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01 Bei über 4 Mio. km Pipelines in den USA ist die Vor-Ort-Überwachung keine praktikable Lösung mehr

Flexible Plattform für Prozesssteuerung und Zustandsüberwachung

02 Engemovi führt die erste Prüfung einer Pipeline vor Ort durch

03 Lime Instruments nutzt die gleiche Plattform für anspruchsvolle Prozesssteuerung und Zustandsüberwachung an seinen Geräten im Außeneinsatz

Prozesssteuerung und Zustandsüberwachung von verteilten Anlagen stellen besondere Anforderungen an die Controller. Mit den softwaredesignten NI- Compactrio-Controller stehen flexible Plattformen zur Verfügung, die in vielen Anwendungen die Komplexität der Systementwicklung vereinfachen und dabei die Effizienz erhöhen.

Prozesssteuerung ist ein Thema, das eine große Bandbreite an Anwendungen abdeckt. Ein Trend, den alle Anwendungen gemeinsam haben, ist das Streben nach Erhöhung der Maschinensicherheit, Optimierung der Prozesse und Einführung dezentraler Überwachung für mehr Sicherheit. Allerdings macht dieser Trend Anwendungen komplexer. Prozesssteuerung kann mithilfe eines traditionellen Controllers wie einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) relativ einfach durchgeführt werden, da dieser ein benutzerfreundliches, zuverlässiges Programmierparadigma bietet. SPS bleiben allerdings bei der Implementierung moderner Funktionalität oft hinter den Anforderungen zurück.

Portabel, zusätzlich oder integriert
Bei der Zustandsüberwachung ist die Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung und -verarbeitung wichtig. Da SPS nicht für dieses Niveau der Erfassung und Verarbeitung ausgelegt sind, muss auf eine andere Lösung zurückgegriffen werden. Anwender können ein portables System nutzen, bei dem Techniker periodisch Messungen an jeder Maschine durchführen, um Unregelmäßigkeiten festzustellen, die SPS um ein zusätzliches System eines anderen Herstellers erweitern, welches auf Zustandsüberwachung spezialisiert ist, oder eine benutzerdefinierte Lösung erstellen, die Steuerung und Zustandsüberwachung in eine Lösung integriert. Stand-alone-Systeme sind häufig bei einfachen Lösungen eine gute Wahl. Fortgeschrittene Anwendungen verfügen aber über verschiedene Teile, die harmonisch zusammenarbeiten müssen. Die Integration so vieler dynamischer Komponenten untereinander resultiert in einer erhöhten Komplexität. Die Komplexität, die sich aus der Integration neuer Lösungen in bestehende Systeme ergibt, nimmt noch zu, wenn mehrere verschiedene Lösungen implementiert werden. So entsteht ein in sich verwobenes System aus neuen und vorhandenen Technologien, die miteinander kommunizieren müssen. Zudem führen alle diese Verbindungen zu zusätzlichen Kosten aufgrund von steigendem Wartungsaufwand. Weitere Herausforderungen ergeben sich aus benutzerdefinierten Lösungen und Erweiterungen, wenn beispielsweise neue Funktionen eingesetzt, neuere oder ältere Geräte genutzt oder auch Drittanbieter für das Hinzufügen von mehr Funktionalität bezahlt werden. Portable Lösungen kommen für größere Anlage nicht infrage. Allein in den USA gibt es mehr als 2,5 Millionen Pipelines (Bild 1). Dabei ist gesetzlich vorgeschrieben, dass jede Pipeline alle fünf Jahre überprüft werden muss. Bei nur 137 Prüfern müsste jeder von ihnen etwa 5.800 km Leitungen jährlich untersuchen. Es ist also nahezu unmöglich, Entscheidungen in Echtzeit zu treffen. Ein bekanntes Energieunternehmen ging unlängst nach dem gleichen Muster vor, jedoch bei Schwingungsmessungen an rotierenden Maschinen. Das Unternehmen fand heraus, dass seine bestens geschulten Schwingungsanalysten mit 80 % den Großteil ihrer Zeit mit Messungen und Dateneingaben verbrachten, wohingegen nur 20 % für die Datenanalyse übrig blieben. Weniger aufwendig ist die Implementierung einer Zustandsüberwachung. Komplexe, unterschiedliche Systeme zu integrieren, kann durchaus das Sammeln und Analysieren von Daten verbessern und die allgemeine Effizienz erhöhen. Allerdings werden die Systeme komplexer, je mehr Systeme ergänzt werden, um ein Problem schnell zu beheben.

Standardlösung mit benutzerdefiniertem Design
Eine geeignete Herangehensweise bei der Prozesssteuerung ermöglicht die Kombination einer handelsüblichen Standardlösung mit benutzerdefiniertem Design. Diese Lösung liefert die Low-Level-Anpassbarkeit eines benutzerdefinierten Schaltungsentwurfs in Verbindung mit der Zuverlässigkeit und den Entwicklungszyklen von handelsüblicher Standardhardware. Hinzu kommt, dass sie eine vom Geräteanbieter unabhängige Hardwareplattform beinhaltet. Plattformen ermöglichen es, die gleiche Hardwaretechnologie in beinahe jedem Bereich einer Anwendung einzusetzen – von der Konstruktion über die Prozesssteuerung bis hin zur Zustandsüberwachung. Das Plattformkonzept ist deshalb so leistungsfähig, weil mit ihm unnötige Komplexität unterbunden wird. Auch Hardwareprobleme können begrenzt werden, da der Einsatz derselben Architektur in einem System für bestmögliche Interoperabilität sorgt. Somit ist jede neue Herausforderung softwareseitig zu lösen, was schnellere Entwicklungszyklen ermöglicht. Das gleiche Prinzip lässt sich aus Softwaresicht anwenden, wenn eine Hardwareplattform mit leistungsstarker Software verbunden wird, um eine einheitliche Lösung zu schaffen. Nun liegt die Herausforderung weder bei der Hardware, noch bei der Software, sondern bei der Anwendung selbst. Das zuvor genannte Energieunternehmen nutzte diese Plattform, um auf ein integriertes, automatisiertes System umzusteigen. Dadurch kehrte es den Trend in Bezug auf die Zeit der Bediener um, sodass diese nun 80 % ihrer Zeit mit der Datenanalyse verbringen und nur noch 20 % mit der Ausführung manueller Überprüfungen. Das brasilianische Unternehmen Engemovi nutzt die gleiche Plattform, um ein System zur Inspektion und Wartung von Pipelines mit Echtzeitdatenerfassung und -verarbeitung zu erstellen (Bild 2). Durch den plattformbasierten Ansatz wird die gleiche einheitliche Software sowohl für die Prüfung der Pipelines als auch für die Nachbereitung der Daten eingesetzt. Das Team von Engemovi kann sich so auf die Implementierung der mathematischen Algorithmen für die Datenfusion und die statistischen Analysen konzentrieren anstatt auf Kommunikationsprotokolle. Lime Instruments mit Sitz in Houston/USA steuert und überwacht mit der Plattform die anspruchsvolle Prozesssteuerung von Mischmaschinen und die Zustandsüberwachung von Pumplastwagen (Bild 3). Dank dem Einsatz von einheitlicher Hard- und Software konnte das Unternehmen die Effizienz erhöhen. Laut CEO Rob Stewart wurde „in ein paar Monaten das erreicht, wofür die meisten C-Programmierer zwei Jahre brauchen würden.“

Komplexität der Systementwicklung vereinfachen
Plattformen vereinfachen nachweislich die Komplexität der Systementwicklung und erhöhen dabei die Effizienz. Eine derartige Plattform findet sich im softwaredesignten Compactrio-Controller von National Instruments, der auf der NI-Labview-RIO-Architektur (rekonfigurierbare IO) basiert. Diese Architektur integriert einen Echtzeitprozessor nahtlos mit einem anwenderprogrammierbaren FPGA und modularer IO, die mit der Systemdesignsoftware NI Labview programmiert werden. Der FPGA ist ein rekonfigurierbarer Chip, der es Anwendern ermöglicht, ihre Algorithmen ähnlich wie beim benutzerdefinierten Entwurf in Hardware zu integrieren. Die Anwender können den FPGA mithilfe von High-Level- Software erneut programmieren, um ihre Entwürfe schneller als beim benutzerdefinierten Entwurf umzusetzen. Das bedeutet, dass Anwender ihre Firmware vor Ort aktualisieren können, wenn eine Funktion hinzugefügt oder überarbeitet werden muss. Außerdem können sie ihre Anwendungen mithilfe eines FPGA mit höherem Determinismus und höherer Zuverlässigkeit ausführen, um eine sicherere Lösung zu entwickeln, da viele der Algorithmen und Logiken in Hardware integriert werden können. Mit der rekonfigurierbaren Architektur können Anwendungen von der Zustandsüberwachung bis hin zur komplexen, modellbasierten Steuerung mit allen Zwischenschritten durchgängig realisiert werden. (hz)

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Autor:
Brian Phillippi ist Product Marketing Manager bei National Instruments, Inc. in Austin/USA. brian.phillippi@ni.com