smart.sequencing

Klassisch besteht eine Zentrifugen­station ­in einer Zuckerfabrik aus mehreren Zen­trifugen, mit denen eine Fest-Flüssig-Trennung ­des Magma in Ablauf und Kris­tallisat vorgenommen wird. Durch den zyklischen Trennprozess ergibt sich beim Beschleunigen / Bremsen ein stark schwankender Energiebedarf. Dementsprechend soll eine übergeordnete Verriegelung verhindern, dass mehr als eine definierte Anzahl von Zentrifugen gleichzeitig beschleunigen oder bremsen.

Aus diesem Grund ist es heutzutage eine wichtige Kundenanforderung, mit Hilfe von Steuerungssystemen den chargenweisen Betrieb von Magma erzeugenden Kochapparaten und den ebenfalls chargenweisen Betrieb von Magma verarbeitenden Zentri­fugen in einem Zuckerhaus so zu optimieren, dass die bisher diskontinuierliche Betriebsweise in einen nahezu kontinuierlichen und möglichst schwankungsarmen, Lastspitzen vermeidenden Prozess umgewandelt wird.

BMA Automation hat das smart.sequencing – die intelligente Betriebssteuerung von periodischen Zentrifugen in Sequenzen – für komplette Zentrifugenst­ationen entwickelt, erfolgreich erprobt und inzwischen als ein hoch innovatives ­Produkt am Markt etabliert.

Unter Berücksichtigung aller Kundenanforderungen eröffnen sich mit Hilfe des smart.sequencing zwei Ansätze zur Prozessoptimierung:

1. eine chargenoptimierte, die Produktion maximierende Betriebsweise und
2. eine energieoptimierte, die Lastspitzen senkende Betriebsweise.

In beiden Fällen wird durch das smart.sequencing der Aufwand für die Bedienung der Zentrifugen erheblich reduziert.

Asmart.sequencingls Stand der Technik besitzen bisherige Zentrifugen ihr eigenes Kontrollsystem mit einem Bedienpanel zur Betriebsteuerung in Verbindung mit verdrahteten Verriegelungen (wired interlocking), um den Betrieb der gesamten Zentrifugenstation sicherzustellen und die Zucker­produktion zu optimieren. Wenn dabei das Zeit­fenster ­zwischen den Chargenzyklen groß genug ist, sind Ver­riegelungslö­sungen ­gut realisierbar. Ist die Zentrifugengruppe jedoch größer und somit die gewünschte Zyklus-Zwischenzeit für jede Maschine deutlich reduziert, stoßen Verriegelungslösungen schnell an ihre Grenzen ­und verursachen Lastspitzen oder verlängerte Betriebszeiten.

Im Gegensatz dazu ist smart.sequencing eine fortschrittliche Steuerungslösung mit einer SPS-Architektur, Konnek­tivi­tät­­ ­zu allen DCS-Systemen und einer vielseitigen Steuerungssoftware, die alle klassischen Anforderungen an eine ­Zentrifugenstation erfüllt. In die BMA-Steuer­ungslösung können Zentrifugen anderer Hersteller ebenfalls eingebunden werden.

Nachfolgend werden verschiedene Anforderungen an die Steuerung einer Zentrifugenstation näher erörtert und ein Vergleich zwischen einer konventionellen Lösung (wired interlocking) und dem smart.sequencing gezogen.

Bei konventionellen Zentrifugensteuerungen werden bedingt durch einen schwankenden Produktionsbedarf einzelne Zentrifugen je nach Produktionsbedarf bestimmten Zentrifugengruppen zugeordnet. In einer wired interlocking Architektur bedeutet dies zunächst eine Erhöhung der Komplexität der Verkabelung, die exponentiell mit der Zahl der Zentrifugen in der Gruppe wächst. Ebenso müssen für die Konfigurationsänderungen der Gruppe manuelle Änderungen an der zu wechselnden Zentrifuge durchgeführt werden. Die Erstellung neuer Konfigurationen über die bereits bestehende Verkabelungsinfrastruktur ist dabei nicht möglich.

Demgegenüber ermöglicht das smart.s­e­quencing eine flexible Zuordnung der Zentrifugen zu der einen oder anderen Gruppe, entsprechend ihren spezifischen Anforderungen in der Produktion („swing machines“). Die Zuordnung zur Gruppe und der Rangfolge innerhalb dieser kann mittels einer Rezepturverwaltung gespeichert und jederzeit wieder aufgerufen werden.

Diese wird über das Bedienfeld des smart.sequencing durchgeführt, ohne dass Änderungen direkt an der Maschine vorgenommen werden müssen. Die Zuordnung einer Maschine zu einer anderen Gruppe erfolgt über die Software mithilfe einer standardisierten Industrieschnittstelle (ProfiBus, ProfiNet oder Ethernet). Die Inbetriebnahme von Austauschmaschinen zwischen den verschiedenen Gruppen dauert automatisierungsseitig nur wenige Sekunden.

Die konventionelle Verriegelung erfordert die menschliche Überwachung der Anlage für jede einzelne Maschine, entsprechend der Reihenfolge innerhalb der Gruppe. Änderungen in der Konfiguration oder Priorität jeder Maschine müssen manuell durchgeführt werden. Dies ist in vielen Fällen so aufwendig, dass mehrere Mitarbeiter an der Zentrifugenstation eingesetzt werden. Zudem kann es durch den hohen Komplexitätsgrad der Verriegelungen schnell zu Konfigurationsfehlern kommen, die häufig mit Produktivitätsverlusten einhergehen.

Durch den Einsatz von smart.sequencing ist es möglich, den Bedienungsaufwand in der Zentrifugenstation deutlich zu reduzieren. Ein einzelner Mitarbeiter kann die gesamte Station (maximal 24 Maschinen) bedienen und Änderungen über das Bedienpanel des smart.sequencing vornehmen, ohne dass lokal etwas an der Konfiguration der Maschine neu vorgenommen werden muss. Durch den Einsatz von Industriebussystemen (Profibus, Profinet, Ethernet) wird die Kommunikation mit dem Leitsystem (DCS) ermöglicht, so dass mit smart.sequencing vom ­ersten Moment an Alarmmeldungen direkt über das Leitsystem verwaltet werden ­können.

Bei konventionellen Zentrifugensteuerungen besteht die Gefahr, dass nachfolgende Transportausrüstungen für das abgetrennte Kristallisat durch die gleichzeitige Entladung mehrerer Maschinen mechanisch hoch belastet sind und diese einem vorzeitigen Verschleiß oder Ausfall unterliegen.

Die Vermeidung dieser Problematik ist ein grundlegendes Ziel der Programmierung der Sequenzierung von Zentrifugenstationen. smart.sequencing optimiert die Betriebsparameter der Zentri­fugen, um die bestmögliche Leistung zu er­zielen. Dies ist solange möglich, wie die Kom­muni­kation zwischen dem Steuerungssystem des smart.sequencing und dem Frequenzumrichter jeder Zentrifuge gegeben ist. Somit können größere Gruppen von Zentrifugen perfekt gesteuert ­werden, indem die Hardware gleichmäßig beansprucht wird und somit ein vorzeitiger Verschleiß vermieden wird.

Ausgehend von einer konventionellen Zentrifugen-Gruppe von vier Maschinen und typischen Betriebsdaten bei starr arbeitender und drahtgebundener Verriegelung ergibt sich bei einer Zykluszahl von 24,8 ch / h ­für einen einzelnen Betriebszyklus dementsprechend eine Dauer von 145 s.

Wird durch die Installation eines dynamisch arbeitenden smart.sequencing Systems eine Reduzierung der Betriebszykluszeit um 1 s erzielt, reduziert sich die Zyklusdauer jeder Maschine auf ­144 s­. Dies bedeutet eine Steigerung der Produktivität jeder Ma­schine um 4,14 ch/d. Bei der Annahme, dass mit jedem Zyklus 700 kg Raffinade abzentrifugiert werden, kommt es zu einer Steigerung der Zuckerproduktion um 16,57 Zyklen entsprechend 11,6 t Raffinade pro Tag. Dieser Anstieg der Produktivität einer Zentrifugengruppe wird somit die Investition für das smart.sequencing bereits nach wenigen Mo­naten amortisieren.

Zentrifugen haben die Eigenschaft, verhältnismäßig geringe elektrische Leistung in hohe kinetische Energie umzuwandeln. Dies geschieht beim Beschleunigungs­vorgang und das Umgekehrte beim Bremsvorgang. Die gespeicherte kinetische Energie in einer mit hoher Drehzahl rotierenden Zentrifugentrommel kann – zwar mit Verlusten – in elektrische Energie umgewandelt werden. Bei konventionellen Systemen führt dieses Betriebsverhalten zu hohen negativen und positiven Last­spitzen, die von der Energieversorgung einer Fabrik abgefangen werden müssen. Dies kann zu erheblichen Belastungen der Prozesskette innerhalb des Gesamtsystems führen.

Im Gegensatz zu konventionellen Sys­temen zeichnet sich der Anspruch der Prozessoptimierung des smart.sequencing dadurch aus, dass elektrische Energie in Form von „gespeicherter“ kinetischer Energie in einer Zentrifugenanordnung zur Verfügung gestellt und intelligent gesteuert und geregelt wird. Die Teil­nehmer innerhalb einer Gruppe werden so ge­steuert, dass Beschleunigungs­phasen immer bestmöglich mit Bremsphasen kombiniert werden. Die Streckung von Bremsphasen durch intelligente Eingriffe in die Frequenzumrichterparameter verstärken diesen Effekt zusätzlich. Eine derart realisierte intelligente Steuerung und Regelung mit Hilfe des smart.sequencing ermöglicht es, in einer Zentrifugenanordnung Lastspitzen deutlich zu verringern oder, bei gleichzeitigen Kostenvorteilen beim Strombezug einer Fabrik, sogar ganz zu vermeiden.