- moneo: IIoT-Plattform
- Use cases
Überwachung der Differenztemperatur zwischen Vor- und Ablauf einer CIP-Anlage
Eine CIP-Anlage ist eine Prozessanlage, wie z.B. in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die eine ortgebundene Reinigung (Cleaning in Place = CIP) durchläuft. Bei der Verarbeitung von organischen Stoffen zum Verzehr, wie zum Beispiel Milch, ist ein besonderes Maß an Hygiene notwendig, damit keine schädlichen Keime in die Produkte gelangen und die Gesundheit der Konsumenten gefährden. Die Behälter, meist Tanks, sind zu groß, so dass eine Demontage zur Reinigung meist zu aufwändig und manchmal auch gar nicht möglich ist. Bei der Reinigung vor Ort gibt es mehrere Prozessschritte, die für die notwendige Hygiene notwendig sind. Entscheidend für ein einwandfreies Reinigungsergebnis ist die Temperatur und die Dauer der Erhitzung, wie auch beim Kochwaschgang bei der privaten Waschmaschine. Für einen erfolgreichen Reinigungsvorgang muss sichergestellt sein, dass die notwendigen Parameter (Temperatur) ordnungsgemäß innerhalb der gesamten Anlage erreicht wurden, da der kostenintensive Vorgang (Energie, Chemie und Produktionsausfall) ansonsten wiederholt werden muss.
Die Ausgangslage
In einer eigenen CIP-Anlage testet ifm Prozesssensorik in einem realen Umfeld. Vor dem Einsatz von moneo wurde die Anlage nur über Analogsignale betrieben und über eine SPS gesteuert. Die Analyse über die SPS gestaltete sich immer schwierig. Die Visualisierung des Prozesses war nur vor Ort an der HMI der Anlage möglich, ebenso wie die Parametrierung der Sensoren nur direkt am Sensor möglich war. Eine Überwachung erfolgte ausschließlich über den analogen Stromwert 4…20 mA.
Ziel des Projekts
Die Aufnahme und die Analyse der Temperaturdaten standen im Focus. Die Erfassung der Temperatur am Zu- und Ablauf der Anlage dient zur Ermittlung der Differenztemperatur. Diese gilt als zuverlässiger und gängiger Indikator dafür, dass die gewünschte Prozesstemperatur erreicht wurde. Dies ist entscheidend bei der Desinfektion der Anlage mittels Hitze. Sind die Temperaturen an den beiden Punkten annähernd identisch, kann davon ausgegangen werden, dass alle Bereiche erfolgreich desinfiziert wurden.
Die vorhandene Steuerung soll unverändert bleiben. Bei der Erweiterung der Anlage sollen die Daten über IO-Link Devices in das moneo RTM gelangen.
Die Durchführung
moneo wurde auf einem bestehenden, zentralen Server installiert und die notwendigen Module, u.a. moneo RTM aktiviert.
Zur Erfassung der Werte am Zu- und Ablauf wurde jeweils ein Temperatursensor mit Selbstüberwachung installiert und an einem IO-Link Master mit IoT-Port angeschlossen. Nach dem Einbinden dieses Masters in das Firmennetzwerk über Ethernet trägt moneo RTM automatisiert jede Sekunde die Prozesswerte der Sensoren ab.
Die Anlage kann jederzeit beliebig mit weiteren IO-Link Geräten erweitert werden, um weitere Prozessdaten zu sammeln und auszuwerten. Die Software bietet die entsprechende Skalierbarkeit.
Der Erfolg
Die Software bietet die Berechnung von Prozesswerten, wie der Differenztemperatur. So kann festgestellt werden, ob die Desinfektion erfolgreich verläuft und wo noch nachgesteuert werden muss. Seit der Erweiterung können die Daten lückenlos aufgezeichnet werden. Die Analyse der Informationen ermöglicht eine Optimierung der Prozesse, so dass die Anlagenverfügbarkeit erhöht wird.
Fazit
Ohne Änderungen oder Eingriffe an der SPS oder ihrer Software vornehmen zu müssen, wurden die Anlage erfolgreich digitalisiert.
Dashboard
Relevante individuelle Sensorinformationen können schnell und einfach visualisiert werden – im intelligenten Dashboard. Die Darstellung aktueller Prozesswerte kann dank vorgefertigter Instrumente z.B. in Form eines Thermometers oder Liniendiagramms individuell angepasst und zusätzlich können in das Dashboard direkt Grafiken in Standardformaten (PNG, JPEG, GIF…) eingefügt werden. Die Navigation zwischen verschiedenen Dashboards ist über die Navigator Marken möglich.
In der folgenden Abbildung wurde die Gesamtanlage im Dashboard visualisiert. Die Navigator Marken verlinken direkt auf weitere Dashboards mit weiteren Details zum jeweiligen Bereich:
- Navigationsobjekt als Link zu weiteren Dashboards
- Instrument Ampel für die Zustandsanzeige der Tanks 1 bis 4
Das Dashboard visualisiert die Temperaturen im Vor- und Ablauf. Über die kalkulierten Werte wurde zusätzlich die Differenztemperatur der Sensoren ermittelt und entsprechen als Thermometer sowie als Liniendiagramm visualisiert.
- Temperaturwert im Vorlauf
- Differenztemperatur zwischen Vor- und Rücklauf
- Temperaturwert im Ablauf
- Diagramm mit Vorlauf-, Rücklauf- und Differenztemperatur
- Aktuelle Kalibrierungszustand des TCCs
Analyse
Hier erfolgt die weitere Analyse der aufgezeichneten Daten und der Prozess kann im Detail nachvollzogen werden, um beispielsweise die Zeiten von Spülvorgängen zu ermitteln und gegebenenfalls anzupassen. Da moneo RTM die Informationen automatisch aufzeichnet, sobald die Sensoren im Topologie Pfad aktiviert wurden, stehen sofort Daten zur Verfügung.
In der folgenden Analyse ist der Aufheizprozess abgebildet. Der Temperatursensor im Vorlauf (1) zeigt kleine Schwankungen des Temperaturwerts, welche durch die Regelung des Dampfwärmetauschers erzeugt werden. Die Temperatur im Ablauf steigt verzögert mit.
- Temperatur im Vorlauf
- Temperatur im Ablauf
Analysen können per Drag & Drop individuell zusammengestellt und verschiedene Prozesswerte (z.B, Temperatur oder Leitfähigkeit) dadurch kombiniert und zusammen analysiert werden.
Die Funktion bietet zusätzlich den Export von Datensätzen zur weiteren Analyse oder zur Prozessdokumentation an.
Ein Beispiel-Export der Daten als CSV-Datei:
Key_Path;Base / CIP / INLET / TCC231 / Temperature
Key_DeviceName;Temperature
Key_DataSource;Temperature
Key_Unit;°C
Key_DataType;raw
Key_DataCount;4
Timestamp;RawValue
2021-04-29T16:05:06.722+0200;23.42
2021-04-29T16:05:07.719+0200;23.42
2021-04-29T16:05:08.720+0200;23.42
2021-04-29T16:05:09.721+0200;23.42
Tasks & Tickets / Grenzwerte
Eine Funktion des eingesetzte Temperatursensors (TCC) ist der Kalibriercheck. Durch zwei unterschiedliche, thermisch gekoppelte Sensorelemente (Mess- und Referenzelement) erkennt das Gerät bei der Messung automatisch eine Temperaturdifferenz. Der Prozesswert wird vom Sensor über den Analogausgang bereitgestellt. Der Referenzwert dient dem Vergleich und der Prüfung des Prozesswertes. Überschreitet die Temperaturdifferenz zwischen dem Prozesswert und dem Referenzwert den als Kalibriercheck-Limit [ccL] eingestellten Wert, wird entsprechend der CC Status gesetzt (0 = Kalibriercheck-Warnmeldung, 1 = Normalbetrieb). In den Grenzwerten wird der Prozesswert entsprechend auf Unterschreitung überwacht. Nimmt der CC Status den Wert 0 an, wird ein Alarmticket generiert.
Zudem kann auch ein Alarm erstellt werden, wenn die Temperaturdifferenz zu groß ist. Dies ist ein Hinweis darauf, dass der Reinigungsprozess nicht erfolgreich abgeschlossen werden kann.
Kombinierte Grenzwerte
Auch auf kalkulierte Werte können Grenzwerte gesetzt werden. Der kalkulierte Wert in diesem Beispiel dient der Überwachung der aktuellen Temperaturdifferenz in Abhängigkeit der Temperatur am Zulauf. Dazu wird die Temperatur im Zulauf auf größer als 80°C überprüft (5), wenn diese kleiner als 80°C (5) ist, wird der Wert von 20°C (6) ausgegeben, bei größer als 80°C wird die aktuelle Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Ablauf (6) ausgegeben.
- Temperaturwert bei Vorlauf <80°C (20K)
- Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Ablauf
- Temperaturwert im Vorlauf
- Vergleichswert für Vorlauftemperatur (80°C)
- Funktionsbaustein Vergleicher
- Funktionsbaustein Signalweiche
- Temperatur Ausgabe (<80°C = 20K; >80°C = aktuelle Differenztemperatur)
Dieser berechnete Wert kann nun zur Überwachung der Anlage genutzt werden. Dafür werden Warn- (1) und Alarmgrenzen (3) gesetzt. Wen die Temperatur im Vorlauf größer als 80°C ist und die Differenztemperatur größer als 5K (1) bzw. größer als 10K (3) ist, wird eine entsprechende Meldung generiert. Da prozessbedingt die Differenztemperatur träge ist, wird zusätzlich eine Verzögerung aktiviert (2 / 4), dabei entspricht 1 Updatezyklus ca. 1 Sekunde. In diesem Setup wird z.B. eine Warnung generiert, wenn die Differenztemperatur von 10K nicht nach rund 300 Sekunden (5 min) erreicht wurde. Wenn nach rund 600 Sekunden (10 min) nicht die Differenz von 5K (3) nicht erreicht wurde, wird ein Alarm generiert.
- Temperatur Warngrenzwerte
- Ansprechverzögerung Warnung
- Temperatur Alarmgrenzwerte
- Ansprechverzögerung Alarm
Ticketverarbeitungsregeln verwalten
Über diese Funktion lässt sich einstellen, was bei einer Warnung oder einem Alarm zusätzlich zu dem erstellten Ticket passieren soll. In diesem Fall wird einen Empfängerkreis der Instandhaltung darüber informiert, dass die Kalibriercheckfunktion des Sensors ausgelöst wurde. Dadurch kann diese schnell darauf reagieren und eine Kalibrierung veranlassen.
Kalkulierte Werte
Über die Funktion der kalkulierten Werte können Prozesswerte weiterverarbeitet und miteinander verrechnet werden. Bei dem Einsatz in der CIP-Anlage wird die Funktion genutzt, um die Differenztemperatur zwischen Vor- und Ablauf zu ermitteln.
Temperaturdifferenz [∆T]= Umgebungstemperatur [T2]-Schaltschrankinnentemperatur [T1]
Dataflow Modeler
- Temperatur Vorlauf [T2]
- Temperatur Ablauf [T1]
- Funktionsbaustein: Subtraktion
- Temperaturdifferenz [∆T]
