Funkbasierte Trocknung von Zuckerrübenschnitzeln Temperaturdaten zuverlässig übertragen

Nordzucker ist der zweitgrößte Zuckerproduzent in der Europäischen Union und beschäftigt konzernweit 4.000 Mitarbeiter. Das zweitgrößte Werk der Region Zentraleuropa liegt in Nordstemmen bei Hildesheim. Hier wird Zucker in zahlreichen Spezifikationen sowie Flüssigzucker hergestellt. Im Rahmen der Kampagne 2010 – also in der Zeit von Mitte September bis Anfang Januar, in der Zuckerrüben angeliefert werden – hat das Nordstemmener Werk dazu an 117 Tagen etwa 1,69 Millionen Tonnen Rüben verarbeitet. Das entspricht einem Tagesdurchschnitt von 14.450 Tonnen Rüben. Die Zuckerrüben werden zunächst gewaschen und damit von anhaftenden Bodenbestandteilen gereinigt. Anschließend erfolgt die Zerkleinerung in schmale Streifen, die sogenannten Zuckerrübenschnitzel. Im Extraktionsturm wird dann mit heißem Wasser unter Nutzung eines Diffusionsprozesses der Zucker extrahiert. Es entsteht Rohsaft, der noch durch Zugabe von Kalkmilch von Nicht-Zuckerstoffen gereinigt werden muss. Das dabei entstehende Produkt heißt Dünnsaft. Dieser enthält einen Rohzuckergehalt von rund 14% und muss im nächsten Schritt eingedickt werden. Beim Diffusionsprozess fallen als Nebenprodukt ausgelaugte Zuckerrübenschnitzel an, welche mechanisch gepresst und in Trommeltrocknern thermisch auf über 90% Trockensubstanz getrocknet werden. Die ausgelaugten Schnitzel, die zu Pellets verdichtet worden sind, stellen ein gefragtes und geschätztes Futtermittel für Kühe, Schweine, Schafe und Pferde dar. Schleifring-Übertragung Den Rübenschnitzeln wird in großen Trommeltrocknern die Feuchtigkeit entzogen. Zu diesem Zweck führt der Verarbeitungsprozess die abgepressten Schnitzel über Schnecken den beiden etwa 20 Meter langen Trommeln zu, die einen Durchmesser von je sechs Meter haben. Während der Kampagne drehen sich die Trommeln kontinuierlich mit einer Umdrehung pro Minute. Rechnet man dies auf die 117 Tage hoch, würden sie einen Weg von etwa 3.700km zurücklegen. Bedingt durch die ständigen Drehbewegungen und die im Inneren der Trommeln installierten Kreuzeinbauten werden die Schnitzel zum Rieseln gebracht. Die in die Trommeln geleiteten Heißgase trocknen die Schnitzel im Luftstrom auf eine Trockensubstanz von bis zu 92% ein. Um eine kontinuierliche Trocknung sicherzustellen, muss die Trocknungstemperatur im Inneren der Trommel gemessen werden. Deshalb befinden sich in jeder Trommel drei Temperaturmessebenen mit vier Temperatursensoren. Jeder der Sensoren überträgt ein 4-20mA-Signal an die Steuerung. In der Vergangenheit wurden die Spannungsversorgung und die analogen 4-20mA-Signale der Temperatursensoren von der Trommel über Schleifringe an die SPS weitergeleitet. Aufgrund der starken Beanspruchung der Schleifringe durch die schweren rotierenden Rübenschnitzel-Trommeln traten jedoch Kommunikations- und Versorgungsschwierigkeiten auf. Der Einsatz von Außenschleifern zur Übertragung der Signale auf die Trommeln erwies sich ebenfalls als ungeeignet, da sich die Trommeln durch ihr Gewicht und ihre Länge auslenken und somit Kontaktprobleme auftreten. Permanente Funkverbindung auf Basis von Reflexionen Vor diesem Hintergrund suchten die Mitarbeiter der Elektrischen Instandhaltung des Werks Nordstemmen nach einem alternativen Kommunikationskonzept, das für einen unterbrechungsfreien Datenaustausch sorgt. \“Da die drahtgebundene Übertragung verschleißbehaftet ist, bevorzugen wir ein industrietaugliches und zuverlässiges Funksystem, über das die analogen 4-20mA-Signale weitergeleitet werden können\“, erklärt Michael Rüffer, der als EMSR-Meister für die elektrische Instandhaltung im Werk Nordstemmen zuständig ist. Seine Wahl fiel auf das bidirektionale RAD-Line IO-Funksystem von Phoenix Contact, das im 2,4GHS-ISM-Frequenzband mit der proprietären Funktechnologie Trusted Wireless arbeitet. Die Funkmodule sind in ein Kunststoffgehäuse eingebaut, an dem eine 2dBi-Stabantenne angebracht ist. Die Antenne befindet sich außerhalb des Gehäuses, damit die Signalstärke nicht gedämpft wird. Der Aufbau im Werk Nordstemmen besteht aus einem fest in der Nähe der Steuerung montierten Wireless-Gerät, dessen Entfernung zur rotierenden Trommel rund zwei Meter beträgt (Bild 2). Das zweite Funkmodul ist auf der Trommel installiert, dreht sich also mit einer Geschwindigkeit von einer Umdrehung pro Minute mit (Bild 3). Das auf der Trommel rotierende Funkmodul wird mit einem 24-VDC-Akkumulator versorgt, während die Temperatursensoren die benötigte Energie über den Analogausgang 4-20mA Loop Power erhalten. Die beiden Trocknungstrommeln sind in einer Industriehalle untergebracht. Durch die Drehbewegung der Trommeln und den auf ihnen montierten Wireless-Geräten entstehen unterschiedliche Funk-Verbindungspfade zum fest installierten Funkempfänger. Die metallischen Trommeln sowie weitere in der Halle verlegte Rohrleitungen und Stahlkonstruktionen stehen einer direkten Verbindung zwischen den Funkmodulen zum Teil entgegen. Trotzdem finden die Funkwellen über Reflexionen, beispielsweise an den Hallenwänden oder metallischen Teilen, ihren Weg zum Empfänger. Auf diese Weise ist ein dauerhaft gutes Empfangssignal an den Wireless-Geräten sichergestellt. Ohne Parametrierung oder Programmierung Der Einsatz der RAD-Line IO-Funkmodule ermöglicht auch bei verschiedenen Funksignalwegen einen störungsfreien Betrieb. Dazu kommuniziert das Funksystem auf über 150 zur Verfügung stehenden Kanälen, die in einer Bandbreite von 500kHZ auf der Grundlage eines Frequenzsprung-Verfahrens pseudozufällig durchsprungen werden. So wird ein hohes Maß an Störsicherheit und Robustheit erzielt. Dabei verhält sich die Trusted-Wireless-Funktechnik freundlich zu anderen im 2,4GHz-Frequenzbandes arbeitenden Funksystemen, denn sie verwendet zum einen schmalbandige Sendefrequenzen, sodass andere Frequenzspringer wie Bluetooth problemlos parallel betrieben werden können. Auf der anderen Seite lassen sich Sendefrequenzen oder Frequenzbereiche von der Nutzung ausschließen, was den gleichzeitigen örtlichen Einsatz von WLAN-Systemen erlaubt. Die Verwendung des 2,4GHz Frequenzbandes resultiert in einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Das Störspektrum im industriellen Umfeld, das beispielsweise von Antrieben und Frequenzumrichtern erzeugt wird, reicht nicht bis zu dieser Frequenz, weshalb von den Geräten keine Störeinflüsse ausgehen können. Bei der Inbetriebnahme, die ohne Parametrierung oder Programmierung erfolgt, kann der Anwender die Qualität der Funkverbindung mit einem Spannungsmessgerät an der integrierten RSSI-Messbuchse (Received Signal Strenght Indicator) bestimmen. Zur kontinuierlichen Überwachung der Funkverbindung lässt sich dieser Spannungsausgang zudem mit der Steuerung verbinden. Ansonsten wird die Zuverlässigkeit der drahtlosen Übertragung vor Ort über die Power- und Status-LEDs der Module kontrolliert. Aufgrund der positiven Erfahrungen mit dem RAD-Line IO-System erachtet Michael Rüffer die drahtlose Kommunikation als echte Alternative zu Schleifkontakten oder kabelgebundenen Lösungen.