HAGUENAU, FRANKREICH [48° 49’ N, 7° 47’ O]

HAGUENAU, FRANKREICH: Im Dienst der Sicherheit und Effi zienz – der Siemens Stellungsregler SIPART PS2 setzt bei der Automatisierung von Anwendungen in der Prozessindustrie Standards. Der Bereich Sensors & Communications der Siemens AG entwickelt jetzt neue Generationen von intelligenten Stellungsreglern, die das Bedienen von Industriearmaturen weiterhin entscheidend

prägen werden. Das Herzstück – ein piezopneumatisches Vorsteuerventil – kommt von der HOERBIGER Automatisierungstechnik GmbH in Altenstadt, Deutschland. (Seite 18)

AIM

É BU

CHEL

, LEI

TER

FERT

IGUN

G PO

SITI

ONER

/REG

LER/

RECO

RDER

MIT

DEM

ELE

KTRO

PNEU

MAT

ISCH

EN S

TELL

UNGS

REGL

ER S

IPAR

T PS

2 VO

N SI

EMEN

S –

IM D

EUTS

CHEN

KAR

LSRU

HE E

NTW

ICKE

LT, I

M F

RANZ

ÖSIS

CHEN

HAG

UENA

U PR

ODUZ

IERT

. (FO

TO: J

ohan

nes

Unt

ch)

010

011

018

019

Wenn die richtige Menge Rohöl zur Aufbereitung in die Raffinerie strömt, zähfließender Zuckersirup sicher in Verdampfer geleitet wird oder Cryogase beim CERN, dem weltweit größten Teilchenbeschleuniger, supraleitende Magnete kühlen – immer sind Stellungsregler im Spiel. Aus einem unauffälligen, schwar-zen Gerät, es ist nur etwa 10 mal 20 Zentimeter groß, bekommen die Stellan-triebe von Ventilen und Schiebern im richtigen Moment den Befehl, zu öffnen und zu schließen. Intelligente Stellungsregler sind das Bindeglied zwischen dem Stellgerät und der Meßwarte. Sie sind damit eine Schlüsselkomponente für die exakte Regelung eines verfahrenstechnischen Prozesses. Dabei ist es gleich, ob der Stellungsregler Miniaturventile in einem pharmazeutischen Prozess ansteuert oder mannshohe Klappen in der Öl- und Gasindustrie, ob die Anlage im nahen Osten, in Deutschland oder in China steht. Ohne Stellungsregler wäre automatisiertes Leben in der Prozessindustrie kaum möglich.

Doch zurück zu den Anfängen: Vor mehr als zwanzig Jahren wurde Piezo-keramik industriell verfügbar – und damit ein Material, das vor allem in der Elektroindustrie völlig neue Anwendungen erschließen sollte. Auch bei Siemens waren die Entwickler begeistert. Sie waren überzeugt, dass man die Piezotechnologie auch in einem Stellungsregler einsetzen könnte.

Bis in die Siebziger Jahre hinein wurden verfahrenstechnische Prozesse viel-fach noch mit rein pneumatischen Reglern gesteuert. Mit der beginnenden Umstellung der Meßwarten auf leistungsfähige Prozessleitsysteme verfolgte die Industrie das Ziel, immer mehr Verfahrensabläufe in der Produktion zu auto-matisieren. Das war nicht nur weniger arbeitsintensiv. Automatisierte Anlagen sind auch sicherer und präziser regelbar als manuell gesteuerte Prozesse.

Siemens hatte diesen Trend zur Automatisierung frühzeitig erkannt. Während die Öl- und Prozessindustrie mit dem damaligen Industriestandard ihre Anlagen noch mit pneumatischen Stellantrieben automatisierte, dachte man in den Entwicklerteams von Siemens bereits weiter. „Damals drehte sich bei uns alles um die Frage, wie man die in den Prozessablauf eingebun-denen Feldgeräte intelligenter machen kann“, beschreibt Herbert Schradi, Leiter der Produktentwicklung für Positioner/Controller/Recorder bei der Siemens AG in Karlsruhe.

Die Piezotechnologie schien die Möglichkeit zu bieten, bisher verschlos-sene Türen zu öffnen: Vor allem in den explosionsgefährdeten Bereichen der Chemieproduktion gelten für elektrische Schalt- und Regeltechnik besondere Anforderungen: Im Gegensatz zur pneumatischen Automati-sierung benötigen elektrische Einrichtungen in der Prozessindustrie einen sogenannten Ex-Schutz, aufwendig abgedichtete Schaltergehäuse beispielsweise, um durch Schaltfunken ausgelöste Explosionen zu vermeiden.

Die mit kleinsten Wegen schaltenden Piezokeramiken sind demgegenüber eigensicher, da sie mit elektrischer Energie arbeiten, die so gering ist, dass es auch in explosionsgefährdeten Atmosphären zu keiner Zündung kommen kann. Aber nicht nur die Piezotechnologie, auch das Aufkommen der Mikroelektronik, die Entwicklung der Feldbustechnik und die rasante Verbreitung der Informationstechnologie eröffneten vollkommen neue Möglichkeiten für die Automatisierung von Feldgeräten – und damit für die Substitution manueller oder pneumatischer Ventilantriebe in der Öl- und Prozessindustrie.

Wenn

Wer sein Ziel mit Herzblut vorantreibt, stellt die Weichen für neue Prozesse. Dies gilt in be-

sonderer Weise für Siemens und HOERBIGER. Ein Team aus Experten beider Unternehmen

entwickelte vor rund 20 Jahren den ersten digitalen Stellungsregler und eröffnete damit

den Anwendern in der Prozessindustrie neue Möglichkeiten bei der Regelung zentraler

Produktionsabläufe.

MITTEN INS HERZ Siemens Stellungs-regler SIPART PS2

TEXT: Sabine Mühlenkamp · FOTO: Johannes Untch

Siemens Entwicklungslabor in Karlsruhe:

Friedrich Köhler, langjähriger Begleiter der

Entwicklung des Stellungsreglers SIPART PS2.

Im Bild die Rückseite des Pneumatikblocks mit

der unverkennbaren roten Dichtung.

Präzision im Kleinen: Vor-

montage der HOERBIGER

Pneumatikkomponente.

030

031Neue WegeDen Wandel von der einfachen Automatisierung zur intelligenten Aktuatorik wollte Siemens aktiv mit gestalten. „Wir wussten alles oder zumindest sehr viel über moderne Regelungstechnik und über elektrische Stellantriebe, hat-ten aber im Vergleich hierzu wenig Erfahrung mit Pneumatik“, erläutert Friedrich Köhler, langjähriger Begleiter der gemeinsamen Entwicklung bei Siemens. „Daher suchten wir einen Partner, der über dieses spezielle Know-how verfügte. Wir wussten, dass sich HOERBIGER in der Pneumatik gut auskannte und sich darüber hinaus intensiv mit der Piezotechnik beschäf-tigte.“ Der gemeinsame Plan: Mit Hilfe eines sogenannten Piezo-Biege-wandlers, der das elektrische Signal in ein pneumatisches Signal umsetzte, sollten Stellarmaturen präzise gesteuert werden.

Rund drei Jahre dauerten die intensiven, gemeinsamen Entwicklungsar-beiten. „Wenn man eine neue Technologie auf dem Markt einführt, ist eine vertrauensvolle Zusammenarbeit absolut entscheidend“, beschreibt Schradi das Verhältnis zwischen den Unternehmen. „Wir konnten uns einfach auf-einander verlassen.“ 1990 war es soweit: Die weltweit ersten Stellungsregler mit Piezoventilen als Herzstück wurden in der Industrie eingesetzt. Gespannt wartete das Team auf die Reaktionen der Chemieindustrie. Alle wussten, dass Betreiber einer chemischen Anlage kein Risiko eingehen können. Ihre Anlagen fahren rund um die Uhr, eine Unterbrechung des Prozesses ist eigentlich nicht möglich, und für den Austausch bestehender Technologien braucht es nicht nur gute, sondern exzellente Argumente.

Doch der neue elektropneumatische Stellungsregler überzeugte selbst Skeptiker. Denn die schaltend arbeitende Piezotechnik hat mehrere Vorteile. Zunächst sind die präzise Regelung und die hohe Dynamik zu nennen. „Da-mit ist es möglich, einen Prozess sehr exakt zu steuern“, fügt Schradi an. Es fließt nur geringste elektrische Energie. Es gibt praktisch keine Eigenerwär-mung, so dass das verschleißarme Vorsteuerventil der Stellungsregler an sich eigensicher ist – ein unschätzbarer Vorteil in der sicherheitsgetriebenen Chemieindustrie. „Ein Ventil verschleißt, ein Vorsteuerventil auf Basis der Piezotechnologie unserer Stellungsregler hält Jahrzehnte durch“, so die Erfahrung von Schradi. Sukzessive eroberte sich der Stellungsregler mit dem Namen SIPART eine herausragende Stellung im Markt.

Mehr über den Pro-zess wissen

Doch das Expertenteam von Siemens und HOERBIGER hatte noch weitere Ideen und entwi-

ckelte Mitte der Neunziger Jahre mit SIPART PS2 die zweite Generation elektropneumatischer Stellungsregler.

„Durch die gemeinsame Entwicklung hatte sich mittler-weile nicht nur ein sehr enges Vertrauensverhältnis aufge-

baut, sondern auch viel gemeinsames Know-how“, erinnert sich Friedrich Köhler.

Oberstes Ziel war es, den Stellungsregler noch kleiner zu gestalten. Bislang lag die von HOERBIGER gelieferte pneumatische Komponente außen, nun wurde sie in den Stellungsregler integriert. Dadurch bestand die einfache Möglichkeit, den Stellungsregler mit verschiedenen Gehäuse-varianten je nach Anwenderwunsch auszustatten: die Edelstahlversion für hygienisch anspruchsvolle Kunden aus der Pharmaindustrie, druckfest gekapselte Varianten für die sicherheitsbewusste Petrochemie oder die chemisch resistente, kostengünstige Kunststoffvariante.

Zusätzlich wollten die Verantwortlichen die Intelligenz des Reglers voran treiben, insbesondere im Hinblick auf die Inbetriebnahme und die Wartung. Da Siemens keine eigenen Armaturen herstellt, sondern an viele Armaturen-hersteller liefert, muss der Anschluss an die verschiedensten Armaturen einfach funktionieren. Normalerweise mussten Stellungsregler in einer auf-wändigen und schwer reproduzierbaren Prozedur mechanisch kalibriert werden. „Dagegen erkennt unser Stellungsregler die Eigenschaften der Stell-geräte und erarbeitet sich seine Regelparameter“, erklärt Schradi. „Der SIPART PS2 lässt sich daher an fast jeden Antrieb anbauen.“ Mit der auto-matischen Inbetriebnahme spart der Monteur viel Zeit. Der Mikrocontroller ermittelt während der Initialisierung außerdem Nullpunkt, Endwert, Wirksinn und Stellgeschwindigkeit des Stellgeräts. Daraus bestimmt er die Mindest-impulszeit und die Totzone und optimiert damit die Regelung.

Rückschlüsse auf die ArmaturIn den SIPART PS2 wurden zudem Diagnoseroutinen integriert, die eine präventive Instandhaltung der Regelventile erleichtern. Verschleißbedingte Ventilausfälle können so leichter vorhergesagt und damit vermieden werden. „Es wird immer noch zu viel prophylaktisch gewartet“, bedauert Daniel Metz, Produktmanager bei Siemens. „Interessant ist es aber zu wissen, ob eine Armatur in zwei Wochen, in einem halben Jahr oder erst in zwei Jahren aus-fällt.“ Mühsame Ausbauten der Ventile und teure vorbeugende Checks in den Werkstätten ließen sich dann reduzieren.

Dabei ist nicht der Austausch der eigentlichen Armatur das Problem, sondern dass man unter Umständen deswegen eine ganze Anlage herunterfahren muss. „Diese Alternative ist eigentlich keine“, macht Metz deutlich. „Wenn die Anlage steht, gehen eventuell Millionen Euro Umsatz verloren.“

Details des Stellungsreglers

SIPART PS2: links Cathie Gross

mit dem Ventilblock, rechts das

Innenleben des Positioners, in

der Mitte der Montagebereich im

französischen Haguenau.

- Nichts wird dem

Zufall überlassen – Myriam

Voelkel bei der Endprüfung der Stel-

lungsregler, welche sogar kleinste Unregel-

mäßigkeiten nicht toleriert.

Mit den integrierten Diagnosefunktionen des SIPART PS2 kann der Betreiber beispielsweise die Schliesspunkte der Armatur während der Inbetriebnahme mit jenen zu einem späteren Zeit-punkt ermittelten vergleichen. Sinkt der Schliesspunkt unter den Anfangspunkt, weist dies auf Verschleiss hin. Liegt der Schliesspunkt oberhalb des Ausgangswertes, haben sich wahr-scheinlich Ablagerungen gebildet. Mit Hilfe dieser gespeicher-

ten Daten lässt sich das Ventil auch schneller an neue Rand-bedingungen im Betrieb oder bei einem Austausch anpassen.

Zu den integrierten Diagnosefunktionen zählt auch der sogenannte Partial Stroke-Test: Wenn Auf-Zu-Ventile sehr selten gebraucht werden,

können sich aufgrund von Korrosion oder wachsender Verkrustungen an der Ventilspindel die Reibung im Laufe der Zeit vergrößern. So kann es unter Umständen passieren, dass das Ventil blockiert. Um dies zu verhindern, wird das Ventil von Zeit zu Zeit vom Antrieb minimal bewegt. Der Anwender erkennt dann auf einen Blick im Display am Gerät oder auf dem Monitor im Leitsystem, ob das Ventil in Ordnung ist oder nicht.

Sicherheit zähltWährend solche Ideen in der Siemens Produktentwicklung in Karlsruhe erarbeitet werden, findet der Sprung in die Produktion im 70 Kilometer südwestlich gelegenen französischen Haguenau statt. Das Siemens-Kompetenzzentrum für die Produktion ist die Schnittstelle zwischen Ent-wicklung und Fertigung. Dort findet nicht nur der Zusammenbau der Stellungsregler statt, sondern auch deren Industrialisierung sowie die Entwicklung von Prüfmethoden. Die Pneumatikkomponenten mit Piezo-technologie für den intelligenten Stellungsregler werden von der HOERBIGER Automatisierungstechnik GmbH in Altenstadt, Deutschland, nach einer um-fassenden Prüfung just-in-time zu Siemens in Haguenau geliefert.

Bevor die komplettierten Stellungsregler das elsässische Werk in alle Welt verlassen, müssen sie noch einmal einen komplexen Prüfablauf hinter sich bringen. Die vollautomatische Prüfung umfasst unter anderem einen vollständigen Funktions- und Leckagetest. „Ein Stellungsregler übernimmt verantwortungsvolle Aufgaben im Prozess; ein Fehler hätte direkte Auswir-kungen auf den verfahrenstechnischen Prozess“, erklärt Siemens-Produkt-manager Daniel Metz. „Die Qualitätsanforderungen sind deshalb sehr hoch.“ Besonderer Wert wird auf eine lückenlose Rückverfolgbarkeit gelegt, die bereits bei HOERBIGER beginnt. Bei späteren Problemen lässt sich die Herkunft jedes Bauteils exakt rekonstruieren.

Je nach Anforderung werden die Stellungsregler in unterschiedlichsten Varianten modular montiert: Für einfach oder doppelt wirkende Antriebe, mit verschiedenen Kommunika-tionsanschlüssen (PROFIBUS, Fieldbus Foundation, 4…20 mA mit HART), als Ex- oder nicht Nicht-Ex-Variante und natürlich mit den unter-schiedlichsten Verschraubungen und Kabel-anschlüssen.

Ideen für die ZukunftDer gemeinsame Weg von Siemens und HORBIGER von der Idee bis zum digitalen Stellungsregler hat sich gelohnt. Heute liegt der Stellungsregler SIPART PS2 bei intelligenten, elektropneumatischen Stellungsreglern ganz vorne. Dies spiegelt sich auch in der Stückzahl wieder. Inzwischen haben mehr als 500.000 Geräte das Siemens-Werk in Haguenau verlassen. Und die Zusammenarbeit mit HOERBIGER geht weiter: Auf dem Tisch von Friedrich Köhler im Karlsruher Entwicklungslabor stehen schon die nächsten Versuchsaufbauten für die Entwicklung von weiteren Schlüsselkomponenten für noch effizientere und noch sicherere verfahrenstechnische Prozesse.

PARTNeben pneumatischem Antrieb

und Armatur sind die Stellungsregler die dritte Komponente eines Stellgerätes. Antriebe sorgen

in allen Prozessen, in denen flüssige oder gasförmige Medien verwendet werden, für die richtige Stellung von Ventilen, Klappen oder Schiebern. Für den Siemens Stellungsregler SIPART PS2 liefert HOERBIGER das Herzstück: Das piezopneumatische Vorsteuerventil wandelt das elektrische Signal in einen exakten Luftstrom und leitet diesen an den pneumatischen Antrieb weiter, der wiederum für die präzise Position einer Regelarmatur in der Rohrleitung sorgt.www.hoerbiger.com

PART OFRund 4.200 Mitarbeiter arbeiten im Bereich Sensors & Communications der Siemens AG an den unterschiedlichsten Aufgaben der Prozessauto-matisierung. Die Prozessinstrumente zur Druck- Temperatur-, Durch-fluss- und Füllstandmessung, Stellungsregler, Prozessschreiber sowie

Prozessüberwachungsgeräte sind in vielen Anlagen der chemischen und petrochemischen, aber auch in der Lebensmittelindustrie oder Wasser-/Abwasserbranche installiert und sorgen dort für effiziente und sicher Prozesse. www.siemens.de/sipartps2

PARTNERSHIPDie Beziehung zwischen HOERBIGER und Siemens ist weit mehr als eine reine Kundenbeziehung. Vor 20 Jahren beschritt man mit dem Einsatz der Piezotechnik in Stellungsreglern einen ganz neuen Weg. „Die gemeinsame Entwicklungszeit war schon etwas besonderes“, so Herbert Schradi. Sie mündete in der gemeinsamen Entwick-lung des Stellungsregler SIPART PS2, der heute als Nummer 1 unter den intelligenten elektro-pneumatischen Stellungsreglern gilt.

Mit den integrierten Diagnosefunktionen des SIPART PS2 kann der Betreiber beispielsweise die Schliesspunkte der Armatur während der Inbetriebnahme mit jenen zu einem späteren Zeit-punkt ermittelten vergleichen. Sinkt der Schliesspunkt unter den Anfangspunkt, weist dies auf Verschleiss hin. Liegt der Schliesspunkt oberhalb des Ausgangswertes, haben sich wahr-scheinlich Ablagerungen gebildet. Mit Hilfe dieser gespeicher-

ten Daten lässt sich das Ventil auch schneller an neue Rand-bedingungen im Betrieb oder bei einem Austausch anpassen.

Zu den integrierten Diagnosefunktionen zählt auch der sogenannte Partial Stroke-Test: Wenn Auf-Zu-Ventile sehr selten gebraucht werden,

können sich aufgrund von Korrosion oder wachsender Verkrustungen an

Varianten modular montiert: Für einfach oder doppelt wirkende Antriebe, mit verschiedenen Kommunika-tionsanschlüssen (PROFIBUS, Fieldbus Foundation, 4…20 mA mit HART), als Ex- oder nicht Nicht-Ex-Variante und natürlich mit den unter-schiedlichsten Verschraubungen und Kabel-

Ideen für die ZukunftDer gemeinsame Weg von Siemens und HORBIGER von der Idee bis zum digitalen Stellungsregler hat sich gelohnt. Heute liegt der Stellungsregler SIPART PS2 bei intelligenten, elektropneumatischen Stellungsreglern ganz vorne. Dies spiegelt sich auch in der Stückzahl wieder. Inzwischen

Mehr über den Pro-zess wissen

Doch das Expertenteam von Siemens und HOERBIGER hatte noch weitere Ideen und entwi-

ckelte Mitte der Neunziger Jahre mit SIPART PS2 die zweite Generation elektropneumatischer Stellungsregler.

„Durch die gemeinsame Entwicklung hatte sich mittler-weile nicht nur ein sehr enges Vertrauensverhältnis aufge-

baut, sondern auch viel gemeinsames Know-how“, erinnert sich Friedrich Köhler.

Oberstes Ziel war es, den Stellungsregler noch kleiner zu gestalten.

haben mehr als 500.000 Geräte das Siemens-Werk in Haguenau verlassen. Und die Zusammenarbeit mit HOERBIGER geht weiter: Auf dem Tisch von Friedrich Köhler im Karlsruher Entwicklungslabor stehen schon die nächsten Versuchsaufbauten für die Entwicklung von weiteren Schlüsselkomponenten für noch effizientere und noch

020

021