Präzise Temperaturberechnung mit reduzierter Komponentenanzahl und erhöhter Flexibilität

In hochkomplexen Anlagen z. B. im Kraftwerksbereich oder in der Stahlindustrie werden auch an die Mess- und Analysetechnik hohe Anforderungen gestellt. Dazu zählen zum einen die schnelle und präzise Datenerfassung und zum anderen ein möglichst flexibler, erweiterbarer sowie kosten- und platzsparender Systemaufbau. Bonnenberg & Drescher setzt daher bei der „Akustischen Gastemperaturmessung“ (AGAM) auf die PC-und EtherCAT-basierte Steuerungs- und Messtechnik von Beckhoff.

Die Bonnenberg & Drescher GmbH, Aldenhoven, ist Spezialist für Prozessanalyse und Prozessoptimierung, hauptsächlich im Bereich von Verbrennungsprozessen. Nach der Gründung 1971 beschäftigte man sich zunächst mit kerntechnischen Fragestellungen, von der Auslegung und Lebensdaueranalyse von Kühlsystemen und kritischen Komponenten bis hin zu kerntechnischen Sicherheitsfragen wie z. B. Strahlenschutz, radioaktive Emissionen und deren Verhalten in der Umwelt. In den 1980er Jahren wurde das Angebotsspektrum um den Bereich konventionelle Kraftwerke ergänzt, insbesondere um die Analyse und Optimierung der Verbrennungsprozesse. Seit Beginn der 1990er Jahre setzt das Unternehmen hierfür das AGAM-System ein. Außerdem kommt die Technik in Müllverbrennungsanlagen und Hochöfen zum Einsatz.

Das physikalische Prinzip hinter dem Messaufbau ist einfach: Die Schallgeschwindigkeit in einem Gas hängt von der Gastemperatur ab: je heißer das Gas, desto schneller die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen. Zur exakten Messung der Gastemperaturen werden mehrere Mikrofone am Kessel verteilt, die reihum ein Signal erzeugen, das gleichzeitig von allen Einheiten empfangen wird. Daraus lässt sich ein 2D-Temperaturprofil des Gases im Kessel berechnen. Der besondere Nutzen dieses Verfahrens liegt in der strahlungsfrei gemessenen Gastemperatur, die zur Prozessoptimierung der Anlage verwendet wird. Die Ergebnisse sind:

• Reduzierung von Brennstoff-Einsatz und Minderung des CO₂-Ausstoßes durch optimierte Verbrennung,
• starke Verringerung von Korrosion in der Anlage,
• Steigerung von Anlagendurchsatz und Verfügbarkeit (Müllverbrennung).

PC-based Control ersetzt Spezialprodukte und Zusatzkomponenten

In der Vergangenheit war der Systemaufbau für dieses Mess- und Analysesystem eher „klassisch“ umgesetzt: Mit einem leistungsstarken Serversystem für die Messwertverarbeitung und -archivierung wurden bis zu 16 Kanäle mit 25 kHz Taktfrequenz – also 400.000 Werte/s – erfasst und verarbeitet (Fourier-Transformieren, Korrelieren etc.). Hinzu kamen eine PLC für einfache Automatisierungsfunktionen sowie diverse Spezialprodukte wie z. B. A/D-Wandler zur schnellen, deterministischen und hochauflösenden Erfassung der Analogsignale (Schallwellen).

Mit dem Einsatz der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff reduzierte sich die Anzahl der notwendigen Komponenten auf ein einziges CPU-System. Der Embedded-PC CX2062 bietet mit Intel^®-Xeon^®-CPU (2,0 GHz Taktfrequenz und acht Prozessorkerne) ausreichend Leistung für die rechenintensiven Analysen. Falls dennoch erforderlich, stehen sogar noch leistungsfähigere Prozessoren zur Verfügung. Besonders wichtig für die Qualität des Analysesystems ist laut Bonnenberg & Drescher die schnelle und zeitsynchrone Erfassung und Digitalisierung der Analogsignale. Je höher die Abtastrate, umso genauer ist insbesondere die zeitliche Auflösung, und je geringer der Jitter, desto genauer ist die Temperaturmessung per Fourier-Analyse und Korrelation der Messkanäle. Zum Einsatz kommen hierfür die EtherCAT-Analog-Eingangsklemmen EL3702. Diese nutzen die Oversampling-Funktion, fahren also pro Feldbuszyklus einen eigenen Messzyklus, mit dem sie den Feldbus „überabtasten“ können. Durch die verteilten Uhren (Distributed Clocks) von EtherCAT ist die zeitliche Auflösung zudem sehr exakt (+/-20 ns). Weiterhin ist der gesamte Datensatz mit dem EtherCAT-Zyklus und der TwinCAT-Applikation mit derselben Genauigkeit synchronisiert und zeitgestempelt. Mit der EtherCAT-Klemme EL3702 können Signale mit bis zu 100 kHz erfasst werden; die Anzahl der Kanäle ist mit dem neuen System nicht mehr auf 16 beschränkt.

Modulares System erhöht die Flexibilität

Der ADS-Router ist die Kommunikationszentrale eines TwinCAT-Systems. Von hier aus werden die vorverarbeiteten Daten weiteren Anwendungen zur Verfügung gestellt. Per ADS-DLL gelangen die Daten zur weiteren Verarbeitung in die C#-Umgebung des AGAM-Systems. Die Ergebnisse werden anschließend ebenfalls per ADS wieder in das TwinCAT-System übertragen und können von dort über gängige Feldbusinterfaces, wie z. B. EtherCAT, PROFINET und Modbus, an Kundensysteme weitergeleitet oder als Visualisierungs-Webinterface im Kundennetzwerk bereitgestellt werden.

Auf der I/O-Ebene lässt sich das System nach den Erfahrungen von Bonnenberg & Drescher ebenfalls sehr einfach erweitern. Eine Ergänzung bereits vorhandener Anlagen ist durch einfaches Stecken zusätzlicher Klemmen möglich. In der Software müssen lediglich weitere Instanzen bereits vorhandener Softwaremodule gebildet werden. Die Verfügbarkeit von EtherCAT-Kopplern mit LWL-Schnittstellen (Kunststoff-, Multimode- oder Monomode-Glasfaser) macht das System noch flexibler, da sich auf diese Weise auch weit entfernte Messstellen erreichen und die analogen Verdrahtungen minimieren lassen.

QM durch „reziprokes Steuerungssystem“

In der Qualitätssicherung konnten durch den Einsatz der Beckhoff-Technologie ebenfalls deutliche Fortschritte erzielt werden. Für die notwendigen Simulationen wird im Grunde das gleiche System wie für die Messtechnik verwendet, nur eben reziprok: Die Komponenten am Kessel werden simuliert, indem über Oversampling-Analog-Ausgangsklemmen EL4732 die Mikrofondaten erzeugt werden – dazu die 24-V-Signale entsprechend in umgekehrter Richtung. Jedes Messsystem durchläuft einen mehrtätigen Dauertest, bevor es an die Kunden ausgeliefert wird.

Seit 2021 ist auch das modifizierte AGAM-Q1-System verfügbar, welches vom TÜV abgenommen wurde und für den Einsatz bei offiziellen und zertifizierten Temperaturmessungen in Anlagen geeignet ist. Für den gesetzlich vorgeschriebenen Selbsttest des Messsystems werden die Ausgangsklemmen EL4723 verwendet.

Überstromschutzklemmen sparen Kosten und Platz

Bei der elektronischen Überstromschutzklemme EL9227-5500 stand zunächst deren Standardnutzung im Vordergrund: der Ersatz von konventionellen Sicherungen durch eine elektronische Sicherung mit EtherCAT-Interface. Dies ergibt zahlreiche Vorteile wie z. B.:

• Platz- und Kosteneinsparungen,
• flexible Konfiguration von Auslösestrom, Warnlevel für Strom und Spannung, Sicherungscharakteristik, Anlaufverhalten usw.,
• komplette Messfunktion von Strom- und Spannung als zyklische Prozessdaten für die PLC (Netzteil- und Lastdiagnose),
• umfangreiche Diagnose z. B. hinsichtlich Auslösegrund, Einstellungsänderungen durch Benutzer sowie Logfiles.

Zusätzliche identifizierte Bonnenberg & Drescher allerdings ein weiteres, für die Applikation sehr sinnvolles Einsatzszenario: Die elektronische Überstromschutzklemme dient als digitaler Schaltausgang mit Mess- und Diagnosefunktion, und zwar für Magnetventile. Die Messfunktionen dieser EtherCAT-Klemme ermöglichen die Darstellung der Strom- und Spannungsverläufe im Schaltpunkt als Trendlinien, sodass sich nun verschiedene Ventilfehler – Kabelbruch, Spulendefekt oder mechanische Defekte im Ventil – einfach und zuverlässig diagnostizieren lassen.

Vorteile durch Systemintegration

„Die Integration von Messdatenerfassung, -archivierung, -analyse und -darstellung ist für uns mit handfesten Vorteilen verbunden“, resümiert Dr. Martin Brodeck, Geschäftsführer bei Bonnenberg & Drescher. „Am Anfang der Messkette wird Spezialelektronik durch Standardfeldbustechnik ersetzt. Das gewährleistet die Ersatzteilversorgung für Jahrzehnte und sorgt dafür, dass wir kontinuierlich an Innovationen teilhaben, ohne dafür selbst Ressourcen vorhalten zu müssen.“

Als weiteren wichtigen Aspekt nennt Dr. Martin Brodeck die Langzeitverfügbarkeit des für mindestens zehn Jahre erhältlichen und anschließend für weitere zehn Jahre mit Service bedachten Embedded-PC CX2062 – und das weltweit: „Unsere Kunden können fast überall auf der Welt diese Komponenten direkt bei einer der 40 Beckhoff-Auslandstöchter sowie über Kooperationspartner in über 75 Ländern beziehen. Das Handling des gesamten Systems hat sich gegenüber vorher deutlich vereinfacht und ist somit für unsere Kunden beherrschbarer geworden – sie können sich nun oft selbst helfen. Zudem sorgt der Embedded-PC als Basis unserer Plattform für eine gelungene Symbiose aus Automatisierungstechnik und IT-Welt, was speziell für unsere rechenintensive Anwendung inkl. Datenbankanbindung, Webinterface etc. einen unschätzbaren Vorteil darstellt.“