bier zu überwachen und zu detektieren und somit den korrekten Startpunkt für die Abfüllung sicherzustellen, führt zu einem vollautomatisierten Prozess mit minimalem Verlust von Flaschen und Bier bei reduzierten Laborkosten. InPro 7108-VP Leitfähigkeitssensor für präzise Phasenerkennung Die 4-Pol-Messzellen der InPro 7108-VP Baureihe werden eingesetzt, um den Übergang von einer Phase (z.b. Wasser) zu einer anderen (z.b. Bier) sehr schnell und zuverlässig zu detektieren, da die Ansprechzeiten sowohl für die Leitfähigkeitsmessung selbst als auch für die Temperaturmessung sehr kurz sind. Direktes Ansprechverhalten 4-Pol-Messzellen besitzen Ansprechzeiten im Sekundenbereich. Der Sensor muss auf der Seite des Zuflusses zum Ventil installiert werden. Minimierung von Produktverlust Mit einer schnellen und präzisen Detektion kann der Verlust von Bier und Wasser in der Installation deutlich reduziert werden, wodurch eine erhebliche Kostenersparnis möglich ist. Zertifizierte Qualität und Materialien Genaue Messungen sind nur möglich, wenn die Zellkonstante des Sensors genau Typische Prozessbedingungen: Medium: Wasser, Bier Druck: bis 6 bar Temperatur: 2 bis 25 C Leitfähigkeitsbereiche: Bier: etwa µs/cm, Wasser: 100 bis 150 µs/cm 4

5 bestimmt wurde. 4-Pol-Messzellen von werden mit einer zertifizierten und dokumentierten Zellkonstante geliefert, die auf NIST/ASTM Standards zurückgeführt ist und die höchste Messgenauigkeit sicherstellt. Alle mediumberührten Materialien sind FDA positiv gelistet. MaxCert, ein Paket an Zertifikaten, unterstützt die Qualifizierung des Sensors und die Validierung des Prozesses. Prozessführung bei der Phasendetektion, selbst wenn sich die Leitfähigkeiten um Dekaden unterscheiden. Mit seiner einzigartigen piktogrammunterstützten Bedienoberfläche und permanenten Sensor- und Gerätediagnose kann dieser Transmitter in praktisch allen Applikationen eingesetzt werden. Leitfähigkeitstransmitter Cond 7100 e Für diesen Prozess ist der Transmitter Cond 7100e die erste Wahl. Die einfache Bedienung, präzise und zuverlässige Messung und die geringen Messstellenkosten reduzieren Aufwand und Kosten. Die zwei analogen Stromausgänge geben die Messwerte für Leitfähigkeit und Temperatur an das übergeordnete Prozessleitsystem weiter. Die Verwendung zweier komplett unterschiedlicher und unabhängiger Parametersätze erlaubt eine sehr präzise MTP04 Leitfähigkeitssensoren InPro 7108-VP MTP05 Leitfähigkeitstransmitter Cond 7100e Cond 7100 e Leitfähigkeit Zeit Lagertank InPro 7108-VP Phasenübergang Abfüllmaschine Transmitter Cond 7100 e 5

6 Transmitter mit digitaler Kommunikation Die Advanced Line Transmitter für ph-wert/redox-potential, gelösten Sauerstoff und elektrolytische Leitfähigkeit sind neben den klassischen 4-Leiter-Versionen mit analoger 0/ ma Signalverarbeitung auch mit digitaler Kommunikation erhältlich, und zwar mit Protokollen für HART, PROFIBUS PA und FOUNDATION FIELDBUS. HART FIELD COMMUNICATION PROTOCOL Während das analoge 0/ ma Signal lediglich einen Messwert unidirektional übertragen kann, eröffnet die Welt der digitalen Kommunikation die volle Integration der prozessanalytischen Messtechnik in das Prozessleitsystem. Ferndiagnose Fernparametrierung Statusinformationen verbesserte Messwertauflösung erweiterte Prozesskontrolle optimierte Wartung der Anlage Die digitale Kommunikation zwischen Transmitter und Prozessleitsystem vereinfacht die Inbetriebnahme und stellt neben der reinen Messwertübertragung zusätzliche Funktionen zur Verfügung wie: MTP06 Transmitter mit digitaler Schnittstelle InPro 325x löst InPro 3200 ab Die erfolgreichen ph-elektroden der Reihe InPro 3200 werden ab 1. Oktober 2005 komplett durch die neue Linie InPro 325x abgelöst. Die InPro 325x weist gegenüber dem Vorgängermodell eine Vielzahl von Verbesserungen auf, die den Einsatz in lebensmitteltechnologischen Anwendungen unter noch anspruchsvolleren Prozessbedingungen zulassen. InPro Die wichtigsten Merkmale auf einen Blick: Höhere Druckbeständigkeit bis 4 bar 4 Membranglassorten für verschiedenste Anwendungen in der Lebensmittelindustrie Neuartiges wartungsfreies Bezugssystem mit vorbedrucktem Flüssigelektrolyten vereint die Vorteile von Druckpastenund Flüssigelektrolyt-Elektroden Hohe Nullpunkt-Konstanz bei Sterilisation/Autoklavierung mit Heißdampf bis 140 C, dadurch sehr geringes Driftverhalten Hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit dank konstanter Elektrolytausflussrate über die gesamte Lebensdauer der Elektrode Biokompatibilitäts-Zertifikat für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie Bestellungen von InPro 3200 Sensoren werden ab dem 1. Oktober 2005 automatisch auf die neue Baureihe InPro 325x umgestellt. MTP07 InPro 325x

7 Die optimale Adaption sichert höchste Produktqualität InFlow 761 Eine sichere Prozessführung ist nicht zuletzt von der Adaption abhängig. Oftmals sind fehlerhaft installierte Sensoren der Grund für scheinbar unerklärbare Messabweichungen. Die bewährten InFit Einbauarmaturen wurden konsequent weiterentwickelt und sorgen nicht nur für die optimale Adaption der Elektroden/Sensoren, sondern erfüllen auch die strengen hygienischen Anforderungen in Brauereien. Absolute Prozesssicherheit garantiert Die zahlreichen hygienischen Adaptionsmöglichkeiten der InFit Einbauarmaturen in Verbindung mit der Oberflächenrauhigkeit N5 (Ra < 0,4 µm) des CIP fähigem Schaftes garantieren zu jedem Zeitpunkt des Prozesses absolute Hygiene. Weiterhin können die InFit Armaturen mit den O-Ring Materialien Viton, EPDM und Kalrez, die alle nach FDA + USP Class VI zugelassen sind, kombiniert werden. Verbesserter Zauberhut Leider musste selbst die blaue Kabelschutzhülse mit hohem Wiedererkennungswert ( Zauberhut ) aufgrund von gestiegenen Sicherheitsanforderungen weichen. Die Kabelschutzhülse ist jetzt aus leitendem Polypropylen und daher schwarz, so dass die Armaturen nach ATEX zertifiziert sind und uneingeschränkt in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können. Optimale Installation des Sensors in Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser. Die neue Kabelschutzhülse erleichtert erheblich die Installation des IP68 geprüften VP-Kabels. Das Kabel kann jetzt von hinten durch den Zauberhut geführt werden, wodurch zusätzliche Montagearbeiten entfallen. Adaption in Rohrleitungen Die optimale Adaption von Elektroden/Sensoren in Rohrleitungen kleiner DN 40 war in der Vergangenheit mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Mit den neuen Durchflussadaptern in Verbindung mit den InFit Einbauarmaturen bzw. InTrac Wechselarmaturen lassen sich die Elektroden/Sensoren mühelos auch in Leitungen kleinen Durchmessers installieren. Die Adapter erfüllen vollständig die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG. Armaturen für unterschiedlichste Anwendungen können leicht über einen Konfigurator bestimmt werden. MTP08 InFit 76Xe, InFit 76Ye MTP09 InFlow MTP10 InTrac 77Xe Sichere Messwerte mit der optimalen Adaption: InFit 762 e InFit 763 e InFit 764 e InFit 761 e 7

8 ProTalk 2005 Suchen Sie Bedienungsanleitungen für ein bestimmtes Produkt? Auf der Homepage stehen alle für Sie bereit. Wählen Sie über Service & Support Support & Dokumentation aus und geben Sie Ihr gewünschtes Produkt an. Sie erhalten auf Wunsch Detailbeschreibungen, alle Handbücher mit Bedienungsanleitungen sowie alle zugehörigen Zertifikate. Seminare und Workshops bietet Ihnen eine Vielzahl von Workshops und Seminaren an. Wir vermitteln Ihnen praxisnah theoretische und praktische Kenntnisse nach den neuesten Standards. Seminare Auf Grund der hohen Nachfrage finden 2005 wieder unsere beliebten Städteseminare statt auch in Ihrer Region. Erkundigen Sie sich jetzt schon und sichern Sie sich Ihren Platz. Workshops Außerdem bieten wir Ihnen in Gießen eine interessante Auswahl an Workshops zu folgenden Themen an: ph O 2 CO 2 TOC Leitfähigkeit Trübung Auf Anfrage führen wir auch individuell auf Sie zugeschnittene Vor-Ort-Schulungen durch. Lassen Sie sich beraten! Telefonisch unter 0641/ MTP11 Mettler-Toledo GmbH Ockerweg 3 D Gießen Tel: (+49) Fax (+49) Mettler-Toledo (Schweiz) AG Im Langacher, Postfach CH-8606 Greifensee Tel: (+41) Fax (+41) Mettler-Toledo Ges.m.b.H. Südrandstraße 17 A-1230 Wien Tel: (+43) Fax (+43) INGOLD Leading Process Analytics THORNTON Leading Pure Water Analytics 8