Koksen rund um die Uhr

Feldbusse - Wenn die 140 Koksöfen einer Kokerei durchgehend laufen müssen, ist eine optimierte Prozesskontrolle unerlässlich. Bewährt hat sich hier seit vielen Jahren die Anbindung von Feldgeräten an das Prozessleitsystem über das Feldbussystem Profibus PA.

30. September 2019
Koksen rund um die Uhr
Das entstandene Koksgas wird auf dem KBS-Gelände in Duisburg aufbereitet. (Bild: Phoenix Contact)

Beim Hochofenverfahren wird aus Eisenerz unter Verwendung von Koks im ersten Schritt Roheisen und dann durch weitere Verfahren aus dem Roheisen Stahl hergestellt. Den für die Roheisengewinnung der Thyssenkrupp Steel Europe AG (TkSE) erforderlichen Koks erzeugt zu einem großen Teil die Kokerei Schwelgern (KBS). Für die Koksproduktion sind als Rohstoff definierte Mischungen verschiedener Feinkohlesorten notwendig, die heute vollständig importiert werden. Die angelieferten Kohlen werden aufbereitet und auf zwei Mischbetten eingestapelt. Von dort wird die gemischte Einsatzkohle in die Zwischenspeicher des zentralen Kohlenturmes gefördert. Ein Kohlefüllwagen übernimmt hier eine Charge für jeweils einen Koksofen und füllt eine der 70 Ofenkammern der Batterien 1 und 2.

Eine Kammer hat ein Nutzvolumen von 93 Kubikmeter und wird mit etwa 79 Tonnen Einsatzkohle gefüllt. Die Heizwände der Ofenkammern werden im normalen Betrieb mit Mischgas, im Wesentlichen bestehend aus dem Hochofengas der Hochöfen und dem Konvertergas der Stahlwerke, beheizt, wobei sich in den Heizwänden eine Temperatur von rund 1.350 Grad Celsius einstellt. Die Kohle ist, um vollständig zu verkoken, für 25 Stunden unter Luftabschluss in der Ofenkammer zu erhitzen. Bei dieser trockenen Destillation werden alle flüchtigen Bestandteile der Kohle als Rohgas aus der Kohle ausgetrieben. Am Ende der Garungszeit öffnen sich die Koksofentüren auf beiden Seiten der Ofenkammer, und circa 56 Tonnen glühender Koks werden mit der Druckmaschine in das Löschfahrzeug gedrückt.

Zuverlässiger Betrieb der Anlage

Das Kühlen des glühenden Kokses erfolgt in einem der Nasslöschtürme. Der gekühlte Koks wird mit abgedeckten Gurtförderern in die Kokssieberei transportiert, dort klassiert und anschließend über Gurtförderer oder Waggons direkt zu den Hochöfen der TkSE verfrachtet. Das Rohgas wird nach Abkühlung und Reinigung in der Gasbehandlungsanlage als Koksgas dem Gasverbundnetz der TkSE zugeleitet und hier als Energieträger in den Werksanlagen und den Kraftwerken eingesetzt. Bernd Wemhöner, als Leiter der Prozesstechnik bei KBS beschäftigt, erzählt: »Wir waren schon 2003 von der Leistungsfähigkeit des Profibus-Systems überzeugt. Nachdem es in einer kleinen Applikation getestet worden war, stand bereits vor Beginn der Bauarbeiten fest, dass wir den Kommunikationsstandard in der neuen Kokerei ver- wenden werden.« Diese Entscheidung markierte einen wichtigen Schritt für den künftigen zuverlässigen Betrieb der Anlage.

In der Kokerei sind aktuell etwa 2.000 Feldgeräte aller Art über Profibus an das Prozessleitsystem angebunden. Die Mehrzahl der eingesetzten Messumformer, zum Beispiel für Druck und Temperatur, und die Positioner für pneumatische Antriebe haben einen Profibus-PA-Anschluss. Über transparente DP/PA-Wandler sind diese Geräte an das Prozessleitsystem angekoppelt. Andere Sensoren und Aktoren, die über keine Profibus-DP- oder Profibus-PA-Schnittstelle verfügen, werden per Profibus-DP-I/Os in das System integriert. Zur Überwindung der langen Distanzen auf dem Werksgelände sowie zum Schutz vor Störeinflüssen sind viele Kilometer Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium verlegt. Seinerzeit handelte es sich bei der Anlage um die erste Profibus-Applikation in einer Kokerei sowie eine der größten bis dato realisierten Anwendungen des Feldbussystems.

Wie schon erwähnt, verbindet Profibus DP die Steuerungssysteme und die Feldgeräte in gemeinsamen Netzwerken. Im Vergleich zur Parallelverdrahtung, wo jeder Sensor und Aktor mit einem eigenen Kabel an das Netz angeschlossen werden muss, sind deutlich weniger Leitungen zu ziehen. So konnten bereits in der Planungsphase viel Zeit und Geld für die Dokumentation und später für die Montage eingespart werden.

Freilich erlaubt Profibus eine Fernabfrage und -konfiguration über die bei der Kokerei eingesetzte FDT/DTM-Technologie. Aufgrund der Diagnosefähigkeit des Standards lassen sich Kommunikationsfehler frühzeitig erkennen, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht. Für Profibus sprach damals auch die Offenheit des Protokolls, um nicht von den Geräten eines Herstellers abhängig zu sein.

Keine Stillstandzeiten

Die Kokerei muss an sieben Tagen pro Woche jeweils 24 Stunden laufen. Damit der Betrieb rund um die Uhr sichergestellt ist, sind die Profibus-DP-Systeme und die Prozesssteuerungen redundant aufgebaut, beides liegt also in doppelter Ausführung vor. Der Profibus-DP/PA-Koppler von Phoenix Contact trägt durch die webbasierte Überwachung von Profibus-Netzwerken dazu bei, dass keine Stillstandzeiten auftreten. Das Gerät wandelt die Profibus-DP-Kommunikation transparent in Profibus-PA-Daten um und bietet gleichzeitig detaillierte Funktionen zur Netzwerkdiagnose. Für jede Konfiguration werden eine Kopfstation zur Verwaltung sowie ein Profibus-DP-Repeater und ein Profibus-PA-Modul als Schnittstelle zum Profibus-PA-Netzwerk benötigt. Mit diesem modularen Konzept lassen sich spezifische Anwendungen konfigurieren.

Die vorkonfigurierte Einheit FB-HSB-DP/PA eignet sich in den meisten Applikationen als Basispaket. Über einen im Bus jedes Moduls befindlichen Sockel können bestenfalls zehn Profibus DP- oder -PA-Module angeschlossen werden, die eine Verbindung zu maximal vier verschiedenen Profibus-DP/PA-Netzwerken herstellen. Mit einer Kapazität von bis zu zehn redundanten Segmenten pro Kopfstation unterstützen die Profibus-DP-Repeatermodule außerdem die Netzwerkredundanz.

Durch die Verbindung mit dem Kommunikations-Anschaltmodul kann der Anwender über den eingebauten Webserver per Ethernet auf das Hauptelement des Kopplers/Links sowie die Konfigurations- und Diagnosedaten zugreifen. Die integrierte Netzwerkdiagnose lässt sich dann über das Kommunikations-Anschaltmodul aufrufen. Sie umfasst Messungen der Bit-Übertragungsschichten der Profibus-DP/PA-Segmente, eine Geräteliste, die Netzwerk- konfiguration sowie Oszilloskop-Funktionalitäten. Darüber hinaus lassen sich die angebundenen Feldgeräte über FDT/DTM als Remote-Funktion konfigurieren und warten.

Schnelle Implementierung

Maik Kirchhoff, als Mitarbeiter im Erhaltungsbetrieb für die Instandhaltung der Anlage tätig, erklärt: »Der einfache, redundante Aufbau sowie die umfangreiche Diagnose mit integrierter Web- und DTM-Technologie vereinfacht die Überwachung der im System installierten Feldgeräte erheblich.« Auf die Frage, wie lange die Kokerei noch in Betrieb sein wird, geht Wemhöner von mindestens 20 Jahren aus, in denen keine größeren Störungen auftreten dürfen. In Summe würde die Kokerei in Duisburg somit etwa 40 Jahre mit höchster Verfügbarkeit laufen. Um das sicherzustellen, ist ein offenes, kompatibles Kommunikationssystem notwendig. Sollten Lieferanten beispielsweise ihre Geräte weiterentwickeln oder abkündigen, muss ein Aus- tauschgerät mit vollem Funktionsumfang verfügbar sein. »An dieser Stelle hat uns Phoenix Contact umfassend unterstützt und eine entsprechende Ersatzlösung für ein auslaufendes Produkt erarbeitet, die wir schnell im laufenden Betrieb implementieren konnten«, schließt Wemhöner ab.

Motek: Halle 6, Stand 6315

Erschienen in Ausgabe: 06/2019
Seite: 60 bis 61