Fachbeitrag von Sven Borghoff
Der präzisen Ansteuerung von Prozess- und Dosierpumpen kommt in einer Vielzahl von verfahrens-technischen Abläufen (Labore, Verfahrensentwicklung und -optimierung, industrielle Produktions-prozesse, etc.) eine zentrale Rolle zu. Oftmals sind Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme des Pumpen-Regelkreises mit einem erheblichen Applikations- und Programmieraufwand verbunden. Firmenspezifische Sicherheitskonzepte, produkt- oder verfahrensspezifische Anforderungen sowie die Notwendigkeit der digitalen Erfassung und Vernetzung der Prozessparameter erhöhen die Komplexität.
Gather bringt mit der Dosierbox 5000 einen universalen Controller auf den Markt, mit dem sich beliebige Pumpenregelkreise – für pulsationsfreie und drehzahlvariable Pumpen – einfach und schnell aufbauen und in Betrieb nehmen lassen. Sehr universell und flexibel und dennoch für auch sehr spezifische Anwendungen geeignet. Dies beispielsweise als „Stand-Alone-System“ oder als integriertes Teilsystem im Verbund der Prozessleittechnik (PLT).
In der Chemie-, Medizin-, Pharma- und Lebensmittelindustrie nehmen die Anforderungen hinsichtlich Präzision und Automatisierungsgrad der Dosier- und Förderaufgaben weiter zu. Die Ansteuerung der Pumpe (drehzahlabhängige Fördermenge) erfolgt – je nach Aufgabenstellung – gemäß vorgegebener Prozess-Sollwerte (z.B. Volumenstrom, Massenstrom, Druck, pH-Wert, etc.) und wird von vielen Parametern der Regelstrecke (z.B. Viskosität, Temperatur, Leitungen, etc.) beeinflusst. Dies erfolgt nach entsprechender Inbetriebnahme weitestgehend automatisiert. Auf der anderen Seite steht in der Praxis die Forderung, dass der Anwender flexibel in den Prozess eingreifen kann, um entsprechende Korrekturen und Anpassungen durchführen zu können.
Es kommen sowohl mobile als auch fest installierte Anlagen für unterschiedlichste Anwendungen zum Einsatz, auf die sich in diesem Beitrag konzentriert werden soll:
- Kontinuierliche Dosierung Förderung
- Diskrete Dosierung Förderung (Batch/Chargendosierung)
- Mischen zweier oder mehrerer Flüssigkeitsströme mit priorisiertem Ressourcenzugriff
- Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen
Ob im Erprobungsbetrieb im Labor/Technikum oder im Prozessbetrieb von verfahrenstechnischen Abläufen: Bei den o.g. Anwendungen ist die Auslegung und Inbetriebnahme des Pumpen-Regelkreises immer mit einem zeitlich intensiven Aufwand verbunden. Schwerpunkt hierbei ist der meist individuelle Programmieraufwand der Pumpenansteuerung. Dazu gehören auch Applikationen auf veränderte Betriebsbereiche der Pumpe oder veränderte Parameter der Regelstrecke. In komplexen Anlagen gibt es zu dem in der Regel mehrere Regelkreise mit unterschiedlichen Anforderungen an die Ansteuerung.
Die Lösung
Bei den oben beschriebenen Aufgabenstellungen und Anwendungsfällen stellt die Dosierbox 5000 (Abb. 1) eine erhebliche Effizienzverbesserung in der Praxis dar. Mit ihr lässt sich – im Gegensatz zu vielen Wettbewerbssystemen – grundsätzlich jede Pumpe (vorausgesetzt pulsationsfrei und drehzahlvariabel) betreiben und ansteuern. Dies unabhängig von Betriebsbereich und verwendetem Messsystem. Ein wesentliches Merkmal besteht u.a. darin, dass keinerlei Programmierkenntnisse durch den Anwender notwendig sind.
Die einfache Bedienoberfläche ermöglicht die schnelle Inbetriebnahme unterschiedlichster Dosier- und Messaufgaben. Nach Eingabe weniger Systemparameter (z.B. Betriebsmodus, Einheit & Messbereich der Sensorik, Art der externen Drehzahlansteuerung, Ventildaten, etc.) erfolgt die Identifizierung der Regler-Parameter (PID) automatisch und innerhalb weniger Sekunden (Autotuning).
Die Dosierbox ermöglicht sowohl kontinuierliche Dosierungen als auch Batchabfüllungen, unabhängig von der Regelgröße und eingesetztem Messsystem. Dies bedeutet, dass sich die unterschiedlichsten Dosieraufgaben (z.B. Steuerung/Abfüllen eines Volumens, einer Masse, Einstellung von pH-Werten, Drücken, etc.) leicht realisieren und entsprechende Sollparameter (Führungsgröße) sehr einfach über die Oberfläche einstellen lassen. Dem Anwender wird eine maximale Flexibilität gegeben, ohne dass Einschränkungen für spezifische Aufgabenstellungen in Kauf genommen werden. Sämtliche Anpassungen am System, wie z.B. Austausch der Pumpe, Veränderung der Regelgröße (z.B. von Volumenstrom auf Massenstrom), Veränderung der Dosieraufgabe, Variation der Viskosität etc. bedürfen keiner aufwendigen manuellen Anpassung bzw. Programmierung (z.B. Ablage neuer Pumpenkennlinien, Anpassung SPS, etc.) sondern erfolgen über das Autotuning automatisch via Knopfdruck.
Standard-Schnittstellen ermöglichen die digitale Aufzeichnung sämtlicher Prozessparameter sowie auch externe Sollwertvorgaben. Zusatzfunktionen, wie Verschleißwarnung und „Fail-Safe“ sind ebenfalls integriert. Als weiteres Merkmal ist hervorzuheben, dass der Betrieb der Dosierbox auch in explosionsgefährdeten Bereichen möglich ist. Im Folgenden sind 4 praktische Anwendungen beschrieben, die sich mit der Dosierbox leicht und anwenderfreundlich realisieren lassen.
- Der Klassiker
In der Standardvariante eines kontinuierlichen Dosierregelkreises spielt nur die präzise Dosierung selbst eine Hauptrolle. In Müllverbrennungsanlagen wird zur Vermeidung von Stickoxiden wird Ammoniakwasser, Harnstoff oder Adblue in die Brennkammer gedüst. Der NOx-Messwert gibt über eine Umrechnung in einer übergeordneten SPS den Sollwert für die Dosierung vor. Der Rest der Dosierung läuft dann voll automatisch ab. Einen analogen Ablauf findet man beispielsweise auch bei einer Folien-Beschichtung. Die Bandgeschwindigkeit, mit der die Folie an der Düse vorbeifährt, ist konstant und gibt somit über die übergeordnete SPS der Sollwert der Dosiermenge für die gewünschte Schichtdicke vor.
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Abb. 3 Die Kaskade ist genauso wie der klassisch Dosierregelkreis aufgebaut Die Kaskade
Die Kaskade ist genauso wie der klassisch Dosierregelkreis aufgebaut. Der Unterschied ist nur, dass ein Hauptregler eine Führungsgröße für den Folgeregel darstellt.
Nach diesem Prinzip werden schon heute viele Gather-Pumpen in Brauereien betrieben. Der Hauptstrom ist das Bier, dem verschiedenste Zusätze, wie beispielsweise Tetrahop, Isohop, Karamell, Ascorbinsäure, Zitronensäure oder Essenzen beigemischt werden. So entstehen Spezialbiere oder Mixgetränke mit gleichbleibender, reproduzierbarer Qualität.
- Mobile Dosierstation im Ex-Bereich
Im Ex-Bereich kommt zu einem der festinstallierte Regelkreis zum Tragen. Dieser ist analog zur klassischen oder Kaskaden-Variante aufgebaut. Die einzigen Unterschiede: Pumpe und Mess-Systeme entsprechen den Atex-Vorschriften und die Elektronik wird außerhalb des Ex-Bereiches in einen Schaltschrank eingebaut.
Im Falle der mobilen Station muss die Bedienung vor Ort gewährleistet sein, da durch den Versatz der Dosiereinheit an einen anderen Ort, wohlmöglich auch mit einer anderen Flüssigkeit, sich auch andere PID-Parameter für die Regelung ergeben. Bei der Dosierbox reicht ein Knopfdruck auf das „Autotuning“ und der Dosierkreis läuft optimal.
- Batchdosierung
Die Abfüllung ist die klassische Batchdosierung. Das Schema (Abb. 5) zeigt, dass mit Hilfe eines 3/2‑Wegeventils eine präzise Abfüllmenge auch mit einer kontinuierlich betriebenen Pumpe möglich ist. Viele Beispiele von der Flaschenabfüllung bis zur Mischbehälterbeschickung, bei der Flüssigkeiten gemäß einer Rezeptur zudosiert werden oder eine Dosierkurve realisiert werden müssen, können durch diesen Aufbau realisiert werden.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Dosierbox eine universale Lösung für viele Pumpen-Regelkreise in der Praxis – auch innerhalb explosionsgefährdeter Bereiche (Atex-konform) – darstellt: Exaktes Fördern, Dosieren oder Abfüllen von Flüssigkeiten; schnell, leicht und via Knopfdruck!
