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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 535

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Automatisierung

Ein Superlativ verlangt spezielle Lösungen

LDPE-Automatisierung mit Profibus-Technologie

Die Anlage (Bild
1) wurde Ende 2000 an BASELL übergeben. BASELL, ehemals Elenac, ist ein Gemeinschaftsunternehmen der BASF und Shell, die in dieser Gesellschaft ihre Ethylen- und Polyethylenaktivitäten gebündelt haben. BASELL steigt dadurch zum weltweit viertgrößten PE-Hersteller auf. Die neu gebaute Anlage ist auf eine Produktion von 285
000
Jahrestonnen LDPE ausgelegt und steht in mehrerer Hinsicht für technische Höchstleistungen. Die größte einstraßige LDPE-Anlage hält gleich zwei Weltrekorde:: In ihr arbeitet der weltgrößte Einschnecken-Extruder und ein Hochdruck-Kompressor, der in dieser Größe ebenfalls noch nirgendwo auf der Welt gebaut wurde. Der mit der Anlage produzierte Kunststoff wird vor allem in der Verpackungsindustrie eingesetzt.Der monomere Grundstoff Ethylen wird von der Kracker-Anlage für die LDPE-Produktion geliefert. Der nachfolgende vierstufige Hochdruckreaktor mit einer Länge von rund 2000
m wird mit dem "Lupotech G-Verfahren" der BASF betrieben. Bei Drücken von fast 3000
bar wird das monomere Ethylen polymerisiert und danach dem LDPE-Extruder zugeführt.

Das Verfahren stellt an die Automatisierung zur Prozessbedienung, Beobachtung und Kopplung prozessnaher Automatisierungssysteme mit Integration dezentraler Remote I/O-Systeme der Ex-Zone 1 und 2 außerordentlich hohe Forderungen. Das DCS (Distributed Control System = Prozessleitsystem), Bild
2, verarbeitet 6000 Ein- und Ausgänge. Eine hohe Verfügbarkeit der Bedienplätze und eine schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit mit zeitfolgerichtiger Signalauflösung sind die wichtigsten Merkmale der Automatisierungsaufgabe. Einen hohen Stellenwert haben dabei das Grafikbild "Temperaturprofil über dem Reaktor" und die schnelle Messwertaufzeichnung "Fast Recorder".

Die Automatisierungsaufgabe wurde mit dem Leitsystem Symphony/Melody gelöst (Bild
2). Die 1::1-Redundanz der Workstations mit zentralem Objektverzeichnis, Meldedatenbank sowie den File-Archiven gewährleisten die hohe Verfügbarkeit der Bedien- und Beobachtungs-Ebene. Beide Work
stations verfügen zu jeder Zeit über den gleichen Informations- und Funktionsumfang. Würde eine ausfallen, beeinträchtigt dies nicht die Funktion der Prozessführung. Maximal vier X-Terminals oder Bedienplätze kann eine Workstation versorgen.Bei Ausfall einer der beiden Workstations übernimmt die redundante Workstation automatisch die Funktion und die zusätzliche Versorgung der beiden Bedienstationen. Über 100 Grafikbilder visualisieren den gesamten Prozess. Die geforderte Bildaufrufzeit von weniger als zwei Sekunden wurde im Prüffeld und während des Betriebes nachgewiesen. Über 1200 Prozesswerte werden kontinuierlich als Trends archiviert und in Trendbildern dargestellt. Jedes Trendbild stellt acht Variable analog oder digital dar.

Das mit Abstand wichtigste Grafikbild ist die "Temperaturhülle über dem Reaktor" (Bild
3). Es ist Indikator für den Produktionsverlauf und wird deshalb auf einem Großdisplay dargestellt. Mit zusätzlichen Produktionsdaten werden über 500 Variable mit einer Aktualisierungszeit von 1
s auf diesem Grafikbild dargestellt.Der Großbildmonitor verhält sich wie ein vollwertiges X-Terminal im DCS-System und dient als zusätzlicher Bedienplatz. Das Temperaturprofil setzt sich aus etwa 128 Reaktortemperaturmessungen zusammen. Jede Messstelle hat drei Variable und einen Festwert " Ist-Wert, Soll-Wert und Voralarm sowie ein leitbarer Festwert entsprechen dem Abschaltgrenzwert des ESD (Emergency Shut Down)-Systems. Über eine Polynomlinie werden die Signale gleichen Typs zu einem Kurvenzug verbunden und jede Messstelle und das Toleranzband farblich dargestellt. Rückschlüsse auf Qualität, Produktionsverlauf und notwendige Bedienmaßnahmen lassen sich daraus ableiten. Um eine gleichbleibende Produktionsqualität zu erzielen, werden die Kurven in Files gespeichert, die bei Bedarf als Referenzkurven zurückgeladen werden.

Die schnellen Reaktionsvorgänge im Reaktor erforderten den Einsatz eines "Fast Recorder". Damit kann vor und nach einer sicherheitsrelevanten Abschaltung das Ereignis signalfolgerichtig erfasst, dokumentiert und nachvollzogen werden. Dazu werden etwa 140 analoge Signale (Temperaturen und Drücke) des Reaktors mit einer Zykluszeit von 100
ms erfasst und etwa 30
s vor und 120
s nach dem Ereignis "Abschaltung durch das ESD-System" in Files gespeichert.Eine weitere Workstation koppelt 5000 Signale aus dem DCS zu dem Daten-Server für das übergeordnete "Prozess-Information-System". Er bildet die Plattform für die Langzeitarchivierung sowie für nachfolgende Applikationsprogramme beispielsweise für Advanced Control und Optimierungssoftware.

Das Leitsystem erfüllt die Forderung, eine schnelle Datenverarbeitung mit redundantem Profibus zu den Remote-I/O-Systemen für Zone
1 und 2 zu gewährleisten und rund 500 "normale" I/Os der insgesamt 6000 I/Os einzubinden. Hinzu kommen zehn Modbus-Kopplungen unter anderem zum Cracker, den Mittelspannungsanlagen, den Metering-Stationen und ESD-System für etwa 1000 weitere Messstellen.Kernstück der Prozessautomatisierung bilden die Controller-Baugruppen (CMC
60). Sie erfüllen folgende Aufgaben zur Bearbeitung der Automatisierungsfunktionen:

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung: Die neuen Baugruppenträger mit Bestückung von vier System- und weitere I/O-Komponenten benötigen deutlich weniger Systemschränke. In die gleiche Richtung zielt der Einsatz von Remote I/Os anstelle herkömmlicher I/O-Komponenten. Durch die weitere Dezentralisierung des Automatisierungssystems verteilt sich die "Intelligenz" über die gesamte Anlage: Das spart erheblich Platz im Schaltraum. Für das gesamte DCS sowie für das ESD-System sorgt eine Funkuhr mit dem DCF77-Signal für eine genaue Zeitführung und Zeitsynchronisierung.

Die dezentrale Verteilung der Signale innerhalb der Prozessanlage verlangte Remote-I/O-Systeme (Bild
5) mit einer schnellen und leistungsfähigen Feldbuskommunikation via Profibus. Für den Einsatz der Feldbuskommunikation sprach in erster Linie der deutlich geringere Verkabelungs- und Montage
aufwand. Die Verwendung der
LWL-Technologie (Lichtwellenleiter) sorgt für eine sichere und schnelle Übertragung in die Ex-Zone
1.Das Feldbusnetz für Ex-Zone
1 besteht aus 16 redundanten Profibuslinien. Die LWL-Umsetzer sind für den Einsatz in Ex-Zone
1 als Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut und garantieren so eine störungsfreie Übertragung mit Blitzschutzmaßnahme bei einer Übertragungsrate von 1,2
MB/s. Messungen während der Werksabnahme belegten eine Übertragungszeit unter 60
ms. Insgesamt wurden 42
Remote-I/O-Stationen (Slaves) mit 3100
I/Os gekoppelt. Die Remote-Stationen haben 48
I/O-Steckplätze für Ein- und Ausgangsmodule sowie redundante Buskopplermodule. Sie können während des Betriebes in der Ex-Zone
1 gesteckt und gezogen werden.Eine weitere redundante Profibuslinie koppelt 14
Contrans-I-Remote-Stationen mit 900
I/Os aus den Motorsteuerungen (MCC).

Wegen der extrem schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten im Reaktor und den damit notwendigen kurzen Signalverarbeitungszeiten war für die ESD-Anlage eine parallel-verdrahtete Failsafe-Steuerung ("hart-verdrahtet") notwendig. Die geforderte Signalverarbeitung von 8
30
ms wurde anhand von Laufzeitmessungen im Prüffeld nachgewiesen.Eine hochverfügbare SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) protokolliert zeitfolgerichtig die ESD-Signale. Das ESD-System koppelt über das Modbus-Protokoll 500 besonders prozessrelevante Signale redundant zum DCS. Des Weiteren steuert das System ein ebenfalls 1:1-verdrahtetes Mosaikfließbild für die Handbedienung des Notprogramms in der Messwarte an.

Alle Konfigurationsarbeiten können von einem zentralen Engineeringplatz ohne Beeinträchtigung der Prozessbedienung durchgeführt werden. Die Durchgängigkeit der HART-Funktionalitäten der Feldinstrumente sowie der Remote-Service zur Engineeringstation ist gewährleistet. Das Engineeringtool erfüllt zudem folgende Anforderungen:

Bisher wurden herstellerspezifische Tools (SmartVision, Commuwin und so weiter) zur Kommunikation mit den Feldgeräten eingesetzt. In diesem Fall lautete die Vorgabe, die herstellerspezifischen Tools mit ihren gerätespezifischen Dialogen durch den Einsatz der neuarti
gen Field-Device-Tool-Technologie (FDT) zu ersetzen. Die FDT-Spezifikation beschreibt die Schnittstellen zwischen gerätespezifischer Software ("Gerätetreiber") und dem Engineeringtool eines Leitsystems. Somit können jetzt auch komplexe Funktionen von Feldgeräten im Leitsystem genutzt werden, die die Möglichkeiten der bislang üblichen Beschreibungssprachen GSD und auch EDD (Electronic Device Description) übersteigen. Der Gerätehersteller liefert zusammen mit seinem Gerät auch den "Gerätetreiber" DTM (Device Type Manager), eine Softwarekomponente, die auf den Funktionsumfang des Gerätes zugeschnitten ist und das jeweilige Gerät optimal unterstützt. Die Integration der DTMs in die Engineeringtools der Leitsysteme erfolgt über die standardisierten FDT-Schnittstellen (Bild
6). Damit lassen sich verschiedene Arten von Geräten einheitlich auch in heterogene Leitsysteme integrieren. Einen besonderen Vorteil stellt die FDT-Technologie in bezug auf kürzere Inbetriebnahme- und Loopcheck-Zeiten sowie geringeren Bedarf an Vorort-Personal dar. Die Profibus-Module (Remote I/O) werden direkt aus dem Engineering-Tool "Composer" konfiguriert. In der LDPE-Anlage werden nur Feldgeräte von Herstellern verwendet, die zu ihren Geräten dieses "genormte" Stück DTM-Software lieferten. Die Software wird in den Engineering-Server eingespielt und ermöglicht eine problemlose Konfiguration der Feldgeräte.

In diesem Projekt kam sowohl Standard-Automatisierungstechnologie als auch dezentrale Automatisierung mit Remote I/O und Profibus zum Einsatz. Die Standardisierung der Hardware und der Einsatz moderner Kommunikationstechnologien reduziert drastisch den Hardware-Anteil. Im gleichen Zuge nimmt der Dienstleistungsanteil bei Automatisierungsprojekten immer mehr zu. Diese Tendenz ist schon seit geraumer Zeit zu beobachten und wird sich in Zukunft noch verstärken.

Autor:
Schuhmann, B.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 535
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