Eines der größten Kohlekraftwerke in Deutschland mit einer Nettoleistung von rund 2.000 MW verbraucht bei einer Stromproduktion von zirka 11.000 GWh ungefähr 4 Mio. Tonnen an Steinkohle. Daher werden täglich gut 22.000 Tonnen Kohle per Bahn geliefert. Neben dem Kraftwerk ist Platz, um bis zu 350.000 Tonnen Steinkohle zu lagern, um Schwankungen oder Lieferengpässe auszugleichen; im Ernstfall würde diese Menge für ungefähr vier Wochen ausreichen.

Da sich Kohle in Deutschland nicht mehr wettbewerbsfähig abbauen lässt, wird sie zunehmend importiert. Im Vergleich zur Kohle aus Deutschland enthält Kohle aus Importländern wie zum Beispiel China, Australien oder Südafrika allerdings mehr Anteile an flüchtigen Gasen; ein großer Bestandteil davon ist Schwefel. Die enormen Mengen an gelagerter Kohle sind den natürlichen Gesetzen unterworfen: Auf den innenliegenden Kohleschichten liegt ein enormer Druck, während die Kohle gleichzeitig beginnt, auszugasen. Sofern keine Vorkehrungen getroffen werden, können sich im Laufe der Zeit Glimmnester bilden, die die Kohle unbrauchbar werden lassen. In China beispielsweise gehen jährlich bis zu 25 Mio. Tonnen Steinkohle auf diese Weise verloren.

Das Fatale an Glimmnestern: Sie sind von außen nicht sichtbar und lassen sich durch den schleichenden Prozess nur schwer entdecken. Werden sie aber zu spät bemerkt, ist die Schadensbekämpfung mit viel Aufwand hinsichtlich schweren Geräten und Personal verbunden. Hohe Kosten sind die Folge für den Betreiber. Dementsprechend möchten Anlagenbetreiber rechtzeitig über potenzielle Glimmnester Bescheid wissen, um frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten zu können.

Vorausschauend überwachen

Eine mögliche Lösung ist die zentrale Anzeige der Temperatur in der Kohlehalde. Aber: Eine konventionelle Installa-tion – also die dauerhafte Installation und Kabelverlegung für die Spannungsversorgung des Messgerätes sowie zur Datenübertragung – kommt auf der Kohlehalde nicht in Frage. Zwar bleiben die Kohlehalden für lange Zeit unberührt, bei Engpässen müssen sie jedoch schnell abbaubar sein. Darüber hinaus ist aus Sicherheitsgründen eine elektrische Verdrahtung nicht möglich. Schließlich müssen die Messungen variabel bleiben, die Geräte werden von Zeit zu Zeit demontiert und an einer anderen Stelle erneut installiert.

Systemübersicht der Temperaturüberwachung mit WirelessHART

© Endress+Hauser

Gefordert ist also eine autarke und drahtlose Datenübertragung. Die Lösung von Endress+Hauser sieht folgendermaßen aus: Zur Überwachung wird die Temperatur an zwanzig verschiedenen Stellen mit 1 bis 2 m langen Temperaturmessgeräten in der Kohlehalde gemessen. Als Messaufnehmer fungieren „TR12“-Widerstandsthermometer mit „iTemp TMT182“ als Kopftransmitter. Die Temperaturfühler sind für Temperaturen bis +650 °C ausgelegt und liefern lineare Werte von –200 bis +600 °C. Jede Messstelle ist mit einer WirelessHART-Datenübertragung ausgestattet.

Die WirelessHART-Lösung besteht aus einem zentralen Zugangspunkt für die drahtlos übermittelten Daten, einem sogenannten Gateway und den Adaptern, die die Daten aus den Messinstrumenten aufnehmen und anschließend per Funkwellen versenden. An jedes beliebige Feldgerät, das seine Informationen via HART oder 4 bis 20 mA zur Verfügung stellt, ist ein Adapter montierbar. Durch die integrierte Batterie lässt sich das Feldgerät mit Energie versorgen, eine zusätzliche Spannungsversorgung ist nicht nötig. Je nachdem, wie häufig die Informationen übertragen werden und welches Messgerät versorgt wird, hält die integrierte Batterie über mehrere Jahre, bevor ein Wechsel ansteht. Der Austausch kann dann selbst in den explosionsgefährdeten Bereichen (bis Ex-Zone 1) durchgeführt werden.

Jeder Adapter kann Daten senden und empfangen und somit Daten von anderen Teilnehmern weiterleiten. Hindernisse lassen sich durch den Einsatz des Adapters als Repeater überwinden oder umgehen. Dadurch entsteht ein vermaschtes Netzwerk mit sicherer Datenübertragung.

Um die Organisation, über welche Teilnehmer im Netz die Daten geleitet werden, kümmert sich der Netzwerkmanager im Gateway. Er erkennt Veränderungen im Netzwerk und passt die Kommunikationspfade gegebenenfalls automatisch an. Dabei werden kontinuierlich zusätzliche Informationen aus den Adaptern wie zum Beispiel die Lebensdauer der Batterien und die Signalstärke bewertet.

Schnellen Zugriff auf Informationen über das Netzwerk ermöglicht der Webserver des Gateways, über dessen webbasierte Oberfläche das Gateway auch konfiguriert werden kann und Zuordnungen der Daten für den übergeordneten Zugriff vorgenommen werden können.

Für den Einsatz auf der Kohlehalde ist jedes Temperaturmessgerät mit einem WirelessHART-Adapter ausgestattet. Dieser fügt sich formschlüssig an die Messgeräte. Netzwerk-Kennung, Schlüssel und die Grundeinstellungen wie die zu übertragenden Informationen werden vorab konfiguriert. Vor Ort sind nur noch die Messstellen zu installieren und nacheinander die Batterien der Adapter einzustecken. Je nach Anforderung wird eine beliebige Anzahl an Messungen auf der Kohlehalde aufgestellt. Drei bis fünf zusätzliche Adapter sind als Repeater installiert, um Informationen an das Gateway weiterzuleiten.

Etwa alle fünf bis zehn Minuten erfasst der Adapter den Messwert des Temperatur-Transmitters. In der Zwischenzeit schaltet der Adapter das Messgerät aus, um Energie zu sparen, der Adapter selbst bleibt aktiv. Er leitet gegebenenfalls Daten von anderen Messstellen weiter oder sendet eigene Informationen zum Gateway, etwa die Batterielebensdauer.

Im Gateway, das sich an der Außenfassade des Kraftwerkes befindet, werden die Daten in Registern zur Verfügung gestellt. Ein elektronischer Datenschreiber (Memograph M) liest sie über Modbus RTU aus, das im Anlagenpult in der Leitwarte installiert ist. Hier können Mitarbeiter die aktuellen Temperaturen beobachten. Bei Überschreitung vorgegebener Temperaturen erfolgt eine Alarmierung. So wird der Kraftwerksbetreiber durch die autarke und drahtlose Temperaturüberwachung via WirelessHART in die Lage versetzt, einen Temperaturanstieg in der Kohlehalde frühzeitig zu erkennen und gegebenenfalls gezielt darauf zu reagieren.

Autor: Arne Kröger ist Marketingmanager Automatisierung bei Endress+Hauser in Weil am Rhein.