Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Branchenfokus: Ausgabe 12/2015, 08.12.2015

Pumpendaten auf der Überholspur

Die Echtzeitkommunikation verschiedener Komponenten bringt nicht nur Wettbewerbsvorteile. Damit das aber einwandfrei funktioniert, sind innovative Techniken als auch Softwareprogramme gefragt. Spezialisten wissen, wie das reibungslos funktioniert.

Autor: Grant Bradford Vertriebsleiter Industrie

Bilder: GRUNDFOS Pumpen AG

Transport- und Dosierpumpen spielen überall dort eine zentrale Rolle, wo Betriebe Lebensmittel herstellen und abfüllen: Zum einen im Produktionsprozess selbst, häufiger noch in den Sekundärkreisläufen (Kühlen, Heizen, Wasserversorgung, Brauchwasserentsorgung) und in den CIP Reinigungsloops (Cleaning-in-Place). Um in Echtzeit mit der Prozessleittechnik zu kommunizieren, ist die Anbindung der Pumpen per Industrial Ethernet optimal. Grundfos hat dazu die entsprechenden Module im Programm.

Wettbewerbsvorteil.

Unternehmen stehen in jeder Branche immer wieder vor der Aufgabe, sich vom Wettbewerb zu differenzieren. Das erfolgt in der Lebensmittelindustrie in aller Regel über die Eigenschaften und den Preis des Produktes. Doch es gibt weitere Chancen, die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern – beispielsweise durch den Einsatz energie- effizienter Pumpen und die Installation smarter Dosierpumpen. Das senkt zum einen den Verbrauch an elektrischem Strom und mindert zum anderen die Produktkosten. Die Anbindung der Pumpen an die Prozessleittechnik sorgt zudem für sichere Prozesse.

Vorteil durch Integration.

Waren dazu bislang eine ganze Reihe externer Komponenten wie Frequenzumrichter, Sensoren, Datenspeicher und Regler notwendig, so integrieren Ingenieure diese heute in die Pumpe. Der elektronisch drehzahlgeregelte Antrieb mit integriertem Frequenzumrichter ist beim Pumpen- spezialisten Standard. Die integrierte Elektronik lässt eine optimale Anpassung der Pumpe an die Betriebsbedingungen zu, verbessert die Verfügbarkeit und reduziert durch optimierte Regel-algorithmen die elektrische Leistungsaufnahme.

Intelligentes Hybridsystem.

Den ganzheitlichen Systemansatz für Pumpenanlagen – die Verschmelzung selbst ent-wickelter und gefertigter Komponenten (Hydraulik, Antriebslösungen, Sensoren, Regelungstechnik) zu einem intelligenten Hybridsystem – nennt der Hersteller «iSolutions». Sozusagen das Herzstück jeder Systemlösung sind zuverlässige und robuste Sensoren, die für eine präzise Übertragung der Anlagendaten sorgen. Deren patentierte Silicatbeschichtung erlaubt einen direkten Kontakt mit dem Medium im Dauereinsatz. Das gewährleistet eine kurze Ansprechzeit auf schnelle Temperaturänderungen in der Anlage.

Integrierte Sensoren sind als Durchfluss-, Differenzdruck- und Relativdrucksensoren in Kombination mit einer Temperaturmessung verfügbar. Nicht nur die geringeren Investitionskosten überzeugen: Integrierte Messfunktionen reduzieren die Zahl der Systemkomponenten, damit den Montageaufwand und insgesamt die Komplexität.

Damit eine «iSolutions» in Echtzeit mit der Prozessleittechnik kommunizieren kann, sind schnelle Daten-Highways erforderlich. Bussysteme bieten sich dazu besonders an.

Welchen Bus wählen?

Planer und Betreiber bevorzugen offene Lösungen und versuchen sich unabhängig zu machen von firmenspezifischen Entwicklungen. Das ist nachvollziehbar: Den proprie-tären Insellösungen fehlt es zumeist an Flexibilität und sie machen den Betreiber abhängig von einzelnen Herstellern. Offene Bussysteme hingegen vermeiden konzeptbedingt diese Nachteile.

Industrial Ethernet.

Industrielle Daten- netzwerke lassen sich in drei Kommunikationsebenen strukturieren: Leit-, Steuer- und Aktor-/Sensor-Ebene. Insbesondere in der Steuer- und Sensor-/Aktor-Ebene gewinnen die Echtzeit- eigenschaften des eingesetzten Kommunikationssystems an Bedeutung.

Um seine Pumpen in ein Feldbus-system integrieren zu können, nutzt der Spezialist seit Jahren bereits pumpenspezifische Feldbuskarten. Sie erlauben die Datenbuskommunikation über offene Datenbusprotokolle. Damit lassen sich die Pumpen von der Leitzentrale optimal ansteuern. Drahtlose Varianten basieren auf GSM/GPRS-Mobilfunktechnik und können entlegene Geräte per Modbus-Protokoll an die Leittechnik anbinden.

Die Feldbuskarten sind in zwei Ausführungen verfügbar: Als CIM (Communication Interface Module) – diese Steckkarten sind direkt im Antrieb der Pumpe eingesteckt – und als CIU (Communication Interface Unit) in einer externen Box mit integriertem 24-240 Volt AC/DC-Netzteil. Speziell für seine Smart-Digital-Dosierpumpen hat der Hersteller eine zwischen Pumpe und Fussplatte einklickbare E-Box entwickelt.

Die Datenbusmodule basieren auf Standard-funktionsprofilen, um den Datenaustausch im Netzwerk und die Inbetriebnahme so einfach wie möglich zu gestalten. Die Verwendung von Standardfunktionsprofilen sorgt für ein benutzerfreundliches einfaches Verständnis der übertragbaren Daten.

Existierende Feldbusse der ersten Generation ersetzen oder ergänzen Ingenieure mittlerweile häufig durch ein echtzeitfähiges Industrial Ethernet. Die neuen ethernetbasierten Feldbussysteme bieten grosse Vorteile, da Spezialisten für die Kommunikation auf bekannte Hardwarekomponenten (zum Beispiel RJ45-Stecker, Switch, Hubs) zurückgreifen können. So bleibt das Feldbusprotokoll an sich unverändert, nur der Kommunikationstransport erfolgt über Ethernet.

Neben den klassischen Feldbusprotokollen (für die Gebäudeautomation oder für industrielle Prozesse) offeriert der Spezialist deshalb das CIM/CIU 500, das Industrial-Ethernet-Busprotokolle unterstützt. Um die Variantenvielfalt zu reduzieren, unterstützt eine einzige CIM 500-Feldbuskarte durch Drehen eines Schalters unterschiedliche Ethernet-Busprotokolle wie Profinet IO, Modbus TCP und BacNet IP.

Vorteile für die Praxis.

Gerade in Zusammenhang mit neuen SPS (speicherprogrammierbaren Steuerungen) und mit integrierter Profinet-Schnittstelle, bietet die Ansteuerung/Überwachung via Feldbus dem Betreiber deutliche Vorteile:

  • direkte Kommunikation mit SPS, die standard-mässig über eine Ethernet-Schnittstelle verfügen
  • optimale Ansteuerung von drehzahlgestellten Pumpenantrieben mit grossem Regelbereich
  • kundenspezifische Auswertung von Warn- oder Alarmsignalen über eine weitere Bearbeitung in der SPS
  • Aufnahme von Energie-verbrauchswerten
  • erfassen zusätzlicher Sensorwerte der Pumpe
  • modularer Aufbau, nachrüstbar
  • ein Modul für unterschiedliche ethernetbasierte Feldbussysteme.

Jedem CIM/CIU-Datenbus-Kommunikationsmodul liegt eine DVD bei, auf der alle notwendigen Informationen wie Funktionsprofile, Bedienanleitungen und datenbusspezifische Dokumentationen aufgespielt sind. Daneben sind zum Beispiel für Smart- Digital-Dosierpumpen Beispielprogrammierungen beigelegt, um die Integration in die Prozessleittechnik einfach zu gestalten.

Damit ist eine optimierte Sollwertansteuerung und eine Visualisierung der Pumpendaten inklusive dem zentralen Datenmonitoring auf der Prozessleittechnik realisierbar. Ziel ist es, dem Betreiber einfach und schnell die Kommunikation mit seinen Prozessgeräten zu erlauben und beispielsweise durch eine optimierte Drehzahlregelung Energie einzusparen oder den Prozess aktiv zu beeinflussen. Durch die Transparenz der Daten lassen sich Statusdaten überwachen und Wartungsarbeiten planen. Dies verbessert das Berichtswesen, erhöht die Anlagenverfügbarkeit, die Anlagen-sicherheit und gestattet eine einfache und schnelle Analyse der Prozesse.

Frequenzumrichter präziser steuern.

Die Anbindungsoptionen an die zentrale Leittechnik per Feldbus eröffnet dem Betreiber vielfältige und effiziente Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten. Dies gilt in besonderer Weise für Prozesspumpen, die per Frequenzumformer drehzahlverstellbar sind.

Im Gegensatz zur Analogan- steuerung lässt sich der Frequenzumrichter mittels Feldbuskommunikation wesentlich genauer und flexibler ansteuern. Toleranzen von Digital-/Analogwandler werden bei der Digitalübermittlung ausgeblendet, so dass eine wesentlich präzisere Ansteuerung und Datenübermittlung erfolgen kann. Auch die Anfälligkeit gegenüber Störungen der Analogsignale ist bei der Feldbuskommunikation ausgeblendet.

Ebenso lässt sich bei der Feldbus-ansteuerung zwischen verschiedenen Betriebsarten wechseln (beispielsweise von der Konstantdruckregelung zur Konstantvolumenstromregelung etwa bei Pumpen in Prüfstandanwendungen).

Bei Anschluss eines Volumenstromsensors lässt sich der Datenpunkt «Spezifische Energie kWh/m3» erfassen, der einen Rückschluss über die Effizienz des gesamten hydraulischen Systems gibt. Jegliche Störung des Systems (Ver-blockung, Kavitation, Verschleiss) lässt den Wert der spezifischen Energie ansteigen, da für das Fördern von einem Kubikmeter Medium mehr Energie nötig ist, als zum Zeitpunkt der Erstinbetriebnahme. Bei Festlegung eines Schwellenwertes, kann das System bei Bedarf eine Warnung absetzen. So ist frühzeitig eine schleichende energetische Verschlech-terung des Systems zu erkennen.

Ziel

der Industrial-Ethernet-Technik

ist es, ein einheitliches Kommunikationssystem zu definieren, das einerseits eine gute Anbindung an die IT-Systeme in der Leitebene und andererseits gute Echtzeiteigenschaften für die Kommunikation der dezentralen Feldgeräte mit den Steuerungen erlaubt. Das Kommunikationsinterface gestattet die Kopplung von Grundfos-Pumpen an das echtzeitfähige Industrial Ethernet.

Die in Echtzeit verfügbaren Daten erlauben dem Betreiber in der Lebensmittelindustrie neben einem optimalen Betrieb der Pumpen (minimale Energiekosten, sichere Prozessführung) auch eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie. Abweichungen vom Sollzustand der Technik sind so frühzeitig erkennbar, dass eine vorbeugende Wartung vielfach entbehrlich ist.



Weitere Informationen:
GRUNDFOS Pumpen AG
www.grundfos.ch