Digitale Sensortechnologie für die Prozessanalysentechnik (PAT) Neue Strategien der Instandhaltung Dr. Thomas Steckenreiter (Endress+Hauser), Dr. Armin Weinig (Lanxess)

Der Kostendruck in der chemischen Industrie nimmt weiter zu. Es sind heute nicht nur die Energie- und Rohstoffkosten, die permanent an der Produktivität von Chemieanlagen nagen, sondern vor allem die Personal- und Instandhaltungskosten, die die Wettbewerbsfähigkeit deutlich beeinflussen. Dabei gilt es im weltweiten Konkurrenzkampf mehr denn je, eine optimale Produktqualität unter maximal möglicher Produktausbeute sicherzustel-len. Dabei muss auch die Sicherheit im Betrieb gewährleistet sein. Leistungsfähige Prozesse bedingen gleichermaßen einen hohen Automatisierungsgrad. Ausgeklü-gelte Mess-, Steuer-, und Regelsysteme in Verbindung mit automatisierten Prozessfüh-rungskonzepten unterstützen den Betreiber, diese Ziele zu erreichen. Der Einsatz von Prozessanalysenmesstechnik ist heute wichtiger Bestandteil der Mess- und Regel-technik chemischer Anlagen, denn diese liefert auch Daten, die für Produktqualität und Produktausbeute äußerste Relevanz besitzen.

pH-Messtechnik im BetriebsalltagGerade die Prozessanalysenparameter – und hierzu zählen auch die pH-Messungen - sind es aber, die häufiger als andere Regel-größen der regelmäßigen Kalibrierung bzw. Justierung und der regelmäßigen Wartung bedürfen. In den chemischen Produktions-anlagen von Lanxess sind heute im Mittel ca. 25 Prozent der eingesetzten Analy-sensysteme pH-Messungen. Dabei können diese in einzelnen Betrieben durchaus die Anzahl von zwanzig Systemen überschrei-ten. So sind zum Beispiel in der Schwe-felsäureproduktion ca. 50 pH-Messungen oder in der Eisenoxidproduktion ca.100 pH-Messungen installiert. Häufig muss sogar mehrmals pro Woche kalibriert/justiert werden, um im Dauerbetrieb der Anlagen einen reproduzierbaren pH-Wert zu erhal-ten. Die eingesetzten klassischen, analogen, hochohmigen Systeme sind dabei sehr anfällig gegen Feuchtigkeit, Salzbrücken, EMV-Störungen und Potenzialüberlage-rungen. Dies führt dazu, dass Sensor, Kabel und Messumformer zusammen kalibriert werden müssen. Für den Servicetechniker bedeutet dies einen großen Aufwand vor Ort. Fehlerdiagnose ist oft erst wechsel-

weise durch Kabel und/oder Sensortausch möglich. Zusätzlich müssen, um eine Kalibrierung oder Justierung in einer Anlage durchzuführen, Pufferlösungen, Reinigungs-lösungen und Wasser mitgeführt werden. Ersatzelektroden müssen für den Fall eines erforderlichen Elektrodenwechsels zur Ver-fügung stehen. In diesem Fall ist auch eine Erstkalibrierung vor Ort erforderlich. Dies alles bedarf der sorgfältigen Vorbereitung und die notwendige Ausrüstung muss sorg-fältig verpackt mit in die Anlage genommen werden. Oft befinden sich die Messstellen an schwer zugänglichen Stellen. Dies kann bedeuten, dass der Mitarbeiter auf einer He-bebühne, Leiter oder aber auch in gebück-ter Haltung arbeiten muss. Zu berücksichti-gen ist auch, dass der Servicetechniker sich in der Anlage anmelden muss, die erforder-lichen Sicherheitsunterweisungen erhalten haben muss und entsprechende Sicherheits-ausrüstungen bei sich trägt. Schwierig wird es bei notwendiger Störungsbeseitigung bei Nacht oder an Wochenenden, denn hierfür müssen die entsprechenden Kräfte eingep-lant werden. In allen Fällen steht während des Instandhaltungseinsatzes der Messwert nicht zur Verfügung.

Abbildung 2 Schwer zugängliche pH-MessstelleAbbildung 1 Sensortausch im Prozess Abbildung 3 Lanxess: pH-Labor

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Digitale Sensortechnik – Memosens Die Sensortechnologie Memosens von Endress+Hauser revolutioniert die Analy-senmesstechnik. Heute schon stehen für die Parameter pH, gel. Sauerstoff, Leitfähigkeit und demnächst auch für die Trübungs-messtechnik Sensoren zur Verfügung. Insbesondere für die pH-Messtechnik liefert Endress+Hauser alle Sensortypen, die einen sicheren Anlagenbetrieb ermöglichen. Der Anwender kann zwischen Sensoren mit Flüssig-, Gel- oder Polymerelektrolyt und verschiedenen Diaphragmatypen wie Keramik-, Teflon- oder so genannten offenen Diaphragmen den optimalen Sensor für seinen Prozess auswählen. Inzwischen können auch Email-Sensoren der Firma Pfaudler mit Memosens Technologie ange-boten werden. Die ISFET Sensoren runden das Programm ab. Damit kann für jede Applikation der ideale Sensor ausgewählt werden. Ausschlaggebend für die Memo-sens Technologie ist, dass die Digitalisierung des analogen Messsignals direkt im Sensor stattfindet und dass neben der Übertragung der aktuellen Messdaten alle qualitätsrele-vanten Daten, wie z.B. die Temperatur, die Kalibrier-/Justier-Werte, Einsatzort, Gesamtbetriebsstunden und Betriebszeiten

bei extremen Prozessbedingungen gespeichert werden. Damit wird eine optimale Messstellenbewertung unabhängig vom Standort möglich. Daneben ist die pH-Messung völlig frei von den Störungen, mit denen man mit der klassischen, analogen Technik zu kämpfen hatte. Mit der Verfügbarkeit der Sensordaten an jedem Ort ist ein Strategiewechsel in der Instandhaltung möglich, der zu einer erheblichen Kostenreduktion führt, im Vergleich zu der bisherigen Arbeitsweise.

Neue Instandhaltungsstrategie bei Lanxess Durch die Memosens Technologie ist es möglich, alle Instandhaltungsmaßnahmen wie Reinigung, Konditionierung, Regene-rierung, Kalibrierung und Justierung der pH-Sensoren an eine zentrale Stelle zu ver-lagern. Zu diesem Zweck wird bei Lanxess in Leverkusen ein zentraler pH-Service mit einem EDV-gestützten pH-Kalibrierstand („pH-Labor“) aufgebaut, welcher die pH-Sensoren für die verschiedenen Betriebe wartet und verwaltet. Reproduzierbare Laborbedingungen ermöglichen eine präzi-sere Kalibrierung und somit eine genauere Prozessführung. Zusätzlich verlängert die regelmäßige Regeneration und Reinigung die Lebensdauer gerade der pH Sensoren. Dieses Konzept erhöht natürlich auch die Verfügbarkeit der pH-Messstellen im Betrieb und spart zusätzliche Kosten, da der Sensoraustausch, der keine speziellen Kenntnisse der pH-Messtechnik erfor-dert, vom Betriebspersonal durchgeführt werden kann. Die Sensoren müssen vor Ort nur noch durch kalibrierte Sensoren ausgetauscht werden. Das verringert die Wartungszeiten in den Anlagen um mehr als die Hälfte. Ein weiterer essentieller Bestandteil dieser Instandhaltungsstrategie ist ein effektives Daten- und Sensorma-nagement. Mittels einer neu konzipierten Datenbank (Memobase) werden alle messstellenspezifischen Daten, die Kalib-rier-/Justierdaten sowie die Prozessdaten während der Kalibrierung der Sensoren zentral erfasst und verwaltet. Somit wird

der komplette Lebenszyklus eines Sensors von der Einlagerung bis zur Verschrottung verfolgt und analysiert. Messsysteme und Wartungskonzepte können auf dieser Datenbasis analysiert und gegebenenfalls optimiert werden. So wird die vorausschau-ende Wartung mit verbessertem Assetma-nagement zum integrierten Bestandteil der neuen Instandhaltungsstrategie.

Die Datenbank Memobase verwaltet alle TAG Nummern und bucht neue Sensoren bestimmten Messstellen, Messstellenkreisen oder Anlagenteilen zu. Damit sind in der Datenbank die TAG-Nummer, die Seri-ennummer des Sensors und der Sensor-typ, sowie die Daten der Erstkalibrierung unveränderbar miteinander verbunden. In der Datenbank wird durch die Folgekalib-rierungen die Sensorhistorie automatisch erfasst und der Applikation zugebucht.Auswertungen zu Qualitätssicherung sind damit jederzeit möglich. Diese Daten können für den Betriebsleiter oder den Qualitätsverantwortlichen aufbereitet oder in Rohfassung zur Verfügung gestellt werden. Erstmalig sind hier systematische Auswertungen über die Performance der

Messstellen möglich. Das Führen eines Messstellenbuches ist nicht mehr notwen-dig. Durch das einfach zu handhabende Tag-Nummern-System ist eine Verwechs-lung der Sensoren ausgeschlossen und jeder Sensor kommt zuverlässig und unverwech-selbar an den Platz, an dem er messen soll. Zur zusätzlichen Sicherheit kann bei den Messumformern der Liquiline Generation die TAG-Nr.-Prüfung und ein Kalibrier-zeitalarm aktiviert werden. Damit wird verhindert, dass aus Versehen falsche oder bezogen auf das letzte Kalibrierdatum zu alte Sensoren angeschlossen werden. Das Sensormanagement stellt sicher, dass dem Betriebspersonal immer genügend Sensoren zu Verfügung stehen. Dieses ist somit in der Lage, ohne Fachkraft, Tag und Nacht sowie am Wochenende eine Störung der pH-Mes-sung binnen Minuten zu beseitigen.

Dieses Konzept kann standortübergreifend zum Einsatz kommen. Der pH-Service bei Lanxess sieht sich heute in der Lage, auch als Dienstleister für andere Unternehmen die pH-Messstellen zu betreuen. (siehe Abbildung 3)

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Wirtschaftlichkeit der digitalen SensortechnologieEs stellt sich die Frage der Wirtschaft-lichkeit eines Strategiewechsels in der Instandhaltung von pH-Messungen durch Einsatz der digitalen Sensortechnologie. Im Folgenden werden zwei Fälle betrachtet:• die Neuinstallation von pH-Messstellen

in analoger bzw. in digitaler Technik bei gleichzeitiger Einrichtung des „pH-Labors“

• die Umrüstung von existierenden pH-Messstellen auf die Sensortechnologie Memosens

Bei Einsatz der Memosens Technologie erfolgt der Elektrodenwechsel durch das Betriebspersonal ohne zusätzliche Kosten für den Betrieb.Im ersten Fall wird die Neuinstallation von 10 pH-Messstellen angenommen. Im späteren Betrieb werden eine monatliche Kalibrierung und ein 2-maliger Elektroden-wechsel jährlich je Messstelle unterstellt. Ausgehend von den bekannten Zeiten für die Instandhaltung vor Ort und im pH-Labor wurden die Gesamtkosten für die Alternativen Analogtechnologie und Memosens Technologie über einen

Zeitraum von 5 Jahren ermittelt. Wie die Abbildung zeigt, amortisieren sich die Mehrkosten bei der Installation von digi-taler Technik – im Wesentlichen die Kosten

für die Installation des „pH-Labors“ – schon nach etwas mehr als einem Jahr, bedingt durch die im Vergleich zur Analogtechnolo-gie geringeren jährlichen Wartungskosten.

Ges

amtk

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[€]

60.000

50.000

40.000

30.000

20.000

10.000

00 1 2 3 4 5 6

Betriebsjahre

Analog Memosens

Entwicklung der Gesamtkosten über 5 Jahre bei 10 Messstellen und 10 Kalibrierungen pro Monat

Deutschland

Endress+HauserMesstechnikGmbH+Co. KGColmarer Straße 679576 Weil am RheinFax 0 800 EHFAXENFax 0 800 343 29 36www.de.endress.com

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03.07/MC

CS 024C/07/de/03.0771041072DT/INDD CS2

Die Wirtschaftlichkeit der Umrüstung von installierter Analogtechnik auf Digitaltech-nik wird am Beispiel einer Produktions-anlage bei Lanxess untersucht. Betrachtet wird die Umrüstung von 48 pH-Messstellen in diesem Produktionsbetrieb. Bei der überwiegenden Anzahl der Messstellen wird eine wöchentliche Kalibrierung/Jus-tierung, in Einzelfällen werden sogar drei Kalibrierungen/Justierungen pro Woche durchgeführt. Die Reinigung der Elektro-den erfolgt nach messstellenspezifischen Instandhaltungsplänen. Eine vorliegende

langjährige Störungsstatistik gibt Informa-tionen über die erforderliche Anzahl von Elektrodenwechseln.

Die installierte, analoge Messtechnik verursacht jährliche Instandhaltungskosten von ca. 100.000 €. Eine Umrüstung auf die Digitaltechnik reduziert die jährlichen Instandhaltungskosten auf ca. 45.000 €. Diese Umrüstung erfordert Investitionen von ca. 70.000 €, was einem Return of Investment von etwa 1,5 Jahren entspricht.Es ist klar, dass die Wirtschaftlichkeit einer

Umrüstung entscheidend von den Kalibrier- und Reinigungsintervallen bestimmt wird, so dass spezifische Wirtschaftlichkeitsbe-trachtungen für einzelne Betriebe/Betriebs-einheiten durchgeführt werden müssen.

Die Auswertungen der bei Lanxess instal-lierten pH-Messstellen mit der Sensortech-nologie Memosens zeigen, dass sowohl die Kosten für die Instandhaltung gesenkt, die Qualität der pH-Messung gesteigert und die Lebenszeit der pH-Sensoren verlängert werden können.