Kabellose IoT-Sensoren für die Ventilüberwachung

Fertigungsbetriebe und Industrieanlagen – beispielsweise, chemische Prozesse, Zellstoff und Papier, Wasser- und Abwasseraufbereitung – haben die Vorteile der Fernüberwachung erkannt. Herkömmliche nachgerüstete Überwachungslösungen werden bereist in Fertigungsbetrieben mit Tausenden von manuellen Ventilen verschiedener Typen eingesetzt, leider aber nur mit hohen Kosten. Eine kostengünstigere Alternative wäre der Einsatz branchenüblicher drahtloser Sensoren und industrieller IoT-Technologien, die eine Reduzierung der Investitionen für die Nachrüstung um 90 Prozent versprechen. Pertti Kujala, der Leiter des Bereichs Smart Factory bei Haltian, erklärt wie Fertigungsbetriebe über die Nachrüstung der Ventilüberwachung erhebliche Kosten einsparen können.

Fertigungsbetriebe und Anlagen der chemischen Prozessindustrie, der Zellstoff- und Papierindustrie, der Wasser- und Abwasseraufbereitung und anderer Branchen sind in erster Linie bekannt für die massiven Netze von Prozessleitungen, die von Tausenden von handbetätigten Ventilen gesteuert werden. Die Systeme wurden viele Jahre mit verschiedenen Arten von Handventilen erfolgreich und effektiv betrieben.

Vorteile für Fertigungsbetriebe und Anlagen

Die Ventil-Fernüberwachung besteht aus mehreren Komponenten: Sie erfasst die Ventilstellung mit einer nachrüstbaren Sensorvorrichtung, die am handbetätigten Ventil montiert ist. Positionssensoren werden in Winkel-Positionssensoren und lineare Positionssensoren unterteilt. Die Sensorvorrichtung meldet dann die Positionsdaten in digitaler Form an die zentrale Steuerung des Fertigungsbetriebs. Mit einer idealen Fernüberwachungslösung können die Positionen aller Ventile in einem Fertigungsbetrieb in der zentralen Steuerung des Fertigungsbetriebs in Echtzeit überwacht werden – an Tausenden von verschiedenen Punkten entlang der Prozessleitungen. Die Fernüberwachung von Prozessregelventilen kann den Fertigungsbetrieben auf unzählige verschiedene Arten mehrere Vorteile bieten:

• Sie sorgt für Kosteneinsparungen
• Sie ermöglicht ein schnelleres Wiederanfahren nach Wartungsunterbrechungen
• Sie erhöht die Sicherheit in der Anlage
• Sie reduziert das Auftreten von Fehlern und Qualitätsabweichungen
• Sie bietet wertvolle Analysen und trägt dazu bei, unplanmäßige Stillstandszeiten zu verhindern.

Die Vorteile der Ventil-Fernüberwachung im Rahmen der laufenden ditalen Transformation haben den Markt für Fernüberwachung und -steuerung mit einer jährlichen Wachstumsrate von 4,5 Prozent auf einen stetigen Wachstumskurs gebracht. Es wird erwartet, dass er bis 2023 weltweit 27 Mrd. US-Dollar erreicht.

Herausforderungen herkömmlicher Nachrüstlösungen

Trotz eines schnellen Marktwachstums und erheblicher wirtschaftlicher Vorteile zögern viele Fertigungsbetriebe und Anlagen, in Erweiterungen der Ventil-Fernüberwachung zu investieren. Das Nachrüsten eines Überwachungssystems für Tausende unterschiedlicher Ventiltypen, von denen einige sehr alt sein können und häufig von unterschiedlichen Herstellern stammen, ist teuer und zeitaufwendig.

Die aktuellen Ventil-Positionssensoren auf dem Markt passen oft nur für einen Ventiltyp und verschiedene Ventilhersteller haben ihre eigenen spezifischen Positionssensorvorrichtungen. Dadurch erhöht sich die Hardware-Investitionkosten der Sensorgeräte und die Beschaffung für Produkte von mehreren Herstellern ist zeitaufwendig. Die herkömmlichen Feldsensorgeräte verwenden mehrere industrielle Kommunikationsprotokolle – beispielsweise Foundation Fieldbus, Profibus, DeviceNet, AS-Interface und das HART-Protokoll zur Kommunikation mit dem SCADA- oder SAS-System des Betriebes. Dies kann eine kostspielige Anpassung der Software-Schnittstelle erfordern, insbesondere wenn Sensoren mehrerer verschiedener Hersteller im System enthalten sind.

Die meisten derzeitigen industriellen Ventil-Positionssensoren und Detektorprodukte auf dem Markt erfordern eine physische Strom- und Datenverkabelung. Wenn es in einem Fertigungsbetrieb Tausende von Ventilen gibt, dann wird die Verkabelung zu einem erheblichen Kostenfaktor und verlängert die Bereitstellungszeit auf Monate, manchmal sogar Jahre.

Die derzeit auf dem Markt erhältlichen herkömmlichen Positionssensorgeräte werden auf der Grundlage der gleichen extremen Industriestandards wie die kritische, betriebsbereite Feldhardware gebaut. In vielen industriellen Anwendungen kann dies jedoch als zu aufwendig angesehen werden. Die Positionssensoren werden in der Regel auf der primären Betriebshardware montiert, beispielsweise den Ventilen, und die Sensoren sind den härtesten Bedingungen nicht direkt ausgesetzt. Diese extreme Praxis der Produktgestaltung hat die Verkaufspreise der herkömmlichen Positionssensorprodukte erhöht, jedoch sind hochwertige, unternehmenstaugliche Produkte mit einem niedrigeren Preis für diesen Zweck in den meisten Anwendungsfällen gleichermaßen geeignet. Diese Herausforderungen verlangsamen den Einsatz von Nachrüstungslösungen zur Fernüberwachung von Ventilen weltweit. Es stellt sich die Frage: Wie kann man diese Investitionen verringern und die Nachrüstung erleichtern?

Technik in der Ventilfernüberwachung

Eine wegweisende Lösung könnte aus dem Technologiebereich Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) kommen. Die Entwicklungen mit IoT-Sensorgeräten und drahtlosen Technologien haben in den letzten Jahren einen Quantensprung gemacht. Haltian, ein Spezialist für Produktentwicklungen und Anbieter von industriellem IoT, hat zusammen mit einem globalen Unternehmen der Prozessindustrie einen intelligenten, industrietauglichen drahtlosen Winkelsensor für die Ventil-Fernüberwachung entwickelt. Er kombiniert industrietaugliche drahtlose Technologien und ultra-strapazierfähige Materialien. Mit dieser Lösung können Fertigungsbetriebe ihre Nachrüstkosten im Vergleich zu herkömmlichen Alternativen – um bis zu 90 % senken.

Was leisten Winkelsensoren?

Der drahtlose Sensor benötigt keine Verkabelung. Dieser nachgerüstete Winkelsensor kann an verschiedenen Typen manueller Drehventile angebracht werden, einschließlich Kugel- und Drosselventilen. Für einen schnellen und einfachen Einbau wird er mit einem Montage-Adapter-Kit geliefert. Mit einer Klemme wird das Sensorgerät auf einer Rohrleitung montiert. Seine Drehpositions-Detektorscheibe wird mit einem einfachen Clip am Ventilhebel befestigt.

Im Inneren verfügt der Winkelsensor über magnetische und mechanische Sensoren zum Erkennen der Ventilposition mit einer Genauigkeit von einem Grad. Er meldet jede Positionsänderung über die Funkverbindung an die zentrale Steuerung des Fertigungsbetriebs oder der Anlage. Nach dem Einschalten verbindet sich der Sensor automatisch mit den anderen Sensorgeräten über die Wirepas Mesh-Technologie. Bei Bedarf kann das drahtlose Wirepas Mesh-Protokoll in der Winkelsensor-Vorrichtung die Funkübertragungsleistung und das Frequenzband automatisch optimieren. Im Fertigungsbetrieb werden keine Basisstationen oder drahtlose Netzwerkinfrastrukturen benötigt, die Winkelsensorgeräte fungieren als Zugangspunkte für andere Sensorgeräte und bilden ein vollvermaschtes Netzwerk, das Datenpakete mittels Hop-by-hop-Transport an das richtige Ziel überträgt.

Wie können Fertigungsbetriebe davon profitieren?

Über einen mehrjährigen industriellen Anlagehorizont kann der Ansatz eines drahtlosen Winkelsensors den Fertigungsbetrieben und Anlagen CAPEX- und OPEX-Einsparungen bringen. Hier sind die wichtigsten lebenslangen Vorteile:

• Die Installation auf den Ventilen ist schnell und einfach, es ist keine Verkabelung erforderlich und der Sensor wird komplett vorkonfiguriert geliefert. Es senkt die Umsetzungs- und Betriebskosten, wenn Tausende Ventile betroffen sind.
• Funktioniert mit unterschiedlichen Typen von Drehventilen, einschließlich Kugel- und Drosselventilen, jedes Herstellers – und senkt die Hardware-Kosten und vereinfacht die Beschaffung
• Es werden weitere kostspielige Softwareanpassungen für industrielle Kommunikationsprotokolle vermieden – der Winkelsensor kann über ein einfaches Application Programming Interface (API) direkt in das zentrale Steuerungssystem integriert werden. 
• Die Änderungen der Ventilpositionsdaten werden an Ihr Steuersystem gemeldet – das ermöglicht es Ihnen, die Fertigungsprozesse schneller an ihre optimalen Leistungsstufen anzupassen.
• Mit aktuellen Informationen über alle Ventilpositionen können Sie Unfälle vermeiden und die Arbeitssicherheit in der Anlage erhöhen.
• Vermeidung von Umweltschäden durch Sicherstellung, dass keine Gefahrstoffe aus dem System freigesetzt werden.
• Manuelle Ventile werden in der Regel vom Bedienpersonal eingestellt. Es stellt manuelle Ventile normalerweise anhand seines impliziten Wissens ein – die Ventilüberwachung ermöglicht es Ihnen, das implizite Wissen zu digitalisieren und zu speichern.
• End-to-End-Daten, die von allen Ventilen erfasst werden, ermöglichen es Ihnen, die Prozesse zu messen und zu optimieren.