Kennzeichnnung von Arbeitsmitteln einer Industrieanlage
Aus Winfwiki
Inhaltsverzeichnis
|
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
In einem Unternehmen, der chemisch-pharmazeutischen Industrie werden zur Herstellung des Portfolios mehrere technische Produktionsanlagen betrieben. Neben Roh‑, Hilfs‑ und Betriebsstoffen sind Arbeitsmittel als Gebrauchsfaktoren in jeder Phase des Produktionsprozesses eingebunden.
Die Instandhaltung wird nach DIN 31051 definiert als: „Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Betrachtungseinheit zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann“[1]. Die Instandhaltung der Arbeitsmittel stellt folglich sicher, dass der funktionsfähige Zustand der Produktionsanlagen erhalten bleibt oder wieder hergestellt wird und ist besonders dort wichtig, wo das Versagen dieser technischen Systeme zu Schäden an den Anlagen, der Umwelt und am Menschen führen kann. Neben gesetzlichen Auflagen und Sicherheitsaspekten ist die Maximierung der technischen Anlagenverfügbarkeit ein wichtiges Ziel von Instandhaltungskonzepten. Umgekehrt verursacht eine ungeplante technische Nichtverfügbarkeit der Produktionsanlagen Störungen im Produktionsprozess und damit in der Regel Umsatzeinbußen. Die Qualität der Instandhaltung hat also direkte Auswirkungen auf das Betriebsergebnis.
Analog sind die betrieblichen Kosten für den Instandhaltungsbereich bei gleich bleibend hoher Qualität zu minimieren, beispielsweise bei der Abwägung zwischen Eigen- und Fremdinstandhaltung (Outsourcing).
Die korrekte und schnelle Verfügbarkeit von Informationen über eingesetzte Arbeitsmittel ist für die Instandhaltung von besonderer Bedeutung. Typenschilder, die Seriennummern und technische Kennzahlen ausweisen, sind häufig direkt an den einzelnen Komponenten der Produktionsanlage angebracht. Die Daten dieser Typenschilder werden manuell erfasst, allerdings können durch Verunreinigung (z.B. Schmierstoffe, Feuchtigkeit u.a.) schlecht lesbar sein.
Produktionsanlagen haben sich in den letzten Jahren in ihrer technischen Komplexität beträchtlich weiterentwickelt. Es wird daher zunehmend schwieriger, den Zustand einzelner Anlagenteile zu erfassen, da sich moderne Anlagen aus wesentlich mehr Komponenten auf gleichem Raum zusammensetzen als in früheren Jahren. Dies hat für die Instandhaltung zur Folge, dass zu erfassende Anlagenteile schwerer zugänglich und auch nicht immer ohne Hilfsmittel zu erreichen sind.
Die in dieser Fallstudie betrachteten Anwendungsszenarien basieren auf Gedankenspiele, die Geschäftsprozesse im Instandhaltungsbereich durch den Einsatz der RFID-Technologie effizienter zu gestalten.
Elektromotoren sind die am häufigsten verwendeten Antriebsmaschinen in Produktionsanlagen der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Sie liefern die für die Bewegung der Arbeitsmaschinen (z.B. Rührwerke, Pumpen, Zentrifugen) erforderliche Drehbewegungsenergie. Nachfolgende Abbildung beschreibt den aktuellen Prozess der Störmeldung eines Elektromotors mit Hilfe einer ereignisgesteuerten Prozesskette (EPK):
Abbildung 1: EPK Störmeldung
Jedes Betriebsmittel ist im SAP-System (ERP-System) eingepflegt und über eine Equipmentnummer an einen Technischen Platz gebunden, dies ist nicht nur bei eingebauten der Fall, sondern auch Ersatzgeräte sind so zugeordnet. Wenn im Betrieb eine Störung an einem Elektromotor auftritt, wird von dem Reparaturbeauftragten im SAP eine Störmeldung angelegt. Der zuständige Instandhaltungsmitarbeiter (IH-MA) wird vom Reparaturbeauftragten über diese Störung telefonisch informiert. Im SAP nimmt der IH-MA dann die SAP-Meldung an, d.h. er setzt den Status der Meldung in SAP auf ’Instandsetzung angenommen’. Der IH-MA erhält die Information in welchem Anlagenteil sich das gemeldete Betriebsmittel befindet anhand der Anlagenkennzeichnung (AKZ) aus dem Merkmal ’Technischer Platz’ der SAP-Meldung. Allerdings geht aus dem Merkmal ’Technischer Platz’ nicht eindeutig hervor wo auf welcher Etage sich die Anlage bzw. das Betriebsmittel befindet. Eine Einweisung des IH-MA durch den Reparaturbeauftragten sollte vor Ort erfolgen. Dadurch weiß der IH-MA wo sich das Betriebsmittel befindet und kann mit der Fehlersuche beginnen. Es können sich mehrere Ergebnisse bei dieser Fehlersuche ergeben, hier wird nur der Fall eines defekten Elektromotors betrachtet. Alle anderen Möglichkeiten sind kein Bestandteil dieser Betrachtung. Nach der Feststellung durch den IH-MA, dass ein Defekt am Elektromotor vorliegt, werden weitere Schritte zum Austausch des Betriebsmittels unternommen. Der IH-MA gibt telefonisch der Abteilung Motorenlagerverwaltung (Abt-MLV) den Technischen Platz des Betriebsmittels durch. Anhand der Equipmentnummer kann ein Mitarbeiter der Abt-MLV die technischen Daten des defekten Elektromotors aus dem SAP-Stammdatensatz herausfiltern. Mit diesen Daten wird im SAP eine Suche gestartet ob ein Ersatzgerät auf Lager vorhanden ist oder nicht. Hier können sich zwei verschiedene Szenarien entwickeln, zum einen das kein passender Ersatz vorhanden ist und ein Beschaffungsvorgang angestoßen werden muss zum anderen das Ersatz vorhanden ist. Damit das passende Ersatzbetriebsmittel beschafft werden kann, muss der IH-MA vor Ort eine Überprüfung der technischen Kenndaten vornehmen, damit sichergestellt werden kann, dass die Datensätze im SAP-System korrekt sind und die richtigen Informationen enthalten. Erst nach dieser Kontrolle wird der Beschaffungsvorgang ausgelöst.
Die andere Möglichkeit ist das sich in den Stammdatensätze des SAP-Systems mehrere mögliche Ersatzgeräte befinden. Der Mitarbeiter der Abt-MLV stellt den Ersatzmotor für den IH-MA an der Abholfläche des Motorenlagers bereit. Mit Hilfe eines geeigneten Transportmittels wird der Ersatzmotor vor Ort gebracht. Bevor das Ersatzbetriebsmittel ausgetauscht wird, überprüft der IH-MA am defekten Elektromotor die technischen Kenndaten und vergleicht diese mit denen des bereitgestellten Ersatzmotors.
Sind die relevanten Kenndaten nicht voneinander abweichend, wird der Austausch des Elektromotors durchgeführt. Der defekte Elektromotor wird zur Reparatur an eine externe Firma geschickt. Zeitnah muss eine Umbuchung im SAP-System geschehen, da jedes Betriebsmittel an einen technischen Platz gebunden ist. Die Equipmentnummer der beiden Betriebsmittel muss an den jetzigen Stand angepasst und dem jeweiligen neuen Technischen Platz zugeordnet werden. Der defekte Elektromotor wird im SAP-System mit Status ’In Reparatur’ gepflegt. Eine Kontrolle der im SAP gepflegten Daten führen die IH-MA durch um Fehler der historisch gewachsenen Daten zu identifizieren und korrigieren zu können. Bevor es elektronische Daten gab hat man den Bestand der Elektromotoren mit Hilfe eines Karteisystems in Papierform gepflegt. Als später die Computersysteme Einzug in den betrieblichen Alltag hielten, wurde ein IBM-Host-System verwendet um Daten zentral auf einem Server zu verwalten und zu sichern. Dabei wurden die Daten aus der Papier-Karteidatenbank manuell in eine Datenbank in das Host-System eingepflegt. Im Rahmen der SAP-Einführung im Unternehmen wurden dann die Daten aus der IBM-Host-Datenbank in SAP überführt. Beim Durchlauf dieser Stufen lasen sich Fehler in den Informationen nicht mit Sicherheit ausschließen.
1.2 Zielsetzung und Aufbau
Eine mögliche Verbesserung der Instandhaltungsprozesse an Elektromotoren mittels RFID-Technologie ist Gegenstand dieser Fallstudie. Es wird am konkreten Beispiel der Störmeldung eines Elektromotors versucht aufzuzeigen, welche Verbesserungen erzielt werden können. In der Praxis findet die RFID-Technologie schon vielerorts Anwendung, beispielhafte Anwendungsbereiche sind Logistik, der öffentliche Sektor (Ticketing), Fahrzeugidentifikation und Tieridentifikation, allerdings gibt es keine veröffentlichte Informationen über konkrete Anwendungsfälle in Produktionsanlagen zur Objektkennzeichnung. Diese Fallstudie soll einen Überblick der RFID Technik vor allem in Bezug zum Einsatz bei der Verwaltung von Arbeitsmitteln geben. Im Hinblick auf die Umsetzung im operativen sowie technischen Sinne soll anhand eines Szenarios eine Handlungsentscheidung für die reale Umsetzung gegeben werden. Das zweite Kapitel dieser Fallstudie beschäftigt sich mit den Grundlagen der RFID-Technik und mit der Frage was ist eine Industrieanlage und wie ist sie aufgebaut. Wichtiger Bestandteil des Kapitels 2 sind die rechtlichen Vorschriften, die ein Betreiber beachten und einhalten muss. Im dritten Kapitel wird ein denkbares Szenario für den Einsatz der RFID-Technik zur Verwaltung von Arbeitsmitteln anhand eines Geschäftsprozesses vorgestellt. Eine Schlussbetrachtung inkl. der schon erwähnten Handlungsentscheidung enthält das vierte und letzte Kapitel dieser Fallstudie.
2 Grundlagen
2.1 RFID
2.1.1 Transponder
...die Informationen zu diesem Grundlagenthema entnehmen Sie bitte den anderen Fallstudien...
2.1.2 Lesegeräte
...die Informationen zu diesem Grundlagenthema entnehmen Sie bitte den anderen Fallstudien...
2.2 Datenintegrität
Da in den Produktionsbereichen auch viele elektrische Betriebsmittel eingesetzt werden, können Störungen im Frequenzbereich auftreten, die die Kommunikation zwischen Transponder und Reader negativ beeinflussen. Eine fehlerhafte Datenübertragung kann Konsequenzen haben, wenn auf Basis fehlerhaft übermittelter Daten Produktionsanlagen zur Herstellung von Medikamenten in Betrieb gehen. In diesem Kapital wird der Aspekt der Datenintegrität näher betrachtet. Unter Datenintegrität versteht man, dass zu jedem Zeitpunkt sichergestellt werden muss, dass übermittelte Daten vom angegebenen Absender stammen und vollständig, sowie unverändert beim Empfänger angekommen sind.
2.2.1 Prüfsummenverfahren
Bei jedem einzelnen Datenaustausch zwischen Transponder und Reader können Übertragungsfehler mit Hilfe von Prüfsummenverfahren erkannt werden. Ist eine Prüfung nicht erfolgreich, so können Korrekturmaßnahmen, i.d.R. durch erneutes Senden fehlerhafter Datenblöcke, eingeleitet werden [2].
Die Paritätsprüfung und die Längssummenprüfung ermitteln, jeweils vor Übertragung der Nutzdaten, einen Prüfwert aus der Quersumme der zu übertragenden Daten und übertragen diesen Prüfwert dann zusätzlich mit an den Empfänger. Ermittelt der Empfänger die gleiche Information aus der Quersumme der empfangenen Daten, so gilt die Datenübertragung als erfolgreich. Während die Paritätsprüfung den Prüfwert mit einem zusätzlichen Bit angibt, ob die Quersumme gerade oder ungerade ist, arbeitet die Längssummenprüfung mit der Quersumme selbst: Der Sender überträgt bei der Längssummenprüfung ein zusätzliches LRC-Byte, ermittelt der Empfänger aus der Summe von Quersumme der Nutzdaten und LRC-Byte einen Wert ungleich null so war die Datenübertragung fehlerhaft.
Beide Prüfverfahren haben jedoch das große Manko, dass sich Mehrfachfehler in der Quersumme gegenseitig aufheben können und dann eine fehlerhafte Datenübertragung nicht erkannt wird. Ebenso wird in beiden Prüfverfahren ein reines Vertauschen der Bitfolge nicht als Fehler erkannt [3].
Bei der zyklischen Redundanzprüfung, auch CRC‑Verfahren genannt, wird mit Hilfe des Modulos (Restwert einer Division) aus zwei Polynomfunktionen eine CRC‑Summe ermittelt die bei der Datenübertragung an die Nutzdaten angehängt wird. Der Empfänger führt eine erneute CRC‑Berechnung über alle empfangenen Daten (Nutzdaten und angehängte CRC‑Summe) durch und kommt bei erfolgreicher Datenübertragung zu einer CRC‑Summe von null. Das zusätzlich zu übertragende Datenvolumen, welches für die CRC‑Summe erforderlich ist, hängt von dem Volumen der Nutzdaten ab. Ebenso steigt der Rechenaufwand zur Bildung der CRC‑Summe exponentiell mit steigendem Nutzdatenvolumen. Der große Vorteil des CRC‑Verfahren liegt in der Sicherheit der Fehlererkennung. Fehler können sich bei der Prüfung nicht mehr gegenseitig aufheben, da durch zyklische Redundanzprüfung jedes einzelne Bit und seine Positionierung in der Bitfolge erfasst wird [4].
2.2.2 Antikollisionsverfahren
Da die zu identifizierenden Komponenten häufig sehr nah beieinander in der Anlage verbaut sind, sollte der Aspekt des gleichzeitigen Vielfachzugriffs beachtet werden. Ein Vielfachzugriff liegt genau dann vor, wenn viele Transponder in den Sende- und Empfangsbereich des Lesegerätes gelangen und Daten übertragen oder ausgetauscht werden. Fordert ein Lesegerät umgekehrt viele Transponder auf Daten zu senden nennt man diese Transaktion einen Broadcast.
Abbildung 2: Broadcast und Vielfachzugriff
Abbildung 2 zeigt, dass ein Broadcast kein Problem darstellt, da hier der ausgesendete Datenstrom von allen Transpondern gleichzeitig empfangen werden kann. Der Vielfachzugriff ist hingegen problematisch, weil sich eine vorher unbekannte Anzahl von Transpondern den einen Kommunikationskanal zum Lesegerät teilen müssen [5]. Das Zugriffsprotokoll zur technischen Realisierung eines Vielfachzugriffs bei RFID-Systemen wird Antikollisionsverfahren genannt und stellt einige Anforderungen an Transponder und Lesegerät, da zuverlässig und ohne spürbaren Zeitaufwand verhindert werden muss dass vom Transponder gesendete Daten im Empfänger des Lesegeräts kollidieren und damit unlesbar werden [6]. Im RFID‑Bereich kommen drei grundlegend unterschiedliche Antikollisionsverfahren zum Einsatz: [7]
Raummultiplexverfahren stellen die Kanalkapazität in räumlich getrennten Bereichen so zur Verfügung, dass es zu keinem Vielfachzugriff kommen kann. Praktisch wird dies im RFID‑Bereich entweder durch eine elektronisch steuerbare Richtantenne am Lesegerät oder aber durch den Einsatz vieler Lesegeräte in Verbindung mit Transpondern mit geringer Reichweite realisiert.
Bei Frequenzmultiplexverfahren stellt das Lesegerät den Transpondern gleichzeitig mehrere Übertragungskanäle auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen zur Verfügung. In der Praxis kommen diese Verfahren sehr selten zum Einsatz, da es hohe technische Anforderungen an die Lesegeräte stellt.
Zeitmultiplexverfahren teilen die gesamte zur Verfügung stehende Kanalkapazität zeitlich unter den Transpondern auf.
Abbildung 3: Zeitmultiplexverfahren
Zeitmultiplexverfahren stellen im RFID‑Bereich die mit Abstand größte Gruppe der Antikollisionsverfahren dar. Die Abbildung 3 zeigt eine Übersicht der relevanten Untergruppen und insbesondere ihr Verhältnis zu den wachsenden Hardwareanforderungen, von denen vereinfachend angenommen wird, dass sie sich linear zu den verursachenden Kosten verhalten. Zeitmultiplexverfahren werden nach transpondergesteuerten und lesergesteuerten Verfahren unterschieden. Transpondergesteuerte Verfahren arbeiten asynchron, da keine Steuerung der Datenübertragung durch das Lesegerät erfolgt und ist daher sehr langsam und unflexibel. Ein weit verbreiteter Vertreter der transpondergesteuerten Verfahren ist das ALOHA-Verfahren, welches ausschließlich bei Read‑only‑Transponder mit Identifier und WORM-Transpondern zum Einsatz kommt. Die lesergesteuerten Verfahren untergliedern sich tiefergehend in die Polling‑Verfahren und die Binary-Search-Verfahren. Im Gegensatz zu den Binary‑Search‑Verfahren braucht das Lesegerät bei den „Polling“‑Verfahren eine Liste aller möglichen Transponder die in einer Anwendung auftreten können. Da diese Voraussetzung bei der Erfassung fest installierter Komponenten in einer Anlage problemlos realisierbar ist, wird auf das wesentlich komplexere Binary‑Search‑Verfahren nicht weiter eingegangen [8]. Das Slotted‑ALOHA‑Verfahren ist ein weit verbreiteter Vertreter der lesergesteuerten „Polling“‑Verfahren und funktioniert wie folgt: Das Lesegerät gibt mit einem READ‑Kommando zunächst das erste Bit vor. Alle Transponder, die diesem Suchmuster entsprechen antworten. Kommt es zur Kollision, so gibt das Lesegerät ein zweites Bit vor. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der gesuchte Transponder gefunden wurde (vgl. Abbildung 4), welcher nach der erfolgreichen Datenübertragung abgeschaltet wird. Dieses Verfahren erlaubt die Bearbeitung von bis zu 100 Transpondern pro Sekunde [9].
Abbildung 4: Slotted-ALOHA-Verfahren
2.3 Industrieanlage
Die allgemeine Definition einer Industrieanlage, die auch Produktionsanlage genant wird, besagt dass alle Einrichtungen zur Produktion materieller Güter Produktionsanlagen sind [10] .
Im Rahmen dieser Fallstudie werden die Einzelheiten und Zusammenhänge einer Industrieanlage in der chemischen Industrie erläutert.
Die Vorgänge der Chemietechnik laufen in Apparaten ab, in denen die für die Aufgabe erforderlichen Bedingungen, wie z.B. Temperatur, Druck usw. geschaffen werden können. Meist ist zur Bewältigung einer chemisch-technischen Aufgabe eine Reihe von Apparaten erforderlich, die durch Förderanlagen wie Pumpen und Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Maschinen liefern die benötigte Energie, Prozessleit-/MSR-Geräte überwachen, steuern und regeln die Zustandsgrößen.
Eine Chemieanlage ist für den Laien auf den ersten Blick ein unüberschaubares, komplexes Gebilde, das aus vielen Einzelteilen besteht. Wenn man allerdings eine analysierende Betrachtung durchführt, erkennt man dass diese vielen Einzelteile auf eine begrenzte Anzahl von Grundelementen zurückgeführt werden kann. Eine Chemieanlage besteht demnach aus den Grundelementen Rohrleitungen, Armaturen, Apparate, Maschinen, Fördereinrichtungen, Lagereinrichtungen und Prozessleittechnik (Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen).
Nähere Erläuterungen zu den einzelnen Elementen einer Industrieanlage folgen im nächsten Kapitel (2.4). Im Anhang befindet sich zur Veranschaulichung ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (kurz R+I-Fließbild) und einen Aufstellungsplan einer Anlage auf einer Etage eines Produktionsgebäudes, die zeigen sollen wie ein Teil einer Produktionsanlage aussehen könnte.
2.3.1 Definition der Produktionsbereiche
In der chemischen und petrochemischen Industrie, bei der Erdöl- und Erdgasförderung, im Bergbau und in vielen anderen Industriezweigen entweichen bei der Herstellung, Verarbeitung, Transport und Lagerung brennbarer Stoffe Gase, Dämpfe oder Nebel. Bei vielen Prozessen vor allem in der Nahrungsmittelindustrie entstehen auch brennbare Stäube. Diese brennbaren Gase, Dämpfe, Nebel und Stäube bilden vermischt mit dem Sauerstoff der Luft eine explosionsfähige Atmosphäre. Bei einer Entzündung dieser Atmosphäre treten Explosionen auf, die schwerwiegende Personen- und Sachschäden zur Folge haben können. Zur Vermeidung von Explosionsgefahren sind in den meisten Staaten Schutzvorschriften in Form von Gesetzen, Verordnungen und Normen entwickelt worden, die ein hohes Sicherheitsniveau gewährleisten sollen. Aufgrund zunehmender internationaler wirtschaftlicher Verflechtungen wurden große Fortschritte in der Vereinheitlichung der Vorschriften für den Explosionsschutz erzielt. Die Voraussetzungen für eine vollständige Vereinheitlichung sind in der Europäischen Union durch die Richtlinien 94/9/EG und 99/92/EG geschaffen. Im Bergbau waren seit Anbeginn Bergleute von "schlagenden Wettern" bedroht. Hier liegen die Anfänge des Explosionsschutzes, der sich bis heute in den Industrieländern zu einem hohen Sicherheitsniveau entwickelt hat.
Betriebe, in denen entzündbare Stoffe verarbeitet werden, sind als explosionsgefährdete, so genannte Ex-Betriebe gekennzeichnet. Dort gelten besonders strenge Sicherheitsvorschriften.
- Rauchen und offenes Feuer sind verboten
- Feuerzeuge und Streichhölzer dürfen nicht mitgeführt werden
- Es sind nicht funkende Werkzeuge zu verwenden (CuBe-Legierungen)
- Der Fußboden und die Arbeitsschuhe dürfen nicht funkenerzeugend sein und müssen elektrisch leitfähig sein.
- Alle Teile der Anlagen, besonders die Abfüllanlagen, müssen elektrisch geerdet sein, damit es zu keiner elektrostatischen Aufladung kommt.
- Arbeiten mit offenem Feuer /Schweißen, Löten, Schleifen) sind nur ausnahmsweise und nach Betriebsanweisung durchzuführen. Durch besondere Maßnahmen, wie z.B. Abschalten der Anlage, ist zu gewährleisten, dass keine explosionsfähige Atmosphäre entstehen kann.
- Es dürfen keine gas- oder ölbeheizten Öfen sowie Verbrennungsmotoren, z.B. von Fahrzeugen betrieben werden.
- Es ist darauf zu achten, dass keine heißen Oberflächen entstehen, z.B. bei Rohrleitungen oder Heizmänteln.
- Es dürfen nur explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel verwendet werden, die für explosionsgefährdete Räume ausdrücklich zugelassen sind, wie zum Beispiel Explosionsgeschützte Elektromotoren, Beleuchtungskörper und Schalter.
In der chemischen Industrie sind die meisten der vorhandenen Produktionsbereiche explosionsgefährdete Bereiche, die damit gewissen gesetzlichen Regelungen und Vorschriften unterliegen.
Der Betreiber einer solchen Anlage hat die Bereiche, in denen explosionsfähige Atmosphäre vorhanden sein kann, in Zonen einzuteilen und die Einhaltung, der in der Richtlinie geforderten Mindestvorschriften organisatorischer und technischer Art, zu gewährleisten.
Explosionsgefährdete Bereiche werden in Zonen unterteilt, um die Auswahl zweckentsprechender Betriebsmittel sowie die Gestaltung von sachgerechten elektrischen Installationen zu erleichtern. Informationen und Vorgaben für die Zoneneinteilung finden sich in IEC 60079-10 und in nationalen Regeln, wie in Deutschland der ExRL "Explosionsschutz-Regeln - Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung" (BGR 104) oder den Technischen Regeln Betriebssicherheitsverordnung TRBS 2152 wieder.
Bei der Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen und der Festlegung der notwendigen Schutzmaßnahmen ist jeweils das höchstmögliche Gefahrenpotential zu berücksichtigen.
Explosionsgefährdete Bereiche werden in sechs Zonen eingeteilt, wobei sich die Einteilung nach der Wahrscheinlichkeit richtet, wie häufig und wie lange damit zu rechnen ist, dass eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre auftritt. Es wird dabei zwischen brennbaren Gasen, Nebeln, Dämpfen und brennbaren Stäuben unterschieden. Für Gase-Nebel-Dämpfe ergeben sich die Zonen 0, 1 und 2, wobei die Anforderungen an die dort eingesetzten Betriebsmittel von Zone 2 nach 0 steigend sind. Für Stäube ergeben sich die Zonen 20, 21 und 22, wobei die Anforderungen an die dort eingesetzten Betriebsmittel von 22 nach 20 steigend sind.
Laut den Richtlinien werden nicht nur explosionsgefährdete Bereiche unterschieden, sondern auch die Betriebsmittel werden in Gerätegruppen und Gerätekategorien eingeteilt. Bei einem zertifiziertem Gerät kann man auf Grund der Kennzeichnung am Typenschild erkennen, für welche Zone das explosionsgeschützte Betriebsmittel eingesetzt werden darf.
Tabelle 1: Überblick über Zoneneinteilung und die Zuordnung von Geräten [11]
Über die Gerätekategorie wird bestimmt, welches Betriebsmittel in welcher Zone eingesetzt werden darf. Dabei gibt es wiederum sechs Gerätekategorien. Die Kategorien 1G, 2G und 3 G sind Einteilungen für den Gasexplosionsschutz (G = Gas); dabei sind Betriebsmittel mit 1 G für Zone 0, 1 und 2, Betriebsmittel mit 2 G für Zone 1 und 2 und Betriebsmittel mit 3 G für Zone 2 geeignet. Die Kategorien 1D, 2D und 3 D sind Einteilungen für den Staubexplosionsschutz (D = Dust); dabei sind Betriebsmittel mit 1 D für Zone 20, 21 und 22, Betriebsmittel mit 2 D für Zone 21 und 22 und Betriebsmittel mit 3 D für Zone 22 geeignet.
Der Hersteller von Geräten, die eine potentielle Zündquelle aufweisen und die dadurch eine Explosion verursachen können, muss diese einer Zündgefahrenbewertung unterziehen und Maßnahmen entsprechend den grundlegenden Sicherheitsanforderungen vorsehen, um eine Zündgefahr durch diese Geräte auszuschließen. In der Richtlinie werden Geräte der Gruppe II in drei Kategorien eingeteilt mit unterschiedlich hohem Sicherheitsniveau (für den Untertage Bereich Gruppe I zwei Kategorien). Die erforderlichen Schutzmaßnahmen sind dem jeweiligen erforderlichen Sicherheitsniveau angepasst (siehe folgende Tabellen).
Tabelle 2: Kategorien Gruppe I
Tabelle 3: Kategorien Gruppe II [12]
Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen dürfen erst dann in Verkehr gebracht werden, wenn sie dem von der Richtlinie vorgegebenem Konformitätsbewertungsverfahren unterzogen wurden. Für Geräte der Kategorie 1 und M1 ist eine Ex-Baumusterprüfung und Zertifizierung durch eine benannte Prüfstelle durchzuführen. Gleiches gilt für elektrische Betriebsmittel und Verbrennungsmotoren der Kategorie 2 und M2. Für sonstige nichtelektrische Betriebsmittel dieser Kategorie wie auch für die der Kategorie 3 kann der Hersteller die Konformität mit den Anforderungen der Richtlinie feststellen und dokumentieren. Prüfbescheinigungen einer benannten europäischen Prüfstelle werden innerhalb der gesamten EU anerkannt.
Wird über die Gerätegruppe und Gerätekategorie bestimmt, in welchen Zonen ein Betriebsmittel eingesetzt werden darf, so wird über die Explosionsgruppe und Temperaturklasse bestimmt, für welche Medien innerhalb der Zonen das Betriebsmittel eingesetzt werden darf. Die Zündschutzart hingegen stellt kein Qualitätsmerkmal dar sondern ist eine für die Betriebsmittel gewählte konstruktive Lösung zur Realisierung des Explosionsschutzes.
Je nach Zündschutzart werden explosionsgeschützte Betriebsmittel für Gase, Nebel und Dämpfe in drei Explosionsgruppen (IIA-IIB-IIC) unterteilt. Die Explosionsgruppe ist ein Maß für die Zünddurchschlagfähigkeit von Gasen (explosionsfähiger Atmosphäre). Die Anforderungen an das Betriebsmittel steigen von II A nach II C.
Bei explosionsgeschützten Betriebsmitteln, die innerhalb des Ex-Bereiches installiert werden, wird in sechs Temperaturklassen (T1 bis T6) unterschieden. Die Temperaturklasse ist nicht - wie häufig fälschlicherweise interpretiert - die Einsatztemperatur des Betriebsmittels, sondern die am Betriebsmittel maximal zulässige Oberflächentemperatur, die bezogen auf + 40°C Umgebungstemperatur an keiner Stelle der Oberfläche und zu keinem Zeitpunkt überschritten werden darf. Die maximale Oberflächentemperatur muss in jedem Fall kleiner sein als die Zündtemperatur des umgebenden Mediums. Die Anforderungen an das Betriebsmittel steigen von T1 nach T6.
Zusätzlich zu den üblichen Daten (Hersteller, Typ, Serien-Nr., elektrische Daten) sind die den Explosionsschutz betreffenden Daten in die Kennzeichnung aufzunehmen (siehe Tabelle 3, Kennzeichnung nach Richtlinie 94/9/EG und der Normen EN 60079 ff und EN 61241 ff). Die CE-Kennzeichnung des Gerätes bestätigt die Einhaltung aller für das Gerät geltenden EU-Richtlinien. Beispielsweise muss eine mit CE gekennzeichnete explosionsgeschützte Leuchte sowohl der Explosionsschutzrichtlinie als auch der EMV-Richtlinie entsprechen.
Tabelle 4: Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel[13]
2.3.2 Rechtliche Vorschriften
Das Grundgesetz bildet die Basis für alle rechtlichen Regelungen in Deutschland und in ihm werden unter anderem die Aufgaben und Rechte des Staates definiert. Im Rahmen seiner verfassungsgemäßen Gewalt kann der Staat als Gesetzgeber Normen (Gesetze, Verordnungen und Vorschriften) erlassen. Zum Betreiben einer Industrieanlage sind alle geltenden Vorschriften zwingend ein zuhalten und sich nach deren Inhalt zu richten. Anhand der Inhalte der geltenden Vorschriften, Gesetze und Normen werden für eine Industrieanlage ein Vorschriftenkonzept, Sicherheitsrichtlinien und Arbeitsanweisungen ausgearbeitet. Die geltenden Vorschriften zum Schutz der Allgemeinheit umfassen zum Beispiel das Chemikalienrecht (Einstufung, Kennzeichnung und Sicherheitsdatenblätter zu Stoffen), den Arbeits- und Gesundheitsschutz, den Verbraucherschutz, die Gefahrstoffverordnung, die Biostoffverordnung und den Umweltschutz. Gemäß den Bestimmungen zum Arbeitsschutz sind in Deutschland bereits vor Aufnahme der Tätigkeit vorausschauende Arbeitsplatzbewertungen für sichere Arbeitsverfahren durchzuführen. Auf Basis der ebenfalls durchzuführenden Gefährdungsbeurteilungen sind expositionsbezogen die notwendigen technischen, persönlichen und organisatorischen Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Im Sicherheitsdatenblatt werden die Angaben zum sicheren Umgang mit Stoffen produktbezogen aufgeführt. Im verbrauchernahen Bereich gelten spezielle Gesetze und Vorschriften, wonach für die jeweilige Anwendung über das Chemikalienrecht hinausgehende Untersuchungen und Bewertungen zum Schutz der Gesundheit vorgeschrieben sind. So müssen zum Beispiel ein Lebensmittelzusatzstoff nach dem Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetz, eine neue Creme nach dem Kosmetikrecht und ein Medikament nach dem Arzneimittelgesetz produktbezogen getestet und teilweise sogar zugelassen werden. Für Emissionen von Stoffen in die Umwelt sowie für die Entsorgung von mit ihnen hergestellten Produkten gelten grundsätzlich die allgemeinen gesetzlichen Regeln des Umweltrechts. So werden z. B. durch das Bundes-Immissionsschutzgesetz sowohl Schutz- als auch Vorsorgeanforderungen für die Errichtung und den Betrieb von genehmigungsbedürftigen Anlagen festgelegt. Die Chemieindustrie hat dazu Umweltleitlinien aufgestellt.
Ein wichtiger Aspekt einer Produktionsanlage in der chemischen Industrie ist, dass es in den Produktionsbereichen zu einer explosionsfähigen Atmosphäre kommen kann. Das heißt wiederum das Bereiche in denen Explosionsgefahr besteht, die zur Schädigung von Personen oder der Umwelt führen können, unterliegen in den meisten Staaten der Welt gesetzlichen oder vergleichbaren Regelungen. Aufgrund dieser Besonderheit müssen alle eingesetzten Arbeitsmittel, oft auch als Betriebsmittel bezeichnet, diesen besonderen Anforderungen genügen. Als Grundlage dient die Richtlinie „zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten betreffend elektrischer Betriebsmittel zur Verwendung in explosionsfähiger Atmosphäre“[14], diese wurde bereits 1976 vom Rat der Europäischen Gemeinschaft erlassen. Zur weiteren Vereinheitlichung des Explosionsschutzes und zur Anpassung an ein neues Richtlinienkonzept wurde 1994 die EG-Richtlinie 94/9/EG „zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen“[15] erlassen. Sie regelt die Anforderungen an die Beschaffenheit explosionsgeschützter Geräte und Schutzsysteme, indem sie grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen (GSGA) vorschreibt. Die in Fachkreisen übliche Bezeichnung ATEX 95 bzw. 100 a. "ATEX" kommt aus der Abkürzung der französischen Bezeichnung für explosionsfähige Atmosphären "atmosphères explosibles". Die Richtlinie wurde ohne Abweichung ins nationale Recht übernommen und in der Bundesrepublik Deutschland erfolgte dies durch Erlass der Explosionsschutzverordnung (ExVO) als 11. Verordnung des Geräte- und Produktsicherheitsgesetzes. Die Richtlinie gilt für alle industriellen explosionsgefährdeten Bereiche einschließlich Bergbau und bezieht auch den Staubexplosionsschutz mit ein und richtet sich an den Hersteller bzw. den Importeur und regelt das Inverkehrbringen explosionsgeschützter Geräte, durch Festlegungen zur Bauart, Zertifizierung, Herstellung und Qualitätssicherung, Kennzeichnung, Betriebsanleitung und die Konformitätserklärung. Das heißt der Anwendungsbereich erstreckt sich auf alle elektrischen und nichtelektrischen Geräte und Schutzsysteme. Dies bedeutet für alle eingesetzten Betriebsmittel, besonders für die elektrischen Betriebsmittel, dass diese nicht ohne eine so genannte ATEX-Bescheinigung, auch als Konformitätserklärung bekannt, in explosionsgefährdeten Industriebereichen eingesetzt werden dürfen.
Als Normen fließen die so genannten VDE-Bestimmungen mit ein. Die VDE-Bestimmungen sind anerkannte Regeln der Technik. Sie werden als VDE-Bestimmungen oder als entsprechend gekennzeichnete Normen (DIN VDE) vom Verband Deutscher Elektrotechniker e.V. erlassen.
Da ein wichtiger Absatzmarkt vieler Chemie- und Pharmakonzerne die USA sind, müssen die Regularien der amerikanischen Zulassungsbehörde für Lebens- und Arzeimittel, die „Food and Drug Administration“ (kurz FDA), eingehalten werden. Dies bedeutet, dass alle Systeme, die an der Produktion chemisch/pharmazeutischer Produkte für die USA beteiligt sind, daher validiert und FDA -compliant sein müssen. Für die pharmazeutische Industrie wird in Europa die Zulassung für Arzneimittel oder gentechnisch hergestellte Präparate von der European Medicinal Evaluation Agency (EMEA) erteilt oder entzogen. Die Entscheidungen der EMEA sind für alle Mitgliedsstaaten der Europäischen Union bindend. Der von der FDA 1997 in Kraft gesetzte "21 CFR part 11, Electronic Records and Electronic Signatures, final rule" regelt den Umgang mit elektronisch erzeugten und gespeicherten Daten sowie mit elektronisch geleisteten Unterschriften verbindlich. Zusätzliche Qualitätsregelwerke wie GMP (Good Manufacturing Practice), GLP (Good Laboratory Practice) oder GCP (Good Clinical Practice) legen neben den von den Behörden FDA und EMEA formulierten Regelwerken allgemeine Validierungs-Richtlinien fest. Die Einhaltung ergänzender Leitlinien und Qualitätsnormen (ISO) stellen zwar keine behördlichen Anforderungen dar, sind jedoch die Grundlage für Qualitätsverpflichtungen eines Anbieters gegenüber seinen Kunden. Das bedeutet konkret, dass die IT-Systeme und Prozesse der beteiligten Unternehmen ebenso wie die automatisierten Prozesse in Labor und Produktion FDA-compliant sein müssen. Für elektronisch erzeugte und gespeicherte Daten / elektronische Signaturen ist die 21 CFR part 11-Compliance notwendig.
2.4 Arbeitsmittel
Arbeitsmittel sind Gegenstände die der Arbeitnehmer zur Ausübung oder zur Erledigung seiner Arbeiten einsetzt. In der EG-Richtlinie 89/655/EWG Artikel 2 Definitionen ist dazu festgehalten:
„Im Sinne dieser Richtlinie gelten als Arbeitsmittel: alle Maschinen, Apparate, Werkzeuge oder Anlagen, die bei der Arbeit benutzt werden“.[16]
Auch in der Betriebssicherheitsverordnung wird das Arbeitsmittel als „Werkzeuge, Geräte, Maschinen oder Anlagen. Arbeitsmittel sind z. B. die Handbohrmaschine ebenso wie die Lampe. Der Lieferwagen genauso wie der Gabelstapler oder die prozessgesteuerte Anlage.“[17] definiert.
2.4.1 Definition Rohrleitung
Rohrleitungen sind rohrförmige Verbindungen zwischen Anlagenteilen und in ihnen werden die Rohstoffe, Hilfsstoffe, Zwischenprodukte von einem Apparat zum anderen transportiert. Der Stofftransport erfolgt zum überwiegenden Teil in geschlossenen Rohrleitungssystemen. Die Abmessungen der Rohre und der geeignete Rohrwerkstoff werden entsprechend den betrieblichen Anforderungen ausgewählt.
2.4.2 Definition Armatur
Armaturen sind im allgemeinen Sinne mechanische Steuerungselemente, sie sind in Rohrleitungen eingebaut und regulieren die Menge der in den Rohrleitungssystemen strömenden Stoffe. Außerdem sperren und öffnen sie Rohrleitungen und schützen Anlagen vor Überlastung. Es gibt verschiedene Arten von Armaturen, z.B. Ventile, Hähne und Klappen, sie sind so gebaut dass sie verschiedene Funktionen, wie die geforderte Öffnung, Änderung oder Zustellung des Massenstromes, erfüllen können. Absperr- und Regelventile werden Rohrleitungen abgesperrt und geöffnet sowie die Durchflussmenge in feinen Stufungen reguliert werden. Sicherheitsventile sind Armaturen, die zum Schutz von Rohrleitungen, Behältern und Betriebspersonal gegen Schäden durch einen unzulässig hohen Überdruck dienen. Sie verhindern durch selbsttätiges Öffnen das Überschreiten eines vorbestimmten Überdrucks in einer Anlage. Bei unter Druck stehenden Anlagen ist der Einbau eines Sicherheitsventils vorgeschrieben.
2.4.3 Definition Apparate
Unter der Sammelbezeichnung Apparate versteht man in der Chemieindustrie im Allgemeinen meist geschlossene Behälter mit Einbauten. In ihnen werden Stoffe gesammelt, gemischt, in ihrem physikalischen Zustand verändert oder chemisch umgewandelt. Bei den Apparaten unterscheidet man Reaktionsapparate und verfahrenstechnische Apparate. Reaktionsapparate, auch Reaktoren genannt, sind Teil der chemischen Produktionsanlage, in der die chemische Stoffumwandlung (Reaktion) durchgeführt wird. Die Reaktoren sind so gestaltet, dass in ihnen die zum Ablauf der Reaktion erforderlichen Bedingungen (z.B. Druck und Temperatur) eingestellt werden können. Am häufigsten wird der Rührbehälter, auch Rührkessel, eingesetzt. In Verfahrenstechnischen Apparaten werden die Stoffe ich ihrem physikalischen Zustand verändert (z.B. Temperatur durch Erhitzen oder Kühlen, Verteilungsgrad durch Mischen oder Trennen. Sie sind den Reaktionsapparaten vor- oder nachgeschaltet. Häufig verwendete verfahrenstechnische Apparate sind zum Beispiel: Wärmetauscher, Verdampfer, Destillierapparate und Filtrierapparate.
2.4.4 Definition Maschinen
Die Maschinen in den chemischen Anlagen liefern die Energie für bewegte Apparateteile (z.B. für den Rührer in einem Kessel) und für sich bewegende Stoffmengen, wie z.B. für die strömende Flüssigkeit in den Rohrleitungssystemen. Als Maschinen bezeichnet man Geräte, in den Stoffe mechanischen Einwirkungen ausgesetzt werden, wie z.B. Mühlen, Kneter, Zentrifugen, Pumpen, Verdichter usw.
2.4.5 Definition Fördereinrichtungen
Fördereinrichtungen dienen zum Transport von Stoffen an den Ort der Produktionsanlage, wo sie gebraucht und eingesetzt werden. Zu ihnen gehören, z.B. Transportbänder, pneumatische Fördersysteme, Einsauganlagen sowie Pumpen und Kompressoren. Pumpen dienen zum Fördern von Flüssigkeiten in den Rohrleitungssystemen einer Chemieanlage. Zu einer Pumpe gehört neben der eigentlichen Pumpe als Antriebseinheit ein Elektromotor, der über eine Kupplung die Pumpenwelle antreibt. Kompressoren sind Fördereinrichtungen für Gase, diese Maschinen erzeugen Unterdruck oder Überdruck. Mögliche Arten sind Verdichter, Gebläse, Ventilatoren oder Vakuumpumpen. Vakuumpumpen sind Maschinen, mit denen in Behältern und Rohrleitungen Vakuum, d.h. ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks erzeugt wird. Ihr Wirkprinzip beruht darauf, das in dem Behälter sich befindende Gas aus ihm herauszubefördern. Ventilatoren, auch Lüfter genannt, werden bevorzugt für die Lüftförderung benötigt. z.B. zum Belüften von Arbeitsräumen oder Betriebsgebäuden, zum Absaugen von Abgasen oder staubhaltiger Luft.
2.4.6 Definition MSR-/ Prozessleittechnik
Der Begriff Prozessleittechnik (PLT) wurde 1980 in der Bayer AG für die Zusammenführung der klassischen MSR- und elektrotechnischen Gruppen eingeführt. Dieser zunächst als betriebsorganisatorische Maßnahme eingeführte Begriff verbreitete sich auch außerhalb der Bayer AG sehr schnell und gilt heute als Synonym für die ganzheitliche Betrachtung von Aspekten der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, der Informationstechnik und Informatik sowie der informationsorientierten Betrachtung von industriellen Produktionsprozessen. Die Prozessleittechnik ist ein Mittel und Verfahren, die dem Steuern, Regeln und Sichern verfahrenstechnischer Anlagen dient und enthält folgende Komponenten, wie Sensor-/Aktor-Systeme, Prozessleitsysteme, Räume und Kabelwege für leittechnische Einrichtungen. Die Prozessleittechnik dient als Mittler zwischen dem technischem Prozess (Produktionsprozess), und dem Menschen, der diesen Prozess beobachtet und bedient. Die PLT-Einrichtungen dienen also dazu, den Betriebszustand (z.B. Druck und Temperatur) in Chemieanlagen zu erfassen und den Prozess unter optimalen Bedingungen ablaufen zu lassen. Prozessleitsysteme steuern Chemieanlagen automatisch.
2.4.7 Definition elektrisches Betriebsmittel
Die Norm DIN VDE 0100-200 sagt aus, das elektrische Betriebsmittel als ein „Produkt, das zum Zweck der Erzeugung, Umwandlung, Übertragung, Verteilung oder Anwendung von elektrischer Energie benutzt wird, z.B. Maschinen, Transformatoren, Schaltgeräte und Steuergeräte, Messgeräte, Schutzeinrichtungen, Kabel und Leitungen, elektrische Verbrauchsmittel“[18] definiert werden. Elektrische Betriebsmittel werden unterschieden in ortsveränderliche elektrische Betriebsmittel, ortsfeste Betriebsmittel und in fest angebrachte elektrische Betriebsmittel.
3 RFID in der Anwendung
Viele Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten der chemisch‑pharmazeutischen Industrie fallen in Produktionsanlagen an die zu den Ex‑Bereichen der Zone 2 oder sogar der Zone 1 zählen. Da das Behälterinnere als Zone 0 definiert ist und in diesem Bereich keine Betriebsmittel eingesetzt werden, ist Zone 0 nicht relevant für die Auswahl der RFID-Komponenten. Es müssen nicht nur die eingesetzten Arbeitsmittel Ex-sicher sein, sondern auch die fürs Wartungsmanagement verwendeten PDA´s und Transponder. Aus diesem Grund ist bei allen zum Einsatz kommenden RFID‑Komponenten darauf zu achten, dass sie die für Zone 1 und Zone 2 erforderlichen Eigenschaften erfüllen (vgl. Kapitel 1.1.4 und 1.1.5). Bislang sind der „i-roc 52x-Ex“ und „i-roc62x-Ex“ der Firma ecom instruments GmbH die einzigen für Zone 1 zugelassenen PDA´s auf dem Markt. Sie erfüllen zusätzlich die Anforderungen der Schutzart IP 65, sind sehr robust und verfügen über ein Display, welches auch bei schwierigen Lichtverhältnissen gut lesbar ist. Eine Kommunikation mit anderen Geräten ist mit Hilfe von integrierter WLAN-Karte, Bluetooth‑ Infrarot‑ oder USB‑Schnittstelle möglich. RFID‑Transponder können mit dem integrierten RFID-Modul, welches ein Lese‑ und Schreibsystem umfasst, ausgelesen und beschrieben werden. Die chemische Industrie stellt auch besondere Anforderungen an die Bauart der Transponder, z. B. bezüglich Ex-Schutz, Chemikalienbeständigkeit, UV-Einfluss, Temperatureinflüssen, Feuchtigkeit und Erschütterungen. Im Bereich der Ex-Transponder gibt es mehr als einen Anbieter. Um mögliche Inkompatibilitäten zwischen Lesegerät und Transponder auszuschließen, werden beide RFID-Komponenten von einem Hersteller in die Betrachtung einbezogen. Beide RFID-Komponenten (PDA und Transponder) des Herstellers ecom instruments GmbH besitzen eine Zulassung zum Betreiben in explosionsgefährdeter Umgebung, sie vefügen über eine ATEX‑Bescheinigung (vgl. Kapitel 1.1.4 und 1.1.5), welche die Erfüllung gesetzlicher und sicherheitstechnischer Bestimmungen gewährleistet. Es wird ein Stufen-Plan vorgestellt, der drei nicht zwangsweise aufeinander aufbauende Stufen beinhaltet.
Der Einfluss von Maschinen und Anlagen auf die Funktionsfähigkeit von RFID-Systemen ist hauptsächlich durch elektromagnetische Störfelder in der Arbeitsfrequenz des RFID-Systems begründet. Diese Störfelder können die Kommunikation zwischen Schreib-/Lesegerät und Transponder stören bzw. unterbrechen. Elektromagnetische Störfelder sind im Produktionsbetrieb ständig vorhanden, z. B. durch elektrisch betriebene und automatisierte Anlagen. Als potenzielle unternehmensinterne Verursacher von elektromagnetischen Feldern stehen verschiedene Antriebe, Stellmotoren, Transformatoren und elektrische Verkabelungen zur Verfügung. Alle elektrischen Betriebsmittel zum Einsatz in einer RFID-Umgebung müssen derart gebaut sein, dass Lesevorgänge nicht behindert werden. Bei der Spezifikation und Anforderungen an das RFID-System muss auch beachtet werden, dass der Transponder manipulationssicher mit dem Arbeitsmittel verbunden ist. Der Leseabstand sollte mindestens 30 cm betragen, um das einfache Auslesen mit einem Handlesegerät sicherstellen zu können und maximal nicht mehr als 150 cm betragen, da sonst die Gefahr bestünde, dass beim Auslesen der Transponder die Daten nicht korrekt und unvollständig erfasst werden.
Folgende Anforderungen sollten außerdem noch beachtet werden:
Tabelle 5: Anforderungen an das RFID-System
3.1 Anbringung von Transpondern an den Elektromotoren
3.1.1 Beschreibung
Jeder installierte Elektromotor und auch jedes Ersatzgerät im Lager wird mit einem passiven WORM-Transponder (in Ex-Ausführung) ausgestattet, welcher mit einer Seriennummer und den wichtigsten technischen Typmerkmalen beschrieben wird. Der Transponder muss mit dem Objekt fest verbunden werden, auch darf der Transponder in seinem Lebenszyklus keinem anderen Objekt zugeordnet werden, sonst geht die Eindeutigkeit zwischen Transponder-ID und Bezugsobjekt verloren. Technische Typmerkmale können beispielsweise die Nennleistung, Spannung, Arbeitsstrom und die Zündschutzart der elektrischen Betriebsmittel sein. Aufgrund der technischen Typmerkmale sollten die eingesetzten Transponder mindestens über ein Speichervolumen von 40 Byte verfügen. Der Ex- TEC PU 34 - RFID Transponder der Firma ecom instruments GmbH aus Assamstadt wäre für die Anwendung geeignet. Als PDA´s (mobile Handlesegeräte) kann der i.roc 620 –Ex (Industrie PDA mit ATEX Zone 1 Gas und Staub Zulassung) ebenfalls ein Produkt der Firma ecom instruments GmbH eingesetzt werden. Die Reichweite dieser PDA´s reicht aus um den sogenannte Handbereich eines Menschen zu erfassen (Der Handbereich ist der Bereich, der sich von Standflächen aus erstreckt, die üblicherweise betreten werden, dessen Grenzen eine Person in alle Richtungen ohne Hilfsmittel mit der Hand erreichen kann.[19]), sie ist sogar noch größer als diese Anforderung. Das Problem der Vielfachzugriffe kann mit dem einfachen, transpondergesteuerten ALOHA‑Verfahren (vgl. 1.1.3) gelöst werden. Wird mehr als ein Transponder vom PDA erfasst, so kann die Reichweite am PDA reduziert werden, bis eine eindeutige Zuordnung zum ausgelesenen Transponder erfolgt.
3.1.2 Nutzenpotenziale
Mit Hilfe der mobilen PDA´s kann jederzeit und zuverlässig vor Ort überprüft werden, ob der jeweilige Elektromotor die im jeweiligen Einsatzbereich erforderlichen technischen Kenndaten erfüllt. Im Rahmen einer Bestandsaufnahme kann die Seriennummer zuverlässig erfasst werden. Es wird außerdem eine Arbeitserleichterung für die Mitarbeiter vor Ort erzielt, da schwer zugängliche oder schwer lesbare Typenschilder nicht mehr durch manuelles Ablesen erfasst werden müssen. Die Prozesse der Wartung und der Störungsbeseitigung an diesen elektrischen Betriebsmitteln profitieren gleichermaßen von dieser Stufe. In beiden Fällen wird die manuelle Prüfung technischer Typmerkmale durch eine automatisierte Prüfung ersetzt. Wird z.B. ein defekter Elektromotor ausgetauscht, so kann durch Vergleich der Datensätze des defekten und des neu eingebauten Elektromotors am PDA schnell geprüft werden, ob die technischen Typmerkmale des Ersatzmotors mit denen des defekten Elektromotors übereinstimmen.
3.2 Festinstallierte Lesegeräte und Anbindung / Implementierung in SAP
3.2.1 Beschreibung
Ausgangspunkt ist das jedes Arbeitsmittel in der Anlage bereits mit Ex-Transpondern bestückt sind und eine Transponderbestückungsliste vorhanden und gepflegt ist. Für jeden Anlagenteil in dem Elektromotoren zum Einsatz kommen und im Ersatzteillager werden je nach räumlicher Ausdehnung ein oder mehrere Lesegeräte fest installiert. Jedes stationäres Lesegerät ist für einen bestimmten Bereich vorgesehen und erfassen so eine bestimmte Anzahl von Elektromotoren. Der Vielfachzugriff wird mit einem Polling‑Antikollisionsverfahren realisiert (vgl. 1.1.3). Das Lesegerät synchronisiert die hierfür erforderlichen Informationslisten aller möglichen Transponder mit dem SAP-System, in dem der Lagersollbestand und der Bestückungsplan der Anlage hinterlegt ist. Die Lesegeräte synchronisieren, mithilfe des Polling-Antikollisionsverfahren, die Daten aus den Transpondern aus der Anlage oder dem Lager mit den Daten aus dem SAP-System. Im SAP-System sind je Anlage oder Lager die Daten der eingebauten oder eingelagerten Elektromotoren in einem Stammdatensatz hinterlegt. Ein solcher SAP-Stammdatensatz enthält den Einbau- oder Lagerort und die technischen Kenndaten eines jeden Elektromotors. In definierten festgelegten Zeitabständen wird eine Abfrage über die festinstallierten Lesegeräte an die Transponder geschickt. Das Ergebnis dieser Abfrage wird mit der Informationsliste der Transponder aus dem SAP-System verglichen. Wenn eine Abweichung der empfangenden Daten mit denen aus des SAP-System auftritt, wird automatisch eine Dateninkompatibilitätsmeldung generiert. (vgl. Abbildung 5) Die Lesegeräte registrieren nur das Fehlen eines eingetragenen Transponders und nicht wenn ein neuer Transponder, zu dem es keine Eintragungen in der Informationsliste im SAP-System gibt, in der Anlage verbaut oder im Lager eingelagert wird.
Tabelle 5: Soll-Ist-Vergleich Elektromotoren
3.2.2 Nutzenpotenziale
Durch die im SAP-System gepflegten Transponder-Informationslisten (Soll-Zustand der Anlage) kann ein Elektromotor schnell und zuverlässig lokalisiert werden. Der Soll-Ist-Abgleich stellt sicher das ein gesuchter Elektromotor sich auch an der Stelle befindet an der das System ihn lokalisiert hat. Das bedeutet eine durchgängige, systemantsiche Unterstützung der Inventur, eine zuverlässige Identifikation der Arbeitsmittel, eine eindeutige Bestimmung der Standorte der Arbeitsmittel und eine gesteigerte Aktualität und Zuverlässigkeit der Anlagenstammdaten. Im Asset Management kann also die RFID-Identifikation für eine aktuelle und zuverlässige Datenlage bei der Bestandsnachweis und Inventur benutzt werden.
Im Bereich des Controlling kann jederzeit eine aktuelle und vollständige Auswertung aller Anlagen durchgeführt werden. Auch Statistiken nach betriebswirtschaftlichen Kriterien sind aufgrund des vorliegenden Datenumfangs möglich.
3.3 Wiederbeschreibbare Transponder und Synchronisation von PDA und SAP
3.3.1 Beschreibung
Für die Durchführung von Instandhaltungsaufträgen erhalten die Mitarbeiter einen mit fälligen Wartungsaufträgen beladenen PDA. Der PDA wird über eine Docking Station (möglich ist auch WLAN oder über GPRS/GSM) mit dem SAP-System synchronisiert. Im SAP-System werden die auf den PDA geladenen Wartungsaufträge für eine weitere Bearbeitung gesperrt, außerdem wird die Signatur des verwendeten PDA´s gespeichert um unberechtigten Zugriff zu verhindern. Der PDA zeigt die zu erledigenden Aufträge, die betreffenden Arbeitsmittel und die technischen Plätze der Arbeitsmittel. Hat der Mitarbeiter das Arbeitsmittel erreicht, identifiziert und öffnet er den dazugehörigen Auftrag durch das Lesen des daran angebrachten RFID-Transponders. Nach der Identifikation stellt die Software die für das Arbeitsmittel hinterlegten Instandhaltungsmasken zur Verfügung. In der Detailanzeige sieht er alle Informationen wie Texte oder Materiallisten, welche er für die Durchführung seiner Inspektions- oder Wartungstätigkeit benötigt. Die vom Gerät vorgegebenen Wartungsschritte werden abgearbeitet und mit standardisierten Schadenscodes in Form von Meldungspositionen auf dem PDA abgelegt. Der Abschluss des Auftrages erfolgt mit dem zweiten Lesen des RFID-Transponders. Zusätzlich wird ein Schreibvorgang gestartet, der die Anfangs- und Endzeit sowie das Datum der durchgeführten Wartung auf dem RFID-Transponder festhält. Auf dem PDA ist nach dem Abschluss keine Veränderung des betreffenden Auftrags mehr möglich. Der Wartungsauftrag samt Meldungspositionen wird nach Arbeitsende an das SAP-System zurückgeladen. Zeigt sich im Zuge der Wartung, dass weitere Arbeiten am Betriebsmittel nötig sind, kann der Instandhalter direkt im PDA einen Instandhaltungsauftrag anlegen und diesen über die Docking Station in das SAP-System übertragen, das diesen Auftrag dann sofort dem entsprechenden Mitarbeiter über die Arbeitsplatzzuweisung zuordnet.
3.3.2 Nutzenpotenziale
Ein RFID-Transponder ermöglicht die Ablage von Daten, z.B. der Servicehistorie oder der technischen Dokumentation, direkt auf dem betroffenen Abeitsmittel. Durch die zusätzliche Historienpflege direkt auf den Transpondern werden die wichtigsten Daten gesichert, auch im Falle das ein PDA in seiner Funktion eine Störung aufweist und es nicht mehr möglich ist eine Synchronisation mit SAP durchzuführen bzw. diese nicht vollständig abgeschlossen werden kann. Durch die Synchronisation von PDA und SAP werden Medienbrüche vermieden, wodurch die Qualität der Informationen erhöht wird. Auch eine bessere Koordinierung der Mitarbeiter, eine zuverlässigere Verknüpfung von Arbeitsmittel und Servicehistorie ergeben sich hierdurch. Bei einer Betriebsbegehung können IH-MA, Betriebsmeister und/oder Betriebsleiter jederzeit durch Auslesen der auf dem Transponder gespeicherten Daten stichprobenartig Informationen abrufen, womit z.B. eine Vereinfachung in Bezug auf externen Prüfverfahren (Wirtschaftsprüfer, Behörde etc.) geschaffen werden kann.
4 Schlussbetrachtung
Vorteile des Einsatzes von RFID-Systemen ergeben sich in der Bewältigung der Variantenvielfalt sowie in der automatischen Speicherung von Prüf- und Qualitätsprotokollen. Vorteile durch den Einsatz von RFID ergeben sich auch durch die Option auf ein automatisiertes Datenmanagement. Den Nutzenpotenzialen der verschiedenen Stufen muss auch der jeweilige Aufwand der sich dadurch ergibt gegenübergestellt werden. Dieser Aufwand bezieht sich auf alle Bereiche eines Unternehmens, Infrastruktur, Transponder / PDA´s, Implementierung in SAP, Implementierung in die betriebseigenen operativen Abläufe, Mitarbeiterressourcen für Analyse, Umsetzung, Implemtierung, Pflege und Wartung. Der Nachteil geschlossener Systeme besteht darin, dass auch der Nutzen der RFID-Lösung auf das jeweilige System begrenzt ist. Entwicklungs-, Einführungs- und Betriebskosten sind vollständig von den Systembetreibern aufzubringen. Das Einstiegsrisiko in die Anwendung von RFID-Technologien kann minimiert werden, wenn man klein anfängt und auf der Grundlage der gemachten Erfahrung im nächsten Schritt zu größeren und besseren Lösungen kommen. Abschließend lässt sich sagen das sich potenzielle Anwendungsfelder der RFID-Technologie sich in nahezu jedem Bereich der Industrie, dem Handel und des Dienstleistungssektors ergeben, wo die Notwendigkeit der Objektidentifikation und Datensammlung besteht. In der deutschen Chemieindustrie und Pharmaindustrie noch keine nennenswerten Pilotprojekte initiiert worden sind. Die Firmen IBM und SAP sind zwar in verschiedenen Inhouse-Projekten als Systemintegratoren damit beauftragt, auch in Unternehmen der Chemieindustrie den Einsatz der RFID-Technologie zu verifizieren, aber Ergebnisse oder Modellrechnungen wurden noch nicht veröffentlicht. Der Verband der Chemischen Industrie (VCI) hat im August 2005 ein Dossier zum „Einsatz von Transpondern (RFID) in der chemischen Industrie"[20] veröffentlicht. Dieses Dossier enthält eine grundlegende Aufbereitung des Themas RFID für ihre Mitglieder, wobei darin auffällt das die Möglichkeiten des Einsatzes von RFID relativ allgemein gehalten wird, d.h. konkrete Anwendungsszenarien sind nicht beschrieben. Die Branche der chemischen Industrie in Deutschland wird sich eher langfristig zu einer relevanten Anwenderbranche von RFID-Lösungen entwickeln.
5 Anhang
Literaturverzeichnis
- ↑ DIN 31051 (2003), o.S.
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 209
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 209 f.
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 211 ff.
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 213 ff.
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 215
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 216 ff.
- ↑ Vgl. Finkenzeller (2006), S. 218 f.
- ↑ Vgl. Gillert / Hansen (2007), S. 156 f.
- ↑ Vgl. Gienke / Kämpf (2006), o.S.
- ↑ Vgl. Falk / Hofbauer (2004) S. 13 ff.
- ↑ Vgl. Falk / Hofbauer (2004) S. 13 ff.
- ↑ Vgl. Falk / Hofbauer (2004) S.13 ff. & S. 144 ff.
- ↑ 76/117/EWG (1976), o.S.
- ↑ EG-Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95), o.S.
- ↑ 65.Richtlinie 89/655/EWG (2007), o.S.
- ↑ BetrSichV (2004), §2 (1), o.S.
- ↑ DIN VDE 0100-200 (2006), o.S.
- ↑ DIN EN 50107-1 (2003), o.S.
- ↑ VCI RFID Broschüre (2005), o.S.
Abkürzungsverzeichnis
| AG | Aktiengesellschaft |
| ALOHA | Übertragungsprotokoll |
| ATEX | Atmosphère explosible |
| BGR | Berufsgenossenschaftliche Regeln |
| bzw. | beziehungsweise |
| ca. | circa |
| CE | Communauté Européenne |
| cm | Zentimeter |
| CRC | Cyclic Redundancy Check = englische Bezeichnung für zyklische Redundanzprüfung |
| DIN | Deutsches Institut für Normung e. V. |
| e.V. | eingetragener Verein |
| EG | Europäische Gemeinschaft |
| EMEA | European Medicinal Evaluation Agency |
| EMV | Elektromagnetische Verträglichkeit |
| EN | Europäische Normen |
| EPC | Electronic Product Code |
| EPK | Ereignisgesteuerte Prozesskette |
| ERP | Enterprise Resource Planning |
| etc. | et cetera |
| EWG | Europäische Wirtschaftsgemeinschaft |
| ExRL | Explosionsschutz-Regeln |
| ExVO | Explosionsschutzverordnung |
| f. | folgende |
| FDA | Food and Drug Administration |
| ff. | fortfolgende |
| GCP | Good Clinical Practice |
| ggf. | gegebenenfalls |
| GHz | Gigahertz |
| GLP | Good Laboratory Practice |
| GMP | Good Manufacturing Practice |
| GPRS | General Packet Radio Service |
| GSGA | Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen |
| GSM | Global System for Mobile Communications |
| i.d.R. | in der Regel |
| IEC | International Electrotechnical Commission |
| IH | Instandhaltung |
| IP | International Protection |
| ISO | Internationale Organisation für Normung |
| IT | Informationstechnik |
| KFZ | Kraftfahrzeug |
| kHz | Kilohertz |
| LRC | Longitudinal Redundancy Check = englische Bezeichnung für die Längssummenprüfung |
| m | Meter |
| MHz | Megahertz |
| MSR | Messen-Steuern-Regeln |
| PDA | Personal Digital Assistant = englisch für persönlicher digitaler Assistent |
| PLT | Prozessleittechnik |
| RFID | Radio Frequency Identifikation |
| RS232 | Schnittstellen-Standard |
| RS422 | Schnittstellen-Standard |
| s.u. | siehe unten |
| TCP/IP | Transmission Control Protocol/Internet Protocol |
| TRBS | Technische Regeln für Betriebssicherheit |
| UMTS | Universal Mobile Telecommunications System |
| USB | Universal Serial Bus |
| usw. | und so weiter |
| VDE | Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik e.V. |
| vgl. | vergleiche |
| WLAN | Wireless Local Area Network |
| WORM | Write Once Read Multiple |
| z.B. | zum Beispiel |
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: EPK Störmeldung
Abbildung 2: Broadcast und Vielfachzugriff
Abbildung 3: Zeitmultiplexverfahren
Abbildung 4: Slotted-ALOHA-Verfahren
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Überblick über Zoneneinteilung und die Zuordnung von Geräten
Tabelle 2: Kategorien Gruppe I
Tabelle 3: Kategorien Gruppe II
Tabelle 4: Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel
Tabelle 5: Anforderungen an das RFID-System
