Optimiertes Tank-Management und erhöhte Anlagenverfügbarkeit durch Sensorik und Big Data

Die Kombination macht es…

Moderne Sonden messen die Flüssigkeitspegel mit hoher Präzision (mm-Bereich), wozu das industriebewährte Messprinzip der hydrostatischen Druckmessung in mbar-Auflösung herangezogen wird. Bild: Tecson
Dr. Christian Ehrensberger / Freier Journalist /

Die Füllstandmessung ist eine Paradeanwendung für Sensoren. Sie ermöglichen eine optimierte Befüllung, ein schlankeres Supply-chain-Management sowie eine höhere Verfügbarkeit ganzer Anlagen. Die Voraussetzungen bestehen in massgeschneiderten Sensoren und in ihrer sinnvollen horizontalen und vertikalen Vernetzung.

Eine konsequente Füllstandkontrolle unter Verwendung modernster Technik bringt entscheidende Wettbewerbsvorteile durch Betriebskosteneinsparungen. Die erste Fragestellung für den Anwender lautet jedoch: Welchen Sensor brauche ich? So schlicht sie sich anhört, so vielschichtig stellt sie sich in der Praxis dar. Denn die Sensortechnik ist ebenso ausgereift wie ausdifferenziert.

Für viele Industrieflüssigkeiten hat sich die hydrostatische Tauchsonden-Messung durchgesetzt, verstärkt, seit keramische Messzellen die Sensoren noch robuster gemacht haben. Als zuverlässig einsetzbar, selbst in widrigen Umgebungen, hat sich die geführte Radarmesstechnik erwiesen. Bei freiabstrahlenden Radargeräten wird heute auf 6-, 24- und 80-GHz-Geräte zurückgegriffen, wobei jede Frequenz ihre Vorteile und physikalischen Grenzen hat. So eignen sich zum Beispiel 10-GHz-Geräte für Anwendungen in einfachen Lager- oder Prozesstanks von bis zu 30 Metern Höhe und 24-GHz-Geräte als Allrounder für Prozessbehälter in der chemischen Industrie mit Rührwerken und Pumpen, generell bei stark bewegten Oberflächen und bei hohen Drücken und Temperaturen. Die Stärken der 80-GHz-Versionen liegen bei Schüttgütern, Granulaten und Pulvern mit sehr kleinen Korngrössen und/oder hoher Staubentwicklung.

Vernetzung

Die zweite Fragestellung heisst: Welche Art von Datenübertragung und -vernetzung bedarf es und mit welchen weiteren Daten sollen die Ergebnisse der Füllstandmessung am Ende zusammengeführt werden? Denn sind bereits die Füllstände von einem Dutzend Behältern an einem Standort bekannt und werden sukzessive weitere hinzugenommen, lässt sich das Bestandsmanagement bereits weitgehend optimieren.

Darüber hinaus bietet es sich an, neben den Sensor-Daten weitere Daten ins einmal geschaffene Netzwerk einzuspeisen, zum Beispiel Positionsdaten von Tanklastern (nach GMP). Werden diese mit Wettervorhersagen verknüpft, lässt sich zum Beispiel erkennen, ob ein Tanklastwagen im schneekettenpflichtigen Gebirge länger brauchen wird und daher die Supply chain umstrukturiert werden muss. So gelangt der Anwender mit Hilfe von Big Data schnell von der reinen Prozesssteuerung und Ressourcenplanung über die Beschaffung und Produktion zum kompletten Enterprise Resource-Planning (ERP) und zu Prozessleitsystemen (PLS). Hierbei kann er weitreichende Entscheidungen treffen. Zum Beispiel kann er ein vorstrukturiertes PLS wählen und sich daran anpassen. Alternativ dazu arbeitet er mit einem Servicepartner, der die gewachsene Struktur mit einem flexiblen Angebot aus Sensoren und Vernetzungstechniken unterstützt und sukzessive optimiert.

Eine weitere wichtige Entscheidung betrifft den physikalischen Speicherort. Die Datenübertragung kann über Glasfaserkabel, Mobilfunk oder Satellit erfolgen. Erst in den letzten Jahren hat die Verbindung von Geräten und Webservern über Bluetooth so richtig Fahrt aufgenommen, aber wo landen die Daten letztlich? Eine Option sind beispielsweise Cloudlösungen spezialisierter Dienstleister.

Praxisbeispiele

Auf dem aktuellen Stand der Technik stellt eine automatisierte Füllstandüberwachung keine Hexerei dar – und kann zum Beispiel für mehrere geschlossene Tanks so aussehen: Je Tank wird ein Differenzdruckmessumformer mit zwei Druckmittlern verwendet. Bei der Montage wird das Messgerät über Rohrleitungen mit dem Behälterboden und dem Behälterdeckel verbunden. Je nach Tankgrösse kann der Füllstand damit bis auf den Zentimeter genau bestimmt werden. Die Datenübertragung erfolgt wahlweise über eine Verkabelung vom Tank zum Automatisierungssystem oder über eine Funk-Übertragung zwischen Druckmessumformer und Automatisierungssystem. Ein integrierter Webserver ermöglicht den Zugriff auf die Prozesswerte – entweder über einen PC oder auch mobil über ein Smartphone und ein Tablet. Benachrichtigungen, zum Beispiel Alarmmeldungen, sind auch per SMS oder E-Mail möglich.

Ein Beispiel aus dem Schüttgut-Bereich liefert der Mühlenbetreiber Swissmill. Zur Füllstandüberwachung in seinen Mehlsilos verwendet er 80-GHz-Radarsensoren. Die damit gewonnenen Daten dienen anschliessend zur Steuerung grösserer Prozesse (z. B. bei der Futtermittelherstellung) und es geht noch weiter: Über die 200 Swissmill-Silozellen hinaus werden weitere 150 Silozellen von Kunden betrieben. Da alle miteinander vernetzt sind, erfolgt über ein übergreifendes Warenwirtschaftssystem bei Leerlaufen einer Kunden-Silozelle automatisch eine Nachbestellung bei Swissmill.

Die Übertragung der Messwerte und die Fernparametrisierung der Sensoren erfolgt über Funktechnik wie GSM, GPRS oder UMTS. Alternativ dazu können Ethernet-Netzwerke genutzt werden. Für die drahtlose Verbindung der Sensoren mit einem Netzwerkserver eignet sich zum Beispiel ein Mobilfunk-Router in Kombination mit einem Auswertegerät, das über eine Ethernet-Schnittstelle verfügt.

Weitere Entwicklung

Bei der reinen Sensorik für die Füllstandmessung haben die Ingenieure in den vergangenen Jahrzehnten Herausforderung um Herausforderung gemeistert. Der Anwender kann heute damit rechnen, dass der ideale Sensor für seine Tanks oder Silos bereits existiert. Es kommt allerdings darauf an, ihn zu finden – am besten im Rahmen einer eingehenden Beratung.

Eine schwierigere Frage lautet: Wohin geht der Trend angesichts vieler und immer neuer Kommunikationswege? In der betrieblichen Praxis dürfte es meist unmöglich sein, alle gleichzeitig zu beschreiten, zumal allgemeingültige Standards in der Anschlusstechnik und der Datenübertragung immer noch fehlen. Hier ist Entscheidungsfreudigkeit mit einem gewissen Mut zur Lücke gefragt. Zum Beispiel: Profibus, Profinet oder, oder, oder – wobei auch Unterschiede je nach Kontinent zu berücksichtigen sind (z.B. Profibus FF in den USA und Profibus PA in Europa).

Einsame Entscheidungen gehören allerdings der Vergangenheit an. Digitalisierung und Vernetzung werden immer nur dann funktionieren, wenn der Anwender und der Servicedienstleister eng zusammenarbeiten und an einem Strang ziehen. Letztlich geht es um Fragen des Handlings von Daten und Geräten, um ihre Installation, Wartung und Vernetzung.

Und noch eines: Die Datenqualität ist am Ende das A und O, und zwar stets mit einer Vor-Ort-Anzeige. Dies hat sich als besser erwiesen als reine Messwertgeber oder die Weiterleitung unkalibrierter Signale per Datenfernübertragung oder Mobilfunk. In der Praxis erfolgt zum Beispiel eine hydrostatische Pegelmessung, und nach DIN über die bekannte Geometrie des Tanks wird der Bestand in Litern und in Prozentanteilen des gesamten Tanks errechnet und angezeigt; damit ist vor Ort sofort klar, welches Volumen nachzufüllen ist. Scharfe Anforderungen gelten zum Beispiel bei Riesentanks in grossen Häfen. Millimetergenauer Pegelstand reicht hier nicht, sondern es muss eichfähig sein. Auch hier wird die Entwicklung weitergehen. Erst im vergangenen Jahr brachte Endress+Hauser ein neues, nach IEC61508 entwickeltes und eichfähiges 80-GHz-Radargerät mit einer Messgenauigkeit von bis zu 0,5 Millimetern auf den Markt.

Für das Gesamtsystem können definierte industrielle Qualitätsstandards hilfreich sein, wie zum Beispiel die Heartbeat Technology. Da prüfen sich etwa Geräte permanent selbst und zeigen einen etwaigen Wartungsaufwand im Klartext an; im eingebauten Zustand werden, ohne Herunterfahren, vorgeschriebene oder empfohlene Prüfungen durchgeführt und die Ergebnisse dokumentiert; modernes Monitoring erkennt Trends bei Sensoren und Prozessen. Als Belohnung für die Nutzung aller modernen Konzepte und Tools winkt, über eine optimierte Logistik rund um die Tanks hinaus, eine bessere Verfügbarkeit kompletter Anlagen.