Die verfahrenstechnischen Prozesse standen in den letzten beiden Dekaden unter dem starken Trend weg von zentralen Prozessleitsystemen hin zu dezentralen Automatisierungssystemen. Systeme mit Remote I/Os innerhalb der eigentlichen Produktionsanlage lösten zentrale Schaltraumkonzepte ab. Im nächsten Schritt ermöglichten Feldbus-Systeme – zumeist Profibus PA und Fieldbus Foundation – mit Direktankopplung der Analogsensoren/-aktoren an die Steuerung die Umsetzung zusätzlicher Funktionalitäten. Kompakte dezentrale Lösungen – beispielsweise Ventilinseln mit Remote I/Os – ermöglichten zusätzlich die Einsparung von Busknoten und die Realisierung einer dezentralen Automatisierungsstruktur, die strikt den Teilanlagen der Gesamtanlage zugeordnet werden können. Der nächste konsequente weitere Schritt wäre nun die Anwendung von Ventilsteuerköpfen für Automatisierungsaufgaben, wie er in der Fachpresse derzeit diskutiert wird. Der nachfolgende Beitrag vergleicht Automatisierungskonzepte basierend auf Ventilinseltechnologie mit Konzepten basierend auf Ventilsteuerköpfen in Hinblick auf die verschiedenen Kostenarten und Anforderungen an Betriebsführung und Wartung/Instandhaltung.

Ventilinsel plus Remote I/O

Im Folgenden wird der Begriff Ventilinsel für die integrierte Komponente verwendet, die zum einen die Ventilinsel selbst zur pneumatischen Ansteuerung der Prozessventile beinhaltet und auf deren internen Bus die Remote I/Os zur Anbindung der im Feld vorhandenen Analog- und Binärsensoren aufgeschaltet sind. Die Ventilinsel ist in der Regel über Profibus DP an die Steuerung des überlagerten Leitsystems angeschlossen. Sie unterstützt neben der Ansteuerung der Antriebe und Anbindung sämtlicher Sensorik im Feld auch Funktionen, die für den Betrieb der Anlage wesentliche Vorteile bieten und zur Erhöhung der Anlagenkapazität beitragen können. Hierzu zählen beispielsweise Diagnosefunktionen, die neben der Diagnose der Ventilinsel selbst und der angeschlossenen Peripherie (etwa Drahtbruch, Unterspannung an den Ventilspulen auf Einzelkanalebene) ermöglichen, durch Interpretation von verschiedenen Informationen die Anzahl etwaiger Fehlerquellen im Störungsfall deutlich zu reduzieren und damit kürzere Zeiten zur Störungssuche/-beseitigung zu erreichen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Anlagenkapazität.

Ventilsteuerköpfe

Bei der Nutzung von Ventilsteuerköpfen wird die elektrische Ansteuerung der Prozessventile direkt ins Feld verlegt. Der Anschluss erfolgt dabei in der Regel über AS-Interface (AS-i), das eine einfache Montage ermöglicht. Die Magnetventile sind im Ventilsteuerkopf selbst untergebracht, so dass an diesen im Rahmen der Errichtung nur AS-i-Bus und Druckluft zur pneumatischen Ansteuerung zu führen sind. Für die verbleibenden Signale im Feld sind nach wie vor Remote I/Os vorzusehen mit entsprechender Ankopplung über Profibus DP an die überlagerte Steuerung. Diagnosefunktionen sind bei dieser Lösung für die Ansteuerung der Prozessventile nicht vorhanden, für die Remote I/Os entsprechen sie den Funktionen wie bei den Ventilinseln. Im Vergleich zu den Ventilinseln sind bei diesem Automatisierungskonzept zwei unterschiedliche Bussysteme in der Anlage vorhanden, neben Profibus DP zusätzlich der AS-i-Bus für die Ansteuerung der Ventilsteuerköpfe.

Der untersuchte Anlagenteil

Die zwei betrachteten Automatisierungsvarianten: Das zentral gehaltene Ventilinsel-Konzept und das dezentrale Ventilsteuerkopf-Konzept.

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Der Vergleich der beiden Philosophien soll am Beispiel einer realen Anlage aus dem Bereich Biotech/Pharma – mit den entsprechenden Charakteristika in Bezug auf die Anzahl und Verteilung der Prozesssignale – durchgeführt werden. Der betrachtete Anlagenteil besteht aus drei Teilanlagen mit in Summe gut 450 Prozessventilen. Diese verteilen sich auf die einzelnen Teilanlagen im Verhältnis von etwa 1 zu 1:5. Dasselbe Verhältnis zeigt sich bei der Aufteilung der Signale aus dem Feld. Hierzu gehören in Summe für den Anlagenteil rund 100 analoge und 30 binäre Prozesssignale. Nicht enthalten sind darin die Rückmeldungen der Prozessventile; für sie werden in dieser Untersuchung zwei mögliche Varianten analysiert und zwar Ventile mit einer oder mit zwei Rückmeldungen der Endlagen.

Die Anlagen-Charakteristik

Bei Kostenvergleichen von Alternativ-Technologien ist immer eindeutig zu definieren, welcher Betrachtungsraum der Untersuchung zugrundeliegt. In diesem Fall lag die Grenze der Betrachtung in der Automatisierungspyramide

• nach oben in der Steuerung: Das heißt, die Koppelbausteine für AS-i und Profibus DP wurden berücksichtigt, nicht berücksichtigt wurde die Steuerung an sich, da sich diese in Bezug auf Hard- und Software an der Anzahl der Prozesssignale orientiert und diese unabhängig von den betrachteten Alternativtechnologien ist.
• nach unten bei der (mechanischen) Ankopplung an das eigentliche medienführende Ventil und bei den Prozesssensoren: Beide waren nicht mehr Bestandteil der Untersuchung, da sie unabhängig von der Automatisierungsstruktur sind und nur von den jeweiligen Prozessanforderungen abhängen.

Analyse der Gesamtkosten

Für den Anlagenteil wurde ein vollständiges Detail-Engineering durchgeführt. Und zwar für alle drei Varianten: Das Ventilsteuerkopf-Konzept wie oben beschrieben, das Ventilinsel-Konzept mit einer Stellungsrückmeldung pro Prozessventil und das Ventilinsel-Konzept mit zwei Stellungsrückmeldungen pro Prozessventil.

Auf Basis der vorliegenden Aufstellungsplanung erfolgte die Bestimmung der optimalen Anordnung der Steuerungen/Ventilinseln beziehungsweise der Steuerungen/Remote I/Os und der AS-i-Koppelbausteine (Variante Ventilsteuerkopf) sowie die Ableitung der Größe für die zugehörigen Schaltschränke in Edelstahl.

Weiterhin konnten nach Definition der Schaltschränke innerhalb der Anlage die Längen für die elektrische Anbindung der Sensorik/Aktorik über (Bus)Kabel sowie die pneumatische Anbindung über entsprechende Verschlauchung (Einzelschlauch pro Antrieb beim Ventilinsel-Konzept, Ringleitung mit Stichabgängen bei der Variante Ventilsteuerkopf) bestimmt werden. Auf Basis dieser Kennwerte ließen sich mit den spezifischen Komponentenkosten und Montagezeiten mit zugeordneten Stundensätzen die entsprechenden Gesamtkosten für Schaltschranksysteme sowie Montagematerial und -leistungen ermitteln. Für die Komponenten wurden Listenpreise von eingeführten Herstellern herangezogen, die bei der Untersuchung der einzelnen Varianten mit derselben Rabattierung versehen wurden.

Die Ergebnisse

Der Vergleich der untersuchten Varianten zeigt, dass das Konzept der Ansteuerung über Ventilsteuerköpfe gegenüber dem der Ventilinseltechnik selbst bei Einsatz von zwei Stellungsrückmeldungen Kostennachteile hat. Rund 150 000 Euro beträgt das Kostenvolumen bei der Ventilinsel-Variante. Bei der Lösung mit Steuerköpfen liegen die Kosten zirka 9 % höher.

Und das, obwohl die Kosten der Komponenten des Prozeßleitsystems inklusive der Schränke bei Realisierung des Ven­tilinsel-Konzeptes rund das 3-fache der Kosten des Ventilsteuerkopf-Konzeptes verursachen. Bei den Montagekosten (Montagematerial und -leistungen) ergibt sich ebenfalls dieses Kosten-Verhältnis.

Analysiert man die jeweiligen Kostenblöcke allerdings genauer, ergeben sich die Anteile der einzelnen Kostenblöcke an den jeweiligen Gesamtkosten wie folgt: Die Montagekosten (Montagematerial und -leistung) betragen bei der Lösung mit Ventilinseln 21,3 %, bei der Lösung mit Ventilsteuerköpfen 7,0 %. Die PLS-Komponenten inklusive Schrankkosten betragen 29,0 % (Ventilinseln), im Vergleich zu 9,7 % (Ventilsteuerköpfe).

Ins Gewicht fällt allerdings, dass die Ventilsteuerköpfe selbst einen Anteil von zirka 83 % an den Gesamtkosten des entsprechenden Konzeptes haben und damit die Gesamtkosten dominieren.

Die Untersuchung bestätigt die Annahme, dass sich durch Ventilsteuerkopf-Konzepte deutliche Vorteile in den Montage- und PLS-Kosten erzielen lassen. Dies beinhaltet mögliche Einsparungen bei der Inbetriebnahme durch die bei AS-i komfortable Adressierung neuer Busteilnehmer. Diese Vorteile schlagen sich aber nicht in den Gesamtkosten nieder, da die Kosten der Ventilsteuerköpfe in Summe die beobachteten Vorteile bei Montage und PLS überkompensieren. Die Sensitivitätsanalyse zeigt bei Modifikation des jeweiligen Parameters, dass Kostengleichheit der Konzepte erst bei einer Erhöhung der Rabattierung der Ventilsteuerköpfe um rund 25 % erreicht werden kann beziehungsweise bei einer Erhöhung der Stundensätze um 60 %.

Nicht berücksichtigt wurden bei der Untersuchung Einflussfaktoren in Bezug auf die Trainingsaufwendungen und Einsparungen bei Inbetriebsetzungen, da hierfür keine Erfahrungswerte vorliegen. Das Ventilinsel-Konzept verwendet beispielsweise nur eine Busart (Profibus DP). Das Konzept mit Ventilsteuerköpfen bedingt neben Profibus DP AS-Interface als zweiten Feldbus in der Anlage, mit entsprechenden zusätzlichen Aufwendungen für Training und Instandhaltung. Bei Anwendung des Ventilsteuer-Konzeptes sind durch automatische Initialisierung der Endschalter Einsparungen in der Inbetriebsetzung erzielbar. Hierzu liegen derzeit noch keine Erfahrungswerte vor.

Auch der Einfluss der von der eingesetzten Hardware unterstützten Diagnosetiefe sowie mögliche integrierbare Zu­satzfunktionen wurden aufgrund ihrer schlechten Quantifizierbarkeit bei der Betrachtung außen vor gelassen. Der Aspekt ist in der Praxis jedoch als relevantes Kriterium einzuordnen, das den Ausschlag für oder gegen eine Technologie in einem Projekt geben kann. So ermöglichen in die Ventilinsel integrierbare Drucksensoren – wie oben bereits erwähnt – Rückschlüsse auf mögliche Störungen in der Anlage. Je nach e­rforderlichem Volumenstrom kann die Durchfluss- und/oder Druckregelung von Gasen von kompakten Proportionalventilen übernommen werden. Diese lassen sich zusammen mit normalen Magnetventilen in einer Insel montieren und ermöglichen bei größeren Freiheitsgraden eine stark vereinfachte Installation gegenüber klassischen Regelventilen. Die daraus resultierenden Einspar-Effekte sind jedoch projektspezifisch, so dass auch auf ihre Bewertung im Rahmen der vorliegenden Betrachtung verzichtet wurde.

Letztendlich lässt sich sagen, dass die Anwendung dezentraler Automatisierungskonzepte in Form von Ventilsteuerköpfen ohne detaillierte Untersuchung der jeweiligen Anlagencharakteristik zu erhöhten Investitionskosten führen kann. Einsparungen in Montage und PLS werden durch die höheren Kosten der Einzelkomponenten überkompensiert, wobei Stundensätze der Montage wenig sensitiv in die Gesamtkosten eingehen. Bisherige Diskussionen erfolgten zumeist nur qualitativ und waren ausschließlich auf die Ansteuerung der Prozessventile beschränkt. Eine Gesamtkostenbetrachtung sollte aber in jedem Fall auch die Verarbeitung der Sensorik in der Anlage mit betrachten, denn die erforderlichen Automatisierungsstrukturen – Profibus DP – werden beim Ventilinsel-Konzept für die Ansteuerung der Prozessventile und die Verarbeitung der Sensorik gemeinsam genutzt. Beim Ventilsteuerkopf-Konzept ist neben dieser Infrastruktur die AS-i-Busankopplung mit den entsprechenden Aufwendungen erforderlich.

Charakteristische Kerngrößen

Die charakteristischen Kenngrößen für den betrachteten Anlagenteil

• Remote I/Os gemäß Prozessanforderungen,
• Buskoppelmodule nach Prozessanforderungen
• Durchschnittlicher Abstand zwischen den Prozessventilen: 1 m
• Maximale Anzahl von Geräten am AS-i-Bus: 62
• Abstand zwischen dem AS-i Master (im Schaltschrank) und dem nahesten Prozessventil: 15 m
• Alle Schaltschränke in Edelstahl
• Durchschnittlicher Abstand zwischen T-Konnektor und Prozessventil: 0,5 m (AS-i-Variante)
• Maximal 15 Ventile über einen Druckluftschlauch versorgt (AS-i-Variante)
• Stundensatz für Montage-Arbeiten: 50 Euro
• Montagezeiten für verschiedene Montageleistungen, wie zum Beispiel Montagezeit für einen pneumatischen Anschluss bei Ventilinseln: 10 min oder Montagezeit für einen pneumatischen Anschluss bei Steuerköpfen: 5 min

Autoren:
Dr. Eckhard Roos ist bei Festo zuständig für das Industry Segment Management Process Automation.
Matthias Dreher ist Mitarbeiter im Process Application Management bei Festo.