Stellgeräte, die Stoffströme zur Regelung von Prozessgrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand beeinflussen, gehören zu den Arbeitspferden der Prozessautomatisierung. Die Namur wird sich auf ihrer diesjährigen Hauptsitzung dem Thema der Aktorik widmen; Partner der Veranstaltung ist die Samson Group.

CHEManager sprach mit Dr. Jörg Kiesbauer, im Vorstand von Samson für Forschung und Entwicklung verantwortlich, über die Zukunftsperspektiven der Aktorik.

Das Gespräch führte Dr. Volker Oestreich.

CHEManager: Samson ist Partner der diesjährigen Namur-Hauptsitzung, die sich schwerpunktmäßig dem Thema „Aktorik" widmet. Können Sie, Herr Dr. Kiesbauer, in einem Satz sagen, warum die Namur diese Wahl getroffen hat?

Dr. Jörg Kiesbauer: Dafür gibt es zwei gute Gründe: Zum einen arbeitet die Aktorik nah am verfahrenstechnischen Prozess und ermöglicht erst dessen Automatisierung, was als Thema sicherlich gut zur Namur-Forderung nach der engeren Verzahnung von Verfahrenstechnik und Automatisierung passt, und zum anderen ist Samson der Weltmarktführer im Bereich der Regelarmaturen für die Chemie und schon seit Jahren Teilnehmer an der Namur-Hauptsitzung.

Das klingt sehr selbstbewusst, aber Samson ist ja nicht alleine am Markt. Wo sehen Sie die besonderen Differenzierungsmerkmale gegenüber Ihren Marktbegleitern?

Dr. Jörg Kiesbauer: In der Samson Group sind hochspezialisierte Unternehmen versammelt, die Stellgeräte für alle Anforderungen entwickeln und produzieren. So können wir auch bei umfangreichen Projekten und ausgefallenen Anforderungen die komplette Regeltechnik aus einer Hand liefern. Wir können zu allen mechanischen, elektrischen und softwarebezogenen Fragestellungen auf dem Gebiet der Stellgeräte Stellung beziehen, was heute ja sehr wichtig geworden ist. Wir haben uns zum Aktorspezialisten der Prozessautomatisierung hin entwickelt.

Liegen Ihre Kernkompetenzen jetzt eher im mechanischen Teil des Stellgerätes, in der Elektronik oder in der Software?

Dr. Jörg Kiesbauer: Stellgeräte sind heute komplexe modulare Funktionseinheiten mit unterschiedlichsten Ventiltypen, die wir in der Samson Group neben Samson in Frankfurt selbst auch mit Tochterunternehmen wie Air Torrque, Cera System, Leusch, Pfeiffer, Samsomatic, Starline, Vetec im Baukasten haben. Zusammen mit der Anbaugeräte-Technik von Samson sind wir heute ein echter Mechatroniker mit dem Verständnis für den Prozess bzw. die Applikation, der Stellventiltechnik mit maschinenbau- und feinwerktechnischen Fragestellungen, aber auch für Elektronik und Software. Das heutige Stellgerät ist ein mechatronisches Produkt par excellence. Es kommt auf die geschickte Kombination von allen diesen Kompetenzfeldern an. Aktorik lebt vom systembezogenen Verständnis.

Was waren die Meilensteine auf dem Weg von der Handdrossel zum heutigen Stellgerät?

Dr. Jörg Kiesbauer: Früher war der Fokus auf Verstellen der Drosselwirkung und zwar ganz einfach, nämlich mit einer Handbetätigung. Das Anlagenpersonal hielt sich im Anlagenfeld auf und passte immer wieder die Drosselwirkung an, um z.B. eine Prozessgröße möglichst stabil zu halten. Die Information darüber ergab sich beim Blick auf einen Manometer für Druck beispielsweise. Das war natürlich noch keine Automatisierung.

Erst die Verbreitung der Pneumatik nach dem Zweiten Weltkrieg brachte in der Verfahrenstechnik den Durchbruch zu echter Fernwirkung und Automatisierung. Mit der Pneumatik und dem Einheitssignal 0.2 bis 1 bar konnten sowohl die Signale der Sensoren über größere Strecken übertragen werden als auch die Energie zum Betätigen der Aktoren.

In dieser Zeit um 1954 entwickelt Samson sein erstes pneumatisches Stellventil, den Typ 201 VP. Sehr bald danach kam dann der pneumatische Prozessregler zusammen mit Sensoren mit pneumatischem Ausgang und pneumatischen Stellventilen.

Für die Stellventile der nächste wichtige Schritt war die Einführung des pneumatischen Stellungsreglers als Unterregelkreis zum übergeordneten Prozessregelkreis. Samson leistete mit dem 1953 eingeführten STP 703 einen wichtigen Beitrag zu dieser Entwicklung. Es war der erste pneumatische Stellungsregler in Deutschland und einer der ersten weltweit.

Nach dem wichtigen Schritt vom pneumatischen Einheitssignal zum elektrischen Stromsignal 4 bis 20 mA wurden die Stellungsregler in den 70er Jahren zu elektropneumatischen Geräten.

Etwas ganz Neues kam dann 1992. Der weltweit erste kommunikationsfähige Stellungsregler Samson Typ 3780 mit HART-Kommunikation wurde auf der Interkama vorgestellt. Das digitale Stellgerät mit ersten Diagnosefunktionen und automatischer Inbetriebnahme war geboren, der Startschuss zum smarten Stellgerät. Bald danach wurde die Gerätegeneration auch feldbusfähig.

2001 brachte Samson dann einen neuen HART-Stellungsregler Typ 3730 auf den Markt, der nun Hybridtechnik und zusätzliche Vorort-Bedienung. Die Regelung wurde schneller und er besitzt daher komplexere on-board-Diagnosefunktionalitäten.

Für die Auf/Zu-Automatisierung sind Magnetventile wichtig. Der Durchbruch waren 1985 unsere vorgesteuerten Magnetventile mit wesentlichen kleineren elektrischen Leistungen. Diese Low-Power Elektronik hatte den Vorteil, dass man ähnlich wie beim Stellungsregler im Hinblick auf Eigensicherheit nun mit wesentlich kleineren elektrischen Stellenergien auskam, weil man nun auch die Energie der sowieso vorhandenen Druckluft intern im Magnetventil mitnutzen konnte.

Weitere wichtige Meilensteine aus dem Hause Samson in den 70er und 80 Jahren war auch die Integration von Grenzkontakten oder Stellungsmeldung und Magnetventile in den Stellungsregler. Zudem führte Samson 1987 den integrierten Stellungsregleranbau mit interner Luftführung ein und setzte damit einen Standard in der Stellventiltechnik.

Mit dem digitalen Stellungsregler wurde das Regelventil smart, aber 2009 schafften wir für automatisierte Auf/Zu-Ventile eine ähnliche Entwicklung, indem wir einen intelligenten Grenz-signalgeber auf den Markt brachten, den man eigentlich auch als intelligentes Magnetventil bezeichnen könnte.

Lassen Sie mich zunächst bei den mechanischen Funktionen und damit den eigentlichen Aufgaben der Stellventile bleiben. Die applikationsbedingte richtige Auswahl der Stellgeräte ist für den Planungsingenieur immer noch eine besondere Herausforderung ...

Dr. Jörg Kiesbauer: Sie sagen es. Wie schon vorher erwähnt: Stellgeräte sind heute komplexe modulare Funktionseinheiten. Diese müssen engineert werden und können nicht einfach per Katalog ausgewählt werden. Täglich legen unsere Vertriebsingenieure Stellventile mit Hilfe einer hauseigenen Software zur Berechnung von Ventilen aus. Basis ist in der Regel das Stelldatenblatt, z.B nach IEC 60534-7 mit den Prozess- und Stoffdaten. Neben den Stelldaten ist das Applikationswissen unserer Planungsingenieure gefordert. Ihre wichtigste Aufgabe ist die Aufbereitung vor allem von umfassenden und genauen Betriebs- und Stoffdaten und die Beschreibung der eigentlichen Aufgabe und Fahrweise des Ventils. Am besten geht letzteres beim Gespräch zwischen Planungs- und Vertriebsingenieur. Stellventile können komplexe Problemstellungen mit sich bringen. Beispiele sind Korrosion, Kavitation, Schallemission, dynamisches Stellungsregelungsverhalten, Umgebungseinflüsse etc. Um hier nicht mit aufwändigen Lösungen über das Ziel hinauszuschießen, muss man genau die Fahrweise und Applikation des Ventils kennen. In vielen Fällen ergibt sich dann eine einfachere und wirtschaftlichere Lösung. Ist das passende Ventil gefunden, folgt die Auswahl des optimalen Antriebs mit seinen Anbaugeräten wie Stellungsregler, Volumenstromverstärkern, Grenzsignalgebern usw.

Das Regelventil ist ja immer ein Teil des Prozessregelkreises und muss in die entsprechende MSR- und Leittechnik eingebunden sein. Welche Softwareunterstützung stellen Sie für die Geräteintegration bereit?

Dr. Jörg Kiesbauer: Wir sind der Aktorspezialist und haben kein eigenes Prozessleitsystem. Die beste Gesamtfunktionalität in der Aktorik erreicht man, wenn alle Stellgerätekomponenten aus einer Hand zusammengebaut und aufeinander abgestimmt werden. Gerade die Anbaugeräte wie Stellungsregler, Magnetventile, Luftleistungsverstärker etc. sollten auch aus dem Hause des Stellventilherstellers kommen. Der Stellungsregler unterliegt genau wie die Sensoren den Standards für die Geräteintegration. Dies nehmen wir sehr ernst und unterstützen alle Integrationsmethoden wie FDT/DTM und EDDL und alle gängigen Leitsysteme auf dem Markt. Dafür unterhalten wir unser Smart Valve Integration Center in Frankfurt, wo wir unsere Stellgeräte mit diesen Leitsystemen zusammen entwickeln und testen.

Und wie sieht es mit FDI aus?

Dr. Jörg Kiesbauer: Wenn FDI kommt, dann unterstützten wir auch FDI. Wir hoffen, dass hier manches einfacher und besser wird. Bisher ist EDDL nicht gleich EDDL, denn wir haben EDDLs in unterschiedlichen Ausführungen je nach Leitsystem.

Über die digitale Kommunikation zwischen Stellgerät und Leitsystem beziehungsweise Wartungskonsole bietet sich ja dann auch die Gerätediagnose an. Wie ausgereift sind die Diagnosefunktionen bei Stellgeräten und werden sie heute von den Anwendern schon für ein umfassendes Condition Monitoring genutzt?

Dr. Jörg Kiesbauer: Unsere Diagnosefunktionalitäten beim digitalen Stellungsregler als auch beim smarten Grenzsignalgeber sind sehr ausgereift. Zieht man die Methoden und Statusmeldungen aus der Namur-Empfehlung NE 107 heran, so haben wir heute das meiste umgesetzt und waren auch einer der ersten, welche die Namur-Ampel beim Stellungsregler integriert haben.

Grundsätzlich bietet Fehlerdiagnose und das Condition Monitoring eine Reihe von Gelegenheiten, Plant Asset Management zu verbessern. Daher sollte der intelligente Stellungsregler zunehmend zur Aktionsplanung im Rahmen von Revisionen bei Stellgeräten eingesetzt werden. Ziel ist dabei die Vermeidung des sofortigen Ausbaus des gesamten Stellgerätes und die dann routinemäßige Demontage. Komponentenweiser Austausch sollte im Vordergrund stehen. Die digitale Technik bringt hier Vorteile, nach dem Austausch wieder schnell in Betrieb nehmen zu können.

Bisher ist Diagnose aber nur sporadisch oder zufällig im Einsatz. Ein häufiger Grund dafür ist, dass oft in den noch wesentlich häufiger vorkommenden Anlagen mit 4 bis 20 mA - Signalübertragung die Kommunikationsstrukturen noch gar nicht geschaffen sind. Außerdem kommt oft der Hinweis, dass man bei den Anwendern gar nicht die Zeit hätte, sich mit Diagnosemeldungen zu beschäftigen. Der Geräte-Hersteller müsse hier unterstützen. Aber auch dieser kommt oft an die Daten nur Vorort dran.

Was noch fehlt ist der Zugriff auf die Informationen. Wir haben heute - wenn in der konkreten Anlage die Kommunikationsstrukturen wirklich geschaffen sind - mit Hart oder den Feldbussen die Möglichkeit auf die Geräte zuzugreifen. Wir haben dort online immer einen aktuellen Stand, aber auch nur in dem Moment, wo man gerade auf die Geräte zugreift. Über OPC gibt es auch die Möglichkeit, über andere Wege regelmäßig auf Geräte zuzugreifen. Dort fehlt aber noch der Weg, wie man das standardisiert und mit einer entsprechenden Performance über eine Anlage bzw. über einen bestimmten Anteil von Geräten leisten und auswerten kann.

Auf unserer Wunschliste ganz oben ist eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit, um an die Gerätedaten, unabhängig vom Asset-Management oder Engineeringsystem des Leitsystems, zugreifen zu können. Sehr viel lässt sich durch historische Daten erreichen, die man gerätebezogen verwalten und miteinander vergleichen kann. Die OPC UA-Schnittstelle, wie sie bei FDI vorgesehen ist, wäre vielleicht der Weg, wie wir dorthin kommen könnten.

Hierzu passt gut folgende Aussage von Herrn Seintsch vom Prüflabor MSR- und Analysentechnik der BIS Prozesstechnik bei einer Podiumsdiskussion auf der letzten Achema: „Die große Herausforderung für die Zukunft wird sein, dass die Detailinformationen zentral gesammelt, klassifiziert und dann noch Suchfunktionen darüber gelegt werden, um gezielt bei kritischen Anlagenzuständen abzufragen, wie haben sich die Geräte in diesem
Augenblick verhalten. Hierfür brauchen wir Gerätehersteller und Systemhersteller im selben Boot. Alleine lässt sich das nicht bewältigen."
Unser Service hat dieses Thema mit der Plattform Samson Trovis Solution schon aufgegriffen.

Bestimmt ist das Thema Aktorik noch nicht ausgereizt. Was sind denn die zukünftigen Trends und welche Rolle wird Samson dabei spielen?

Dr. Jörg Kiesbauer: Es bleibt abzuwarten, wie sich das Thema Wireless weiterentwickeln wird, vor allem natürlich bei der Aktorik. Zunächst sollte man die wirklichen Anwendungsvorteile aufzeigen, aber bei jeder Tagung sitzen die meisten Teilnehmer bei Vorträgen über Wireless. Zur Zeit ist Wireless-HART bei Aktoren für eine Regelung zu langsam, ISA SP 100 hat hier die Nase vorn. Auf jeden Fall beschäftigen wir uns mit dieser Thematik und werden bei der Namur-Hauptsitzung auch etwas zu diesem Thema sagen. Ansonsten wird das Thema Energieeffizienz auch bei der Aktorik eine Rolle spielen.

Optimierung braucht zuerst Informationen in Form von Energiemonitoring. Hier bietet das smarte Stellgerät schon heute ganz neue Möglichkeiten, z.B. durch Abschätzung seines Differenzdruckes, der Erfassung von Fehlerquellen wie z.B. Undichtigkeiten im pneumatischen System, oder gar der Abschätzung des Durchflusses und damit seinem hydraulischen Energieabbau.

Energieoptimierte Fahrweise ist nur möglich, wenn man im System denkt. Hier kann man sich Konzepte vorstellen, welche nicht drehzahlgeregelte Pumpe und Ventil gegeneinander ausspielt, sondern miteinander arbeiten lässt. Ohne Ventil geht es nicht, nur die Kombination z.B. in einer FlowUnit kann das Energieoptimum bringen. Dies würde auch dem Modularisierungswunsch entsprechen, der zur Zeit ganz aktuell in der Dechema diskutiert wird.

Welche Chancen geben Sie Ethernet bis an das Stellgerät?

Dr. Jörg Kiesbauer: Büro-Ethernet und Industrie-Ethernet werden sich unterscheiden und man hätte schon wieder einen neuen Kommunikationsweg, ohne die oben angesprochenen fehlenden Eigenschaften für Plant Asset Management gelöst zu haben.

Herr Dr. Kiesbauer, wir bedanken uns für das Gespräch und wünschen Ihnen und allen Teilnehmern eine interessante Namur-Tagung.