Thermoelement-Ausfallerkennung richtig gemacht: Upscale- und Downscale-Strategie bei Emerson Ovation und Woodward-Steuerungen

Warum zeigt ein unterbrochenes Thermoelement Rauschen statt null an?

Thermoelemente fallen häufiger durch eine Unterbrechung als durch einen Kurzschluss aus. In der Industrie spricht man von einem Ausbrennen. Die Gefahr ist subtil. Ein hochohmiger Eingang ohne geschlossenen Stromkreis nimmt elektrische Störungen aus der Umgebung auf. Stromleitungen, Motoren und Frequenzumrichter strahlen sie allesamt ab. Daher zeigt ein ausgebranntes Thermoelement keinen festen Wert an. Es zeigt eine stark schwankende Temperatur. Ich habe gesehen, wie ein Abgastemperatur-Thermoelement an einer Gasturbine innerhalb von Sekunden zwischen 620 und 950 Grad Celsius schwankte. Die Schwankung löste in einem Drehzahlregler einer Turbine eine Übertemperaturbegrenzung aus und entlastete die Maschine. Das Thermoelement selbst war jedoch der einzige Fehler. Die Ausfallerkennung gibt es genau, um dieses Schauspiel zu verhindern.

Wie erzeugt der Vorspannungswiderstand einen definierten Fehlerzustand?

Die Ausfallerkennung fügt über dem Thermoelementeingang einen hochohmigen Widerstand hinzu, typischerweise im Megaohm-Bereich. Im Normalbetrieb überbrückt der Thermoelementkreis den Widerstand, sodass der Vorspannungsstrom keine messbare Wirkung hat. Wenn die Messstelle unterbrochen wird, dominiert der Widerstandspfad. Der Eingang wird dann auf einen definierten Endwert getrieben, entweder nach oben oder nach unten, abhängig von der Konfiguration. Aufwärts bedeutet, dass der Messwert zum oberen Bereichsende läuft. Abwärts bedeutet, dass er zum unteren Bereichsende fällt. Die Wahl ist eine Sicherheitsentscheidung, keine Geschmacksfrage. Fragen Sie zunächst, wie sich das Leitsystem bei einem Sensorausfall verhalten soll. Beim Schutz der Ofentemperatur erzwingt die Aufwärtsrichtung bei hoher Temperatur eine sichere Abschaltung. Bei der Anzeige der Speisewassertemperatur verhindert die Abwärtsrichtung unbegründete Auslösungen. Prüfen Sie daher vor der Wahl der Richtung die Fehlerphilosophie jedes Kreises. Übernehmen Sie außerdem niemals eine Richtung per Copy-and-paste aus einem anderen Kreis.

• Schritt 1: Listen Sie jeden Thermoelementkreis und seine Aufgabe auf: Regelung, Schutz oder reine Anzeige.
• Schritt 2: Legen Sie für jeden Kreis gemeinsam mit Betrieb und Verfahrenstechnik die sichere Richtung fest.
• Schritt 3: Konfigurieren Sie die Ausfallrichtung pro Kanal, nicht über einen Systemstandard.
• Schritt 4: Setzen Sie am Kanal einen Alarm für schlechte Signalqualität, damit der Fehler sofort gemeldet wird.

Wie konfiguriert man die Ausfallerkennung bei Emerson Ovation?

Die Emerson-Ovation-Eingangskarten verarbeiten Thermoelementdiagnosen nativ. Spezielle TC- und Analogeingangsmodule melden getrennte Qualitätszustände für Unterbrechung, Kurzschluss und Bereichsüberschreitung. Konfigurieren Sie zunächst im Punkt-Builder den Ausfallzustand für jeden Punkt. Typische Optionen sind, den Analogwert nach oben oder unten zu treiben oder bei schlechter Qualität den letzten Wert zu halten. Bei Schutzpunkten sollte der Wert in die sichere Richtung getrieben und das Qualitätsbit alarmiert werden. Prüfen Sie zweitens die Referenz der Vergleichsstellenkompensation (CJC). Ein ausgefallener CJC-Sensor verschiebt jeden Messwert der Karte um mehrere Dutzend Grad. Das sieht wie eine langsame Prozessdrift und nicht wie ein harter Ausfall aus. Zeichnen Sie daher während der Inbetriebnahme den CJC-Wert zusammen mit den Prozesstemperaturen auf. Lesen Sie schließlich in den Ovation-Diagnoseanzeigen die Unterbrechungszähler pro Kanal aus. Ein Kanal, der während Vibrationen sporadische Unterbrechungen protokolliert, weist auf ein Schutzrohr- oder Steckverbinderproblem hin, nicht auf eine ausgebrannte Messstelle.

• Schritt 1: Öffnen Sie den Punktdatensatz und prüfen Sie die Ausfall- oder Dropout-Konfiguration für jeden TC-Punkt.
• Schritt 2: Bestätigen Sie, dass der Qualitätsalarm an die Bedieneralarmliste und nicht nur an die Wartungsprotokolle geleitet wird.
• Schritt 3: Zeichnen Sie die Referenztemperatur der CJC auf und vergleichen Sie sie mit den zu erwartenden Umgebungstemperaturen.
• Schritt 4: Prüfen Sie die Kanaldiagnosezähler auf sporadische Unterbrechungen, bevor Sie Sensoren austauschen.

Wie sieht der tatsächliche Schutz der Turbinenabgastemperatur bei Woodward-Steuerungen aus?

Der Schutz der Abgastemperatur (EGT) bei Turbinen erfordert besondere Sorgfalt. Systeme wie Woodward MicroNet-Steuerungen fragen EGT-Thermoelemente mit hoher Frequenz ab und führen eine Mehrfachabstimmung durch. Eine einzelne unterbrochene EGT-Sonde mit Aufwärtsrichtung kann den Mittelwert in Richtung eines unbegründeten Übertemperaturereignisses ziehen. Konfigurieren Sie daher die EGT-Mittelwertbildung so, dass Kanäle mit schlechter Qualität ausgeschlossen und nicht mit ihren Ausfallgrenzwerten einbezogen werden. Außerdem übertragen viele Anlagen EGT-Daten über Modbus TCP (Port 502) oder Modbus RTU über RS-485 mit 9600 bis 19200 Bit/s an Historian-Systeme. Prüfen Sie, ob das Qualitätskennzeichen tatsächlich übertragen wird, denn ein eingefrorener oder extremer Wert im Historian verfälscht wartungsrelevante Entscheidungen auf Basis von Trends. Verlassen Sie sich jedoch beim Schutz nicht auf den Kommunikationsweg. Der Schutz muss in der Steuerung und im selben Zyklus wie die Auslöselogik liegen. Bevorzugen Sie schließlich HART- oder Foundation-Fieldbus-Temperaturtransmitter, sofern die Prozessgeschwindigkeit dies zulässt. Intelligente Transmitter melden Diagnosen offener Messelemente direkt, bevor der Wert überhaupt die Steuerung erreicht.

• Schritt 1: Prüfen Sie, ob die EGT-Mittelwertbildung als offen oder fehlerhaft gekennzeichnete Kanäle ausschließt.
• Schritt 2: Testen Sie während der Inbetriebnahme einen Kanal auf dem Prüfstand, indem Sie eine Leitung an der Klemmleiste abheben.
• Schritt 3: Bestätigen Sie, dass die Bedieneranzeige den Sensorausfall und nicht nur den abgeleiteten Mittelwert anzeigt.
• Schritt 4: Prüfen Sie, ob die über Modbus abgebildeten EGT-Werte Qualitätskennzeichen oder zugehörige Statusregister enthalten.

Fazit und Handlungsempfehlungen

Die Ausfallerkennung verwandelt eine zufällige Rauschantenne in einen vorhersehbaren und alarmierten Fehler. Prüfen Sie zunächst jeden Thermoelementpunkt und bestätigen Sie, dass seine Ausfallrichtung zur Sicherheitsphilosophie des Kreises passt. Stellen Sie zweitens sicher, dass Qualitätsalarme die Bediener erreichen, denn ein unbemerkt nach oben laufender Wert ist eine Falle. Zeichnen Sie außerdem CJC-Referenzen und Kanaldiagnosen auf, um Probleme an Steckverbindern und Schutzrohren frühzeitig zu erkennen. Denken Sie jedoch daran, dass Erkennung nicht gleich Schutz ist. Mittelwert- und Abstimmungslogik müssen ausgefallene Kanäle bewusst ausschließen. Testen Sie daher das Ausfallverhalten vor jeder Inbetriebnahme physisch, Leitung für Leitung. Migrieren Sie kritische Punkte schließlich nach Möglichkeit auf intelligente Transmitter. Die beste Reaktion auf einen Thermoelementausfall ist diejenige, die Ihnen zugleich mitteilt, welcher Sensor wann ausgefallen ist.

Autor: Xu Jianguo ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit über 10 Jahren Erfahrung in SPS-, DCS- und Steuerungssystemen.