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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Prozessanlage zur Durchführung mindestens
eines Prozesses, mit einem prozesstechnischen Teil, welcher mindestens
den Prozess steuert, und mit einem messtechnischen Teil, welcher
mindestens eine für
den Prozess relevante Messgröße bestimmt
und/oder überwacht.
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Bei
der Prozessanlage handelt es sich beispielsweise um eine Abfüll- oder
um eine Pasteurisierungs- oder um eine Karbonisierungsanlage. Der Prozess
ist dann in diesen Beispielen entsprechend das Abfüllen bzw.
das Pasteurisieren bzw. das Karbonisieren eines Mediums. Weitere
Anlagen können sein
Prozessbehälter,
in denen Rührwerke
angebracht sind. Weiterhin gibt es offene bzw. geschlossene Lager,
Puffer- oder Reifebehälter,
bei denen sich (ggf. unter Einwirkung von Druck) Produkteigenschaften ändern. Bekannt
sind auch Zentrifugen, die mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten.
Solche Anlagen bestehen üblicherweise
aus einem prozess- und einem messtechnischen Teil. Der prozesstechnische
Teil soll dabei so verstanden werden, dass in ihm alle relevanten
Regel-, Steuer- und sonstigen Eingreif- und Überwachungseinheiten zusammengefasst
sind. Meist sind die einzelnen Schritte eines komplexen Prozesses
in einer Steuereinheit hinterlegt und entsprechend werden die einzelnen
Schritte oder Phasen gesteuert. Für die Steuerung, damit z.B. zum
richtigen Zeitpunkt unterschiedliche Aktionen ausgeführt werden,
ist es erforderlich, gewisse Messgrößen zu überwachen oder zu bestimmen.
So muss z.B. in einer Pasteurisierungsanlage die Temperatur überwacht
werden, damit der gewünschte
Grad der Pasteurisierung erreicht wird. Die dafür nötigen Messgeräte seien
hier im messtechnischen Teil zusammengefasst. Bei den Mess- oder
auch Prozessgrößen handelt
es sich beispielsweise um den Füllstand,
den Durchfluss, die Temperatur, den pH-Wert, die Dichte, die Viskosität, den Sauerstoff-
oder den CO2-Gehalt des Mediums oder einer
Einheit/eines Gerätes
der Prozessanlage. Eine Kommunikation zwischen dem messtechnischen
und dem prozesstechnischen Teil ist also erforderlich, damit der
prozesstechnische Teil passend steuern kann.
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Andererseits
sind die Messungen der Messgeräte
auch von den Prozessschritten abhängig. Wird z.B. ein Medium
karbonisiert, so ändern
sich die Messbedingungen z.B. Messgeräte, die nach dem Laufzeitverfahren
arbeiten, und durch die veränderte Reflexion
ergeben sich falsche Werte. Dies gilt auch für Füllstandsmessgeräte, die
als Schwinggabeln ausgebildet sind und deren mechanische Schwingungen
bei Kontakt mit dem Medium eine Amplituden- oder Frequenzänderung
erfahren, bei denen eine geänderte
Dichte des Mediums zu anderen Messwerten führen kann. Sind jedoch die
Messwerte nicht korrekt, so ergeben sich wieder Schwierigkeiten bei
der Steuerung des Prozesses.
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Von
daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Prozessanlage anzugeben,
deren Prozess mit optimierten Werten für die relevanten Prozessgrößen gesteuert
wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens eine erste Verbindungseinheit zwischen dem prozesstechnischen
Teil und dem messtechnischen Teil zur Übermittlung von Prozessinformation
vom prozesstechnischen Teil zum messtechnischen Teil vorgesehen
ist, wobei die Prozessinformation Information über mindestens einen Zustand
des Prozesses beinhaltet, und dass der messtechnische Teil derartig
ausgestaltet ist, dass die Prozessinformation im messtechnischen
Teil Einfluss auf die Bestimmung und/oder Überwachung der Messgröße hat.
Die Idee ist also, dass der messtechnische Teil nicht nur Informationen über die
Messgröße liefert,
sondern dass umgekehrt auch vom prozesstechnischen Teil Informationen
zu den Messstellen oder zu der die Daten der Sensoren entsprechend
verarbeitenden Einheit übermittelt
werden, so dass entsprechende Umstellungen, Korrekturen etc. bei
der Bestimmung und/oder Überwachung
der Messgröße(n) vorgenommen
werden. Durch dieses Wissen über
die Prozessschritte und die damit verbundenen Auswirkungen auf die
Messungen können
also entsprechend die Prozessgrößen genauer
bestimmt werden, so dass eine genauere Steuerung des Prozesses selbst
möglich
ist.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine zweite Verbindungseinheit
zwischen dem messtechnischen Teil und dem prozesstechnischen Teil
zur Übermittlung
von Messinformation vom messtechnischen Teil zum prozesstechnischen
Teil vorgesehen ist, wobei die Messinformation Information über mindestens
die bestimmte und/oder überwachte
Messgröße beinhaltet,
dass der prozesstechnische Teil derartig ausgestaltet ist, dass
die Messinformation im prozesstechnischen Teil Einfluss auf die Steuerung
des Prozesses hat. Dies ist also die Verbindung gemäß dem Stand
der Technik, bei welcher Messdaten an den prozesstechnischen Teil übermittelt
werden, um die für
die Steuerung des Prozesses benötigten
Daten zur Verfügung
zu stellen. Vom Sensor/Messgerät/Feldgerät werden
also die Messdaten darüber
geliefert, welche Eigenschaft des Medium hat oder in welchem Zustand
sich z.B. Maschinen in der Prozessanlage befinden. Davon ausgehend
werden dann Verfahrensschritte eingeleitet, bzw. entsprechend geregelt.
Diese Ausgestaltung führt
also insgesamt zu einer bidirektionalen Verbindung zwischen dem
prozess- und dem messtechnischen Teil. Bei den Verbindungseinheiten
kann es sich dementsprechend jeweils auch nur um eine Datenkommunikation
mit einer passenden Verarbeitungseinheit handeln.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Messinformation den Messwert beinhaltet.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Messinformation mindestens
eine in Hinsicht auf den Prozess ausgewertete Information über den
Messwert beinhaltet. In der letzteren Ausgestaltung werden also
vom Messwert abgeleitete Größen übermittelt,
z.B. der Füllstand
ist erreicht oder er ist unterschritten oder die Temperatur hat
sich geändert,
oder sie liegt unter einem Zielwert. Diese reduzierten Daten setzen
voraus, dass entsprechende Information im messtechnischen Teil hinterlegt
ist (z.B. welche Temperatur einzuhalten ist), und dass diese Vorauswertung
im Wesentlichen fehlerfrei ist. Der Vorteil dieser dezentralen Auswertung
ist jedoch, dass deutlich weniger Daten kommuniziert werden müssen. Entsprechend sind
auch im messtechnischen Teil Verarbeitungseinheiten, z.B. Mikroprozessoren
vorzusehen.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass im messtechnischen Teil mindestens
ein erstes und ein zweites Messgerät vorgesehen sind, welche eine erste
bzw. eine zweite Messgröße bestimmen und/oder überwachen,
und welche Messinformationen über
mindestens die erste bzw. die zweite Messgröße erzeugen, und dass die Messinformation
des zweiten Messgerätes über die
zweite Messgröße mindestens
zur Bestimmung und/oder Überwachung der
ersten Messgröße durch
das erste Messgerät dient.
Die Idee dieser Ausgestaltung ist also, dass im messtechnischen
Teil mehrere, zumindest jedoch zwei Messgeräte vorgesehen sind. In einem
ersten Fall bestimmen und/oder überwachen
diese Messgeräte
die gleiche Messgröße. Dies
führt zu
einer redundanten Bestimmung und/oder Überwachung, die ggf. auch diversitär sein kann,
wenn z.B. unterschiedliche Messprinzipien verwendet werden. In einem zweiten
Fall werden unterschiedliche Messgrößen bestimmt. Dann kann das
Wissen über
eine Messgröße für die Messung
der anderen Größe herangezogen
werden. Handelt es sich bei einer Größe beispielsweise um den Füllstand,
so kann z.B. mit dem anderen Sensor die Dichte oder die Temperatur
bestimmt werden. Ein konkretes Beispiel: Dient ein Messgerät der Durchflussbestimmung
mit Ultraschall, so kann das andere Messgerät die Temperatur bestimmen,
um mit der Temperatur den Durchfluss richtig berechnen zu können. D.h.
eine Messgröße wird
komplementär
zur anderen gemessen, damit die Ergebnisse des ersten Messgerätes sicher und
besser sind. In diesem Zusammenhang ist dann auch die Verknüpfung mit
dem prozesstechnischen Teil wichtig, da ggf. der zweite Sensor nur
dann Messdaten erzeugen muss, wenn aufgrund eines Prozessschrittes Änderungen
aufgetreten sind. Somit muss also das erste Messgerät nicht
ständig
Daten vom zweiten Messgerät
abfragen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Prozessanlage,
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2:
eine schematische Darstellung einer ersten Anwendung der erfindungsgemäßen Prozessanlage,
und
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3:
eine schematische Darstellung einer zweiten Umsetzung der erfindungsgemäßen Prozessanlage.
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In 1 ist
das Prinzip der Erfindung zu sehen. Die Prozessanlage – z.B. Abfüllanlage,
Karbonisierungsanlage, Pasteurisierungsanlage usw. – besteht
aus einem prozesstechnischen 1 und einem messtechnischen
Teil 2. Die Idee der Erfindung ist nun, dass über die
erste Verbindungseinheit 3 Daten/Informationen über den
Prozess vom prozess- 1 zum messtechnischen Teil 2 übermittelt
werden. Diese Informationen beinhalten z.B. dass eine Pumpe in Betrieb
genommen worden ist, so dass sich u.U. Schaum auf der Oberfläche des
Mediums bilden kann. Weiterhin kann es sich darum handeln, dass eine
Temperaturänderung
vorgenommen wird, was ggf. zu einer Viskositätsänderung führt. Ist im messtechnischen
Teil 2 beispielsweise ein Messgerät vorgesehen, welches für die Bestimmung
des Füllstandes
nach dem Laufzeitverfahren arbeitet, indem ein Mikrowellensignal
in Richtung der Oberfläche
ausgestrahlt und das reflektierte Signal detektiert und aus der
Laufzeit der Füllstand
berechnet wird, so ist es sehr relevant, ob es sich um eine reine
Flüssigkeit oder
um eine Flüssigkeit
mit Schaum handelt. Ist das Messgerät beispielsweise ein Füllstandsmessgerät, das eine
mechanisch schwingfähige
Einheit aufweist, die zu Schwingungen angeregt wird, so ist auch
hier aufgrund der teilweise von Dichte und Viskosität abhängigen Schwingungen
auch die Information über die Änderung
von Dichte und Viskosität
wichtig. Umgekehrt übermittelt
der messtechnische Teil 1 über die zweite Verbindungseinheit 4 Daten über die
Messungen an den prozesstechnischen Teil 1, so dass dort
Schritte eingeleitet oder aufrechterhalten werden können. Ist
beispielsweise der Füllstand
des Mediums unter einen kritischen Wert gefallen, so muss ggf. ein
Ventil geschlossen werden, damit Pumpen vor dem Leerlaufen geschützt werden.
Umgekehrt kann es sein, dass Pumpen abgestellt werden müssen, wenn
ein kritischer Füllstand überschritten
werden ist, damit es nicht zu einer Überfüllung kommt. Bei den Messinformationen
kann es sich um die Messdaten selbst handeln, es können aber
auch die Rohdaten übermittelt
werden. Beispielsweise wären die
Messdaten der Füllstand
in einer beliebigen Einheit (z.B. in Meter oder in prozentualer
Angabe) oder beim Laufzeitverfahren wären die Rohdaten die Laufzeiten
z.B. in Sekunden. Die Messinformationen können aber auch schon in Hinsicht
auf den Prozess eine erste Vorauswertung erfahren haben. Ist z.B.
der Füllstand überschritten,
so wäre
die abgeleitete Größe beispielsweise: „Pumpe
stoppen". Es können auch
Auswertungen über
einen größeren Zeitraum vorgenommen
werden. Wird beispielsweise der Durchfluss gemessen und liegen nur
geringe Durchflussschwankungen vor, so wird als Messinformation nur
der mittlere Durchfluss genannt, zeigen sich jedoch größere Abweichungen,
so kann als Messinformation: „Durchfluss
schwankt" übermittelt
werden. Sowohl die Prozess- als auch die Messinformationen sind
also nicht auf einen Bereich eingeschränkt, sondern bezeichnen die
Informationen, die vom prozess- zum messtechnischen Teil und umgekehrt übermittelt werden,
um auf der jeweiligen Empfängerseite
die Bestimmung der Messwerte bzw. die Steuerung des Prozesses zu
verbessern.
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In
der 2 ist eine schematische Darstellung eines konkreten
Beispiels der in 1 gezeigten Prozessanlage zu
sehen. Aus einem Tank 10 wird ein – hier nicht dargestelltes – Medium über ein
Rohr 11 in einen Abfüllbehälter 12 abgefüllt. Der
messtechnische Teil 2 wird hier durch ein Durchflussmessgerät repräsentiert.
Dieses misst den Durchfluss des Mediums, woraus bestimmt wird, wann
das Ventil 13 durch den prozesstechnischen Teil 1 zu
schließen ist. Von
daher ist die Verbindung vom messtechnischen Teil 2 über die
zweite Verbindungseinheit 4 zum prozesstechnischen Teil 1 wichtig.
Im gezeigten Fall ist die zweite Verbindungseinheit 4 im
Messgerät 2 integriert,
d.h. es handelt sich beispielsweise bei der Verbindungseinheit 4 um
eine Feldbusschnittstelle. Wird jedoch umgekehrt dem messtechnischen
Teil 2 durch die erste Verbindungseinheit 3 vom
prozesstechnischen Teil 1 mitgeteilt, dass das Ventil 13 gerade
geöffnet
oder geschlossen worden ist, dass sich der Durchfluss also bis zum
Erreichen seines endgültigen
Wertes instabil verhält,
so können
im messtechnischen Teil 2 entsprechende Korrekturen oder
Einstellungen vorgenommen werden. Es lassen sich auch mehrere Messgeräte vorsehen,
die unterschiedliche Messgrößen bestimmen
und/oder überwachen,
so dass vom prozesstechnischen Teil 1 stets nur dann Aktionen
oder weitere Verfahrensschritte eingeleitet werden, wenn gleiche
Bedingungen herrschen, was sich durch die unterschiedlichen Messgeräte und die Überwachung
derer Messinformationen sicherstellen lässt. So überwacht beispielsweise ein Messgerät den Zulauf
zu einem Tank und achtet darauf, dass das Abfüllen in die Abfüllbehälter 12 nur dann
vorgenommen wird, wenn der gleiche Füllstand gegeben ist bzw. das
die Förderpumpe
zum Auffüllen des
Tankinhalts nur dann arbeitet, wenn gerade nicht abgefüllt wird.
Beliebige Kombinationen sind hier möglich.
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In
der 3 wird ein Tank 10 durch eine Pumpe 14 mit
dem Material 15 gefüllt.
Der Füllstand des
Mediums 15 wird in diesem Beispiel durch das erste Messgerät 21 überwacht.
Das Messgerät 21 funktioniert
beispielsweise nach dem Laufzeitprinzip, indem von einer Antenne
ein Mikrowellen- oder Radarsignal ausgestrahlt, am Medium 15 reflektiert
und wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit dieses Signals lässt sich
dann der Füllstand
berechnen. Befindet sich jedoch Schaum auf der Oberfläche des
Mediums 15, so hat dies Auswirkungen auf die Füllstandsmessung
durch das erste Messgerät 21.
Ist dem prozesstechnischen Teil 1, vertreten beispielsweise
durch eine Leitwarte oder durch einen Steuercomputer, bekannt, dass
es zu Schaumbildung kommt, so werden durch die Übermittlung dieser Prozessinformation
die beiden zweiten Messgeräte 22 in Aktion
gesetzt. Bei diesen Messgeräten 22 handelt es
sich beispielsweise um auf der Vibronik beruhende Füllstands-
und Dichtemessgeräte.
Dies sind beispielsweise Schwinggabeln, die zu mechanischen Schwingungen
angeregt werden. Die Amplitude, die Frequenz und auch die Phase
der Schwingungen relativ zum anregenden Signal sind zum einen prinzipiell
davon abhängig,
ob die Schwinggabeln (es gibt jedoch auch sog. Einstäbe) vom
Medium bedeckt sind oder frei schwingen, zum anderen besteht auch
eine Abhängigkeit
von der Dichte und Viskosität.
Hier wird also die Information über
die Dichte der beiden zweiten Messgeräte 22 an das erste
Messgerät 21 übermittelt.
Dort lässt
sich dann der Füllstand
des Mediums 15 genauer bestimmen, so dass wiederum mit dieser
Messinformation vom prozesstechnischen Teil 1 wiederum
die Pumpe 14 besser gesteuert werden kann.
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- 1
- Prozesstechnischer
Teil
- 2
- Messtechnischer
Teil
- 3
- Erste
Verbindungseinheit
- 4
- Zweite
Verbindungseinheit
- 10
- Tank
- 11
- Rohr
- 12
- Abfüllbehälter
- 13
- Ventil
- 14
- Pumpe
- 15
- Medium
- 21
- Erstes
Messgerät
- 22
- Zweites
Messgerät