Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7

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1 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? Im Rahmen des anlagennahen Plant Asset Management in der Prozessindustrie wird bisher vorwiegend der Zustand von Feldgeräten und Automatisierungskomponenten im Sinne der Instandhaltung betrachtet. Ein wesentlich größerer wirtschaftlicher Nutzen 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 Funktionen SIMATIC PCS 7 zur Überwachung mechanischer Assets anbietet. A white paper issued by: Siemens. Siemens AG All rights reserved.

2 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 2 Contents 1 Einführung Condition Monitoring und Performance Monitoring SIMATIC PCS 7 Maintenance Station Elektrische und mechanische Assets Integration von Assets in die Maintenance Station mit AssetM Überwachung von Kreiselpumpen mit PumpMon Anwendungsbereich Funktionsumfang Berechnung von Performance-Kenngrößen Kennlinien-Darstellungen Alarmierung Sensorik Nutzen Überwachung von Stetigventilen mit ValveMon Anwendungsbereich Funktionsumfang Kennliniendarstellungen Diagnosefunktionen Sensorik Nutzen Überwachung von Wärmetauschern mit HeatXchMon Anwendungsbereich Funktionsumfang Berechnung von Performance-Kennzahlen Kennliniendarstellungen Sensorik Nutzen Überwachung des Druckverlusts von Anlagenkomponenten mit PressDropMon Anwendungsbereich... 13

3 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Funktionsumfang Kennlinien-Darstellung Berechnung von Kennwerten Teach-Funktion Sensorik Nutzen Überwachung von Kompressoren mit CompMon Anwendungsbereich Funktionsumfang Berechnung von Performance-Kennwerten Kennfeld-Darstellungen Alarmierung Sensorik Nutzen Extrapolation zeitlicher Trends und Abschätzung der Restlebensdauer mit TrendMon Anwendungsbereich Funktionsumfang Nutzen Überwachung typischer verfahrenstechnischer Units Rührkesselreaktoren Rektifikations- und Destillations-Kolonnen Fazit Literatur... 22

4 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Einführung Angesichts hart umkämpfter Märkte und eines verschärften globalen Wettbewerbs kann sich heute kein Anlagenbetreiber Produktionsausfälle wegen defekter Komponenten leisten. Unerwartete Anlagenstillstände aufgrund von Fehlfunktionen bedeuten doppelten finanziellen Aufwand: Zu den Kosten für die korrektive Instandsetzung kommen nicht unerhebliche Einbußen durch den Produktionsausfall [3.]. Eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit durch Redundanzkonzepte beispielsweise bei Pumpensystemen ist ein erheblicher 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. infolge falscher Auslegung, erneut Schaden nimmt. Gerade in den komplexen, kapitalintensiven Anlagen der Prozessindustrie sind deshalb eine frühzeitige Problemerkennung und eine prädiktive Instandhaltung von erheblicher Bedeutung: Sie tragen nicht nur maßgeblich dazu bei, die Anlagenverfügbarkeit auf Maximalniveau zu halten, sondern haben auch einen nicht zu unterschätzenden 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 Instandhaltung. 1.1 Condition Monitoring und Performance Monitoring 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 erbrachten Leistung (Signalquelle) und Überwachung der Prozessführung. Ziel ist die Güte der Produktion; ein geändertes Verhalten einer Komponente wirkt sich als Störung (Verschlechterung) aus. Strategien und eingesetzte Werkzeuge ähneln sich. Häufig werden die gleichen Messwerte ausgewertet. Es handelt sich also um unterschiedliche 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 Informationsquelle (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 direkt im Betrieb gemessen. Daraus können indirekte Schlüsse über den Zustand gezogen werden, wenn es Referenzinformationen 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 Maintenance 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 erhaltende und Wert steigernde Instandhaltung. Das macht sie zugleich zu einem wertvollen Instrument zur Minimierung der über den kompletten Lebenszyklus der Anlage kumulierenden Gesamtkosten (Total Cost of Ownership). Die Maintenance Station ist auf das Plant Asset Management fokussiert und ermöglicht die vorbeugende (präventive) und vorausschauende (prädiktive) Diagnostik, Instandhaltung und Wartung der Anlage. Über die Maintenance Station stehen parallel zur Prozessführung auch durchgängige Instandhaltungsinformationen und -funktionen für die Systemkomponenten (Assets) zur Verfügung. Während der Anlagenfahrer über die Operator Station alle prozessrelevanten Informationen erhält und gezielt in den

5 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 5 Prozess eingreifen kann, kontrolliert der Instandhalter per Maintenance Station die Hardware der Automatisierungsanlage, bearbeitet deren Diagnosemeldungen und Wartungsanforderungen. 1.3 Elektrische und mechanische Assets Über die Maintenance Station hat das Instandhaltungspersonal standardmäßig Zugriff auf den Zustand elektrischer bzw. elektronischer Komponenten der Anlage: intelligente Feldgeräte und I/O-Baugruppen, Feldbus, Controller, Netzwerkkomponenten und Anlagenbus sowie Server und Clients der Operator Systeme. Intelligente Feldgeräte verfügen über umfangreiche Funktionen zur Eigendiagnose, so dass der Anwender stets im Bild ist, ob volle Funktionsfähigkeit oder aber eine Abweichung vom gewünschten Normalzustand vorliegt. Neben den elektrischen Assets sind auch mechanische Assets wichtige Bestandteile jeder verfahrenstechnischen Anlage: Pumpen, Stellventile, Wärmetauscher, Kompressoren usw. Im Vergleich zu den elektrischen Komponenten (Assets) der MSR-Technik stellen die mechanischen und verfahrenstechnischen Assets für den Anlagenbetreiber meist den wertvolleren Teil einer Gesamtanlage dar, sind aber aufgrund ihrer hohen mechanischen Belastung häufiger von Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen betroffen. Dennoch sind sie oft noch nicht an Plant Asset Management Systeme angeschlossen - im Gegensatz zu intelligenten Feldgeräten tauchen nicht-intelligente mechanische Assets ohne eigene Elektronik und Kommunikationsfähigkeit sie von sich aus nicht als Objekte im Prozessleitsystem auf. Nur wenige, besonders große und wertvolle mechanische Assets (z.b. Kompressor- Stationen) sind von sich aus mit einem speziellen Diagnosesystem ausgestattet. Der nachträgliche 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 zwischen mehreren Messwerten herstellen. Die Bausteine übernehmen eine reine Diagnosefunktion 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 Ausgangssignalen diese Bausteine auf Wunsch möglich, aber nicht von vorneherein innerhalb der Bausteine vorgesehen. Somit kann ein Einsatz auch problemlos als Nachrüstung erfolgen, ohne dass eine Beeinflussung des Prozesses zu befürchten ist. Im vorliegenden Whitepaper geht es um einen breiten Überblick zur Überwachung mechanischer 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 Station mit AssetM Mechanische Assets wie Pumpen, Motoren, Zentrifugen oder Wärmetauscher werden in der SI- MATIC PCS 7 Maintenance Station durch Stellvertreterobjekte repräsentiert, in denen die Bedingungen zur Generierung von Instandhaltungsanforderungen 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 Hierarchiebaum 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 Instandhaltungsmeldungen (-anforderungen) für das Instandhaltungspersonal, keine Warnungen und Alarme für den Anlagenfahrer. Dieser AssetM-Baustein liefert auch die Electronic Device Description (EDD) mit den Stammdaten der Anlagenkomponente (Hersteller, Typ- Bezeichnung, Baujahr, Einbauort etc.), so dass im Asset-Management-System auf die Anlagenkomponente genauso wie auf ein intelligentes Feldgerät zugegriffen werden kann.

6 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung von Kreiselpumpen mit PumpMon Pumpen sind besonders weit verbreitete rotierende Maschinen in verfahrenstechnischen Anlagen. Das PCS 7 Add-on Produkt PumpMon [7.] bietet eine kostengünstige Lösung für die Überwachung 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 zusätzliche Sensoren wie z.b. Körperschall- oder Beschleunigungs-Sensoren angewiesen sind Kennlinien-Darstellungen 2.1 Anwendungsbereich Der PumpMon-Baustein kann für elektrisch angetriebene Kreiselpumpen sowohl mit konstanter, als auch mit variabler Drehzahl verwendet werden. Typische Anwendungsbeispiele: Pumpen, die überdurchschnittlich häufig ausfallen, Kavitationsgefährdete Pumpen, u.a. bei der Wasserversorgung, Pumpen, in denen sich chemische Ablagerungen bilden, Pumpen, die in einem anderen als dem ursprünglichen geplanten Betriebspunkt arbeiten, Pumpen, die unerklärliche Fluktuationen in der Leistungsaufnahme zeigen, Anwendungsfälle, bei denen das bestimmungsgemäße Verhalten von Pumpen nachgewiesen werden soll. 2.2 Funktionsumfang Bild 2-1: PumpMon-Bildbaustein, Förderhöhenverlust z.b. durch Gasmitförderung 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.

7 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 7 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 Wirkungsgrad liegt unter der zugehörigen orangefarbigen Kennlinie. Bild 2-3: Npsh-Kennlinie im kavitationsfreien Betriebszustand der Pumpe Förderkennlinie: Darstellung der Soll- Förderhöhe in Abhängigkeit vom Durchfluss (bei drehzahlvariablen Pumpen drehzahlnormiert), mit minimalem und nominalem Durchfluss, Darstellung des aktuellen Arbeitspunkts, der absoluten und prozentualen Abweichung des Arbeitspunktes von der Kennlinie. Leistungskennlinie: Darstellung der erwarteten (mechanischen) Pumpenleistung in Abhängigkeit vom Durchfluss mit aktuellem Arbeitspunkt und Abweichung von der Kennlinie. Zusätzlich Darstellung des erwarteten hydraulischen Pumpenwirkungsgrades in Abhängigkeit vom Durchfluss mit ermitteltem aktuellem Wirkungsgrad. NPSH-Kennlinie: Logarithmische Darstellung des für den kavitationsfreien Betrieb erforderlichen NPSHr-Wertes ( required ) in Abhängigkeit vom Durchfluss, mit aktuellem NPSHa-Wert. Histogramme: Statistische Auswertung der Betriebszustände der Pumpe bzgl. Durchfluss (Pump-Last) und Kavitationsreserve Alarmierung Der Baustein bietet folgende Diagnosefunktionen zur Warnung des Betriebpersonals bei ungünstigen Betriebszuständen: Grenzwertverletzung bei den Leistungswerten, Unterschreiten des Minimaldurchflusses extremer Teillastbetrieb, Gefahr der Pumpenüberhitzung, Überschreiten des Nenndurchflusses Überlast, Abweichung Arbeitspunkt von der Förderkennlinie, d.h. Förderhöhenverlust auf Gasmitförderung oder Kavitation oder Blockade, Abweichung des Arbeitspunktes von der Leistungskennlinie, Abweichung des Arbeitspunktes von der Wirkungsgradkennlinie, Annäherung des NPSHa-Wertes an die NPSHr-Kennlinie Frühwarnung bzgl. Kavitation. 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 Dringlichkeit. Diagnosen wie akute Blockade oder Trockenlauf müssen unmittelbar dem Anlagenfahrer als Alarm gemeldet werden, da solche Betriebszustände in kurzer Zeit zu einer Schädigung der Pumpe führen können. Ein automatischer Nothalt der Pumpe wird typischerweise nicht über den PumpMonitor eingeleitet, sondern über die binäre Verriegelungslogik z.b. bei geschlossenen Ventilen. Prinzipiell könnte man durch Auswertung 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 gemeldet 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.

8 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 8 Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, die Informationen aus dem PumpMonitor entsprechend zielgruppenorientiert auszuwerten. Die Anforderung einer Instandhaltungsmaßnahme mit Hilfe einer Instandhaltungsmeldung wird nicht im PumpMon-Baustein selber, sondern im zugeordneten AssetM-Baustein [6.] durchgeführt, sh. Kapitel Sensorik Relevante Prozess-Messwerte für die Überwachung von Kreiselpumpen: Elektrische Wirkleistung des Motors Durchfluss des Fördermediums Eingangsdruck (Saugdruck) der Pumpe Ausgangsdruck (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) parametriert werden. Falls der Umrichter die Wellenleistung des Motors direkt liefert wird diese ebenfalls auf den PumpMon verschaltet. 2.4 Nutzen Die Diagnose-Logik des PumpMon kann folgende nicht-bestimmungsgemäßen Betriebszustände erkennen: Blockade Trockenlauf Förderhöhenabfall z.b. durch Gasmitförderung Spaltverschleiß Überlast Durch eine rechtzeitige Warnung des Anlagenfahrers können Überhitzung, Verschleiß und Beschädigungen der Pumpen durch solche Betriebszustände 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 akustisch 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 Strömungsgeschwindigkeiten 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 Strömungsrichtung 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 Förderhöhe) der Pumpe. Durch Vollkavitation kann es sogar zum vollständigen Zusammenbruch der Förderung kommen. PumpMon kann zudem für die Optimierung der Pumpenauslegung durch statistische Auswertung der Betriebsdaten (Erfassung des Lastkollektivs) eingesetzt werden und stellt gleichzeitig eine Lösung für das Aufspüren von Energieeinsparungsmöglichkeiten dar.

9 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung von Stetigventilen mit ValveMon Ventile gehören zu den meist verbreiteten Stellgliedern in verfahrenstechnischen Anlagen. Der Zustand der Ventile hat maßgeblichen Einfluss auf die Verfügbarkeit und Sicherheit der kompletten 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 Überwachung und Analyse von Stellventilen (Stetigventilen). Die Überwachung beruht auf der intelligenten Auswertung von Sensor-Signalen, die bereits im Leitsystem vorhanden sind. Der ValveMon ergänzt die Eigendiagnose eines elektropneumatischen Stellungsreglers wie z.b. Sipart PS, oder ersetzt diese ganz, falls der Stellungsregler keine Eigendiagnose aufweist, oder seine Eigendiagnose 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 durchgeführt (Überwachung der Betriebsstunden, Stillstandszeit, usw.). Stellventile mit Rückmeldung der Ventilpositionen erlauben eine Überprüfung auf Ventilbewegungsfehler (Verschleiß, Festbackungen, usw.). Liegen zusätzliche Prozesswerte vor, die häufig im Umfeld von Ventilen gemessen werden, kann eine erweiterte Ventildiagnose durchgeführt werden (Überwachung der Ventilkennlinie, des Versorgungsdrucks, usw.). Typische Anwendungsbeispiele Stellventile, die überdurchschnittlich häufig Fehlfunktionen und Verschleißerscheinungen aufweisen. Kavitationsgefährdete Stellventile. Stellventile, in denen sich chemische Ablagerungen bilden. Stellventile, die eine unerklärliche Abweichung bzgl. Ihrer ursprünglichen Durchflussund Reaktionszeitkennlinie aufweisen. 3.2 Funktionsumfang Kennliniendarstellungen Bild 3-1: ValveMon-Bildbaustein, Durchflusskennlinie bei Anbackungen am Ventilkörper Durchfluss-Kennlinie in Abhängigkeit von der Ventilstellung, wobei der Durchfluss umgerechnet wird auf Norm-Druckdifferenz. Die Soll-Kennlinie wird konstant parametriert, während die Ist-Kennlinie im laufenden Betrieb aus Messdaten erlernt und ständig 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.

10 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Diagnosefunktionen Der Baustein bietet folgende grundlegende Diagnosefunktionen zur Warnung des Betriebpersonals bei ungünstigen Betriebszuständen bzw. Erreichen von Verschleißgrenzen. Überwachung der max. zulässigen Betriebsstunden im Dauer-Stillstand ganz ohne Ventilbewegung Festbackungen, Verkrustungen. Überwachung der max. zulässigen Betriebsstunden im Dauerbetrieb ohne Ventilstillstand Überlastung. Überwachung der max. zulässigen Ventilhubanzahl Wartung. Überwachung der max. zulässigen Richtungsänderungen Wartung. Der Baustein erkennt mit den folgenden Diagnoseverfahren 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 Endlage Beschädigung des Ventilkegels, Nullpunktverschiebung. Feststellung einer bleibenden Regelabweichung 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 zusätzlicher Sensoren, die häufig im Umfeld von Ventilen bereits eingebaut sind, folgende erweiterte Diagnosefunktionen durchführen: Arbeitspunktüberwachung des Durchflusswertes 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- Durchflusskennlinie 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 Rückmeldung der Ventilposition folgende Prozesswerte: 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 verschiedener Prozesswerte möglich. So können Ventilfehlfunktionen und sich anbahnende Ventilausfälle 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 Erreichen von Verschleißgrenzen: Dauerbetrieb ohne Ventilstillstand, Dauerstillstand, Überschreiten der max. Hubanzahl etc. zur Früherkennung von sich anbahnenden Ventilschäden: An- oder Festbackungen, Abrasion, Verschleiß. zur langfristigen Optimierung der Ventildimensionierung durch statistische Auswertung der Betriebsdaten.

11 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung von Wärmetauschern mit HeatXchMon 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 Servicemediums (z.b. Kühlwasser, Heizdampf) gekühlt oder beheizt werden. Wärmetauscher verbrauchen erhebliche Mengen an Energie und müssen immer 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, Reaktionsfouling, Biofouling. Der PCS 7 Funktionsbaustein HeatXchMon bietet eine kostengünstige Lösung für die Überwachung und Analyse von Wärmetauschern. Die Überwachung beruht auf der intelligenten Auswertung von Messwerten und dem Vergleich mit Kennfeldern des Wärmetauschers. Diese Kennfelder werden vorab per Simulation des sauberen und verschmutzten Zustands des Wärmetauschers 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, Querstrom 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 berechnen. Wärmetauscher mit Wechsel des Aggregatszustandes (Verdampfer, Kondensatoren) können nur mit Hilfe von applikationsspezifisch modifizierten Varianten des HeatXchMon- Bausteins überwacht werden. Typische Anwendungsbeispiele Wärmetauscher, die besonders stark zu Korrosion oder Sedimentbildung neigen. Wärmetauscher, die durch Mikroorganismen verschmutzt werden (Biofouling). Wärmetauscher, in denen sich Ablagerungen aufgrund chemischer Reaktion oder Reaktionsprodukte bilden (Reaktionsfouling). Wärmetauscher mit schlechtem oder stark schwankendem Wirkungsgrad. 4.2 Funktionsumfang Berechnung von Performance- Kennzahlen Berechnung der Wärmeströme Q für den aktuellen ("act"), den sauberen ("clean") und maximal verschmutzten ("dirty") Zustand aus Kennfeldern. "Maximal verschmutzt" bezeichnet den Zustand des Wärmetauschers, bei dem eine Reinigung umgehend erforderlich ist. Berechnung des Performance-Kennwertes HeatPerf für die Wärmeübertragung als Maß für das Fouling: Q HeatPerf Q act clean Q Q dirty dirty 100% 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 sauberen Zustand den Wert 100% und im maximal verschmutzten den Wert 0% annimmt. Berechnung der Energieverluste pro Tag bezogen auf den Referenz-Wärmestrom im sauberen Zustand Energieverschwendung. Überwachung der finanziellen Verluste pro Tag, verursacht durch den Energieverlust.

12 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Kennliniendarstellungen 4.4 Nutzen Der HeatXchMon ermöglicht eine zustandsorientierte Instandhaltung von Wärmetauschern in Abhängigkeit des Foulings. Sowohl der Abnutzungsvorrat, als auch der thermische Wirkungsgrad, d.h. der Energieverlust und die damit einhergehenden finanziellen Verluste durch verschlechterten Wärmeübergang können bei der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen berücksichtigt werden. 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 Abhängigkeit vom Massenstrom des Servicemediums als zweidimensionaler Schnitt durch das fünfdimensionale Kennfeld, Darstellung des aktuellen Wärmestroms im Arbeitspunkt und des Wärmestroms im maximal verschmutzten Zustand. Bild 4-2: Fouling an einem Wärmetauscher 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 Servicemediums Durchfluss des Produktmediums Eintritts- und Austrittstemperatur des Produktmediums Mit Hilfe von SteadyState-Funktionsbausteinen werden alle Messwerte Tiefpass-gefiltert und auf stationäre Zustände überwacht, da die im HeatXchMon hinterlegten Kennfelder nur stationäre Zustände beschreiben. Bild 4-3: Überwachung eines Wärmetauschers in Simatic PCS 7

13 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung des Druckverlusts von Anlagenkomponenten mit PressDropMon In vielen verfahrenstechnischen Komponenten besteht die Gefahr, dass sich im laufenden Anlagenbetrieb Ablagerungen oder Anbackungen bilden, die den Strömungswiderstand und damit den Druckverlust erhöhen. Dies kann zu erhöhtem Energieverbrauch oder reduziertem Durchsatz, aber auch zu Störungen des Anlagenbetriebs 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 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 Berechnung von Kennwerten Um die Verschleißreserve WearReserve zu berechnen wird vom Anwender eine "kritische" relative Abweichung CriticDev von der Sollkennlinie spezifiziert, bei deren Erreichen die Funktionsfähigkeit der Anlagenkomponente gefährdet und eine sofortige Instandhaltungsmaßnahme erforderlich ist. Die Verschleißreserve wird dann folgendermaßen aus den Abweichungen von der Sollkennlinie bestimmt: WearReserve = 1 (RelDev / CriticDev) 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 Viskosität. Die Kennlinie kann für bis zu fünf verschiedene Viskositätsbereiche parametriert werden, d.h. es handelt sich um eine Kennlinienschar mit der Viskosität als Scharparameter.

14 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 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 Temperatur. 5.4 Nutzen Um Ablagerung oder drohende Verstopfung im Inneren der Anlagenkomponente zu diagnostizieren wird die Soll-Differenzdruckkennlinie mit dem momentanen Arbeitspunkt verglichen. Liegt die Abweichung des Arbeitspunkts von der Sollkurve 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 Strömungswiderstands 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 konstanter 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 Verstopfung vor, oder ggf. Leckage innerhalb der Komponente. (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 Instandhaltungsmaßnahme mit Hilfe einer Instandhaltungsmeldung wird nicht im Baustein PressDropMon selbst, sondern im zugeordneten AssetM-Baustein durchgeführt.

15 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung von Kompressoren mit CompMon Der PCS 7 Funktionsbaustein CompMon [10.] bietet eine kostengünstige Lösung für die Überwachung von Turbo-Kompressoren. Die Überwachung beruht auf der intelligenten Auswertung von Messwerten (Drücke, Temperaturen, Durchfluss 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, rotatorische Strömungsmaschinen, d.h. Turbokompressoren betrachtet. Diese werden in verfahrenstechnischen Anlagen häufig zur Förderung oder Komprimierung von Prozessgasen eingesetzt. Zur Druckluft-Erzeugung ( für pneumatische Ventilantriebe etc. werden dagegen meist Schraubenkompressoren oder Kolbenkompressoren eingesetzt. Diese gehören zur Klasse der Verdrängerkompressoren und Verdrängerkompressoren sind generell nicht Gegenstand der Betrachtung für den CompMon. Eine umfassende Überwachung von Kompressoren mit hoher Diagnosetiefe kann nur vom Hersteller des Kompressors selbst entwickelt werden. Diese wird beispielsweise vom Siemens Sektor Energy als Compressor Awareness System (CAS) angeboten, im Rahmen eines Service-Geschäfts für die von Siemens selbst konstruierten und verkauften Kompressoren. Bei diesen Kompressoren handelt es sich um kostspielige Einzelstücke, die für spezielle Anforderungen konstruiert und in Einzelfertigung hergestellt 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 großen 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 Schädigung oder sogar Zerstörung des Kompressors führen können. Ein Pumpen tritt dann auf, wenn der Verdichter nicht genug Druck erzeugt, um den abströmseitigen Widerstand zu überwinden. Das bedeutet, dass der Verdichter einen geringeren Druck erzeugt als im abströmseitigen System herrscht. Dies kann zu einer vorübergehenden Durchflussumkehr im Verdichter führen. Eine funktionsfähige Anti-Pump-Regelung und ein Sicherheitssystem für den Pump-Schutz werden für die Anwendung von CompMon vorausgesetzt. Typische Anwendungsbeispiele: Kompressoren, die besonders stark zu Instabilitäten im Verdichterbetrieb (z.b. Pumpen ) neigen. Kompressoren, in denen sich Ablagerungen aufgrund chemischer Reaktion oder Reaktionsprodukte bilden (Reaktionsfouling). Kompressoren mit schlechtem oder stark schwankendem Wirkungsgrad. 6.2 Funktionsumfang Berechnung von Performance- Kennwerten Der Funktionsbaustein CompMon berechnet folgende aerodynamischen Performance- Kenngrößen: Spezifische isentrope und polytrope Förderarbeit, Isentroper und polytroper Wirkungsgrad Kennfeld-Darstellungen Der CompMon-Bildbaustein stellt vier verschiedene 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 Pumpgrenze. Die Kennlinien beginnen links an der Pumpgrenze. Das rechte Ende jeder Kennlinie stellt die Sauggrenze dar. Polytroper Wirkungsgrad über Durchfluss.

16 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 16 Bild 6-1: Kennlinie polytrope Förderarbeit Bild 6-3: Kennlinie Ausgangsdruck Bild 6-2: Kennlinie polytroper Wirkungsgrad Bild 6-4: Kennlinie mechanische Wellenleistung Die anderen beiden Kennfelder werden durch thermodynamische Berechnungen von den ersten 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 mechanische Wellenleistung angezeigt. Die Leistungs-Obergrenze des Antriebs wird als horizontale Linie eingeblendet. Alle Kennlinien hängen von einem Scharparameter, 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 Umfangsgeschwindigkeit 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 Auslegungsdrehzahl (typisch 100%). Die Kennlinie für die

17 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 17 aktuelle Drehzahl wird daraus durch Interpolation berechnet Alarmierung Meldungen können ausgelöst werden durch Abweichungen des aktuellen Arbeitspunktes von den vier hinterlegten Kennfeldern für den idealen Zustand. Überschreitungen der zulässigen Abweichungen werden über den CompMon- Baustein gemeldet und zusätzlich auch anhand von Bausteinausgängen einer Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. 6.3 Sensorik Relevante Prozess-Messwerte für die Überwachung von Kompressoren: Eingangsdruck (Druck vor dem Kompressor) Ausgangsdruck (Druck nach dem Kompressor) Durchfluss vor dem Kompressor Eingangstemperatur (Temperatur vor dem Kompressor) Ausgangstemperatur (Temperatur nach dem Kompressor) Stellung des Bypass-Ventils (Sollwert und Stellungsrückmeldung) Mechanische Wellenleistung des Kompressor-Antriebs Drehzahl oder IGV-Stellung Bei mehrstufigen Verdichtern wird jede Stufengruppe separat betrachtet, was eine Umrechnung der Volumenströme und ausreichende Instrumentierung auch zwischen den Stufengruppen erfordert. Bei mehrstufigen Verdichtern für die Drucklufterzeugung verfahrenstechnischer Anlagen ist diese oft nicht vorhanden, so dass der CompMon-Baustein für solche Anwendung 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 Beschädigungen an den Schaufeln kann mit dem CompMon verbessert werden und dadurch auch die Verfügbarkeit der kompletten Anlage. Erkennbare Schädigungen am Kompressor können auch durch Anlagerung von Schmutzpartikeln am Laufrad oder Erosion der Schaufeln durch Flüssigkeitsschlag entstehen. Die langfristige Optimierung der Kompressordimensionierung wird durch statistische Auswertung der Betriebsdaten unterstützt. Hierzu wird die Häufigkeitsverteilung des Betriebes in verschiedenen Lastbereichen ermittelt.

18 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Extrapolation zeitlicher Trends und Abschätzung der Restlebensdauer mit TrendMon 7.1 Anwendungsbereich Mit Hilfe des PCS 7 Bausteins TrendMon können die von XxxMon oder anderen Asset- Management-Bausteinen berechneten Verschleißreserven so aufbereiten werden, dass der zeitliche Verlauf in die Zukunft extrapoliert wird. So lässt sich die Restlaufzeit der überwachten Komponente abschätzen. Um einen Anlagenstillstand zu vermeiden, muss die betroffene Komponente 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 Restlebensdauer für den Betreiber der Anlage wichtig ist: Überwachung von Strömungswiderständen mit PressDropMon-Baustein: die Ausgangsvariable WearReserve (Verschleißreserve) wird abgeleitet von der Abweichung des aktuellen Arbeitspunktes von der Sollkennlinie und kann auf den TrendMon-Baustein verschaltet werden. Überwachung von Wärmetauschern mit dem HeatXchMon-Baustein: die Ausgangsvariable HeatPerformance ( %) beschreibt die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf den Wärmetransport und kann durch 100 dividiert als Verschleißreserve interpretiert und auf den TrendMon-Baustein verschaltet werden. Bei HeatPerformance=0 ist der Wärmetauscher 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 maximale Lebensdauer MaxStrokes in Ventilhüben angegeben wird, dann können Sie die Verschleißreserve folgendermaßen berechnen: WearReserve= 1 - Strokes/MaxStrokes Aus der Abweichung des aktuellen Arbeitspunktes von der erwarteten Durchflusskennlinie kann applikationsspezifisch ebenfalls eine Verschleißreserve abgeleitet werden, falls bekannt ist, bei welcher Abweichung eine Reinigungsmaßnahme zwingend erforderlich ist. Überwachung von Kreiselpumpen mit dem PumpMon-Baustein: die Ausgangsvariable DevDelHi beschreibt die relative Abweichung von der Förderkennlinie und gibt damit einen Hinweis auf möglichen Verschleiß. Je nach Applikation kann individuell entschieden werden, bei welchem Förderhöhenverlust eine Wartungsmaßnahme erforderlich 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 geförderten Mediums kann es zu Verschmutzungen, Anbackungen oder Abrasion kommen, die die hydrauliche Leistung beinträchtigen. Je nach Applikation kann individuell entschieden werden, bei welcher Abweichung der hydraulichen Leistung eine Wartungsmaßnahme erforderlich ist, und eine Verschleißreserve für den TrendMon-Baustein im CFC entsprechend berechnet werden. 7.2 Funktionsumfang Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Eingangsgröße Verschleißreserve in der Vergangenheit und lineare Extrapolation des Verlaufs in die Zukunft.

19 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS für den Maintenance Request (grüner Schraubenschlüssel), 0.9 für den Maintenance Demand (gelber Schraubenschlüssel), 1 für den Maintenance Alarm (roter Schraubenschlüssel) gesetzt. Bild 7-1: Extrapolation der Verschleißreserve von der Vergangenheit in die Zukunft 7.3 Nutzen Der Schätzwert für die verbleibende Restlaufzeit wird mit einer minimal erforderlichen Restlaufzeit ins Verhältnis gesetzt; dies ergibt die sogenannte Kritikalität : Criticality = RestTimeMin / RestTimeEstim Bei einer Unterschreitung der minimalen Restlaufzeit wird die Kritikalität größer als 1, und es wird ein entsprechender Binärausgang Rest- TimeUnderrun am TrendMon gesetzt. Diese Kritikalität kann wiederum verwendet werden, um durch Kombination mit einem AssetM-Baustein eine Instandhaltungs-Anforderung (Wartungsalarm) 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 AssetM-Bausteins verschaltet. Die Maintenance- Alarm-Grenzen werden dann beispielsweise auf

20 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS Überwachung typischer verfahrenstechnischer Units Bild 8-1: KPIs zur Überwachung einer Destillationskolonne, v.l.n.r relativer Energieverbrauch, Druckverlust, Rücklaufverhältnis, Durchsatz und Produktqualität Bestimmte verfahrenstechnische Grundoperationen werden typischerweise in bestimmten Typen verfahrenstechnischer Apparate durchgeführt, wie beispielsweise Rührkesselreaktoren oder Destillationskolonnen. Im Rahmen vorgefertigter Musterlösungen ("Solution Templates") für die Automatisierung solcher 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 Monitoring, [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 (Edukten) durch Reaktionen das oder die Produkte hergestellt. In einem Reaktor können eine oder auch mehrere Phasen (gas, flüssig, fest) vorliegen und unterschiedliche Reaktionsmechanismen ablaufen. Folgende Kennzahlen sind generell für alle Reaktoren relevant [4.]: Die Produktqualität mit Spezifikationen wie Reinheit (z. B. Mindestkonzentration einer oder mehrerer Produktkomponenten, oder Maximalkonzentration von einer oder mehreren Verunreinigungen / Nebenkomponenten) oder anderen Produkteigenschaften (z. B. Molmassenverteilung, Viskosität, Schmelzindex, Farbe, Geruch). Der Umsatz ist die im Batch-Betrieb während der Reaktionszeit umgesetzte Menge des die Reaktion stöchiometrisch begrenzenden 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 eintretenden Menge des Eduktes. Die Ausbeute ist das Verhältnis der gebildeten Molmenge eines Produktes zu der eingesetzten Molmenge des die Reaktion stöchiometrisch begrenzenden Eduktes. Die Selektivität ist das Verhältnis der gebildeten Molmenge eines Produktes zu der

21 White Paper Asset Management mechanischer Anlagenkomponenten mit SIMATIC PCS 7 21 umgesetzten Molmenge des die Reaktion stöchiometrisch begrenzenden Eduktes. Spezifischer Energieverbrauch: Reaktionen verbrauchen oder erzeugen Wärme. Die spezifische Reaktionswärme ist theoretisch bekannt und kann mit der in der Produktion freiwerdenden bzw. verbrauchten Wärmemenge anhand einer Wärmebilanz verglichen werden. Spezifischer Katalysatorverbrauch: Verhältnis des Massenstroms an Katalysator bezogen 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 Destillations-Kolonnen Bei der Rektifikation wird ein Mehrkomponentengemisch in mindestens zwei Ströme zerlegt, wobei man sich die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Komponenten zunutze macht. Am Kopf der Rektifikationskolonne wird das Kopfprodukt (Leichtsieder) und am Sumpf das Sumpfprodukt (Schwersieder) abgezogen. Die Performance wird generell anhand folgender Kennzahlen bewertet: Reinheiten von Kopf-, Sumpfprodukt, Seitenabzug. 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 Energieverbrauch 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 Verschmutzungen (Korrosion, Anbackungen) an den Einbauten (Kolonnen-Böden, Füllkörper oder Packungen). Funktionen zur Berechnung und Überwachung dieser Performance-Kenngrößen serienmäßig integriert. Weitere Solution Templates für verfahrenstechnische Units liegen als Prototypen vor und werden für die Bereitstellung zum Download vorbereitet: Rührkessel-Reaktor mit Mantelkühlung, Bioethanol-Fermenter, Polymerisationsreaktor mit Advanced Process Control, Wirbelschichttrockner mit Advanced Process Control. Im PCS 7 Solution Template zur Automatisierung von Destillationskolonnen ( [12.], [13.]) sind