In prozesstechnischen Anlagen sind oft hunderte von Ventilen im Einsatz. Wenn es sich um automatisierte Anlagen handelt, sind sie nicht nur mit Stellantrieben ausgestattet, sondern auch mit Schaltgeräten, die die Stellung der Ventile überwachen.
Magnetsensoren für berührungslose Stellungsabfrage
Ein führender Hersteller von hochwertigen Ventilen für die Prozess- und Energietechnik hat ein umfangreiches Modulsystem aufgebaut, aus dem der Anwender sein Ventil konfigurieren kann. Zu den Optionen des Modulsystems gehört die Abfrage von einer oder beider Endstellungen des Ventils (Bild 1). Dabei kommen berührungslos wirkende Magnetsensoren von Typ Ex RC 14 zum Einsatz. Die berührungslose Abfrage bietet im Vergleich zu einem mechanischen Positionsschalter den Vorteil, dass man keine direkte Verbindung zur Antriebsspindel benötigt und damit die dauerhafte Dichtigkeit des Ventils nicht gefährdet. Der Sensor wirkt durch das Edelstahlgehäuse des Ventils hindurch (Bild 2). Ein weiterer Vorteil des Magnetschalters besteht darin, dass man auf der Innenseite des Ventils, das heißt an der Spindel, keine speziellen Targets oder Betätiger montieren muss. Es reicht ein konventioneller Dauermagnet, mit dem ein hoher Schaltabstand erreicht wird. Bei den Ventilen für Ex-Bereiche setzt der Hersteller einen Sensor ein, der nach den Anforderungen der Atex-Richtlinie 94/9/EG konstruiert wurde und sich somit für den Einsatz in Ex-Bereichen (Gas-Ex-Zonen 1 und 2, Staub-Ex-Zonen 21 und 22) eignet. Darüber hinaus ist der Magnetsensor auch mit GL-Zulassung verfügbar, eine Eigenschaft, die vor allem im Schiffbau und in der Offshore-Technik gewünscht ist. Möglich wäre auch der Einsatz eines induktiven Sensors. Bei diesen Sensoren kann man auf einen Magneten als Target verzichten. Aus Sicht von GSR überwiegt allerdings der Vorteil des Magnetprinzips, das heißt die kompakte Bauform bei hohem Schaltabstand.
Energy Harvesting in der Prozesstechnik
In den weit verzweigten Anlagen der Prozess- und Energietechnik ist es unter Umständen mit einigem Aufwand verbunden, die zur Stellungsüberwachung erforderliche Energie und Signale bis hin zum Ventil zu führen. Dies gilt vor allem bei manuell betätigten Ventilen, die abgesehen von der Stellungsüberwachung ohne Energiezufuhr auskommen. Hier bietet sich der Einsatz von kabellosen Positionsschaltern und Sensoren an. Ein Betreiber von Gaspumpstationen verwendet z.B. mechanische Positionsschalter, die jeweils die Endlage einer Handradverstellung überwachen. Wird das Betätigungselement beim Drehen des Handrades bewegt, erzeugt ein elektrodynamischer Energiegenerator im Betätiger eine Energiemenge, die ausreicht, um ein Signal an eine Steuereinheit zu senden. Eine besonders elegante Variante der Stellungsüberwachung bietet das Wireless-Programm. Dabei handelt es sich um kabellose Positionsschalter, die nach dem Prinzip des Energy Harvesting selbst die Energie generieren, die zur Funk-Übertragung des Signals nötig sind. Diese Technologie bietet den Vorteil, dass die Ventile nicht nur ohne elektrische Leitungen, sondern auch ohne Batterie auskommen, das heißt die Positionsüberwachung arbeitet vollständig autark. Eine kompakte Empfangseinheit, die im Schaltschrank eingebaut werden kann, wertet die Signale aus. Es stehen unterschiedliche Funkprotokolle zur Verfügung, die teilweise auch das Senden einer Empfangsbestätigung erlauben. Noch ist diese Technologie nicht für Ex-Funkschalter verfügbar, wird aber angestrebt. Derartige Funk-Schaltgeräte bewähren sich in zahlreichen Einsätzen in der Gebäude- und Industrietechnik. Falls der Anwender aus Sicherheitsgründen ein regelmäßiges Präsenzsignal wünscht, empfiehlt sich die Nutzung von batteriegestützten Funksystemen. Und, ganz wichtig für die Prozesstechnik: Zum Wireless-Programm gehören auch Schaltgeräte, die gemäß den Atex- und IECEx-Vorschriften in Ex-Bereichen eingesetzt werden dürfen.
Batteriegestützte Funk-Sensoren
In Kombination mit berührungslos wirkender Sensorik lässt sich die Energy Harvesting-Technologie nicht einsetzen, weil keine Bewegung stattfindet, die in elektrische Energie umgesetzt werden könnte. Aber auch hier gibt es Möglichkeiten, die den Verzicht auf eine leitungsgebundene Stellungsabfrage erlauben. Kürzlich wurden mehrere Baureihen von kabellosen Sensoren vorgestellt, die das von steute entwickelte sWave-Funkprotokoll auf dem 868/915MHz-Frequenzband nutzen (Bild 3). Der RF RC 10 im quadratischen Kunststoffgehäuse ist flexibel in die Maschinenkonstruktion integrierbar. Während er mit einem Reed-Kontakt ausgestattet ist, detektieren die zylindrischen Funk-Sensoren RF GS M25 und RF GS M30 das Target über den GMR-Effekt. Für den Anwender bietet das den Vorteil, dass der Sensor auch an vibrierenden Maschinen und Anlagen eingesetzt werden kann, weil Vibrationen den GMR-Effekt nicht beeinträchtigen. Die Multi-Netzwerkfähigkeit der sWave-Funktechnologie erlaubt den Einsatz mehrerer Sensoren in einem Sendebereich. Zu den Besonderheiten des Funkprotokolls gehört die bidirektionale Signalübertragung: Zeitversetzt wird jeweils eine Rückmeldung der Sendebestätigung gesendet. Wenn keine Bestätigung vom Empfänger erfolgt, schickt der Sender das Signal erneut, was die Übertragungssicherheit erhöht. Die Stromversorgung erfolgt bei allen drei Sensorbaureihen über eine Longlife-Lithiumbatterie, die dank des extrem niedrigen Energiebedarfs des sWave-Funkprotokolls Energie für mehr als eine Million Schaltspiele bereitstellt.
