In der Industrieautomatisierung und Prozessleittechnik spielen Sollwerte und Alarme eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung von Betriebssicherheit und Effizienz. Diese Parameter legen fest, wann Messgeräte korrigierende Maßnahmen oder Warnungen auslösen, um Prozessabweichungen zu verhindern. Das Verständnis, wie Sollwerte mit der richtigen Genauigkeit und Sicherheitsmarge eingestellt werden, ist für eine zuverlässige Steuerungssystemleistung unerlässlich.

Verständnis von Sollwerten und Alarmen in der industriellen Steuerung

Sollwerte definieren die spezifischen Werte, bei denen ein Messgerät oder Steuerungssystem eine Reaktion einleitet – wie das Auslösen einer Abschaltung, das Auslösen eines Alarms oder das Verhindern eines unsicheren Betriebs. In steuerungen auf SPS- und Leitsystembasis werden Sollwerte auf wichtige Prozessgrößen wie Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand angewandt.

Beispielsweise überwachen Druckaufnehmer an einer Hauptdampfleitung die Systemintegrität. Fällt der Druck unter einen definierten Sollwert, leitet das Steuerungssystem automatisch korrigierende Maßnahmen ein, wie das Schließen von Ventilen oder das Aktivieren von Sicherheitsschaltungen. Eine korrekte Einstellung gewährleistet sowohl den Schutz der Anlagen als auch die Sicherheit des Personals.

Bedeutung von Sollwertmarge und Genauigkeit

Die Marge zwischen einem Sollwert und einer technischen Grenzvorgabe ist von großer Bedeutung. Diese Marge berücksichtigt Messfehler, Sensorabweichungen, Vibrationen und Umwelteinflüsse. Sind die Margen zu gering – oder entsprechen die Sollwerte dem maximal zulässigen Grenzwert – gibt es keinen Spielraum für Messfehler, was das Risiko eines unsicheren Betriebs erhöht.

Darüber hinaus können unsachgemäße Kalibrierung oder schlechtes Design dazu führen, dass der gemessene Wert außerhalb sicherer Grenzen driftet. Ausreichende Sollwertmargen verhindern Fehlalarme und gewährleisten eine gleichbleibende Leistung unter wechselnden Anlagenbedingungen.

Hinweis des Autors: Viele Prozesszwischenfälle resultieren nicht aus fehlerhaften Geräten, sondern aus schlecht eingestellten Sollwerten, die keine ausreichenden Sicherheitsmargen enthalten.

Häufige Ursachen für Sollwertdrift und Ungenauigkeit

Sollwertdrift entsteht oft durch Konstruktionsgrenzen der Messgeräte, mechanischen Verschleiß oder unzureichende Kalibrierungsmethoden. Im Laufe der Zeit verändern sich die Eingangs-Ausgangs-Beziehungen von Sensoren, was zu Messwertverschiebungen führt. Sind die Kalibrierintervalle zu lang, kann sich die Drift so stark anhäufen, dass der Sollwert wirkungslos wird.

Auch Umweltbedingungen spielen eine große Rolle. Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Vibrationen können die Sensorpräzision beeinträchtigen. Der Einsatz von industrietauglichen Messgeräten mit nachgewiesener Langzeitstabilität – von Herstellern wie Siemens, Yokogawa oder Honeywell – hilft, Driftwirkungen zu minimieren.

Wichtige Begriffe bei der Kalibrierung von Steuerungssystemen

Um die Sollwerteinstellung klar zu verstehen, sind folgende Begriffe wichtig:

• Messgenauigkeit: Das Ausmaß, in dem der gemessene Wert dem tatsächlichen Prozesswert entspricht.

• Drift: Allmähliche Veränderung des Ausgangssignals eines Messgeräts über die Zeit bei konstantem Eingang.

• Marge: Der Puffer zwischen Betriebs- und Grenzbedingungen.

• Messbereich: Der messbare Bereich zwischen minimalem und maximalem Prozesswert.

• Sicherheitsgrenze: Die Grenzbedingung, die erforderlich ist, um Schäden oder unsicheren Betrieb zu verhindern.

• Spanne: Der Zahlenunterschied zwischen oberen und unteren Messgrenzen.

• Technische Grenzvorgabe: Die gesetzliche oder konstruktive Vorgabe, die die sichere Betriebsgrenze definiert.

Gestaltung sicherer und zuverlässiger Sollwerte

Sollwerte in sicherheitskritischen Systemen – wie zum Schutz von Druckbehältern, Turbinen oder Reaktoren – müssen Spielräume für Messunsicherheiten und Kalibrierdrift enthalten. Steuerungsfachleute sollten Sollwerte auf Basis folgender Faktoren berechnen:

• Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit der Geräte

• Erwartete Umgebungsbedingungen

• Kalibrierintervalle

• Systemvibrationen und Prozessstabilität

Alle Sollwerte müssen innerhalb des nutzbaren Bereichs des Messgeräts liegen, um verlässliche Messwerte zu gewährleisten. Die Geräte sollten speziell am Sollwert kalibriert werden, um Genauigkeit unter realen Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Auswahl des passenden Messbereichs

Bei der Auslegung eines Steuerungssystems sollte ein Messbereich gewählt werden, der die erwarteten Prozessbedingungen komfortabel abdeckt. Bereiche, die den Sollwert nahe an das obere oder untere Ende der Skala legen, sind zu vermeiden, da Sättigung oder Nichtlinearität die Messwerte verfälschen und die Steuerungsgenauigkeit mindern können.

Hinweis des Autors: Ein gut gewählter Bereich verbessert nicht nur die Präzision, sondern verlängert auch die Lebensdauer des Messgeräts, indem Überlastungen oder übermäßiges Schalten vermieden werden.

Erhaltung von Genauigkeit und mechanischer Unversehrtheit

Messgeräte, die rauen Industrieumgebungen ausgesetzt sind – wie starke Vibrationen, Druckwechsel oder Temperaturschwankungen – müssen gegen Glühen, Spannungsabbau oder Verfestigung widerstandsfähig sein. Werden diese physikalischen Einflüsse nicht berücksichtigt, können mechanische Verformungen und Genauigkeitsverluste auftreten.
Hersteller prüfen diese Bedingungen üblicherweise durch Konstruktionsvalidierung und Umwelttests, um langfristige Zuverlässigkeit für den Industrieeinsatz sicherzustellen.

Sicherung der Sollwerteinstellungen

Jeder Sollwertverstellmechanismus eines Messgeräts sollte über eine mechanische oder administrative Verriegelung verfügen. Dies verhindert unbeabsichtigte Änderungen durch Vibrationen oder Bedienfehler. Ein sicheres Einstellsystem unterstützt zudem die Rückverfolgbarkeit, da jede Änderung im Rahmen des Qualitätsmanagements dokumentiert werden muss.

Bei modernen digitalen Messgeräten haben softwarebasierte Sicherungen – wie Passwortschutz oder elektronische Prüfprotokolle – die physischen Verriegelungen ersetzt. Dieser Ansatz entspricht den besten Praktiken in industrieller Cybersicherheit und behördlichen Vorgaben.

Dokumentation und Überprüfung der Sollwerte

Jede Sollwertwahl sollte dokumentiert werden, einschließlich der Annahmen zur Marge, der erwarteten Drift und der Kalibrierintervalle. Diese Aufzeichnungen sind Teil der Sicherheitsanalyse und gewährleisten die Einhaltung von Normen wie IEC 61511 und ISO 13849.

Eine konsequente Dokumentation ermöglicht es Wartungsteams zudem, Leistungstrends zu verfolgen und frühe Anzeichen von Sensorverschleiß zu erkennen.

Anwendungsszenarien in der Industrieautomatisierung

Fall 1: Dampfdruckschutzsystem
Ein Druckaufnehmer erkennt einen Abfall unter 90 % des Nennwerts. Die SPS aktiviert eine Abschaltsequenz, um die Hauptdampfleitung zu isolieren und Anlagenschäden zu verhindern.

Fall 2: Reaktortemperaturregelung
Temperatursollwerte werden mit ±2 °C Marge eingestellt, um Thermoelementdrift zu berücksichtigen. Automatische Kalibrierung sorgt für präzise Temperaturregelung während langer Produktionsläufe.

Fall 3: Alarm bei Überlast des Pumpenmotors
Das Leitsystem überwacht den Motorstrom gegen eine vorgegebene Grenze. Überschreitet der Strom den Sollwert länger als 3 Sekunden, löst das System einen Alarm aus und reduziert die Motordrehzahl.

Fazit

Eine genaue Sollwerteinstellung und Alarmverwaltung sind grundlegend für den sicheren und effizienten Betrieb von Steuerungssystemen. Ingenieure müssen Messgenauigkeit, Umwelteinflüsse und Drift berücksichtigen, um verlässliche Sollwerte festzulegen. Regelmäßige Kalibrierung, Dokumentation und Konstruktionsprüfung sichern die Einhaltung von Vorschriften und verhindern ungeplante Stillstände.

Ein disziplinierter Umgang mit Sollwerten erhöht die Anlagensicherheit, verlängert die Lebensdauer der Geräte und sorgt für Betriebskonstanz in modernen Industrieautomatisierungssystemen.