Kontinuierliche Überwachung der Staubbelastung mit triboelektrischen Sensoren und SCADA

Sielco Sistemi — 11/09/2018

Industrieanlagen, die Partikel in Abgase oder Prozessleitungen emittieren, müssen die Staubkonzentration in der Regel unter einem strengen Grenzwert halten, und dies allein durch periodische manuelle Probenahme nachzuweisen, hinterlässt lange blinde Flecken zwischen zwei Kontrollen. Ein System zur kontinuierlichen Überwachung der Staubbelastung, aufgebaut auf der SCADA/HMI-Plattform Winlog Evo und realisiert in Zusammenarbeit mit Tribotecna Srl, schließt diese Lücke: In der Leitung installierte triboelektrische Sensoren speisen ein Netzwerk von Erfassungsmodulen, die rund um die Uhr an einen Überwachungsserver melden, sodass Betreiber einen ansteigenden Trend erkennen und an der Anlage eingreifen können, lange bevor der Messwert den behördlichen Grenzwert überschreitet, statt eine Überschreitung erst im Nachhinein festzustellen. Dieselbe Architektur liefert Anlagenverantwortlichen zudem eine durchgehende, belastbare Aufzeichnung der Emissionsleistung, wie sie Umweltbehörden und interne Audits zunehmend erwarten, statt weniger stichprobenartiger Prüfungen pro Jahr.

Von der periodischen Probenahme zur kontinuierlichen Emissionskontrolle

Periodische Kontrollen, ob manuelle extraktive Probenahme oder gelegentliche Prüfungen mit einem portablen Analysegerät, liefern nur eine Momentaufnahme: Sie zeigen, wie sich die Anlage zum Zeitpunkt des Tests verhielt, nicht, was eine Stunde, eine Schicht oder einen Tag davor oder danach geschah. Kontinuierliche Kontrolle ersetzt diese Momentaufnahme durch einen ununterbrochenen Strom von Messwerten, und genau das macht aus einer Compliance-Pflicht ein operatives Frühwarnwerkzeug. Da die Sensoren Feinstaub-Emissionen in Echtzeit beobachten, zeigt sich ein beginnender Schlauchfilterdefekt, ein aus dem Takt geratener Brenner oder eine Prozessstörung mit erhöhter Staubfracht als Trend auf dem Bedienbildschirm lange bevor er bei einem planmäßigen Test sichtbar würde – das gibt dem Wartungspersonal die nötige Vorlaufzeit, um einzugreifen, bevor der Grenzwert der Staubkonzentration tatsächlich erreicht wird, statt erst nachdem ein Verstoß bereits eingetreten ist. Dieselben Trenddaten helfen Ingenieuren im Laufe der Zeit auch dabei, Filterwechsel und Brennerwartung am tatsächlichen Verschleiß statt an einem festen Kalender auszurichten.

Funktionsweise des triboelektrischen Sensors

Herzstück der Anlage ist der triboelektrische Sensor, entwickelt und hergestellt von Tribotecna Srl und als Sonde direkt in den Gasstrom eingesetzt. Sein Funktionsprinzip beruht auf zwei physikalischen Effekten, die auftreten, wenn Staubpartikel an der Sondenspitze vorbeiziehen: der Aufprallenergie, die frei wird, wenn ein Partikel auf die Sensorfläche trifft, und dem elektrischen Feld, das von den benachbarten Partikeln erzeugt wird, die nahe der Sonde vorbeiströmen, ohne sie zu berühren. Diese Kombination ist eine praktische industrielle Anwendung des bekannten triboelektrischen Effekts, bei dem Kontakt und Nähe zwischen Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung eine messbare elektrische Ladung erzeugen. Da der Sensor sowohl auf Aufprall als auch auf Induktion reagiert, bleibt er über einen weiten Bereich von Staubbelastungen und Partikelgrößen empfindlich – genau das, was eine Anlage braucht, um sowohl eine langsame Grunddrift als auch eine plötzliche Spitze zu erfassen.

RS485-Erfassung, Modbus und Überwachung mit Winlog Evo

Die von jeder triboelektrischen Sonde erzeugten Rohsignale sind für sich genommen wenig nützlich; sie müssen digitalisiert, mit einem Zeitstempel versehen und einer Leitwarte zur Verfügung gestellt werden. In dieser Anlage werden die von den Sensoren gelesenen Werte von Datenerfassungsmodulen gesammelt, die in der Nähe der Messstellen verteilt sind und über ein RS485-Netzwerk mit dem Protokoll Modbus miteinander verbunden sind — ein serieller Master/Slave-Standard, der von der Modbus Organization dokumentiert wird und von praktisch jedem industriellen Datenerfassungsgerät auf dem Markt unterstützt wird. Das RS485/Modbus-Segment erreicht einen Überwachungsserver-PC mit Winlog Evo, der jedes Modul abfragt, die Messwerte dekodiert und in die Tags, Trends und Alarme umwandelt, mit denen Betreiber tatsächlich arbeiten. Die Bibliothek der Kommunikationstreiber von Winlog Evo macht die Integration eines solchen seriellen Feldnetzwerks unkompliziert, und die Liste unterstützter Geräte ermöglicht es einem Ingenieur, vorab zu bestätigen, dass ein bestimmtes Erfassungsmodul oder eine triboelektrische Schnittstelle bereits ein bekanntes, getestetes Gerät ist und kein individuelles Integrationsprojekt. Befindet sich eine Staubüberwachungsstation an einem entfernten Kamin oder einem unbemannten Standort, bietet SecureBridge Ingenieuren eine verschlüsselte, authentifizierte Möglichkeit, die Erfassungsmodule für Diagnose oder Neukonfiguration zu erreichen, ohne sie direkt dem Internet auszusetzen.

Momentankonzentration, Massenstrom und Alarmschwellen

Sobald die Messwerte den Server erreichen, zeigt Winlog Evo mehr als nur ein Rohsignal an: Für jeden Sensor berechnet und speichert das System die Momentankonzentration, die mittlere Konzentration über ein konfigurierbares Intervall sowie den Massenstrom des durch die Leitung strömenden Staubs. Diese drei Werte werden fortlaufend mit zulässigen Referenzwerten verglichen, sodass jede Drift in Richtung einer Grenzwertüberschreitung erkannt wird, während sie sich entwickelt, und nicht erst am Ende eines Berichtszeitraums. Nähert sich ein Wert seinem Schwellenwert oder überschreitet ihn, löst die Plattform eine Alarmbedingung aus, die mit Zeitstempel versehen, priorisiert und gespeichert wird und den Betreibern eine auditierbare Aufzeichnung darüber liefert, wann genau ein Grenzwert erreicht wurde, um wie viel und wie lange — genau die Art von Nachweis, die Umweltbehörden neben der Rohmessung selbst üblicherweise erwarten.

Tagesberichte, Datenbankspeicherung und Multi-Client-Zugriff

Kontinuierliche Messwerte sind nur so nützlich wie die darauf aufbauende Berichterstattung, daher werden die gesammelten Daten verarbeitet, um Tagesberichte zu erstellen, die Anlagenmanagement, Wartung und Umwelt-Compliance-Personal am Bildschirm, im Ausdruck oder durch direkte Abfrage der zugrunde liegenden Datenbank einsehen können. Da Winlog Evo diese Historie in strukturierter, abfragbarer Form statt in einem proprietären Log führt, lassen sich monatliche oder jährliche Compliance-Zusammenfassungen erstellen, ohne Daten manuell erneut einzugeben. Ein TCP/IP-Netzwerk stellt dieselbe Information anschließend einer oder mehreren Client-Stationen zur Verfügung, sodass alles, was der Server berechnet — Momentankonzentration, Massenstrom, Alarme und historische Berichte — überall in der Anlage verfügbar ist, wo es benötigt wird, und das Webserver-Modul von Winlog Evo kann dieselbe Ansicht auch in einem Browser bereitstellen, für Personal, das sich nicht an einer dedizierten SCADA-Arbeitsstation befindet.

Möchten Sie sehen, wie kontinuierliche Staubüberwachung in der Praxis aussieht? Testen Sie die Winlog Evo Web-Demo, laden Sie eine Testversion herunter, oder kontaktieren Sie Sielco Sistemi, um ein Projekt zur triboelektrischen Staubüberwachung zu besprechen.

Weitere Artikel