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Anlagenbetreiber sind damit beschäftigt, mit den vielfältigen Herausforderungen Schritt zu halten, die sich aus den Rohstoffen des Bausektors, den wechselnden Betriebsbedingungen in Silos oder Rohrleitungen oder der Notwendigkeit von Ex-Zertifikaten ergeben.

Solche Anforderungen verlangen nach messtechnischen Lösungen, die vielseitig einsetzbar sind und gleichzeitig eine kostengünstige Investition darstellen, die in der Lage sind, die unterschiedlichsten Anforderungen zu erfüllen. Durch die rasante Entwicklung der Bau- und Steinbruchindustrie in den MENA-Ländern in den letzten Jahren ist die Nachfrage nach weiteren Lösungsansätzen für Anwendungen in dortigen Zementwerken gestiegen. Es müssen Lösungen mit geeigneter Sensorik zur Inhalts- und Füllstandmessung gefunden werden, um den Prozessablauf der Zementproduktion möglichst zuverlässig zu unterstützen.

Fallstudie Zementwerk
In einem der größten Zementwerke Saudi-Arabiens wurde UWT mit besonders rauen Arbeitsbedingungen konfrontiert.
Für seine Zementsilos suchte der Anlagenbetreiber nach zuverlässiger Inhaltsmesstechnik sowie nach einem flexiblen Sensorsystem zur Grenzstanderfassung. Die Kombination aus einer sehr hohen Staubentwicklung und einer hohen Prozesstemperatur war eine Herausforderung für die richtige Auswahl der Messgeräte.

Schnelle und einfache Messeinrichtung

So umfasste die Auswahl der Messtechnik zunächst für die Lagersilos ein elektromechanisches Lot, das auch bei der Anbindung an ein Visualisierungssystem perfekt passt.
Weiterhin wurden zur Grenzstanderfassung bei mehreren Prozessschritten Drehflügelschalter und kapazitive Stabsonden installiert. Hier war jeweils die Hochtemperaturversion gefragt.

Das elektromechanische Messgerät ist durch seine fortschrittliche und doch so einfache Elektronik ein unschätzbares Instrument im Bereich der Lagerverwaltung. Das aus einem geeigneten Material bestehende Fühlgewicht, das entweder an einem Band oder an einem Seil befestigt ist, wird elektromechanisch von oben in den Behälter abgesenkt. Sobald das Fühlgewicht auf dem Material aufliegt, ändert sich die Wickelrichtung des Motors und das Fühlgewicht wird in die obere Endlage zurückgespult. Als Bedarfsmelder während der Befüllphase spielt es eine wichtige Rolle. Dabei muss er verschiedenen Anforderungen gerecht werden, wie z.B. große Messabstände in hohen Silos, schnelles Ansprechen bei Überfüllsicherungen oder Messung von Material in steilen Gefällekegeln.
Außerdem herrschen bei der Befüllung staubige, verschmutzte Umgebungen.

Robuste mechanische Konstruktion

Das zuverlässige elektromechanische Lotsystem des UWT NivoBob® mit seiner robusten mechanischen Konstruktion ist deshalb die erste Wahl des Anlagenbetreibers in Saudi-Arabien bei diesen anspruchsvollen Bedingungen. Für die kontinuierliche Füllstandmessung innerhalb der Zementlagersilos fiel die Wahl auf die Bandversion des NivoBob® NB 3200 insbesondere wegen des integrierten Bandreinigers, der eine Verschmutzung der mechanischen Kammer zuverlässig verhindert. Der Zementhersteller automatisierte seine Füllstandmessung in 50 seiner Silozellen, die Rohzement enthalten, mit dem Chargenmesssystem. Für ihn war es wichtig, dass das Gerät einfach einzurichten ist und mit der außergewöhnlich staubigen Umgebung zurechtkommt. Die benutzerfreundliche Software mit ihrer Schnelleinstellungsoption in verschiedenen Sprachen machte die Programmierung der erforderlichen Parameter zu einer leichten Aufgabe. Durch einen Zielflansch war es möglich, das Gerät direkt im Silodach zu installieren, von wo aus es Reichweiten bis zu 50 m abdecken kann. Für die pulverförmigen Materialien des Zementstaubs mit steilem Schüttwinkel wurde die Verwendung eines optionalen Stifts empfohlen, um das Fühlgewicht zu sichern und ein Abrutschen oder Herunterfallen zu verhindern. Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal wurde ein maximaler Fahrstreckenparameter des Fühlgewichtes eingestellt, um zu verhindern, dass es sich beim Entleeren des Silos im Behälterboden verfängt.

Überzeugende Vorteile
Die überzeugendsten Vorteile der Serie der Lotsensoren waren folgende:

1. Nicht beeinträchtigt durch steife Produkte oder klebrige, schmutzige, staubige oder dampfige Umgebung.
2. Keine Beeinträchtigung durch Kondensation, Anbackungen und Feuchtigkeitswechsel.
3. Keine Beeinträchtigung durch Materialeigenschaften, Größen, Formen, Dielektrizität und Leitfähigkeit
4. Effektiver Selbstreinigungsmechanismus (Bandreiniger)
5. Einfach zu installieren und in Betrieb zu nehmen, weniger als 5 Minuten bei der Inbetriebnahme - kann vor der Installation eingerichtet werden
6. Sehr geeignet für große hohe und vor allem breit dimensionierte Silos
7. Durch die modulare Bauweise können individuelle Kundenwünsche leicht in das Produktdesign einbezogen werden

Vermeidung von Kabelgewirr

Eine der am häufigsten gestellten Fragen zu dieser Technologie war, wie verhindert werden kann, dass sich die Kabel des Lot Systems verheddern, z.B. durch ständiges Auf- und Abwickeln oder durch hochgezogenes Material, das Störungen verursacht. UWT hat sich dieses Problems angenommen und eine Konstruktion vorgestellt, die mit nur einer oder zwei Spulen auskommt. Sie ist außerdem mit einem Bürstenreinigungssystem oder einem federgespannten Band ausgestattet, das mit einem Abstreifmechanismus versehen ist, der das Material vom Kabel oder Band entfernt, wenn es in das Gehäuse zurückgezogen wird. Das Lot zeichnet sich durch eine robuste Konstruktion aus, wie z. B. hochbelastbare Kabel, die verhindern, dass sich die Fühlgewichte lösen und mögliche Schäden verursachen.

Mehr Transparenz durch Füllstandsvisualisierung

Der Zementhersteller wünschte sich zusätzlich eine wirtschaftliche und praktische Lösung in Form einer zentralen Füllstandfernanzeige. Hintergrund war, unnötige Logistikkosten durch Mehrfachanlieferungen einzusparen und das Lagermanagement durch kontinuierliche Füllstandskontrolle, verbessertes LKW-Routing und detaillierte Planung transparenter und effizienter zu gestalten.

Füllstandsvisualisierungssystem

Die elektromechanischen Lotsysteme kommunizieren direkt mit SPS-Steuerungen über ein analoges 4...20 mA-Signal oder auch ein digitales MODBUS RTU- oder Profibus-Protokoll. Damit waren die Lotsysteme direkt kompatibel zu allen gängigen Steuerungssystemen. Durch die große Auswahl an unterschiedlichen Füllstandsregelungen innerhalb der UWT NivoTec® Serie NT 4500 konnte für das Zementwerk eine passende wirtschaftliche Variante gefunden werden. Die Füllstandsignale des installierten NivoBob® auf jedem Silo wurden von der Visualisierungssoftware in Kombination mit einem Wago WebController gebündelt. Die empfangenen Informationen wurden über eine Ethernet-Verbindung über eine geroutete IP-Adresse an das Internet weitergegeben. Die Anlage konnte diese Informationen (passwortgeschützt) über einen beliebigen Internet-Browser zu jeder Tageszeit über eine vordefinierte IP-Adresse sicher abrufen. Es ist möglich, beliebig viele weitere Silos in das Visualisierungssystem einzubinden - ohne zusätzliche Hardware oder Kosten.

Drahtlose Datenübertragung

Optional: Wenn die Installation an den Anlagensilos möglichst geringgehalten werden soll, kann ein GSM-Modem für den Fernzugriff auf die Daten eingesetzt werden. In diesem Fall wird für die Datenübertragung keine Ethernet-Verbindung benötigt, sondern nur eine SIM-Karte im WAGO, über die das Modem läuft. Dieses Modem sammelt alle Füllstandssignale und sendet sie in einem verschlüsselten Protokoll per Mobiltelefon über das Internet an die entsprechende Steuerung.

Vorteile
Die Vorteile des Gesamtsystems für den Zementhersteller waren neben der Vereinfachung der Materialdisposition auch eine Reduzierung der Kosten:

• Die Installation des Systems war einfach und konnte von den werkseigenen Servicetechnikern durchgeführt werden
• Schaltschränke mussten nur einmal eingerichtet werden; danach war keine weitere IT-Unterstützung notwendig.
• Alle Siloebenen können nun gleichzeitig visualisiert werden, was zu mehr Planungssicherheit führt.
• Der Materialfluss folgt endlich einem einheitlichen Prozess mit deutlich mehr Planungssicherheit
• Das System kann ohne neue Kosten an einem Standort demontiert und an einem anderen wieder installiert werden

Messlösungen für Temperaturen bis zu 1100°C

In der Zementherstellung gibt es eine Vielzahl von speziellen Prozessen, bei denen der Einsatz der richtigen Messtechnik den Unterschied macht, um einen reibungslosen Prozessablauf zu unterstützen. Beim Volumen- oder Dosierprozess z.B. muss der installierte Sensor ein flexibler und einstellbarer Grenzwertschalter mit hoher Sensorempfindlichkeit für eine präzise Volumendosierung sein; während das Gerät innerhalb eines Brechers mit einer Umgebung mit hoher mechanischer Belastung umgehen muss. Für den Mischprozess im Zementwerk gab es ebenfalls eine Mischung aus besonderen Anforderungen an den Sensor. Zum einen wurde eine Vielzahl von unterschiedlichen Schüttgütern produziert, die pulverförmig, aggressiv und feucht waren. Zum anderen war das Schüttgut innerhalb des Mischbehälters durch ein Rührwerk ständig in Bewegung. Charakteristisch für die Anwendung waren besonders hohe Temperaturen, Staub, Kondensation und damit einhergehend starke Anbackungen. Das Messsystem musste also eine hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Schüttgütern sowie eine schnelle Reaktionszeit durch eine präzise abgestimmte Elektronik aufweisen. Bei Abfüllvorgängen kam es zu Vibrationen innerhalb des Prozesssystems und die Umgebung war zeitweise statisch aufgeladen.

Für die Grenzstandmessung schlug die UWT-Projektleitung dem Zementhersteller ihren bewährten Drehflügelschalter Rotonivo® der Baureihe RN 3000 vor. Dieser Grenzschalter war für die anspruchsvollen Zementanwendungen als Voll- und Leermelder geeignet. Der Paddelgrenzschalter ermöglichte eine sehr präzise Grenzstandmessung, da der Sensor unbeeinflusst von Staub, Feuchtigkeit oder Anhaftungen ist. Die Hochtemperaturmodelle konnten Prozesstemperaturen von bis zu +1100°C (2012°F) verarbeiten und wurden - je nach den gegebenen Bedingungen - mit einer entsprechenden Dichtung (Viton, Teflon oder Keramik) ausgestattet. Weiterhin wurde eine integrierte Drehüberwachung vorbereitet, die eine Störung des Gerätes erkennt und sofort einen Alarm auslöst. Die PNP-Elektronik des Paddelschalters verwendet eine 3-Draht-Elektronik mit kontaktlosem Ausgang, offenem Kollektor und PNP. Diese Elektronik kann an jede Standard-SPS mit 24V DC-Spannungsversorgung und PNP-Eingangskarte angeschlossen werden. Neben einem Edelstahl-Gleitlager mit konisch geformtem Kontakt wurde eine verstärkte Edelstahlwelle mit vergrößertem Durchmesser konstruiert. Die kürzere Welle am Ende der Edelstahl-Schutzkappe verringerte das Drehmoment an dieser Stelle. Die Befestigungsbolzen und das Paddel aus Stahl 1.4404 wurden verstärkt und die stärkere Feder erhöhte das Schaltmoment des Endschalters.

In mehreren Mischbehältern kam es zu einer intensiven Dampfsättigung und der Zugabe von Flüssigkomponenten. Aufgrund der vorherrschenden starken Anhaftungen wurde eine Sensorik mit spezieller Anbackschutztechnik gefordert. Installiert wurde ein kapazitives Gerät der RFnivo® Serie, das als Einstabsonde ausgeführt ist und die ”Active Shield”-Technologie beinhaltet, wodurch die Anhaftungsmasse tout court detektiert werden konnte. Im Falle des arabischen Zementherstellers war die Sonde mit keramischen Isolatoren für Prozesstemperaturen von bis zu +500°C (932°F) ausgerüstet. Aufgrund seiner Konstruktion benötigt das Gerät keine temperaturbegrenzenden Komponenten zur Schüttguterkennung im Applikationsprozess.

Passende Messlösung für Zwischenbehälter

Während des gesamten Prozesses der Zementherstellung stößt man auf eine Reihe von Zwischenprozessen, wie z.B. zusätzliche Lagerprozesse, nachfolgende Transportprozesse und Entwicklungsprozesse dazwischen. In den Zwischenbehältern steht das Material für die weitere Verarbeitung bereit, wobei unterschiedliche Arten von Vorbunkern, Temperierzellen oder Schwalltrichtern zum Einsatz kommen, in denen die Zutaten für die Zugabe und Mischung gelagert werden. Dort musste der Messsensor mit unterschiedlichen Arten von Schüttgütern in staubiger Umgebung arbeiten. Unabdingbar war eine kurze Reaktionszeit für die Überfüllsicherung und eine schnelle Erkennung der Unterschreitung der Füllstandskontrolle bei kleinen Umfüllbehältern. Für die Grenzstanderfassung in den kleineren Behältern konnte die Anlage ein weiteres Mal mit dem Füllstandgrenzschalter RFnivo® 3000 ausgerüstet werden. Das Gerät bietet in seiner Baureihe unterschiedliche Auszugslängen für die verschieden großen Behälter und arbeitet über ein Ausgangssignal mit Zeitsteuerung für präzises, punktuelles Schalten.
In der Produktion wird das rieselfähige Schüttgut entweder mechanisch über Kettenförderer, Elevatoren, Schnecken oder pneumatische Förderer von einem Fertigungsprozess zum anderen transportiert. Dabei ist ein kontrollierter Materialfluss unerlässlich, um einen effektiven Produktionsprozess zu gewährleisten. Gefragt war die Erkennung und Überwachung von bewegten Feststoffen in diesen unterschiedlichen Schüttgut-Transportsystemen. Störungen in Förderanlagen für Rohmaterial und andere Schüttgüter sollten durch den Einsatz geeigneter Messprinzipien frühzeitig erkannt werden. Außerdem war innerhalb der Prozesse nur wenig Platz für den Messsensor vorhanden. Der gewählte RFnivo® RF 3200 in Heavy-Duty-Ausführung war so konstruiert, dass er hohen Behälterdrücken bis zu 25bar (363 psi) standhalten konnte und zudem eine hohe Drehmomenteinstellung von 525Nm bot. Außerdem bewältigte er Zugkräfte von bis zu 40kN. Der Einbau konnte vertikal, horizontal und schräg erfolgen und unterstützte den reibungslosen Prozessablauf der Zementherstellung insbesondere in den kleineren Behältern und Trichtern. Für den kompakten Sensor war keine Kalibrierung erforderlich, da die Sonde nach dem Aufbau und der Verkabelung im Behälter sowie dem Anschluss der Stromversorgung von selbst kalibriert. Der Bediener musste nichts weiter tun, als den Signalausgang im Quickstart-Menü entsprechend seiner Anwendung einzustellen. Dies war auch für den Anlagenbetreiber wichtig, für den Fall, dass er den Zwischenbehälter wechseln möchte. Wird der RF in jeder anderen Anwendung eingesetzt, muss lediglich die Versorgungsspannung vorher angeschlossen und die Kalibriertaste gedrückt werden. Die Sonde stellt sich automatisch auf die neue Anwendung ein und ist einsatzbereit.