Durchflussregelung auf neuem Fundament: MFCs für Industriegase können effizient an Industrial Ethernet angebunden werden

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1 Durchflussregelung auf neuem Fundament: MFCs für Industriegase können effizient an Industrial Ethernet angebunden werden White Paper Mai 2015

2 Durchflussregelung auf neuem Fundament Thomas Sattler, Product Manager Gas Lukas Hammer, Product Manager Gas Die neuen Massendurchflussregler und -messer der 874x-Serie von Bürkert bieten eine effiziente Möglichkeit, mehrere Sensor-Aktor-Module über eine einzige System-Steuereinheit (SCU) an Industrial Ethernet anzubinden. Ein direkt im Gas messender MEMS-Sensor sorgt für höchste Präzision und sehr kurze Reaktionszeiten der Durchflussgeräte. Die Software Bürkert Communicator ermöglicht, als Teil der neuen Geräteplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform), die komfortable Parametrierung der Feldgeräte. Die Massendurchflussmesser (MFM) und Massendurchflussregler (MFC) für Gase sind seit der Einführung der ersten Modelle im Jahr 1996 zu einer Bürkert-Erfolgsgeschichte geworden. Sie stehen in verschiedenen Baugrößen, Sensorvarianten und Ausstattungen zur Verfügung und bewähren sich überall da, wo hohe Präzision und Reproduzierbarkeit gefordert werden sei es für die Bereitstellung exakter Mischungsverhältnisse von Brenngas und Sauerstoff in der Flammensteuerung, die Herstellung und Regelung von Gasgemischen für Plasmaanwendungen in der Beschichtungstechnik oder die Darstellung definierter Atmosphären für Schweißanwendungen und in Härtereiöfen. Eines haben alle bisherigen MFC und MFM gemeinsam: Sie verfügen über eine eigene Elektronik für die Signalverarbeitung, Regelung und Ventilansteuerung. Zusammen mit dem Durchflusssensor und einem Proportionalventil als Stellglied ergibt sich ein geschlossener Regelkreis. Der Massendurchfluss wird meist anhand eines konstanten Sollwertes stabil gehalten oder nach einem vordefinierten Profil verändert. Die Regelung erfolgt unabhängig von Druckschwankungen oder erhöhtem Fließwiderstand. Dank der digitalen Durchflussregelung auf neuem Fundament 2

3 Rückmeldung der MFC ist die genaue Gaszusammensetzung über die Zeit immer rückverfolgbar, was zum Beispiel an Härte- und Beschichtungsöfen oder in medizintechnischen Anwendungen unter Qualitäts- und Sicherheitsaspekten besonders wichtig ist. Steuerung betreibt mehrere Feldgeräte Beim neuen Mass Flow Controller (MFC)/ Mass Flow Meter (MFM) Typ 8741 hat Bürkert steuerungsrelevante Elemente herausgelöst. Diese Steuerungsaufgaben übernimmt eine übergeordnete Steuerung, welche Sensor-Aktor- Module (SAM) wie die MFC/MFM über einen Systembus anspricht. Die SAMs sind mit einer einzigen Schnittstelle für diesen proprietären Bürkert-System- Bus (büs) ausgestattet. Enthielt bisher jeder MFC/MFM eigene Steuerungshardware, kommt jetzt die System-Steuereinheit (SCU) Typ ME2X zum Einsatz. Diese kann bis zu 16 Regelkreise (z.b. SAMs) auf einmal kontrollieren und fungiert als Gateway zwischen Industrial Ethernet und dem büs. Damit kann die Feldgeräteebene direkt an Industrial Ethernet angebunden werden. Der Bürkert-System-Bus ist die standardisierte digitale Schnittstelle aller Geräte im System. Er basiert auf CANopen, arbeitet jedoch mit Autoadressierung und ohne einen Master im System. Ist in der Kundenanwendung bereits ein CAN- Bus vorhanden, kann mit einem Kippschalter am Gerät von büs zu CANopen umgeschaltet werden. Die Verlagerung der Steuerungshardware von den MFC/MFM in die SCU macht sich besonders in Anwendungen mit vielen Regelkreisen bezahlt. Nicht nur die vereinfachten Durchflussregler/ -messer, sondern auch die Reduktion auf eine einzige Ethernet-Schnittstelle in der zentralen Steuereinheit tragen zur einfachen Implementierung und hohen Effizienz der Anlage bei. büs-system bestehend aus vier Mass Flow Controllern Typ 8741 mit System Control Unit Typ ME2X zur Industrial Ethernet-Anbindung. Der neue MFC/MFM ist mit dem auf CANopen basierenden Bürkert System Bus (büs) ausgestattet und bietet damit intelligente Netzwerkkommunikation. Innere Werte mit robuster Hülle Gerätespezifische Parameter eines SAMs sind auf einer Micro-SIM-Karte abgelegt, die beim Austausch von Geräten einfach umgesteckt werden kann. Typ 8741 ist für die direkte Durchflussmessung in Gasen mit MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) ausgestattet und für Nenndurchflüsse von 0,01 Nl/min bis 80 Nl/min (bezgl. Stickstoff) ausgelegt. Er überzeugt durch hohe Genauigkeit, schnelle Reaktionszeiten und exzellente Wiederholgenauigkeit. Im Prozess erreicht er sehr kurze Ausregelzeiten. Der im MFM/MFC integrierte MEMS- Sensor ermittelt den Massendurchfluss nach dem Prinzip der thermischen Messung. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Heizwiderstand und zwei Temperaturfühlern. Das durch das Gerät strömende Betriebsmedium verändert die gemessene Temperaturdifferenz zwischen beiden Füh- Durchflussregelung auf neuem Fundament 3

4 lern. Anhand der thermischen Messung kann der MFC den erforderlichen Massendurchfluss regeln. Das geschieht nahezu unabhängig von Druck- und Temperaturänderungen der betreffenden Anwendung. Als Stellglieder kommen im MFC die bewährten Proportionalventile der Serie 287x zum Einsatz. Sie sind direktwirkend, stromlos geschlossen und stehen in Ventilnennweiten von 0,05 bis 4 mm zur Verfügung. Alle Geräte vom Typ 8741 sind in einem stabilen Polycarbonat-Gehäuse untergebracht, das auf dem fluidischen Grundblock aus Aluminium oder Edelstahl sitzt. Erstmals im MFC/MFM-Bereich wird die elektrische Verbindung über einen Klemmenstecker realisiert. Dieser kann mit einem nur 4-adrigen Kabel konfektioniert werden und wird dann in das Gegenstück des MFCs/ MFMs gesteckt. Vorteile in der Buskommunikation Die zentrale Steuereinheit (SCU) Typ ME2X ist modular konzipiert. Das Gateway-Modul ME23 wird neben den büs-input und büs-output-modulen ME29 auf eine gemeinsame Backplane, die Hutschienenmontage erlaubt, montiert. Optional können I/O-Module Typ ME24 in die SCU integriert werden. Diese Eingangsoder Ausgangsmodule verarbeiten Analog- oder Digitalsignale, die dann weiter genutzt werden können, um Prozesse zu steuern. Ein Analogeingang nimmt z.b. ein 4-20mA-Signal eines Drucktransmitters einer Regelstrecke auf und legt dieses auf den proprietären Bus, um den Druckwert der SCU mitzuteilen. Die Software der SCU verarbeitet dieses Drucksignal dann für den bestimmten Die Bürkert Communicator Software dient zur Parametrierung und Diagnose des büs-systems. Mit der System Control Unit (SCU) ME2X bringt Bürkert das Ethernet auf die Feldbusebene. Als Steuereinheit bindet sie bis zu 16 MFC oder MFM per Bükert-SystemBus (büs) ein. Zweck weiter. Die SCU sitzt in einem Gehäuse aus Polycarbonat und verfügt auf der Unterseite über einen SD-Karten-Slot für einen austauschbaren Datenspeicher, auf dem die gerätespezifischen Daten abgelegt sind. Zwei RJ45 Steckverbinder stellen die Industrial Ethernet Verbindung her, ein Mini- USB-Port dient dem werksseitigen Service. Die Parametrierung und Diagnose der Komponenten erfolgt über die standardisierte Software Bürkert Communicator und den als Zubehör erhältlichen büs-stick. Als Teil der neuen Geräteplattform EDIP ermöglicht dies eine komfortable Prozesskontrolle. Ein weiteres Highlight ist die U- ser-f(x)-funktion, die aus dem Bürkert Communicator gestartet wird. Sie ermöglicht die schnelle und einfache Programmierung kundenspezifischer Systemsteuerungen, wie beispielsweise eine Gasmischungssteuerung. Von der SCU eingelesene Signale (z.b. über ein I/O-Modul ME24)können dabei mit verarbeitet werden. Einheitliche Geräteplattform EDIP EDIP wird zukünftig Bedienung, Kommunikation und Schnittstellen vieler Prozessgeräte vereinheitlichen. Dank EDIP können alle Bürkert Geräte in das Durchflussregelung auf neuem Fundament 4

5 proprietäre büs-system integriert und mit dem Bürkert Communicator betrieben werden. Der Bürkert Communicator ist ein auf MS-Windows basierendes Softwaretool und ermöglicht es dem Nutzer, weitere Parameter der MFCs/ MFMs zu programmieren oder Kontrollpunkte im Prozess zu überwachen. Mit EDIP profitiert der Nutzer außerdem von standardisierten Schnittstellen, schneller Entwicklung von Systemkonfigurationen (Software und Hardware), erleichterter Austauschmöglichkeit von Systemkomponenten und dem Zusammenspiel einzelner Systemkomponenten. Alle büs-geräte sind gleichberechtigt und erhalten vom Anwender funktionale Adressen. Die für sie bestimmten Infos filtern sie anhand der Adresse aus dem Gesamtprotokoll. Der neue MFC/MFM Typ 874x und die System-Steuereinheit Typ ME2x richten sich insbesondere an Gasanwendungen in der Glasindustrie, der Oberflächentechnik sowie der Pharmazie und Biotechnologie. Das bekannteste Beispiel für den Einsatz einer solchen Steuerung ist das Einstellen von hochgenauen Gasmischungen wie sie in der Plasmaregelung, der Medizintechnik oder für Schutz- und Reaktivgasatmosphären benötigt werden. Ein Gesamtsystem aus SCU-Steuerung und den neuen kompakten MFC/MFM überzeugt besonders durch effiziente Ethernet-Anbindung und eine einfache, aber mächtige integrierte Software. In der Glasbearbeitung liefern Mass Flow Controller exakte Gasmischungen für die Brenner. Durchflussregelung auf neuem Fundament 5

6 Kontakt Können wir Ihnen helfen, Ihre Prozesse mit intelligenten Armaturen zu optimieren oder haben Sie weitere Fragen? Dann kontaktieren Sie uns: Bürkert Fluid Control Systems Thomas Sattler Product Manager Gas Tel.: +49 (0) thomas.sattler@burkert.com Lukas Hammer Product Manager Gas Tel.: +49 (0) lukas.hammer@burkert.com Durchflussregelung auf neuem Fundament 6