Allein die Dimensionen einer Hochdruck-Polyethylen-Produktionslinie ringen einem Respekt ab: Reaktorlängen bis 1500 m und maximal 3500 bar Betriebsdruck sind für solche Anlagen üblich. Das im März 2007 durch den Zusammenschluss von Geschäftsbereichen des Chemiekonzerns Celanese und dem Joint Venture European Oxo entstandene Unternehmen ist weltweit einer der größten Anbieter von Oxo-Produkten und -Derivaten. Auf Basis des bewährten Regelungskonzepts wurde im Rahmen einer Diplomarbeit die Reaktordruckregelung für die Hochdruck-Polyethylen-Synthese dem Stand der Technik angepasst und neu entwickelt.

Aktuell ist die Reaktordruckregelung mit digitalen Einzelreglern der Firma Hartmann & Braun realisiert. Diese überzeugen durch ihre kurze Zykluszeit und haben sich seit ihrer Entwicklung vor fast 20 Jahren bis heute bewährt. Die kurze Zykluszeit von 40 ms, die für aktuelle Automatisierungssysteme nach wie vor eine Herausforderung darstellt, und die Zuverlässigkeit sind der Grund, weshalb das Druckregelsystem bis dato beibehalten wurde.

Druckregler am Ende des Life-Cycle

Nach fast zwei Jahrzehnten Einsatzdauer ist die Verfügbarkeit, Wiederbeschaffung und Instandhaltung des derzeitigen Systems infrage gestellt. Nicht nur am Standort in Oberhausen, an dem insgesamt drei Anlagen betroffen sind, sondern auch in anderen vergleichbaren Anlagen, besteht ein großes Interesse an der Neuentwicklung eines solchen Reaktordruckreglers. In Oberhausen sind Rohreaktoren im Einsatz, die nach einem modifizierten LDPEVerfahren (LDPE: Low Density Polyethylen) arbeiten. Bei diesem Verfahren wird der Druckregelung ein periodischer Impuls (Reizimpuls) aufgeschaltet. Die Länge der Reaktoren liegt zwischen 500 m und 1500 m.

Zu deren Überwachung sind über die gesamte Rohrlänge Temperaturmessungen verteilt. Die Druckregelung erfolgt in der Regel über eine Druckmessung am Anfang des Reaktors. Die Polymerisation in diesen Reaktoren läuft bei Drücken zwischen 1500 und 3500 bar sowie Temperaturen bis maximal +320 °C ab. Letztere hängen im Wesentlichen vom Reaktionsdruck und von der Konzentration des Initiators im Reaktionsgemisch ab.

In jedem Fall darf eine Maximaltemperatur nicht überschritten werden, da sich ansonsten eine unerwünschte Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes einstellt - die so genannte Zersetzung. Daher dient die Maximaltemperatur des Reaktors auch als Führungsgröße für die Druckregelung. Um eine Ablagerung der im Reaktionsgemisch vorhandenen Polymerschmelze an der Reaktorwand zu begrenzen und damit den gleichmäßigen Wärme-Austausch über die Reaktorwand zu gewährleisten, wird auf die Druckrege- lung ein Reizimpuls zur Druckabsenkung aufgeschaltet. Die Druckabsenkung beträgt üblicherweise alle 30 bis 120 Sekunden etwa 300 bar.

Duell zwischen SPS und Prozessleitsystem

Signalschema der Reaktor-Druckregelung: Um Anhaftungen an der Reaktorwand zu vermeiden, erfolgt eine periodische Druckabsenkung in Abhängigkeit von der Reaktorwandbelegung.

© Bild: Oxea

Zur Realisierung der Reaktordruckregelung soll ein Basissystem mit einer Zykluszeit ≤40 ms eingesetzt werden. Als ein zentrales Element im Verfahren muss der Druckregler hochverfügbar sein. Da eine separate sicherheitsgerichtete Steuerung den Prozess überwacht, bestehen an das Basissystem keine Sicherheitsanforderungen. Die Bedienung soll über zwei vollständig redundant aufgebaute Bedienund Beobachtungsstationen erfolgen, die ein eigenständiges System bilden.

Die beiden untersuchten Systeme sind die sicherheitsgerichtete SPS HIMax der Firma HIMA und ein Prozessleitsystem (PLS). Die HIMax-Steuerung, die mit einer Zykluszeit von 20 ms arbeitet, ist voll redundant ausgeführt. Zur Visualisierung wurde die Software Wizcon der Firma Emation eingesetzt, die sich mit 50 ms Zykluszeit optimal für die Trend-Aufzeichnung eignet. SPS und Visualisierungsrechner kommunizieren mittels Modbus-TCP/IP.

Das zweite Testsystem (Prozessleitsystem) arbeitet im Redundanten- oder im Monobetrieb generell mit einer minimalen Zykluszeit von 50 ms. Obwohl die Zykluszeit von der Vorgabe abweicht, wurde das System aufgrund der guten Erfahrungen für die Untersuchung ausgewählt. Die Darstellung der Trendbilder erfolgt mit einer minimalen Auflösung von einer Sekunde und ist für die Aufzeichnung der Prozessgrößen nicht geeignet. Bei der Kopplung von ABK (allgemeine Bedienkomponente) und PNK (prozessnahe Komponente) kommt Ethernet zum Einsatz.

Alle Systeme wurden an einem Anlagensimulator unter gleichen Bedingungen getestet. Da die Verfügbarkeit der Systeme ein Bewertungskriterium ist, wurde diese für beide Systeme bei gleicher Systemkonfiguration berechnet. Ferner wurden die Systemgenauigkeit sowie die Exaktheit bei der Nachbildung des derzeitigen Reglers untersucht. Im Fokus stand die Konstanz und Reproduzierbarkeit der Zykluszeit, da aus einem Vielfachen dieser Zeit der Reizimpuls (Reiztiefenzeit) gebildet wird: Je kleiner die Zykluszeit, umso genauer lässt sich der gewünschte Druckabfall im Reaktor über die Reiztiefenzeit einstellen.

Die Tücken der Regelung

Systemaufbau der SPS-Lösung: Mit dem Oszilloskop wurden unter anderem die Zykluszeit, die Zeitkonstanten und die Impulsbreiten zur Bestimmung der Systemgenauigkeit ermittelt.

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Das Regelkonzept beruht auf einer Art Kaskadenregelung mit einem Temperaturführungsregler, einem Druckregler mit Strukturumschaltung und einem Periodenzähler. Der Temperatur-Führungsregler arbeitet ständig mit seinem internen Sollwert und in PID-Struktur. Dabei ist die Regelgröße der Maximalwert aus den verschiedenen Reaktor-Temperaturmessungen. Den Prozessbedingungen entsprechend arbeitet dieser in der Betriebsart „Invers" mit fallender Kennlinie. Der Temperatur-Führungsregler korrigiert über seinen Stellausgang den Sollwert des nachgeschalteten Druckreglers.

Die Regelgröße ist der Reaktordruck. Um nach der Reizung (Druckabsenkung) einen schnellen Druckanstieg zu gewährleisten, wechselt der Druckregler mit der steigenden Flanke des Reizimpulses seine Struktur von PID- auf PD-Struktur. Die Rückschaltung erfolgt, wenn die negative Regelabweichung einen einstellbaren Grenzwert (G) erstmals übersteigt oder spätestens durch die abfallende Flanke des Verzögerungsimpulses.

Der Periodenzähler erzeugt die Reizimpulse für die periodische Druckabsenkung. Nach Ablauf der eingestellten Periode wird der Reizimpuls für die Dauer der Reiztiefenzeit ausgelöst. Im Anschluss daran folgt der Verzögerungsimpuls für die Verzögerungszeit. Außerdem steuert der Periodenzähler alle weiteren für die Regelung notwendigen Signale.

Eine zusätzliche sicherheitsgerichtete Steuerung übernimmt die Absicherung des Reaktors und übergibt dem Regler die prioritätengesteuerten Sicherheitsprogramme, die bei einer Störung den Druckregler aus seinem normalen Regelbetrieb auf vorgegebene Absenk-Sollwerte umschalten.

Die Test-Ergebnisse

Das Histogramm zeigt die Häufigkeitsverteilung der Impulsbreiten eines Reizimpulses bei 400 ms Reiztiefenzeit.

© Bild: Oxea

Obwohl jedes System über die Reglerparameter an das optimale Regelverhalten anzugleichen gewesen wäre, wurde deren Regelverhalten mit den zuvor berechneten Regelparametern unter realitätsnahen Bedingungen bewertet. Beispielsweise wurde die Reiztiefenzeit so gewählt, wie sie in der Praxis vorkommt (etwa 400 ms) und sich an jedem System einstellen lässt. Das war notwendig, da die Reiztiefenzeit beim derzeitigen Regler und bei der SPS in 40-ms- Schritten, beim Prozessleitsystem jedoch aufgrund dessen interner Zykluszeit nur in 50-ms-Schritten einstellbar ist.

Der Druckabfall während der Reizung war bei allen Systemen etwa gleich groß. Außerdem stimmte der Verlauf der Prozessgrößen mit denen aus der Theorie überein. Die Untersuchung ergab, dass das Stellgrößensignal des derzeit eingesetzten Reglers - entgegen ursprünglicher Annahmen - keine Rechteckform hat, sondern einer e-Funktion folgt. Deswegen war ein Vergleich der drei Systeme nur indirekt über die Flächenberechnung der Ausgangsfunktionen möglich.

Dazu wurden Messreihen für verschiedene Reiztiefenzeiten aufgenommen und die Flächen ermittelt, die Mittelwerte bestimmt und die Abweichungen zu den Min/Max-Werten des derzeitigen Reglers ermittelt. Daraus resultierte ein Toleranzband, in dem sich die Testsysteme bewegen durften. Lagen diese im Toleranzband, war das jeweilige System zur Nachbildung des derzeitigen Reglers geeignet. Dieses Vorgehen wurde für verschiedene Reiztiefenzeiten wiederholt. Nur mit der Hima-Steuerung war es möglich, alle Toleranzbänder einzuhalten und somit den derzeitigen Reaktorregler nachzubilden.

Die Systemgenauigkeit ließ sich über die Abweichung der Mittelwerte zum Sollwert bewerten. Die maximale Abweichung liegt beim SPS-System unter 1 %; beim Prozessleitsystem unter 5 %. Die Berechnung der Verfügbarkeit zeigt, dass die SPS als voll redundantes System einen MTBFWert von über 50 000 Jahren erreicht; das Prozessleitsystem schafft bei gleicher Systemkonfiguration über 900 Jahre.

Die Tests am Anlagensimulator ergaben, dass beide Systeme eine höhere Genauigkeit und Verfügbarkeit als das derzeit eingesetzte Druckregelsystem haben. Damit eignen sich beide Lösungen für die Realisierung des Reaktordruck- und Absenkreglers. Steht die bestmögliche Nachbildung des derzeitigen Reaktorreglers im Vordergrund, ist die Steuerung der Firma Hima die bessere Wahl. Zusätzlich bietet die SPS aufgrund ihrer kurzen Zykluszeit die Möglichkeit, das Ausgangssignal des derzeitigen Reglers durch Zuschalten eines Software-PT1- Gliedes am Ausgang exakt nachzubilden.

Das funktioniert, weil die SPS-Zykluszeit kleiner ist als die Zeitkonstante des Stellgrößenausgangs des Hartmann&Braun- Reglers. Aufgrund der längeren Zykluszeit lässt sich das mit dem Prozessleitsystem nicht realisieren. Wegen der sehr guten Testresultate wurde die SPS-Lösung im Juni 2009 in der Clariant-Anlage für den Praxistest implementiert.

Autor: Michael Gerwin ist Projektleiter im TS-Engineering bei der Firma Oxea in Oberhausen.