Wie Kalibrierung die Optimierung verbessert

Angesichts der schwankenden Rohstoffpreise müssen sich mehrere Branchen umstellen und ihre Gewinnspannen anpassen. Viele Möglichkeiten zur Kosteneindämmung haben sie nicht, doch die Schaffung schlankerer Strukturen und effizienterer Prozesse hat sich branchenübergreifend bewährt.

Eine der besten Möglichkeiten zur Steuerung dieser Kosten besteht darin, herauszufinden, in welchen Bereichen sich Ihr Prozess effizienter gestalten lässt. Dazu ist eine intensive Feinabstimmung notwendig, um aus gerätetechnischer Sicht sicherzustellen, dass die idealen Temperatur- und Druckwerte für eine qualitativ hochwertige Produktion und die effiziente Nutzung aller Ressourcen erreicht werden.

Kalibriergeräte tragen zur besseren Qualität und Optimierung bei, dies gilt für Prozesse in nahezu allen Fertigungsbereichen, beispielsweise in der chemischen Industrie, in Kernkraftwerken, der Arzneimittelherstellung sowie der Zellstoff- und Papierindustrie. In Fertigungsprozessen werden Hunderte oder gar Tausende hochentwickelter Geräte benötigt, die unzählige wichtige Vorgänge unterbrechungsfrei, fehlerfrei und zuverlässig bewältigen. Diese Geräte wiederum müssen regelmäßig inspiziert, geprüft, kalibriert und repariert werden.

Im Laufe der jahrhundertelangen Geschichte der Industrie hat sich gezeigt, wie wertvoll eine ordnungsgemäße Dokumentation dieser Inspektionen, Prüfungen, Kalibrierungen und Reparaturen ist. Dies beschränkt sich jedoch nicht auf bewährte Verfahren. Häufig müssen Unternehmen und Behörden anhand von detaillierten und individuellen Aufzeichnungen nachweisen, dass eine Dienstleistung gegenüber Kunden vollständig und korrekt erbracht wurde und keine Gefahr für die Gesundheit und Sicherheit von Menschen besteht.

Prüfungen, Kalibrierungen und Dokumentationen sind oft arbeitsintensiv, und angesichts eines Mangels an erfahrenen Bedienern schieben zahlenmäßig verkleinerte Teams die regelmäßige Kalibrierung des Öfteren auf. Neueste Erkenntnisse in der Industrie zeigen, dass kleinere Teams durchaus Kalibrierungen zu geringeren Gesamtkosten sowie mit höherer Produktivität und Zuverlässigkeit durchführen und dokumentieren können.

Die Kalibrierung erfolgt üblicherweise am Einsatz- oder Aufbewahrungsort des Geräts (Kalibrierung vor Ort) oder in einer Gerätewerkstatt.

Expertentipp:

Bei der Fertigung von Prozessinstrumenten werden sowohl das Primärelement als auch der Transmitter (bei einem Steuerventil der Aktor) werkseitig kalibriert, und die Kalibrierinformationen mit dem Gerät bereitgestellt. Diese Kalibrierdaten gehen oft verloren. Die Eingabe dieser Informationen in zentralisierte Kalibrierdatensätze bei Inbetriebnahme des Geräts sollte Teil der Standardarbeit sein und nicht nur um der Effizienz willen vorgenommen werden.

Durch die Zentralisierung der Kalibrierinformationen wird sichergestellt, dass das Wissen selbst bei einem Teamwechsel erhalten bleibt.

Die meisten Prozessinstrumente bestehen aus zwei Teilen: einem Primärelement und einem Transmitter.

• Zu den Primärelementen gehören Durchflussrohre, Messblenden, Drucksensoren, pH-, Redox- und Leitfähigkeitssonden, Füllstandmesser aller Art, Temperatursonden und andere. Primärelemente erzeugen typischerweise ein Signal – in der Regel Spannung, Strom oder Widerstand –, das proportional zu der Variablen ist, die sie messen sollen, z. B. Füllstand, Durchfluss, Temperatur, Druck oder chemische Parameter. Primärelemente sind an den Eingang von Transmittern angeschlossen.
• Transmitter gibt es für Druck, Temperatur, Durchfluss und weitere Messgrößen. Sie verarbeiten das vom Primärelement erzeugte Signal. Sie wandeln es dabei zunächst in lineare Größen und verwenden dazu Koeffizienten technischer Einheiten, bevor es dann analog - meistens über 4 bis 20 mA - oder über unterschiedliche Feldbussysteme digital übertragen wird.

Analoge Geräte

Geräte mit einer 4- bis 20-mA-Schleife werden analoge Geräte genannt, weil sie ein Signal senden, das einen physikalischen Messwert (z. B. Temperatur) elektrisch „analog“ darstellt. Sie übertragen einen elektrischen Strom, dessen Stärke proportional (analog) zur Größe eines physikalischen Messwerts ist. Dabei stehen 4 mA Stromstärke für den kleinsten Wert auf der Skala und 20 mA für den größten Wert.

Obwohl viele Aspekte von Systemen mittlerweile digital sind, sind analoge Geräte in der gesamten Prozessfertigung noch immer im Einsatz.

Digitale Geräte

Digitale Geräte wandeln einen physikalischen Messwert in ein digitales Signal um. In der Prozessindustrie werden viele verschiedene digitale Codierungsmethoden eingesetzt, darunter Foundation Fieldbus, Profibus und HART.

Die falsche Information, dass (digitale) Feldbus-Feldgeräte nicht kalibriert werden müssen, ist weit verbreitet. Das stimmt jedoch nicht. Obwohl ein Feldbussignal (Foundation Fieldbus, Profibus oder HART) Diagnoseinformationen bereitstellt, liefert es keine Angaben zur Genauigkeit des Geräts und überprüft auch nicht, ob das Gerät die Prozessgrößen richtig und genau misst und weiterleitet.

Die 3 wichtigsten Kalibrierwerkzeuge für schlanke Prozesse

1. HART-kompatibler dokumentierender Multifunktions-Kalibrator Fluke 754, der automatisierte Kalibrierprozeduren durchführen kann und strenge Sicherheitsstandards erfüllt.
2. Zweikanal-Druckkalibrator Fluke 721 zur präzisen Kalibrierung von Gasmessgeräten und -zählern
3. Präzisionsmanometer Fluke 700G – hohe Qualität und Robustheit für schnelle und genaue Messergebnisse.

Steuerventile

Die Aktoren von Steuerventilen müssen ebenfalls kalibriert werden, wenn eine Justierung aufgrund von Verschleiß oder der Einbau einer neuen Ventilabdichtung zur Behebung von Lecks durchgeführt wurden oder Auswirkungen von Haftreibung auftreten. Oft müssen diese Ventile einem Voll- oder Teilhubtest unterzogen werden, wenn sie nicht regelmäßig betätigt wurden, um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Genehmigungen und Dokumente

Administrative Aufgaben, vom Einholen von Genehmigungen bis hin zur Dokumentation und Archivierung von Ergebnissen, können die Kosten und den Zeitaufwand erhöhen, die selbst für die Durchführung von Kalibrierungen vor Ort erforderlich sind. Ian Verhappen von Industrial Automation Networks, ehemaliger Vorsitzender der Fieldbus Foundation User Group, drückte es so aus: „In vielen Fällen dauert das Zusammenstellen aller notwendigen Dokumente (Genehmigungen, Freischaltung usw.) länger als die Arbeit selbst.“

Herausforderungen bei der Dokumentation der Kalibrierung

Das Dokumentieren einer Kalibrierung bedeutete bislang, dass Datum und Uhrzeit, Messwerte vor und nach der Justierung und alle anderen Beobachtungen der Techniker von Hand in ein Logbuch eingetragen werden. Überraschenderweise dokumentieren viele Werke Kalibrierungen noch immer per Hand. Aber die Dokumentation mit Stift und Papier hat viele Nachteile.

Zum einen entstehen dabei Fehler, die auch weitergegeben werden. Die Daten in handgeschriebener Dokumentation sind oft einfach unleserlich oder unvollständig. Werke, die ein computergestütztes Instandhaltungs-Management-System (CMMS) verwenden, müssen dann den zusätzlichen Zeitaufwand für die manuelle Eingabe handschriftlicher Daten berücksichtigen, die eine zusätzliche Fehlerquelle darstellt.

Personaländerungen

Eine weitere Herausforderung bei der Kalibrierung sind Veränderungen beim Personal.

In den 1980er Jahren wurden Budgets und Arbeitsstellen gestrichen. Das Personal in den Bereichen Engineering, Instandhaltung und Betrieb wurde erheblich gekürzt, und vor allem in Industrienationen etablierte sich eine neue, bis heute fortwährende Philosophie der „schlanken Produktion“.

Kleinere Teams haben weniger Zeit für die Schulung und Ausbildung während der Arbeit, sodass sogar der Transfer von anlagen- und systemspezifischem Wissen von Einzelnen an die Organisation nicht erfolgreich verläuft. Wenn ältere Bediener und Ingenieure in den Ruhestand gehen, nehmen sie ihr Fachwissen zu Anlagen und Systemen mit.

„Jeden Tag um 16:00 Uhr geht das institutionelle Wissen des Werks durch seine Vordertür hinaus“, so der leitende Ingenieur für Instrumente und Steuerung einer großen Raffinerie im Mittleren Westen der USA, „und manchmal kommt es nicht wieder.“

In vielen Einrichtungen sind währenddessen für jede Kalibrierung vor Ort weiterhin zwei Techniker erforderlich – einer am Transmitter und einer am Steuerungssystem. Die Fieldbus Foundation schätzt, dass für die Kommissionierung zwei Techniker für mindestens zwei Stunden benötigt werden.

Einsatz dokumentierender Multifunktions-Kalibratoren

Eine neue Generation von „intelligenteren“ Kalibrierwerkzeugen steigert die Produktivität der Mitarbeiter mit mehreren in ein Gerät zusammengefassten Funktionen, die über grundlegende Test- und Messfunktionen hinausgehen, wie z. B. die Unterstützung bei Analyse und Dokumentation.

„Dokumentierende“ Multifunktions-Prozesskalibratoren sind tragbare, elektronische Messgeräte, die mehrere Kalibrierfunktionen in einem einzigen Gerät kombinieren und Druck, Temperatur und eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Signalen geben, simulieren und messen.

Vorteile:

• Techniker müssen auf weniger Geräte geschult werden und weniger zu Außeneinsätzen mitnehmen
• Ähnliche Kalibrierprozesse und Datenausgaben im Vergleich zu unterschiedlichen Prozessen und verschiedener Datensätze bei der Nutzung mehrerer Kalibriergeräte
• Automatisierte Verfahren ersetzen viele manuelle Kalibrierschritte
• Es ist kein zweiter Techniker erforderlich, um den Zustand vor und nach der Justierung des Prozessinstrumentes aufzuzeichnen
• Kürzere Kalibrierzeit pro Gerät
• Berechnung des Fehlers eines einzelnen Kalibriergeräts statt Zusammenzählen der Fehler verschiedener Kalibriergeräte

Einsatz von Routen und Prozeduren zur Kalibrierung

Die größten Einsparungen ermöglicht ein dokumentierender Kalibrator mittels der Funktionen zur Speicherung der zu kalibrierenden Prozessinstrumente mit zugehörigen Kalibrierprozeduren. Für eine komplette Route speichert man diese Daten, holt sich die Genehmigung, kalibriert die Instrumente und speichert die Daten. Dadurch werden die Kosten erheblich reduziert.

Implementierung eines Systems für die Verwaltung von Geräten und Anlagen und die Kalibrierung oder computergestütztes Instandhaltungsmanagement (CMMS)

Im Gegensatz zur Dokumentation mit Papier sind Daten aus dem Kalibrator nie unleserlich, kryptisch oder unvollständig. Die Daten vom dokumentierenden Kalibrator können ohne Übertragung oder Ausfüllen von Formularen direkt in verschiedene CMMS-Systeme heruntergeladen werden.

Da dokumentierende Prozesskalibratoren den Zustand jedes Prozessinstruments vor und nach der Justierung automatisch vor Ort aufzeichnen und von einem einzigen Techniker bedient werden können, können durch routenbasierte Prozesse mit dokumentierenden Kalibratoren bis zu 50 % der Zeit und Kosten herkömmlicher manueller Kalibriermethoden mit Einzelgeräten eingespart werden. Anders ausgedrückt: Dasselbe schlanke Team kann in einem bestimmten Zeitraum doppelt so viele Kalibrierungen durchführen.

Wenn schlanke Teams traditionelle Betriebsanforderungen erfüllen müssen, entstehen Fehler. Kalibrierungen werden einfach nicht so durchgeführt, wie sie es sollten. Anstatt diese drohende Gefahr zu ignorieren, sollte untersucht werden, wie bestehende Verfahren effizienter gestaltet werden können.

Implementieren Sie routenbasierte Kalibrierung, papierlose Dokumentation und CMMS-Datenmanagement. Dann wird öfter und konsequenter kalibriert, der Wissenstransfer vom Einzelnen zum Team und zur Organisation funktioniert, und sowohl die Produktivität als auch die Qualität werden steigen.

Die Kalibrierung mehrerer Instrumente auf einer Route reduziert die Kosten pro Kalibrierung im Vergleich zur einzelnen Kalibrierung einzelner Instrumente.

Außerdem können Instandhaltungskosten eingespart, die Rechtskosten und die durch Unfälle entgangenen Einnahmen jedoch in Millionenhöhe liegen. Gute Kalibrier- und Instandhaltungsprogramme tragen dazu bei, die Wahrscheinlichkeit eines solchen Vorfalls zu verringern. Wenn ein Notfall eintritt, können gute Kalibrierprotokolle ein Teil der Verteidigung eines Werks im Falle von Rechtsstreits sein. Im Gegensatz dazu können schlechte Aufzeichnungen eine Organisation in eine Position bringen, in der sie sich nicht gut rechtlich verteidigen kann.