Sie sind ein beliebtes Messe-Exponat: Roboter, die bunte Bälle rasend schnell in Mulden sortieren, die Kartons auf Paletten stapeln, Sekt einschenken und auch gleich servieren. Besucher-Aufmerksamkeit ist garantiert. Die Geschwindigkeit und Exaktheit, mit der ein Roboter arbeitet, fasziniert immer wieder. Exaktheit und Geschwindigkeit - beides ist auch bei vielen Regelvorgängen gefragt, in denen Ventile geöffnet oder geschlossen werden müssen. Da liegt es nah, dem dort agierenden Gerät, dem Stellungsregler, ein wenig Robotergeist einzuhauchen. Genau das geschah beim EPD300, dem seit knapp zwei Jahren verfügbaren und mittlerweile in zahlreichen Anwendungen eingesetzten pneumatischen digitalen Premium-Stellungsregler von ABB. Einregeln, überschwingen, einlaufen - und nach reichlich Einpendelzeit endlich am Soll? All das, was man landläufig mit pneumatischen Stellgeräten verbindet, kann man beim EPD300 vergessen. Denn er positioniert ohne Umwege von Punkt zu Punkt, exakt wie ein Roboter von A nach B. „Die Anwender wollen ja keine PID-Regelung, wie sie bisher für Stellungsregler typisch ist“, unterstreicht Thomas Kleegrewe, Leiter des Produktmanagements für Feldgeräte, „daher haben wir in unseren Forschungsinstituten nach besser geeigneten Algorithmen gefragt. Der so genannte Roboter-Sliding-Mode erwies sich als perfekt geeignet.“ Hinzu kommen seine kurzen Ansprechzeiten, die ihn für zeitkritische Anwendungen besonders interessant machen - etwa für den Einsatz bei Rezirkulationsventilen an Turbokompressoren und -pumpen. In dieser Exaktheit steckt Potenzial, das verfahrenstechnische Anlagen effizienter macht. „Stellungsregler werden ja oft als Commodity, als ein in der Gesamtinvestition nahezu vernachlässigbares Investitionsgut wahrgenommen“, so Kleegrewe. „Dass sie im Zusammenspiel von Investitions- und Betriebskosten für Material, Energie, Personal- und Unterhaltungsaufwand entscheidend zur Produktivität, zur Qualität und zur Anlagenverfügbarkeit beitragen, geht oft unter.“ Was macht den EPD300 zum Zünglein an der Waage, wenn es um Effizienz geht? Wie jeder digitale oder konventionelle Stellungsregler steuerte er einen Gasstrom (Luft, Erdgas, technische Gase), um die Arbeitskammer eines pneumatischen Antriebs zu befüllen oder zu entlüften und damit die Stoffströme in der Anlage zu regulieren. So fährt der Antrieb eine vorgegebene Position an oder hält diese. Zielgenaues, zeitgerechtes Anfahren und anschließend dauerhaftes, präzises Halten oder Nachführen bringt Vorteile bei der Prozessgenauigkeit. Ein weiterer Aspekt ist der Verbrauch der (Hilfs-)Energie für diesen Vorgang selbst. Und nicht zuletzt gilt es, die Lebensdauer des Stellungsreglers unter die Lupe zu nehmen.
Worst-case: ein instabiles Gesamtsystem
Offensichtlich wird das, wenn man die Kennlinien eines Prozesses mit einem Stellgerät, geführt von zwei unterschiedlichen digitalen Stellungsreglern (siehe Abb. oben), betrachtet. „Normale“ Varianten führen zu stark schwankenden Prozesswerten, durch unzureichend kompensierte Stick-Slip-Effekte und latentes Überschwingen des Reglers. Die Auswirkungen:
�?� Der Sicherheitsabstand des tatsächlichen zum technisch möglichen Prozess-Sollwert muss die Streuung der gemessenen Prozessgröße berücksichtigen; �?� es wird schwieriger, die Produktivitäts- und Qualitätsziele zu erreichen. Entweder wird die Produktivität zugunsten der Qualität eingeschränkt oder die Qualität durch höhere Betriebskosten oder nachträgliche Korrekturen erkauft; �?� unnötige Positionsänderungen bedeuten vermeidbaren Energieverbrauch; �?� durch stetiges Bewegen und Umsteuern verschleißen Ventil und Antrieb, was zu Produktionsausfällen und Wartungskosten führt.
All diese Effekte pflanzen sich typischerweise in mehr als einem nachgelagerten Regelkreis fort. Schlimmstenfalls entsteht ein instabiles Gesamtsystem. Diese Probleme gehören mit dem EDP300 der Vergangenheit an, denn er positioniert stabil, direkt auf den Punkt. Dank seiner extremen pneumatischen Spannweite von mg/s bis zu 50kg/h Luftmenge (jeweils bei 10bar Vordruck) funktioniert das Positionieren bei Antrieben mit sehr kleinen Arbeitskammervolumen ebenso schnell und präzise wie bei großvolumigen Antrieben in zeitkritischen Prozessen. Sobald die Sollposition erreicht ist, verschließt der Stellungsregler hermetisch alle Verbindungen zum pneumatischen Antrieb. Daraus resultiert ein minimaler Hilfsenergieeinsatz durch einen vordruckunabhängigen Eigenluftverbrauch von nur 0,03kg/h. Besonders Anwender, die mit Druckluftspeichern arbeiten, profitieren davon. Zudem gibt es optional eine Ausführung, die bei Ausfall des elektrischen Sollwerts die aktuelle Position hält. Das macht störungsanfällige Verblockventile überflüssig.
„Unerreichte Riesenspanne in der Luftmenge“
„Die Riesenspanne in der Luftmenge macht unseren Premium-Stellungsregler EDP300 in meinen Augen unerreicht. Mit den 3mg/s kann man auch in großen Antrieben für winzige Bewegungen sorgen. Normalerweise benötigt man vier verschiedene Typen, um eine ähnliche Spanne abzudecken“, verdeutlicht Kleegrewe sein Top-Argument für den Neuen. Ansonsten ziehe jeder Anwender individuellen Nutzen aus dem EDP300. Beim einen sei es der Energieverbrauch, beim anderen Genauigkeit oder Geschwindigkeit. Oder die effiziente Ansteuerung doppeltwirkender Antriebe, die dafür sorgt, dass der Antrieb stets das maximale Haltemoment abgibt und damit prozessbedingten Kräften an der Armatur entgegenwirkt. Bisher wurde diese Eigenschaft durch den Einsatz massiv (Hilfs-)Energie verschwendender Schieberventile erkauft. EDP300 erfüllt die Forderung, indem die aktive Arbeitskammer mit Druckluft beaufschlagt wird, bevor die Entlüftung der passiven Arbeitskammer wirkt. Damit entsteht in beiden beinahe Versorgungsdruck, also ein maximales Haltemoment. Ein weiteres Argument für den EDP300 sind die Betriebsdrücke von 1,4 bis 10bar sowie die Überlastfestigkeit bis zu 12bar. Das erspart die Installation von Druckreglern und erhöht die Robustheit gegenüber Spitzen der Hilfsenergieversorgung. Etwas, was sich wohl jeder Anwender wünscht, sind ungestörte Betriebsstunden. Diagnose ist hier gefragt. Doch Kleegrewe winkt ab. Als „fürchterlich unzuverlässig“ stuft er die meisten verfügbaren Diagnosetechniken ein. „Voraussagende Informationen über Betriebseinschränkungen sind aber nur von Wert, wenn sie zuverlässig sind. Von einigen Herstellern wird heute Diagnosetechnik nur angeboten, um bekannte Produktdefizite zu verschleiern“, so der Leiter Produktmanagement. Tatsächlichen Mehrwert hingegen bringe die Fähigkeit des EDP300, seinen Krafteinsatz an die sich verändernden Erfordernisse eines Stellgeräts anzupassen. „Auf diese Weise bleibt das Stellgerät uneingeschränkt produktiv.“ Ein entsprechender Alarm signalisiert frühzeitig den Wartungsbedarf. Bereits in der Grundausführung sind zudem Diagnoseoptionen für Antrieb, Ventil und Stellungsregler verfügbar. Und eine Druckoption, die Vor- und Arbeitskammerdrücke misst, gewährt tiefere Einblicke. Ein optionales Steckmodul ermöglicht den Anschluss eines beliebigen 4�?�20-mA-Messgeräts, dessen Signal bei fast allen Diagnosefunktionen parallel aufzeichnet. Kleegrewe: „Stellen Sie sich das Analysepotenzial durch die Aufzeichnung der Stellkräfte an der Schubstange, der Geräuschentwicklung im Drosselkörper oder dynamischer Prozessgrößen wie Durchfluss über der Position vor.“ Bei Anlagenstörungen können die Diagnosemöglichkeiten, die schon das integrierte Bediendisplay bietet, genutzt werden, um Störungsursachen einzugrenzen und zu beheben. „Bedauerlicherweise“, so Kleegrewe, „war es bislang keinem Kunden vergönnt, dieses Feature wirklich zu nutzen, denn die inzwischen zahlreich installierten EDP300 laufen bislang störungsfrei.“
