SONDERDRUCK. Innovative Regeltechnik. Neue Asset-Management-Konzepte bei Stellventilen Diagnose von intelligenten Stellgeräten

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1 Innovative Regeltechnik SONDERDRUCK Neue Asset-Management-Konzepte bei Stellventilen Diagnose von intelligenten Stellgeräten Verfasser: Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer Dipl.-Ing. Stefan Erben Dipl.-Phys. Dirk Hoffmann Sonderdruck aus atp edition 03/ Jahrgang

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3 Neue Asset-Management- Konzepte bei Stellventilen Diagnose von intelligenten Stellgeräten Stellgeräte wie Stellventile sind komplexe Feldgeräte in prozessautomatisierten, verfahrenstechnischen Anlagen. Neben ihrer Hauptaufgabe, dem Verändern von Stoffströmen, erfüllen sie zunehmend Diagnose- und Asset-Management-Funktionen. Voraussetzung dafür ist, dass alle Komponenten des Stellgeräts sorgfältig aufeinander abgestimmt und hinsichtlich des Einsatzbereichs optimal ausgewählt sind. Sie bilden so einen entscheidenden Baustein zum übergeordneten Plant Asset Management (PAM). Im Beitrag werden Verbesserungsmöglichkeiten am Beispiel von Stellventilen aufgezeigt. SCHLAGWÖRTER Stellgeräte / Main Valve Vendor / Digitale Stellungsregler / Diagnose / Asset Management / Effizienz New Asset Management Concepts for Control Valves Diagnosis of smart control actuators Final controlling devices like control valves are complex field devices in process plants. Apart form their main task, controlling of material flow, they are more and more involved in diagnosis and Asset Management tasks. All components have to be optimaly tuned and selected to fullfill the requirements of the application. In this way, they build an important block of the superior Plant Asset Management (PAM). In the paper, improvements are demonstrated using the example of control valves. KEYWORDS Control valves / Main Valve Vendor / Digital positioners / Diagnosis / Asset Management / Efficiency 3 40 Sonderdruck aus >atp edition< 3 / 2011

4 Sonderdruck Sonderdruck JÖRG KIESBAUER, STEFAN ERBEN, DIRK HOFFMANN, Samson AG JÖRG KIESBAUER, STEFAN ERBEN, DIRK HOFFMANN, Samson AG Neben der Hauptaufgabe eines Stellungsreglers, Möglich ist die Ableitung umfassender KPI (Key Performance Indicator) Möglich ist bezüglich die Ableitung Wartung umfassender und Service, KPI (Key Per- Neben der schnellen und der genauen Hauptaufgabe Regelung eines eines Stellungsreglers, Stellgeräts, werden der schnellen immer mehr und genauen die Asset-Management-Funktionegeräts, werden für den immer Anwender mehr die wichtig. Asset-Manage- die Regelung statischer sowie die und Performance dynamischer der Performance einzelnen Kom- bezogen auf Regelung eines statischer Stellformance und dynamischer Indicator) Performance bezüglich Wartung bezogen und auf Service, Bisher stand ment-funktionen dabei hauptsächlich für den die Anwender Diagnose wichtig. ponenten die des Regelung Stellgeräts sowie (Bild die 2). Performance der einzelnen Komponenten hinaus ermöglicht des Stellgeräts der (Bild Einsatz 2). zusätzlicher des Stellungsreglers selbst Bisher und stand der dabei grundsätzlichen hauptsächlich Funktion des Ventils des Stellungsreglers im Vordergrund, selbst wie zum und Beispiel der grundsätzlichen die Über- Sensorik, Funk- wie Darüber Sensoren hinaus zum Erfassen ermöglicht des der Körperschalls, Einsatz zusätzlicher die Diagnose Darüber wachung des tion Nullpunktes des Ventils im oder Vordergrund, des internen wie Regelkreises. zum Beispiel die die Überwachung wird die des Beobachtung Nullpunktes aller oder Komponenten des internen des Regelkreises. Ein weiteres die Erkennung Feld ist die von Anwendung inneren Leckagen für Auf-/Zu-Ar- in Stellventilen. Erkennung Sensorik, von wie inneren Sensoren Leckagen zum in Erfassen Stellventilen. des Körperschalls, Zunehmend kompletten Zunehmend Stellgerätes wird und seiner die Beobachtung direkten Umgebung aller Komponenten bedeutend. Diese kompletten Anforderungen Stellgerätes sind und unter seiner anderem direkten in Umgebung der Diagnosefunktionen bematuren. Durch können für auch diese hier Anwendungsart detaillierte Infor- angepasste maturen. des Durch Ein weiteres für diese Feld Anwendungsart ist die Anwendung angepasste für Auf-/Zu-Ar- Namur-Empfehlung deutend. Diese NE 107 Anforderungen [2] festgelegt (Bild sind 1). unter anderem mationen in der über Diagnosefunktionen den Zustand der können Armaturen auch ermittelt hier detaillierte werden. Als Beispiel mationen genannt über den seien Zustand die der Überwachung Armaturen von ermittelt wer- Infor- Asset Management-Funktionen Namur-Empfehlung NE 107 moderner [2] festgelegt Stellgeräte (Bild 1). gehen über die Asset Erfassung Management-Funktionen des Zustandes des moderner Stellungsreglers, des gehen Ventils über und die des Erfassung Antriebs des hinaus. Zustandes Genauso des Stellungs- und Verschleiß Losbrech- sowie und statistische Laufzeiten Auswertungen zur Erkennung (Bild von 3). Reibung Stellgeräte Losbrech- den. und Als Laufzeiten Beispiel zur genannt Erkennung seien die von Überwachung Reibung von wichtig sind reglers, die Dokumentation des Ventils und des Aufbaus Antriebs und hinaus. die Genauso Stand der und Technik Verschleiß ist inzwischen sowie statistische auch, Stellungsregler Auswertungen (Bild 3). Erfassung wichtig der Performance sind die Dokumentation des gesamten Stellgeräts. des Aufbaus So und in einem die Stand besonderen Technik Segment ist der inzwischen Auf-/Zu-Armaturen auch, Stellungsregler können Informationen Erfassung der aus Performance der Auslegung des gesamten des Stellgeräts Stellgeräts. einzusetzen. So Armaturen einem besonderen in sicherheitsgerichteten Segment der Auf-/Zu-Armaturen Kreisen oder über können spezielle Informationen Gegebenheiten aus wie der zusätzliche Auslegung des An-Stellgerätbauteile oder Verrohrungen über spezielle Gegebenheiten bereits bei der wie Ausliefe- zusätzliche Betrieb An- getestet können werden mit dem (Bild Partial 3). VDI Stroke-Verfahren 2180, Beiblatt 5 im [3], laufenden können mit einzusetzen. dem Partial Armaturen Stroke-Verfahren in sicherheitsgerichteten im laufenden Kreisen rung des kompletten bauteile oder Stellgeräts Verrohrungen im Stellungsregler bereits bei abgelegt werden. rung Sie des stehen kompletten dann für Stellgeräts spätere im Serviceaktivi- Stellungsregler übergeordnete abge- gibt hierzu Aspekt erstmals ist die Unterstützung einen normativen des gesamten Hintergrund. Der der Ausliefe- gibt hierzu Betrieb erstmals getestet einen werden normativen (Bild Hintergrund. 3). VDI 2180, Der Beiblatt 5 [3], täten zur Verfügung. legt werden. Zur Sie Erfassung stehen dann der Performance für spätere Serviceaktivitäten Stellgeräts zur Verfügung. kann der Zur Stellungsregler Erfassung der diese Performance In- Mit des Hilfe Safety von Applikationen Lifecycle durch wie zum intelligente Beispiel Automatisierung. dem PST des Safety Lifecycle übergeordnete durch Aspekt intelligente ist die Automatisierung. Unterstützung des gesamten gesamten formationen gesamten mit internen Stellgeräts Signalen kann und der Stellungsregler Prozesswerten diese Scheduler Informationen und so eine mit detaillierte internen Zustandserkennung Signalen und Prozesswerten die mit einem Scheduler entsprechenden (Bild 4) kann Stellungsregler für alle relevanten ausgerüs- Stellgeräte, (Bild Mit Hilfe 4) kann von für Applikationen alle relevanten wie zum Stellgeräte, Beispiel dem PST verknüpfen des gesamten verknüpfen Stellgeräts und ermöglichen. so eine detaillierte Zustandserkennung tet sind, anlagenweit die mit einem der entsprechenden Partial-Stroke-Test Stellungsregler verwaltet, ausgerüstet sind, die Testergebnisse anlagenweit der archiviert Partial-Stroke-Test werden. verwaltet, des gesamten Stellgeräts ermöglichen. gesteuert und gesteuert und die Testergebnisse archiviert werden. 1. ERWEITERTE DIAGNOSE UND ÜBERWACHUNG 1. ERWEITERTE DIAGNOSE UND ÜBERWACHUNG 2. ÜBERGREIFENDE AUSWERTUNG Seit einiger Zeit werden auch Drucksensoren eingesetzt, 2. ÜBERGREIFENDE AUSWERTUNG um eine ausreichende Seit einiger Zeit Versorgung werden auch des Antriebs Drucksensoren oder die eingesetzt, Aus der anlagenweiten Auswertung der Zustandsinformationen die der Stellgeräte Aus der ergeben anlagenweiten sich weitere Auswertung Möglichkeiten, der Zustandsinformatio- wenn Funktion des um Stellungsreglers eine ausreichende und Versorgung des Antriebs des zu Antriebs überwachen. Mit Funktion den heute des Stellungsreglers verfügbaren Drucksensoren und des Antriebs bei zu sie über- mit Auslegungs- nen der Stellgeräte und Serviceinformationen ergeben sich weitere sowie Möglichkeiten, Prozess- wenn oder entsprechender wachen. Auflösung Mit den und heute Langzeitstabilität verfügbaren Drucksensoren (auch daten bei aus sie der mit Umgebung Auslegungs- der und Stellgeräte, Serviceinformationen wie zum Beispiel sowie Prozessdaten Temperaturen, aus der Umgebung verknüpft der werden. Stellgeräte, Wenn wie diese zum Beispiel im harten entsprechender Anlagenumfeld) Auflösung ist eine so und feine Langzeitstabilität on-board-erfassung des im Versorgungs- harten Anlagenumfeld) und des Stelldruckes ist eine so möglich, feine on-board-er- Daten in einer Drücken anlagenweiten oder Temperaturen, Datenbank verknüpft den Messstellen werden. zu- Wenn diese Drücken (auch oder dass sich fassung Aussagen des über Versorgungs- die Verfügbarkeit und des Stelldruckes und Performance des dass Stellgeräts sich Aussagen treffen lassen, über die die Verfügbarkeit weit über einfa- und Perforlyse- und Reporting-Funktionen geordnet gesammelt werden, noch weitergehende ergeben sich über Aussa- geeignete Ana- möglich, geordnet gesammelt Daten in einer werden, anlagenweiten ergeben sich Datenbank über geeignete den Ana- Messstellen zuche Aussagen mance über des die Stellgeräts Druck-Signale treffen hinausgehen. lassen, die weit über gen einfache Aussagen über die Druck-Signale hinausgehen. gen über den Zustand und die Performance der Stellgeräte über den lyse- Zustand und Reporting-Funktionen und die Performance der noch Stellgeräte weitergehende und Aussa- 4 und 41 Sonderdruck aus >atp edition< 3 / 2011 Sonderdruck aus >atp edition< 3 /

5 HAUPTBEITRAG HAUPTBEITRAG damit auch über die Anlage selbst (Bild 5). Voraussetzung Plant-Asset-Management-System des Betreibers. Mit Methoden wie EDDL und FDT/DTM ist das weitgehend möglich [4]. dafür ist das Zusammenspiel von Prozesswissen des Betreibers und Stellgeräte-Know-how des Lieferanten. Handlungsbedarf besteht hier allerdings noch seitens der Als Ergebnis damit dieser auch Auswertung über die Anlage ist es möglich, selbst (Bild die 5). Stellgeräte noch besser dafür auf ist ihre das Zusammenspiel Einsatzfälle zu von optimieren. Prozesswissen Der des ßeren Betrei- Anzahl den wie von EDDL Messstellen und FDT/DTM automatisiert ist das weitgehend zeitgesteuert möglich [4]. Voraussetzung Systeme. Benötigt Plant-Asset-Management-System wird eine Möglichkeit, des Daten Betreibers. einer Mit grö- Metho- Betreiber erhält bers zudem und Stellgeräte-Know-how Informationen, die es des ihm Lieferanten. erlauben, auszulesen und Handlungsbedarf in einer standardisierten besteht hier allerdings Form (zum noch Beispiel seitens der die Regelungskonzepte Als Ergebnis seiner dieser Anlage Auswertung zu verbessern ist es möglich, und die xml, Stellgeräte noch zu besser steigern. auf ihre Darüber Einsatzfälle hinaus zu ergibt optimieren. mit Der manuellem ßeren Anzahl Aufwand von durch Messstellen den Anwender automatisiert möglich. zeitgesteuert csv, xls) Systeme. zur Verfügung Benötigt wird zu eine stellen. Möglichkeit, Dies ist zurzeit Daten einer nur grö- somit die Gesamteffizienz sich eine belastbare Betreiber Grundlage erhält zudem für die Informationen, optimierte die Planung es ihm erlauben, Eine Verbesserung auszulesen ist und hier in einer erst mittelfristig standardisierten zu Form erwarten. (zum Beispiel von Serviceplänen die Regelungskonzepte für die Stellgeräte. seiner Somit Anlage wird neben zu verbessern der und xml, csv, xls) zur Verfügung zu stellen. Dies ist zurzeit nur Gesamteffizienz somit auch die die Gesamteffizienz Verfügbarkeit zu der steigern. Anlage Darüber weiter hinaus ergibt mit manuellem Aufwand durch den Anwender möglich. erhöht. Dies ergibt sich einen belastbare weiteren Grundlage entscheidenden für die Baustein optimierte Planung 3. NEUE MÖGLICHKEITEN Eine Verbesserung ist hier erst mittelfristig zu erwarten. von Serviceplänen für die Stellgeräte. Somit wird neben der zum übergeordneten Plant Asset Management. Gesamteffizienz auch die Verfügbarkeit der Anlage weiter Voraussetzung für die Nutzung dieser Möglichkeiten ist Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der erhöht. Dies ergibt einen weiteren entscheidenden Baustein 3. NEUE MÖGLICHKEITEN jedoch die nahtlose Integration der Stellgeräte in das Leit- und Verknüpfung von Ventildaten und der integrierten Druckzum übergeordneten Plant Asset Management. Voraussetzung für die Nutzung dieser Möglichkeiten ist Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der jedoch die nahtlose Integration der Stellgeräte in das Leit- und Verknüpfung von Ventildaten und der integrierten Druck- BILD 1: Status des Stellgeräts gemäß NE 107 BILD 1: Status des Stellgeräts gemäß NE 107 BILD 2: Stellgeräte BILD KPI 2: Stellgeräte KPI BILD 3: Auf-/Zu-Diagnose, BILD 3: Auf-/Zu-Diagnose, Partial Stroke-Test Partial Stroke-Test BILD 4: PST Scheduler BILD 4: PST Scheduler BILD 5: Datenbankbasierte Analyse- BILD 5: Datenbankbasierte Analyse- Funktionen und Reportingund Reporting- Funktionen 5 42 Sonderdruck aus >atp edition< 3 / 2011

6 6 messung des Stelldrucks zum Antrieb. Auf Basis eines patentierten Verfahrens ist ist es es mit der Kenntnis der Verhältnisse um das Ventil mit Hilfe moderner Stellungsregler ohne weitere externe Sensorik möglich, den Differenzdruck am Ventil und dadurch den Durchfluss durch das Ventil abzuschätzen und dem Leitsystem beispielsweise mittels einer digitalen Kommunikationsanbindung zur Verfügung zu zu stellen. In In einem weiteren Schritt können durch ein On-Board Monitoring KPI zur Energieeffizienz des Stellgeräts ermittelt werden. Diese bewerten zum einen das pneumatische System durch Überwachung der pneumatischen Leckage. In In Verbindung mit der Erfassung der Zahl der Ventilbewegungen und der Größe der Bewegungszyklen wird die Bewertung und Optimierung des Luftverbrauchs sowie des überlagerten Prozessregelkreises ermöglicht. Durch die integrierte Erfassung des mittleren Arbeitsbereichs des Ventils und durch die oben erwähnte Abschätzung von Volumenstrom und Druckdifferenz kann ein mögliches Energieeinsparungspotenzial ermittelt werden. ZUSAMMENFASSUNG Durch die Dokumentation im Stellungsregler sind alle Informationen des Stellgerätes jederzeit verfügbar im Asset- Management-System und stehen somit für spätere Serviceaktivitäten zur Verfügung. Der Stellungsregler als die Schnittstelle und das Gehirn des Stellgeräts beobachtet alle Komponenten des kompletten Stellgerätes und seiner direkten Umgebung. Er Er erfasst dadurch die Performance des Stellgeräts und ermittelt KPI für die einzelnen Komponenten und die Gesamtperformance. Basierend auf diesen Indikatoren sind neben einer besseren Planung von Serviceaktivitäten eine bessere Optimierung der Stellgeräte auf ihren Einsatzfall sowie Informationen zur Optimierung der Regelungskonzepte der Anlage möglich. Zudem ist ist künftig die Ermittlung von KPI zur Energieeffizienz möglich. Dadurch werden mögliche Energieeinsparungspotenziale gefunden. Stellungsregler mit neuen Asset-Management-Funktionen stellen somit einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Gesamteffizienz der Anlage dar. MANUSKRIPTEINGANG REFERENZEN Im Im Peer-Review-Verfahren begutachtet [1] [1] VDI/VDE 2651: Plant Asset Management [2] [2] Namur Empfehlung NE NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten [3] [3] VDI/VDE 2180, Blatt 5: 5: Sicherung von Anlagen der Verfahrenstechnik mit Mitteln der Prozessleittechnik (PLT) Empfehlungen zur Umsetzung in in die die Praxis [4] [4] Kiesbauer, J., J., Erben, S.: S.: Integration kommunikationsfähiger Stellgeräte in in Leitsysteme Vortrag Automation 2008, atp Automatisierungstechnische Praxis, Heft 8, 8, 2008 [5] [5] Kiesbauer, J.: J.: Neues integriertes Diagnosekonzept bei bei digitalen Stellungsreglern atp Automatisierungstechnische Praxis, Heft 4, 4, 2004 [6] [6] Namur Empfehlung NE NE 91: 91: Anforderungen an an Systeme für für anlagennahes Asset Management AUTOREN DR.-ING. JÖRG KIESBAUER (geb. 1960) ist Mitglied des Vorstandes Forschung und Entwicklung der Samson AG, Mess- und Regeltechnik, Frankfurt/Main. Samson AG, Abt. E8, Weismüllerstraße 3, 3, D Frankfurt am Main, Tel. +49 (0) (0) , DIPL.-ING. STEFAN ERBEN (geb. 1964) leitet die Entwicklung Elektronik Industrie der Samson AG, Mess- und Regeltechnik, Frankfurt/Main. Seine Hauptarbeitsfelder umfassen die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der intelligenten Feldgeräte sowie der elektronischen Prozessregler für den industriellen Einsatz, die Integration dieser Geräte in in offene Systeme sowie die Mitarbeit in in Gremien verschiedener herstellerunabhängiger Organisationen (Profibus Nutzerorganisation, Fieldbus Foundation, Hart Communication Foundation, FDT-Group). Samson AG, Abt. E8, Weismüllerstraße 3, 3, D Frankfurt am Main, Tel. +49 (0) (0) , DIPL.-PHYS. DIRK HOFF- MANN (geb. 1962) startete 1989 seine berufliche Karriere als Entwicklungsingenieur in in der Abteilung Grundlagenentwicklung bei der Samson AG Frankfurt/ Main. Nach einem Aufenthalt in in Südamerika von 2001 bis 2007 im Technischen Support arbeitet er er seit 2007 wieder in in Frankfurt in in der Entwicklungs-Abteilung Anwendungstechnik. Er Er ist Mitarbeiter des VDI/VDE-GMA-Gremiums Plant Asset Management. Samson AG, Abt. E99, Weismüllerstraße 3, 3, D Frankfurt am Main, Tel. +49 (0) (0) ,

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8 Innovation aus Tradition SAMSON AG MESS- UND REGELTECHNIK Weismüllerstraße Frankfurt am Main Telefon: Telefax: Internet: SAMSON GROUP WS WA 252 DE

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