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Verfahrenstechnik 10/2020

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Verfahrenstechnik 10/2020

Ohne aufwändige

Ohne aufwändige Verdrahtungen Kompakte Regeleinheit gewährleistet optimalen Kühlwasserzufluss Viele industrielle Kühlprozesse werden mit dem Kühlmedium Wasser betrieben, um beispielsweise Wärmeübertrager, Motoren und Getriebe zu kühlen. Effizient geregelt tragen sie dazu bei, Betriebskosten zu reduzieren sowie die Ressourcen Wasser und Energie einzusparen. Um das umzusetzen, können verschiedene Regelkonzepte eingesetzt werden. Um Kühlprozesse zu regeln, bietet sich bspw. eine Regeleinheit aus elektrischem Stellventil mit integriertem Prozessregler an. Dieser kompakte, Industrie-4.0-fähige Prozessknoten genügt höchsten Anforderungen an die Regelgüte. Das Stellventil besteht aus einem Ventil mit elektrischem Antrieb. Im Antrieb integriert befindet sich die volle Funktionalität eines industriellen Prozessreglers. Aufwändige Verdrahtungen zu externen Prozessreglern in entfernten Schaltschränken werden nicht mehr benötigt. Diese Art der elektrischen Antriebe mit integriertem Prozessregler – auch elektrische Prozessregelantriebe genannt – wurde bei der Samson AG zunächst für einfache Regelkreise in der Gebäudeautomation, speziell für Kühl- und Heizprozesse und die Trinkwassererwärmung konzipiert. Nach und nach ergänzte der Hersteller das Portfolio um Prozessregelantriebe mit erweiterter Funktionalität, die auch in industriellen Kühl- und Heizprozessen eingesetzt werden können. Zur einfachen Inbetriebnahme dienen vorkonfektionierte Anlagenkennziffern, bei denen Einstellungen spezifischer Regelaufgaben vorkonfiguriert sind. Dadurch und durch die bereits angeschlossenen Pt-1000-Temperatursensoren minimiert sich der Aufwand für die Inbetriebnahme der Regeleinheit auf ein Minimum. Autoren: Dipl.-Ing. Rainer Schwan, Product Management & Technical Sales, Dipl.-Ing. Monika Schneider, Technische Redaktion, beide Samson AG, Frankfurt 38 VERFAHRENSTECHNIK 10/2020 www.verfahrenstechnik.de

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN 01 02 T2 Kühlwalze Cooling roll Kühlwalze Cooling roll T1 T1 T2 AI1 AI2 C1.SP PV= AI1-AI2 1 C2.SP SP[1] PV[1] SP[2] PV[2] KP TN TVY 0 [1] KP TN TVY 0 [2] MIN M Star t Stop 01 Im Antrieb des Stellventils befindet sich die volle Funktionalität eines industriellen Prozessreglers 02 Schematischer Aufbau der Regeleinheit: Der Prozessregelantrieb wurde um die Anfahrfunktion „Start-/Stopp-Regelung“ ergänzt, bei der das Ventil für eine definierte Verzögerungszeit auf einen vorgegebenen Ventilhub gefahren wird Positive Bilanz im Einsatz Beschleunigt wurde die Portfolioergänzung durch die Anforderungen des Technologieunternehmens Continental. Am Standort in Northeim werden unter anderem Kautschuk- und Kunststoffprodukte für die Schall- und Wärmedämmung hergestellt, die in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt werden. Nach einer Energiebegehung des Werks stand für die Verantwortlichen fest, dass der Kühlwasserverbrauch an den Kühlwalzen in Zukunft reduziert werden sollte. Dafür sollte die bis dato durchlaufende Kühlwasser- Dauerversorgung auf eine bedarfsgenaue Regelung der Kühlwasser-Durchflussmengen umgestellt werden. Gefordert war eine kompakte Regeleinheit mit ausreichend hoher Genauigkeit, die zum einen die Differenztemperatur des Kühlwassers vor und nach den Kühlwalzen auf 2 bis 4 Kelvin und zum anderen die Rücklauftemperatur des Kühlwassers auf einen maximalen Wert regeln sollte. Die gesuchte Lösung war am Markt nicht „von der Stange“ verfügbar. Samson schlug Continental deshalb verschiedene Regelkonzepte vor, darunter den Einsatz von zwei Reglern ohne Hilfsenergie, den traditionellen Aufbau einer elektrischen Regelung aus einem Prozessregler, der den elektrischen Antrieb des Stellventils mit einem Stellsignal versorgt, und die bereits beschriebene Regeleinheit aus Stellventil mit integriertem Prozessregelantrieb. Alle Regelkonzepte wurden in Probestrecken auf ihre Tauglichkeit getestet, so auch ein erster Prototyp des elektrischen Prozessregelantriebs für industrielle Prozesse, für dessen Einsatz sich der Entwicklungspartner Continental nach Ablauf der Testphase entschied. Dieser überwiegend für thermische Prozesse universell einsetzbare Prozessregelantrieb mit zwei integrierten PID-Modulen kann in diesem Anwendungsfall gleichzeitig sowohl die Differenztemperatur an den Kühlwalzen als auch die Rücklauftemperatur des Kühlwassers regeln. Damit erfüllt die Kombination aus Stellventil mit elektrischem Prozessregelantrieb alle zuvor definierten Anforderungen an Kompaktheit und Regelgenauigkeit. Reduzierter Wasserverbrauch Im Anfahrverhalten zeigte die Regellösung während der Testphase nicht den erwünschten Effekt. Aufgrund stehenden Kühlwassers zu Beginn der Regelung war die Vorlauftemperatur höher als die Rücklauftemperatur, sodass sich negative Differenztemperaturen ergaben. Daher wurde der Prozessregelantrieb um die Anfahrfunktion „Start-/Stopp-Regelung“ ergänzt, bei der das Ventil für eine definierte Verzögerungszeit auf einen vorgegebenen Ventilhub gefahren wird. Aus dieser Position heraus startet die Regelung nach Ablauf der Verzögerungszeit. Heute ist der am Standort Northeim eingesetzte Prototyp des elektrischen Prozessreglers mit Start-/Stopp- Regelung fester Bestandteil des Samson-Portfolios. Beim Kunden sorgt er – angebaut an Durchgangsventile in den Nennweiten DN 32 und 50 – dafür, dass an den in der Produktion eingesetzten Kühlwalzen das Kühlwasser in großen Mengen eingespart wird. Die Investitionen in die neuen Regeleinheiten haben sich bereits nach knapp einem Jahr amortisiert. Ähnlich positiv sind die Erfahrungen bei einem weiteren Kunden. In einem Teilprozess wurden vier Kühlwasserkreise mit der Samson-Regeleinheit „Stellventil mit integriertem Prozessregler“ ausgestattet. Eingesetzt wurden Durchgangsventile in den Nennweiten DN 80 bis 200, kombiniert mit einem elektrischen Prozessregelantrieb mit einem integrierten PID-Modul. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme der Kühlwasserkreise konnte der Wasserverbrauch bei gleichzeitig verbesserter Regeldynamik von bisher durchschnittlich 80 auf jetzt 25 m³/h reduziert werden. Für die digitale Zukunft gerüstet Heute sind die elektrischen Prozessregelantriebe selbstverständlicher Teil des Samson-Lösungsportfolios für die Prozessindustrie. Zahlreiche Variationen mit einem oder zwei integrierten PID-Modulen und Antriebskräften bis 12,5 kN erlauben es, ihren Einsatz je nach Regelanforderung zu optimieren. Bis heute werden sie kontinuierlich weiterentwickelt, um den wachsenden Anforderungen an neue, innovative Regellösungen und an Bedienkomfort und Digitalisierung zu genügen. Alle Prozessregelantriebe können per Plug-and-Play in Betrieb genommen werden und sind über die kostenfreie Konfigurations- und Bediensoftware Trovis-View parametrier- und bedienbar. Die RS-485-Schnittstelle neuerer Prozessregelantriebs-Ausführungen erlaubt den Datenaustausch über Modbus. Zusammen mit einem Gateway lässt sich die Lösung auch an das cloudbasierte Asset-Management- System Sam Digital anbinden. Damit wird das elektrische Stellventil zur Industrie- 4.0-fähigen Komponente, zum digitalen Prozessknoten. Energieeffizienzsteigerung Die elektrischen Prozessregelantriebe haben sich seit ihrer Entwicklung als universell einsetzbar erwiesen. In den meisten Fällen sind sie bereits als unkomplizierte Lösung zur wahren Energieeffizienzsteigerung etabliert. Dabei sind die Investitionskosten für den Aufbau der Regelung mit elektrischem Prozessregelantrieb gering im Vergleich zu herkömmlichen Regelaufbauten. Durch ihren niedrigen Eigenverbrauch punkten die wartungsfreien Geräte zusätzlich durch niedrige Betriebskosten. Die elektrischen Prozessregelantriebe können komplexe Prozessregelungsaufgaben erfüllen – ohne Beeinträchtigung des Regelverhaltens, ohne Komfortverlust bei der Bedienung – und das mit Industrie-4.0- fähigen Digitalisierungsmöglichkeiten. Fotos: Continental, Samson, Aleksandr Ugorenkow/ stock.adobe.com www.samsongroup.com www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 10/2020 39