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Dezentrale Automatisierung auf allen Prozessebenen

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15.10.2010 In der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, aber auch bei der Herstellung von Medikamenten und Kosmetika, spielt die Hygiene im Prozess- und Anlagenumfeld eine zentrale Rolle. Durch den globalen Wettbewerb sind die Unternehmen gezwungen, ihre Produktion möglichst effizient zu gestalten und Prozesse wo immer möglich konsequent zu optimieren. Die Folge ist ein kontinuierlich wachsender Automatisierungsbedarf auf allen Ebenen der Prozess- und Hilfskreisläufe.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Eine interessante Alternative zum Einsatz zentraler Schaltschränke ist die Integration der erforderlichen Automatisierungsfunktionen in die Armaturen selbst.
  • Auf der Feldebene kommen pneumatisch betätigte Ventile zum Einsatz, in die sämtliche erforderlichen Automatisierungskomponenten integrierbar sind.
  • Das Portfolio der Element-Serie ergänzt der neue Steuerkopf Typ 8681, der speziell für den Einsatz mit pneumatisch betriebenen hygienischen Medienventilen konzipiert wurde.
  • Die Vorteile einer dezentralen Automatisierung lassen sich so in hygienischen Produktionsprozessen nicht nur in den Hilfskreisläufen, sondern anlagenübergreifend auf allen Prozessebenen nutzen.

Pneumatisch betätigten Prozess- und Regelventilen kommt bei der Herstellung von Nahrungsmitteln und Getränken, der Milchverarbeitung sowie in der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie eine Schlüsselrolle zu. Sie sind das Herzstück praktisch jeder Anlage und übernehmen dort eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben. Eine konventionelle, zentral aufgebauteAutomatisierung ist für diese Prozessarmaturen unter ökonomischen undhygienischen Aspekten jedoch nichtunproblematisch. Der Planungs-, Installations- und Wartungsaufwand ist bei klassischer Steuerung durch Schaltschränke mit Ventilinseln, I/O-System und Feldbusanschaltung gerade in komplexen Anlagen erheblich. Eine Vielzahl langer Steuerluftleitungen und diskreter Rückmelderleitungen verbindet bei dieser Technik die Armaturen der Feldebene mit den zentralen Steuerungen in den Schaltschränken. Neben der aufwendigen Planung und Installation ist eine solche Lösung auch aus hygienischer Sicht nicht optimal. Jede zusätzliche Steuerluft- oder Rückmeldeleitung innerhalb einer Produktionsanlage ist im Sinne von HACCP eine potenzielle Quelle für Gefahren und Verunreinigungen und muss mit entsprechend hohem Aufwand überwacht, gewartet, sauber gehalten und dokumentiert werden.

In der Betriebspraxis machen sich die häufig langen Steuerluftleitungen zudem durch einen hohen Luftverbrauch und lange Schaltzeiten für die Armaturen bemerkbar. Hinzu kommt ein nicht unerheblicher Energiebedarf – unter anderem für das Entlüften von Kammern und Schläuchen –, der unter dem Aspekt der Energieeffizienz nicht wünschenswert ist. Durch die Zuordnung der Pilotventil-Handebene weit entfernt von der Armatur werden die Inbetriebnahme, Wartung und Anlagenerweiterung weiter erschwert. Gleiches gilt für die Prozessüberwachung und das Monitoring.

Intelligente Ventilsysteme machen Schaltschränke überflüssig

Eine interessante Alternative zum Einsatz zentraler Schaltschränke ist die Integration der erforderlichen Automatisierungsfunktionen in die Armaturen selbst. Dabei erfolgt nur noch die Steuerung und Statusüberwachung zentral über das Prozessleitsystem. Auf der Feldebene kommen pneumatisch betätigte Ventile zum Einsatz, in die sämtliche erforderlichen Automatisierungskomponenten, wie Pilotventil mit Handbetätigung, elektrischer Rückmelder und optische Statusanzeige, Feldbusschnittstelle und sogar Positioner und Prozessregler für Regelaufgaben integrierbar sind. Durch die Integration eines AS-Interface als Feldbusschnittstelle können die Vorteile dieses Ansatzes optimal genutzt werden. Für die Spannungsversorgung, Rückmeldung und Kommunikation ist dann nur noch eine einzelne zweiadrige Leitung als Verbindung zwischen PLC und bis zu 62 Ventilen erforderlich. Jedes Prozessventil ist mit der durch das Feld verlaufenden Hauptdruckluftversorgung auf möglichst kurzem Weg verbunden. Die Verschlauchung und Verdrahtung reduziert sich damit auf ein Minimum.

Für Hilfskreisläufe wie Dampf, Druckluft oder Reinigungsmedien stehen mit den intelligenten Ventilsystemen der Element-Serie bereits seit Längerem entsprechende Lösungen für eine dezentrale Automatisierung zur Verfügung. Dieses Lösungsportfolio ergänzt der neue Steuerkopf Typ 8681, der speziell für den Einsatz mit pneumatisch betriebenen hygienischen Medienventilen konzipiert wurde. Die Vorteile einer dezentralen Automatisierung lassen sich so in hygienischen Produktionsprozessen nicht nur in den Hilfskreisläufen, sondern anlagenübergreifend auf allen Prozessebenen nutzen. Bei der Planung neuer Anlagen kann konsequent auf den Einsatz konventioneller Schaltschränke verzichtet werden. Bestehende Altanlagen lassen sich schrittweise und unter Verwendung der vorhandenen Medienventile von einer zentralen auf eine dezentrale Automatisierung umstellen.

Neuer universeller Steuerkopf fürhygienische Prozessarmaturen

Der Steuerkopf Typ 8681 lässt sich über Adapter universell anpassen und kann herstellerunabhängig mit allen handelsüblichen Ventilbauformen wie Klappen, Kugelhähnen sowie Ein- und Doppelsitzventilen kombiniert werden. Im Rahmen eines dezentralen Automatisierungskonzepts übernimmt er als zentrale Einheit für die hygienischen Prozessventile die komplette pneumatische Ansteuerungs-, Rückmelde- und Diagnosefunktion bis hin zur Buskommunikation. Je nach Prozessventil lassen sich dabei bis zu drei pneumatische Antriebskammern unabhängig voneinander ansteuern.

Die Schaltstellungen des hygienischen Prozessventils werden vom Steuerkopf über einen induktiven, analog arbeitenden Wegaufnehmer mit einer Huberfassung bis 85 mm ermittelt und an die übergeordnete Steuerung rückgemeldet. Nach der Montage des Steuerkopfes auf dem Ventilantrieb werden diese Schaltstellungen von einer Teach-in-Funktion zuverlässig und schnell automatisch ermittelt – zeitintensive manuelle Einstellarbeiten können dadurch entfallen. Sollte eine zusätzliche vierte Schalterstellung erforderlich sein, kann diese über einen extern montierten induktiven Näherungsschalter eingelesen werden.
Zur optimalen Anpassung an das jeweilige Ventil und den Prozess kann die Schaltgeschwindigkeit jeder Antriebskammer über eine im Pilotventil integrierte Drosselfunktion individuell für beide Bewegungsrichtungen eingestellt werden. Ein Rückschlagventil verhindert darüber hinaus rückdruckbedingte Fehlschaltungen anderer Antriebskammern der Prozessventile. Unabhängig von der Spannungsversorgung kann jedes Pilotventil zusätzlich mit einer mechanischen Handbedienung geschaltet werden. Dank einer magnetisch codierten Handbetätigung lässt sich der Hauptantrieb zu Wartungszwecken von außen auch bei komplett geschlossenem Gerät schalten – dadurch bleibt zu jeder Zeit der volle IP-Schutz erhalten.
Für optimale Übersicht auf der Feldebene sorgt eine weithin sichtbare dreifarbige, optische Statusanzeige mit Hochleistungs-LEDs, die im Steuerkopf integriert ist. Sie signalisiert zusätzlich zur elektrischen Rückmeldung an die übergeordnete Steuerung jederzeit die aktuelle Schaltstellung des Prozessventils und erleichtert so Diagnose und Wartung in der Anlage selbst. Diagnosefunktionen wie Wartungsbedarf oder Fehlerzustände werden ebenfalls optisch angezeigt und können im Detail über eine Serviceschnittstelle ausgelesen werden. Dies kann entweder drahtlos über ein Bluetooth-Modul oder über die integrierte USB-Schnittstelle geschehen.

Auch hygienische Regelventile lassen sich dezentral automatisieren

Durch Verwendung eines der Stellungs- bzw. Prozessregler der Element-Serie lassen sich ergänzend zu den Prozessventilen auch Regelventile dezentral automatisieren. Die Element-Prozessregler sind für die Abreinigung und Verwendung im Nassbereich hygienischer Prozessanlagen optimiert und entsprechen in ihrer Außengeometrie, Werkstoffauswahl, Oberflächenqualität und Dichtungsgestaltung den EHEDG-Richtlinien. Die kompakten Stellungsregler werden Platz sparend direkt am pneumatischen Antrieb angebaut und benötigen Dank interner Steuerluftführung keine externe Verschlauchung. Die Installation und Inbetriebnahme sind durch intelligente Stellungsregler mit automatischer Selbstanpassung sowie Prozessregler mit automatischer Regelkreiserkennung undParameteroptimierung einfach undunkompliziert durchführbar. Die Kommunikation erfolgt über Profibus DPV1, Device NET oder das AS-Interface.

Eine dezentrale Systemlösung für alle Prozessebenen

Mit der Erweiterung der Element-Serie um den neuen Steuerkopf Typ 8681 steht für die Lebensmittel- und Getränkeproduktion, Brauereien, sowie die milchverarbeitende und pharmazeutische Industrie ein komplettes Produktportfolio zur dezentralen Prozessautomatisierung zur Verfügung. Die Bandbreite reicht vom Prozessventil mit integriertem Pilotventil sowie elektrischer und einfacher optischer Rückmeldung bis hin zur dezentralen Steuerung aseptischer, hygienischer Regelventile mittels Steuerkopf und Prozessregler in komplexen Produktionsanlagen. Die dezentrale Automatisierung wird damit prozessübergreifend für komplette Anlagen und Installationen nutzbar und ermöglicht den Anwendern aus diesen Branchen, die Anforderungen an Hygiene und Sicherheit mit einem hohen Automatisierungsgrad und hoher Wirtschaftlichkeit in Einklang zu bringen. Da der neue Steuerkopf herstellerübergreifend mit praktisch allen handelsüblichen Armaturen eingesetzt werden kann, sind einer dezentralen Automatisierung mit einheitlichen Standards praktisch keine Grenzen mehr gesetzt.

Eine Alternative zum zentralen Schaltschrank ist die Integration der Automatisierungsfunktionen in die Armaturen selbst
Das Portfolio der Element-Serie wird ergänzt durch den neuen Steuerkopf Typ 8681

Heftausgabe: Oktober 2010
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Sebastian Kundel , Produktmanager Prozess- und Regelventile Bürkert

Über den Autor

Sebastian Kundel , Produktmanager Prozess- und Regelventile Bürkert

Autor Sebastian Kundel, Produktmanager Prozess- und Regelventile Bürkert

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